4.1 Описание конструктивных особенностей двигателя

Двигатель состоит из модуля газотурбинного одноконтурного газогенератора на раме и модуля свободной силовой турбины на раме, соединенных между собой, что позволяет проводить индивидуальную поставку, а также замену двигателя в целом и указанных модулей в условиях эксплуатации. Собранный двигатель на подмоторной раме монтируется на раму ГПА. Кроме того, конструкция двигателя предусматривает замену большинства узлов и деталей горячей части, вплоть до лопаток сопловых аппаратов первой ступени турбины и жаровых труб камеры сгорания, в условиях эксплуатации без полной разборки двигателя.

Для проведения визуально-оптического контроля газовоздушного тракта двигателя на корпусах компрессора и турбины имеются специальные смотровые лючки. Доступны для осмотра жаровые трубы камеры сгорания.

Входное устройство представляет собой спрофилированный канал, обеспечивающий подвод воздуха в компрессор с минимальными потерями.

Газогенератор (ГГ) состоит из следующих узлов:

1) корпуса промывки;

2) корпуса входного с центральным приводом и коробкой приводов;

3) компрессора;

4) камеры сгорания;

5) турбины.

Входной корпус с центральным приводом и коробкой приводов является силовым элементом двигателя. Стойки входного корпуса обогреваются воздухом противообледенительной системы двигателя и горячим маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя.

Компрессор двигателя осевой четырнадцатиступенчатый с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) и поворотными направляющими аппаратами (НА) 0-й, 1-й ступеней и 2-й ступени, с управлением радиальными зазорами шести последних ступеней и пневмоуправляемыми клапанами перепуска воздуха из-за 6-й, 7-й и 14-й ступеней. Детали проточной части компрессора имеют эрозионное покрытие.

Ротор компрессора имеет две опоры: переднюю - роликовый подшипник и заднюю - шариковый подшипник, который одновременно служит передней опорой ротора турбины газогенератора; задней опорой ротора турбины газогенератора является роликовый подшипник.

Трубчато-кольцевая камера сгорания с двенадцатью жаровыми трубами и усиленным корпусом работает на газообразной топливной смеси.

Турбина газогенератора - осевая двухступенчатая, охлаждаемая, служит для привода компрессора и через центральный привод - агрегатов установленных на коробке приводов. Турбина имеет усиленный корпус и изготовлена с использованием коррозионностойких и жаропрочных материалов.

Свободная силовая турбина - осевая трехступенчатая служит для привода нагнетателя ГПА и с ротором газогенератора имеет только газодинамическую связь. Охлаждение наружных корпусов турбины осуществляется путем продувки воздухом пространства под защитным экраном ГТУ с помощью вентиляторов системы охлаждения ГПА. Имеется регулируемый сопловой аппарат.

Ротор свободной турбины имеет две опоры: переднюю - роликовый подшипник и заднюю - спаренные шариковый, упорный и роликовый, опорный подшипники.

Модули газогенератора и силовой турбины соединяются друг с другом по ответным наружным фланцам на силовых корпусах ГГ и СТ и узлам подмоторных рам.

Трансмиссия, предназначенная для передачи крутящего момента ротору нагнетателя, через упругие муфты соединяет вал ротора СТ с валом ротора нагнетателя. Для исключения доступа к вращающимся узлам и деталям трансмиссия закрыта защитными вентилируемыми кожухами, которые смонтированы на выходном устройстве.

4.2 Система топливопитания, автоматического управления и контроля

Система топливопитания, автоматического управления и контроля газотурбинной установки предназначена для подачи топлива, автоматического управления и контроля технического состояния ГТУ, входящей в состав газоперекачивающего агрегата, и обеспечивает подачу дозированного топлива в камеру сгорания, управление работой двигателя на запуске, на статических и переходных режимах, а также взаимодействие с другими системами, обеспечивающими работу двигателя в составе ГПА во всех условиях эксплуатации.

Система топливопитания, автоматического управления и контроля состоит из:

- системы топливопитания;

- системы автоматического управления и контроля (САУ) на базе комплекса средств контроля и управления МСКУ-СС 4510-38, включая блок управления двигателем БУД-96 и блок защиты двигателя БЗД-96;

- системы управления механизации компрессора;

- системы управления радиальными зазорами компрессора и турбины;

- системы перепуска газа перед свободной турбиной;

- противообледенительной системы;

- системы контроля ГТУ.

