LM6000 газотурбинная установка

Газотурбинная установка LM6000 разработана на базе авиадвигателя CF6 и выпускается фирмой General Electric с 1991 г. Первоначально мощность ее составляла 40 МВт, КПД – 40%. С 1991 г. выпущено 1200 ГТУ этого типа. Они наработали в сумме более 33 млн ч, наибольшая наработка на агрегат достигла 160 тыс. ч. Эта ГТУ применяется для привода электрических генераторов и механизмов (компрессоров, насосов). Она работает автономно, в схемах комбинированного производства электроэнергии и тепла и в парогазовых установках. Газотурбинная установка LM6000 выполнена двухвальной. Генератор горячих газов для 5-ступенчатой турбины низкого давления (ТНД) состоит из 14-ступенчатого компрессора высокого давления (КВД), камеры сгорания и 2-ступенчатой турбины высокого давления (ТВД) с номинальной частотой вращения 10000 мин. Турбина НД через вал, находящийся внутри вала ВД, вращает компрессор низкого давления (КНД, 5 ступеней) и выдает полезную мощность со стороны выхода отработавших в ней газов. Выдача мощности возможна и со стороны КНД. Компрессор низкого давления выполнен с одним регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА), в компрессоре высокого давления (КВД) регулируется шесть направляющих венцов на входе. Изменение положения ВНА обеспечивает согласование расходов воздуха при быстрых пусках, остановах и снижении нагрузок и предотвращает срывные явления при длительной работе на очень малой нагрузке.

Аэродинамически совершенные рабочие и сопловые лопатки ТВД выполнены монокристаллическими из жаропрочного сплава и защищены термобарьерным покрытием. Рабочие лопатки всех ступеней ТНД объединены бандажом. Газотурбинная установка LM6000 поставляется с кольцевыми камерами сгорания (КС) двух типов. Камера первого типа аналогична камере авиационных ГТД и выполнена прямоточной с завихрителем Вентури, обеспечивающим равномерное распределение температуры на выходе из камеры. В ее конструкции предусмотрена возможность замены отдельных форсунок. Пламенная труба для увеличения срока службы выполнена неразъемной и защищена иттрий-циркониевым термобарьерным покрытием. Камера второго типа ‒ сухая, малоэмиссионная (выпускается с 1995 г.) с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, при работе на природном газе обеспечивает выбросы NOx не более 25 млн при концентрации O2 равной 15% без впрыска воды или пара, необходимых при работе на малосернистом жидком топливе для снижения концентрации NOx менее 42 млн. Фирма General Electric последовательно совершенствует конструкции ГТУ с повышением их показателей. После модернизации в 2009 г. модификация PG выпускается с авиадвигательной камерой сгорания, а РН – с малоэмиссионной. С 2013 г. в качестве таковой используется двухкольцевая двухтопливная камера сгорания с выбросами менее 15 млн и СО не более 25 млн при сжигании природного газа без впрыска воды или водяного пара. При модернизации ГТУ фирма General Electric применила свои достижения в подборе материалов и технологии, использованные при изготовлении авиадвигателей СF-80E и GE90, а также промышленной ГТУ LMS100. В 1992 г. начальная температура газа перед ТВД (фирма указывает обычно температуру торможения газового потока перед рабочими лопатками 1-й ступени) была равна 1237°С, а перед ТНД ‒ 832°С. В ГТУ новых модификаций PG и PH для увеличения мощности эта температура перед ТВД была повышена на 55°С, температура на входе в рабочие лопатки турбины низкого давления составляет 900°С, температура газов на выходе ‒ 470°С. Повышение мощности ГТУ также достигнуто благодаря увеличению степени сжатия компрессора, расхода газов и частоты вращения вала НД с 3627 до 3911 мин‒1.

