С середины семидесятых годов на базе двигателя М-8Е был спроектирован газоперекачивающий агрегат ГПА-10 мощностью 10 МВт. В агрегате ГПА-10 используется двигатель ДР59 (промышленная версия корабельного двигателя ДЕ59) с КПД 28 %. Сейчас их насчитывается около 700. Все подходят к рубежу 100 000 часов и должны быть заменены.
ФГУП ММПП «Салют» предлагается вариант модернизации двигателя ДР59 на мощность 20 МВт с КПД 35 %.
Сейчас двигатели ДР-59 работают парами, осуществляя последовательно повышение давления газа в газопроводе. Соответствующие нагнетатели имеют мощность по 10 МВт. ФГУП ММПП «Салют» предлагает установить вместо двух двигателей по 10 МВт один — 20 МВт, изменив проточную часть нагнетателя. Такой проект не требует кардинальной реконструкции станции.
Газотурбинный двигатель для привода газоперекачивающих агрегатов ГПА-10 включает в себя компрессор низкого давления (КНД), компрессор высокого давления (КВД), камеру сгорания (КС), турбину высокого давления (ТВД), турбину низкого давления (ТНД), турбину нагнетателя (ТН) (см. рис. 1).
Атмосферный воздух поступает в ГТД через входное устройство КНД, последовательно сжимается в КНД и КВД, затем поступает в камеру сгорания, куда через форсунки подается природный газ. В камере сгорания топливо сгорает и продукты сгорания с заданной температурой и давлением поступают последовательно на ТВД, ТНД и ТН, где энергия газового потока превращается в механическую энергию.
Единый термодинамический рабочий процесс в ГТД осуществляется за счет газодинамической связи между роторами.
Недостатком двигателя ГПА-10 является его низкая экономичность — КПД ГТД на режиме 10 МВт — 26,6 %.
Задачей модернизации является усовершенствование конструкции ГТД за счет изменения лопаточных венцов и проточной части КНД, КВД, ТВД, ТНД, вновь спроектированной турбины нагнетателя на базе нового термодинамического цикла ГТД (см. таблицу 1), что позволяет существенно увеличить КПД (на 8,4 %) и мощность ГТД.
Таблица 1
Наименование | ГТД ДР-59 | Модернизированный ГТД |
Температура газа перед ТВД, °С | 740 | 963 |
Суммарная степень повышения давления | 10,4 | 18 |
Мощность ГТД, кВт | 10000 | 21400 |
КПД ГТД, % | 26,6 | 35,0 |
Расчеты аэродинамики трехмерного вязкого течения в КНД, КВД, ТВД, ТНД проводились с помощью программного комплекса FlowER, в котором реализовано решение уравнений Навье-Стокса, что позволило существенно сократить объем дорогостоящих натурных экспериментов, заменив их численными.
На рисунке 2 представлена визуализация течения воздуха в исходном КНД ДР59.
Анализ распределения степени повышения полного давления по ступеням показывает нелогичный провал по работе сжатия 2-ой ступени.
Обращает на себя внимание наличие развитых срывных явлений на периферии рабочих лопаток 1, 3, 4, 5 ступеней.
При модернизации КНД ДР59 предлагается замена лопаточных венцов компрессора.
В результате модернизации КНД увеличивается расход воздуха через КНД с 82 кг/сек до 96 кг/сек; степени повышения полного давления с 3,28 до 3,88. Визуализация модернизированного КНД представлена на рисунке 3.
На рисунке 4 представлена визуализация течения воздуха в исходном КВД ДР59.
Обращает на себя внимание наличие развитых срывных явлений на периферии рабочих лопаток 6, 7, 8, 9 ступеней и, как следствие, срывные явления в направляющих лопатках этих же ступеней.
При модернизации КВД ДР59 предлагается замена лопаточных венцов компрессора.
В результате модернизации КВД при увеличенном расходе воздуха степень повышения полного давления возрастает с 3,17 до 4,67.
Визуализация модернизированного КВД представлена на рисунке 5.
Суммарная степень повышения давления при такой модернизации составит 18 при расходе воздуха через компрессор 96 кг/сек.
Параметры газового потока по компрессорной части «нового» и базового двигателя приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование | ГТД ДР-59 | Модернизированный ГТД | ||
КНД | КВД | КНД | КВД | |
Действительный расход воздуха, кг/с | 81,99 | 81,68 | 96,00 | 95,00 |
Приведенный расход воздуха, кг/с | 85,40 | 31,31 | 96,00 | 30,60 |
Давление на входе, кг/см2 | 0,992 | 3,250 | 1,033 | 3,970 |
Степень повышения давления | 3,277 | 3,173 | 3,880 | 4,670 |
Температурный перепад, °С | 130,8 | 185,9 | 154,0 | 270 |
КПД компрессора, % | 0,89 | 0,881 | 0,88 | 0,86 |
Мощность, кВт | 10924,5 | 15473,3 | 14800,0 | 26900,0 |
Действительная частота вращения ротора, об/мин | 5550 | 7540 | 6100 | 8000 |
Приведенная частота вращения ротора, об/мин | 5550 | 6260 | 6100 | 6460 |
С целью получения максимально возможного КПД лопаточных венцов ТВД, ТНД, ТН также выполнена оптимизация и перепрофилирование лопаточного аппарата турбин. Параметры газового потока по турбинной части нового и базового двигателя приведены в таблице 3.
Таблица 3
Наименование | ГТД ДР-59 | Модернизированный ГТД | ||
ТВД | ТНД | ТВД | ТНД | |
Расход газа через СА, кг/с | 79,70 | 81,26 | 89,2 | 94,0 |
Расход газа через РЛ, кг/с | 80,24 | 81,27 | 91,5 | 94,3 |
Давление на входе, кг/см2 | 9,898 | 4,455 | 17,8 | 6,38 |
Степень понижения давления | 2,211 | 1,931 | 2,79 | 1,92 |
Температурный перепад, °С | 166,6 | 116,2 | 237 | 132 |
КПД турбины, % | 0,916 | 0,911 | 0,91 | 0,92 |
Мощность, кВт | 15473,3 | 10924,5 | 27000 | 14900 |
Действительная частота вращения ротора, об/мин | 7540 | 5550 | 8000 | 6100 |
В. Е. Беляев, К. В. Тюльков, С. В. Качаев ФГУП «Московское машиностроительное производственное предприятие «Салют», г. Москва
Приобететение доступа к файлам
ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.