Система топливопитания, автоматического управления и контроля ГТУ обеспечивает топливопитание и выполнение следующих функций:

1) запуск;

2) холодную прокрутку;

3) поддержание заданного статического режима;

4) управление переменными режимами;

5) останов;

6) аварийный останов;

7) ограничение предельных параметров ГТУ;

8) управление механизацией компрессора;

9) управление радиальными зазорами компрессора и турбины;

10) управление перепуском газа перед свободной турбиной;

11) защиту от обледенения;

12) контроль измеряемых параметров;

13) формирование текущей и ретроспективной информации;

14) взаимодействие с системами ГПА;

15) формирование информации об обнаружении неисправностей узлов и систем ГТУ;

16) защиту от раскрутки ротора свободной турбины.

5. Технология эксплуатации ГПА

5.1 Обслуживание ГПА во время работы

После монтажа и наладки газоперекачивающего агрегата должны проводиться испытания по утвержденной типовой методике определения фактических показателей агрегата. Контрольные испытания должны проводиться перед остановкой ГПА на капитальный ремонт и после ремонтов, а также при систематическом отклонении параметров от нормативных, требующем выяснения причин отклонения.

Во время работы ГПА эксплуатационный персонал компрессорного цеха обязан:

1) поддерживать требуемый режим работы газоперекачивающих агрегатов, обеспечивая их наиболее экономичную и рациональную загрузку;

2) следить за показаниями приборов, величина любого ненормального отклонения должна немедленно выясняться для принятия соответствующих мер;

3) поддерживать температуру и давление охлаждающего масла в системе смазки в необходимых пределах;

4) следить за чистотой фильтров в маслосистеме и маслобаке;

5) производить контроль за работой системы уплотнения по уровню масла в поплавковой камере, перепаду давления "масло - газ", расходу масла и загазованности маслосистем;

6) контролировать перепад давления на воздушных фильтрах воздухозаборной камеры, следить за их чистотой; в случае загрязнения или обледенения фильтра воздухозаборная камера подлежит очистке (на остановленном агрегате);

7) производить тщательную уборку агрегата;

8) вести необходимые записи в эксплуатационных документах.

Для обеспечения надежной и безаварийной работы ГПА необходимо особенно тщательно выполнять следующие требования:

1) не допускать повышения температуры продуктов сгорания по тракту ГТУ выше установленной величины;

2) контролировать скорость вращения валов ГПА;

3) поддерживать давление газа за нагнетателем не выше допустимого;

4) поддерживать необходимую степень повышения давления газа в нагнетателе;

5) контролировать:

а) минимально и максимально допустимую объемную производительность нагнетателя;

б) перепад давления на защитной решетке нагнетателя;

в) уровень масла в отсеках маслобака;

г) давление топливного и импульсного газа. Температура масла смазки и металла подшипников должна быть не выше допустимого. Быстрое возрастание температуры в любом из подшипников свидетельствует о его аварийном состоянии, агрегат должен быть остановлен.

Категорически запрещается при пуске или в процессе эксплуатации отодвигать аварийные уставки приборов или отключать защиты ГПА.

Ежемесячно вахтенным персоналом должен производиться осмотр агрегатов и оборудования.

Во время осмотра должны проверяться:

1) воздухозаборные устройства ГПА, воздуховоды и газоходы;

2) газо- и маслопроводы, их соединительные фланцы и арматура;

3) технологическая обвязка нагнетателей, пылеуловители;

4) циркуляционные насосы, водоводы, АВО масла;

5) крепление оборудования, трубопроводов к фундаментам и опорам;

6) наружная изоляция трубопроводов;

7) контрольно-измерительные приборы, устройства регулирования и автоматики;

8) положения шлангов на узлах управления и наличие необходимых плакатов.

Все обнаруженные во время работы оборудования дефекты должны фиксироваться в журнале дефектов и эксплуатационных формулярах. Немедленно должны приниматься меры для устранения неполадок.

Важным параметром конвертированных авиационных и судовых двигателей является время безостановочной работы агрегата. Для продления этого времени необходимо дублировать ряд вспомогательных систем и узлов, таких как фильтры и насосы масляной системы, предусматривать контроль во время работы агрегата и быстрый ремонт в течении кратковременных остановов, таких узлов как форсунки камеры сгорания и проточные части турбомашин.

