«Наземная газотурбинная энергетическая установка с силовой турбиной»

Благодаря крупносерийному выпуску АГТД имеют сравнительно низкую удельную стоимость.

Однако по ряду показателей, как, например, числу оборотов выходного вала, экономичности, моторесурсу, тепловыделениям, они не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к ГТД электрических станций.

В то же время авиационные ГТД обладают рядом специфических качеств, которые вовсе не обязательны для ГТД энергетического назначения. Поэтому в случае использования того или иного авиационного двигателя в энергетических целях, необходимо его конвертировать, т. е. приспособить для нового назначения. Естественно, что, конвертируя АГТД для энергетики, можно создать установки лишь с такими характеристиками, какие способен обеспечить конкретно выбранный АГТД. Например, для создания газотурбогенератора (ГТГ) можно использовать как ТРД, так и ТВД. В то же время ТВД может быть одновальным или двухвальным. Конструкция и характеристики любого из выбранных двигателей определяются типом самолета или вертолета, для которого он предназначен. Естественно, что все это скажется на характеристиках ГТГ.

В настоящей работе произведен термогазодинамический расчет, а также расчет эксплуатационных характеристик стационарной газотурбинной установки (ГТУ) АЛ-31СТЭ, созданной на базе АГТД АЛ-31Ф.

1 Краткое описание ГТУ АЛ-31СТЭ

1.1 Краткое описание ГТУ

Газотурбинный двигатель АЛ-31СТЭ является модификацией высокоэффективного двигателя АЛ-31СТ, со специально спроектированной силовой турбиной, предназначенной для совместной работы с электрогенератором.

Газотурбинный двигатель АЛ-31СТ был разработан на базе авиационного двигателя АЛ-31Ф и АЛ-31ФП НТЦ им. А. Люльки НПО «Сатурн». После этого на НТЦ им. А. Люльки НПО «Сатурн» был разработан двигатель АЛ-31СТЭ для энергоустановок. В настоящее время двигатель выпускается также в ОАО «УМПО».

АЛ-31СТЭ может использоваться и как самостоятельный агрегат для выработки электроэнергии на ГТЭС, и как один из элементов в составе комбинированных парогазовых электростанций. В качестве топлива для двигателя используется природный газ.

Конструктивно двигатель выполнен в виде двух модулей: модуля газогенератора (ГГ) и модуля силовой турбины (СТ).

ГГ двигателя, разработанный на базе авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя, выполнен по двухвальной схеме.

Модули ГГ и СТ собраны на отдельных рамах. При стыковке модулей их рамы соединяются болтами, образуя единую раму, являющуюся основным элементом силовой схемы двигателя. Задний фланец ГГ жестко крепится к переднему фланцу СТ.

Газодинамическая устойчивость компрессора обеспечивается регулируе-мыми входными направляющими аппаратами (ВНА) и направляющими аппаратами двух первых ступеней девятиступенчатого компрессора высокого давления (КВД), а при запуске двигателя - выпуском избытка воздуха за четырехступенчатым компрессором низкого давления в атмосферу через клапан перепуска воздуха до набора заданной частоты вращения ротора КНД.

Поворотные лопатки направляющих аппаратов КВД изменяют углы установки линейно в зависимости от частоты вращения ротора КВД.

Атмосферный воздух через входное устройство поступает в компрессор двигателя.

В промежуточном корпусе за КНД воздух разделяется на два потока - наружный и внутренний.

Поток воздуха внутреннего контура поступает в КВД, где происходит его дальнейшее сжатие. Из КВД сжатый воздух поступает в кольцевую, камеру сгорания, где разделяется на первичный и вторичный потоки.

Первичный поток сжатого воздуха смешивается в жаровой трубе с топ-ливным газом, подаваемым форсунками. Образовавшаяся смесь сгорает при по-стоянном давлении, в результате чего образуются продукты сгорания с высокой температурой.

Вторичный поток воздуха обтекает стенки камеры сгорания, постоянно подмешивается через смесительные отверстия в жаровой трубе к продуктам сгорания и формирует заданное температурное поле перед турбиной.

Кинетическая энергия продуктов сгорания при расширении на рабочих лопатках турбин высокого и низкого давления преобразуется в механическую работу вращения роторов высокого и низкого давления.