Газотурбинная установка LM6000PG вышла на рынок в первой половине 2010 г., а LM6000PH ‒ в 2011 г. При модернизации LM6000PH в 2016 г. были изменены материалы дисков последних ступеней компрессора высокого давления (КВД), повышена температура газов в турбине (на выходе до 504°С). Для изготовления лопаток ТВД использованы современные материалы и покрытия, улучшена форма отверстий для пленочного охлаждения. Для уменьшения напряжений изменена конструкция болтов, переконструировано уплотнение 2-й ступени. В промышленной модели LM6000PH сохранены 90% деталей авиадвигателя. Ротор ГТУ такой же, как в двигателе CF6-80E. Межремонтный период генератора газов этой ГТУ составляет 25 тыс. ч. Хотя температура газов была повышена, выбросы сохранялись на уровне не более 25 млн‒1 при нагрузках от 100 до 50% номинальной. Всего с 1993 г., когда ГТУ LM6000 были оснащены малоэмиссионными камерами сгорания, в которых возможно сжигание жидкого топлива и различных по свойствам горючих газов, выпущено около 400 таких ГТУ, наработавших в сумме более 10 млн ч. Обеспечен пуск ГТУ с приемом полной нагрузки за менее чем 10 мин после сигнала на ее повышение, изменение мощности возможно со скоростью 50 МВт/мин. Совершенствование конструкции пэкиджа позволило снизить на 30% необходимое для его установки время (до 3 мес после подписания контракта на поставку ГТУ и 12 мес – на ПГУ). Одновременно на примерно 5 дБ (А) снизился шум вблизи установки. В ГТУ LM6000 использована система тонкого распыления воды на входе в КНД и в КВД для испарительного охлаждения сжимаемого воздуха и снижения работы компрессоров (SPRINT). Эта система не потребовала конструктивных изменений ГТУ. В результате мощность ГТУ увеличилась примерно на 10%. Мощность парогазовых установок с ГТУ LM6000 составляет около 70 МВт, при этом мощность паровой турбины ‒ 15‒18 МВт, а КПД ПГУ ‒ более 55%

Компрессор низкого давления служит для сжатия атмосферного воздуха и подачи его в компрессор высокого давления. Компрессор низкого давления LM6000 является 5-ти ступенчатым осевым компрессором. Выпускной поток компрессора низкого давления проходит через регулируемые сбросные клапаны (VBV), обеспечивая достаточный запас по срыву потока КНД при параметрах низкой мощности или при резких переменных режимах изменения мощности. Лопатки статора КНД выполнены фиксированной конфигурации. Ротор компрессора низкого давления предназначен для превращения механической энергии, полученной от вращения турбиной низкого давления, в энергию воздушного потока, проходящего через компрессор. Индивидуальные диски используются на ступенях 0 и 1. Ступени 2- 4 ротора компрессора низкого давления (РКНД) являются цельной катушкой. Лопатки 0-ой ступени индивидуально удерживаются в продольных пазах диска соединением «ласточкин хвост» в цельном держателе лопаток. Лопатки 1-4 ступеней КНД удерживаются в круговом пазе на диске 1-ой ступени и на катушке 2 -4 ступеней. Свойства крепления лопатки позволяют производить замену отдельных лопаток. Корпус статора ступеней 0-3 имеет горизонтальный разъем для облегчения замены лопаток. Для диагностической проверки без демонтажа статор имеет бороскопные отверстия, находящиеся на ступенях 1, 2 и 3. Лопатки статора 4-ой ступени вмонтированы в переднюю раму. Все лопатки статора имеют бандаж.

Задняя рама компрессора: ЗРК состоит из внешнего корпуса, 10 стоек, корпуса картера B/C. Рама обеспечивает опору шариковому подшипнику и двум роликовым радиальным подшипникам для поддержки средней части роторной системы высокого давления. Семь бороскопных портов предназначены для осмотра камеры сгорания, аппарата для предварительного смешивания и турбины высокого давления. Канал обслуживания картера B/C проходит через стойки ЗРК.

Камера сгорания предназначена для получения и подачи в турбину высокого давления рабочего тела (смеси воздуха и продуктов сгорания) необходимых параметров. По конструкции камера сгорания встроенная, прямоточная кольцевого типа. В ГТД используется система сгорания обедненной топливной смеси DLE (система снижения выбросов сухого типа). Конфигурация одинарной кольцевой камеры сгорания позволяет работать с равномерным соотношением смешения топлива с воздухом во всем диапазоне работы ГТУ, минимизируя выбросы NOх даже на режиме низкой нагрузки. Газовое топливо вводится в камеру сгорания через 75 предварительных смесителя, установленных в 30 модулях, которые образуют в ней три кольцевых зоны горения: внешнюю зону или зону «А», регулирующую зону или зону «В» и внутреннюю зону или зону «С». Тройная кольцевая камера сгорания предназначена для усовершенствования и уменьшения выбросов в атмосферу при запуске и работе на полной мощности. Тепловые экраны камеры сгорания изготовлены из однокристального сплава никеля и обладают быстрым охлаждением для сокращения выбросов и мощности. Газово-воздушные предварительные смесители установлены в технологических отверстиях тепловых экранах тройной камеры сгорания. В газо-воздушном предварительном смесителе воздух проходит через внутренний и наружный завихрители, закручивающие его в противоположных направлениях. Получающийся турбулентный поток интенсивно смешивает газ и воздух. Обратная закрутка делается для устранения возможности формирования зон обратных токов в приосевой зоне смесителя. С этой же целью внутри смесителя размещается центральное тело. Газ из коллектора подается в закрученный воздушный поток через отверстия, расположенные на выходной кромке лопаток завихрителя. Остаточный вихрь на выходе из сопла смесителя помогает стабилизировать горение «бедной» предварительно перемешанной топливно-воздушной смеси за срезом сопла. Система зажигания, состоящая из запальников BE-6816 и BE-6817, встроенных в КС вырабатывает электрическую искру высокого напряжения, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь в КС при пуске. Система состоит из возбудителя зажигания, кабеля и искрового воспламенителя. После воспламенения горение поддерживается самостоятельно без помощи воспламенителя.