5.2 Эксплуатация ГПА в холодное время года

Низкие температуры в холодное время года снижают надежность работы агрегатов из-за хладноломкости металла, увеличивают возможность отказов в работе узлов управления газовыми кранами и самих кранов, затрудняют операции по технологическим переключениям цеха, АВО.

Для обеспечения безопасной эксплуатации агрегата при температуре наружного воздуха ниже допустимой по техническим условиям завода изготовителя необходимо включить систему подогрева на всасе осевого компрессора. При низких температурах наружного воздуха может быть достигнута мощность ГПА значительно выше номинальной без превышения максимальной температуры газа перед турбиной. Необходимо следить, чтобы нагрузка агрегата (из условий механической прочности) не превышала мощность предельно допустимую техническими условиями.

При остановке агрегата на срок свыше одного часа и необходимости последующего пуска должен быть включен подогрев масла.

При подготовке компрессорного цеха к эксплуатации в холодное время года должны быть выполнены мероприятия по плану подготовки к осенне-зимней эксплуатации. При этом системы вентиляции и теплоснабжения должны обеспечивать во всех помещениях и других местах расположения маслопроводов, водоводов и прочих коммуникаций температуру не ниже +5°С.

5.3 Эксплуатация ГПА при грозе

Для обеспечения безаварийной работы компрессорного цеха во время грозы руководством предприятия должны быть выполнены следующие мероприятия:

1) налажено через метеослужбу района заблаговременное извещение эксплуатационного персонала КС о возможной грозе.

2) назначена группа ответственных специалистов по обеспечению безаварийной работы компрессорного цеха при грозе в составе начальника КС, старших инженеров ЭВС и КИПиА.

После извещения о возможной грозе должны быть проведены подготовительные работы:

1) проверка отсутствия утечек через запорную арматуру свечей;

2) проверка готовности резервного источника электроснабжения (аварийной электростанции);

3) проверка и подготовка систем и средств пожаротушения на КС.

При грозе в районе КС запрещаются пуск агрегатов и производство плановых переключении на технологической обвязке, а также силовом электрооборудовании компрессорного цеха.

5.4 Предупреждение помпажных режимов осевого компрессора

Неустойчивые режимы осевого компрессора, основными из которых являются вращающийся срыв и помпаж, создают недопустимые усталостные напряжения в лопаточном аппарате, возрастание вибрации и поломки лопаток.

Эксплуатация ГПА в зоне неустойчивых помпажных режимов не разрешается.

Работа агрегата в условиях неустойчивого режима осевого компрессора характеризуется повышением температуры продуктов сгорания перед турбиной при неизменной или понижающейся нагрузке и температуре наружного воздуха, колебанием давления воздуха за компрессором, ненормальным звуком и ударами в проточной части осевого компрессора. При возникновении помпажных явлений агрегат должен быть немедленно остановлен для устранения причин, вызывающих помпаж.

Во время работы ГПА помпажные и неустойчивые режимы осевого компрессора могут возникнуть:

1) при возрастании разряжения на всасе вследствие снегопада или обледенения всасывающего тракта и входного лопаточного аппарата осевого компрессора;

2) при сбросе или резком возрастании нагрузки ГПА;

3) при недостаточной подаче топливного газа вследствие загрязнения и закоксования горелок или загрязнения фильтров на подводе топливного газа;

4) при неудовлетворительном техническом состоянии проточной части турбоагрегата, загрязнении осевого компрессора.

Необходимо обращать внимание на предупреждение помпажных явлений в компрессоре во время повторного пуска, возможность появления которых при горячей проточной части турбоагрегата возрастает.

При наступлении условий возможного обледенения необходимо включать в работу противообледенительные устройства системы подготовки циклового воздуха. Период включения противообледенительных устройств определяется в зависимости от района расположения КС или по показаниям приборов в соответствии с требованиями инструкции завода-изготовителя. Включение и отключение оформляется записью в оперативном журнале и эксплуатационном формуляре ГПА.

Для предотвращения помпажных режимов осевого компрессора в процессе работы ГТУ необходимо следить за показаниями приборов, замеряющих температуру газа перед турбиной и давление воздуха в нагнетании компрессора, давлением топливного газа, скоростью вращения и нагрузкой агрегата, а также отсутствием обледенения на входе в компрессор.