ТВД приводит во вращение ротор КВД, а ТНД - ротор КНД.

Смесь продуктов сгорания, имеющая достаточную кинетическую энергию, после ТНД поступает в силовую турбину, которая через выходной вал с полумуфтой приводит во вращение ротор электрогенератора.

Воздушный поток из наружного контура сначала поступает в воздухо-воздушный теплообменник, где нагревается от воздуха, отобранного за КВД. Далее он охлаждает корпуса камеры сгорания и турбины ГГ и подмешивается к основному потоку продуктов сгорания перед силовой турбиной.

Первая часть воздуха, отобранного за КВД, подмешивается к продуктам сгорания после КС, вторая часть после теплообменника поступает на охлаждение соплового аппарата и рабочих лопаток ТВД, а оставшийся воздух смешивается с основным потоком газов после ТНД.

На рисунках 1.1 и 1.2 представлены продольные разрезы модуля газогенератора и силовой турбины двигателя АЛ-31СТН, который предназначен для привода газоперекачивающих агрегатов. АЛ-31СТЭ отличается от него тем, что:

• АЛ-31СТН имеет трехступенчатую силовую турбину, а АЛ-31СТЭ – пяти-;

• АЛ-31СТН рассчитана на частоту вращения ротора СТ 5300 об/мин, а АЛ-31СТЭ – 3000об/мин;

• Номинальная мощность АЛ-31СТН составляет 16 МВт, а АЛ-31СТЭ – 18 МВт.

Основные характеристики двигателя АЛ-31СТЭ приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 − Основные характеристики двигателя АЛ-31СТЭ

№ Наименование характеристики Величина

1 Мощность силовой турбины на валу, МВт 18

2 Степень повышения давления в компрессоре 17,05

3 Температура газов за камерой сгорания, К 1548,6

4 Температура газов за силовой турбиной, К 762

5 Эффективный КПД, % 36±0,5

6 Расход воздуха через двигатель, кг/с 64,88

7 Частота вращения ротора силовой турбины, об/мин 3000

8 Топливо Природный газ

9 Габариты:

- длина по оси, мм

- максимальная высота, мм

- максимальная ширина, мм

4880

2118

1950

10 Межремонтный ресурс, ч 15000…25000

11 Общетехнический ресурс, ч 45000…75000

12 Общетехнический ресурс силовой турбины, ч 60000…100000

Рекомендуемые значения :

 для первой ступени (принимается );

 для второй ступени (принимается );

 для последних ступеней (принимаем ).

Кинематическая степень реактивности ступеней турбины на среднем диаметре выбирается такой, чтобы во втулочном сечении было (при отрицательной степени реактивности в этих сечениях рабочего колеса происходит не расширение, а сжатие газа).

5 Газодинамический расчет многоступенчатой силовой турбины по среднему диаметру и высоте лопатки

Результаты предварительного расчёта используются в качестве исходных данных для последующих этапов детального газодинамического расчета каждой ступени силовой турбины. При проведении последующих газодинамических и прочностных расчётов результаты предварительного расчёта турбины могут корректироваться и уточняться.

Газодинамический расчет многоступенчатой силовой турбины по среднему диаметру и высоте лопаток выполнен на ЭВМ с использованием программы TURB.exe.

Произведен расчет нагрузочных и климатических характеристик, а также предварительный расчет свободной силовой турбины ГТУ на номинальном режиме. Число ступеней составило Z=5.

Газодинамический расчет многоступенчатой турбины произведен с помощью программы turb.exe. Построена проточная часть меридионального сечения свободной турбины, построены треугольники скоростей на среднем диаметре и получены ее характеристики.

6. Предварительный расчёт свободной силовой турбины АГТУ: Методические

указания к курсовому проектированию по дисциплине «Теория тепловых

машин, теплоэнергоустановок и ДЛА». Сост. Ю.Г. Арьков. - Уфа.: УГАТУ;

2000. - 27 с.

7. Руководство по эксплуатации двигателя АЛ-31СТН. ОАО «НПО Сатурн» НТЦ им. А. Люльки. – Рыбинск, 2005.

8. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник/ В.И. Бакулев, В.А. Голубев, Б.А. Крылов и др.; Под редакцией В.А. Сосунова, В.М. Чепкина – М.: Изд-во МАИ, 2003 – 688 с.