Турбина высокого давления приводит во вращение компрессор высокого давления. Турбина высокого давления - осевая, двухступенчатая. Каждая ступень образуется рядом сопловых лопаток, закреплённых в корпусе соплового аппарата и следующим за ним рядом рабочих лопаток, закреплённых на диске ротора. В ТВД предусмотрено охлаждение воздухом наиболее горячих деталей и узлов.

Турбина низкого давления приводит во вращение КНД и генератор через понижающий редуктор, используя поток отработанного газа основной турбины. Основными компонентами модуля турбины низкого давления являются пятиступенчатый статор, пятиступенчатый ротор, литая ЗРТ, поддерживающая корпус статора и подшипники.

Задняя рама турбины ЗРТ является цельной отливкой, которая обеспечивает проток для выхлопных газов турбины и является основанием D/E картера, ротора турбины низкого давления (РТНД), разгрузочного поршня. Четырнадцать радиальных подпорок служат лопатками, направляющими поток газов в выхлопной диффузор Маслопроводы для подачи и очистки смазочного масла для D/E картера и датчиков вращения ротора турбины низкого давления проходят через подпорки.

Блок приводов агрегатов: спомогательное оборудование приводится в движение роторной системой высокого давления через зубчатую передачу центрального привода, радиальный приводной вал и блок раздаточного редуктора. Блок раздаточного редуктора прикреплен к обводному воздушному патрубку снизу. Редуктор привода агрегатов (РПА) расположен под корпусом компрессора высокого давления, приводится в движение от РР коротким горизонтальным валом. Стартер, маслонасосы для подачи и очистки смазочного масла, гидравлический насос ИГ с гидравлическим блоком управления и другое вспомогательное оборудование крепится на РПА и приводится им в движение.

Подшипники: восемь подшипников 1Ш, 2Р, 3Р, 4Р, 4Ш, 5Р, 6Р, 7Р поддерживают вращающиеся компоненты в турбинном двигателе. Каждая вращающаяся масса (компрессор, турбина и система разгрузочного поршня) поддерживается роликовыми подшипниками, а осевая нагрузка передается на шариковые подшипники. Эти подшипники находятся в картерах A, B/C и D/E опорных рам. Лабиринтовые уплотнения контролируют проток воздуха в картеры подшипников для предотвращения избыточного расхода масла. Картер А подшипников 1Ш, 2Р, 3Р соединен с раздаточным редуктором через ту же подпорку передней рамы, в которой находится вал РР. Масло сливается через редуктор. Подшипниковые зоны картеров B/C подшипников 4Р, 4Ш, 5Р и D/E подшипников 6Р, 7Р сливаются по отдельным линиям. Масловоздушная смесь из картеров отводится в маслоотделитель.

Блок-контейнер: газотурбинная генераторная установка закрыта устойчивым к погодным воздействиям контейнером, играющим роль кожуха. Контейнер, уменьшает тепловыделение от нагретых частей двигателя, и шум, исходящий от двигателя и потока заборного воздуха. Контейнер разделен перегородкой на два отделения. Одно отделение предназначено для газотурбинного двигателя, второе отделение – для редуктора и генератора переменного тока. Доступ в турбинное и генераторное отделения обеспечивается через дверцы в боковых стенках кожуха, имеется и дополнительный доступ в генераторное отделение через дверцы в тыловой стенке этого отделения. Двери во время работы ГТД должны быть закрыты. Для наблюдения за работающим двигателем в дверях установлены иллюминаторы. Для демонтажа и удаления газотурбинного двигателя в турбинном отделении имеются двойные дверцы, доступ в воздушную напорную камере обеспечивается через съемные боковые панели. Газотурбинный двигатель и генератор смонтированы на общей двутавровой балке. Соединительная муфта двигателя установлена на стороне впуска воздуха поступающего в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Осевой поток выхлопных газов выходит через переднюю стенку кожуха основного блока. В крыше отсеков двигателя и генератора предусмотрены отверстие для принудительной вентиляции объема контейнера. Температура воздуха в кожухе контролируется термометрами сопротивления. Для тушения пожара в блоке-контейнере предусмотрена система объемного пожаротушения. Отсеки двигателя и генератора оборудованы дренажными линиями для отвода конденсата и протечек.