6. Выбор комплектующего оборудования для цеха

В качестве компримируемой машины для транспортировки природного газа выбран двухступенчатый центробежный нагнетатель со сменной проточной частью на степень сжатия 1,38 и давлением на выходе 7,45 МПа. Прототипом для конструкции взят нагнетатель ЦН-16/76 Сумского производственного объединения. Описание конструкции нагнетателя приведено в п. 5.2.

Маслосистемы двигателя и нагнетателя раздельные. Система смазки и суфлирования двигателя предназначена для подачи масла в подшипниковые опоры роторов газогенератора и свободной силовой турбины, зубчатых колес коробки приводов и центрального привода и отвода от них тепла, а также для поддержания избыточного давления в масляных полостях двигателя и маслобаке на всех режимах работы ГТУ. Марка масла для маслосистемы двигателя - МС-8П ОСТ 38.1163-78, для нагнетателя - ТП-22. Чистота заправляемого в маслобак масла не грубее II класса по ГОСТ 17216-71, метод анализа по ОСТ 1.41144-80 и ОСТ 1.80336-86.

В качестве воздухоподготовки применена двухступенчатая система очистки циклового воздуха. В качестве первой ступени очистки применены инерционные сепараторы. В них отделение пыли происходит за счет резкого изменения направления движения. Инерционные сепараторы имеют небольшое сопротивление. Отсепарированная пыль собирается в короб и удаляется с помощью тихоходных центробежных вентиляторов. Отсасывают около 10% поступающего воздуха. В качестве второй ступени очистки для удаления мелкой пыли используется барьерный фильтр из тканевого материала. При возрастании сопротивления фильтра до 300 Па, загрязненный участок перематывается автоматически с помощью электродвигателя.

Также применена система промывки проточной части осевого компрессора при приводе от валоповоротного устройства и при ручной прокрутке.

Принята двойная форма пускового двигателя: электродвигатель и турбодетандер. Его выбор окончательно утверждается при установке ГТУ на конкретную КС. Необходимая мощность электродвигателя составляет не менее 400-500 кВт. При использовании турбодетандера давление пускового газа составляет 0,4…0,5 МПа, противодавление на выходе 0,03…0,05 МПа, расход газа не более 2,0 кг/с, расход газа на один запуск не более 200 кг.

Для снижения шума всаса осевого компрессора применен пропуск воздуха через пластинчатый глушитель из звукопоглощающего материала, а также выполнен воздухоподводящий тракт с несколькими поворотами, снабженными звукопоглощающей облицовкой. Для предохранения от выкрашивания и загрязнения пористый материал покрыт стеклотканью.

Для снижения шума выхлопа турбины также установлены пластинчатые глушители, но выполненные из жаростойкого материала. Поверх волокнистого материала закреплена защитная стеклоткань, а поверх нее - перфорированные тонкие металлические листы.

В качестве очистных устройств технологического газа установлены циклонные пылеуловители и фильтр-сепараторы.

7.Спецтема: проектирование регулируемого соплового аппарата свободной силовой турбины

Регулируемыми параметрами в приводных ГТУ обычно являются частота вращения силовой турбины nст, летом, при недостатке мощности, Тг. В двухкомпрессорных ГТУ иногда регулируемым параметром бывают nнд или nвд.

Для поддержания заданных регулируемых параметров приводные ГТУ имеют от одного до трёх регулирующих факторов[5]. Основной регулирующий фактор- подача топлива. Воздействуя на подачу топлива, можно изменить температуру газа, частоты вращения валов, расход воздуха и т.д. Если кроме топливного клапана, других регулирующих органов нет, то все параметры ГТУ жестко связаны между собой и изменение одного из них вызывает изменение остальных. Наиболее важный второй регулирующий орган - РСА силовой турбины. Его используют для поддержания, кроме мощности, или постоянных оборотов турбокомпрессорного вала, или номинальной температуры газа на выходе из турбины. Число независимо регулируемых параметров равно числу регулирующих факторов. Поворотные направляющие лопатки осевого компрессора в двухвальной ГТУ со свободной турбиной большей частью служат для регулирования только компрессора, так как они оказывают слабое воздействие на выходные параметры ГТУ.