Улитка из стеклопластика для газотурбинного двигателя

Энергетической отрасли РФ необходимы надежные, эффективные и мощные отечественные газовые турбины. ПАО «ОДК-Сатурн» успешно изготавливает ГТД-110, которые обладают высокими технико-экономическими показателями, однако имеет низкий коэффициент использования установленной мощности. С целью определения проблемных узлов ГТУ-110 на испытательном стенде в г. Комсомольск проводились испытания газотурбинной установки. На ряду с испытаниями машины проводился анализ функционирования входного коллектора компрессора.

Улитка ГТУ, является одним из важнейших ее элементов, в котором начинается рабочий процесс в турбомашине («стадия всасывания»). Она предназначена для подвода воздуха к рабочим органам турбокомпрессора с наименьшими потерями энергии и для обеспечения равномерной структуры струи на входе в его лопаточный аппарат. От качества проектирования, изготовления и монтажа данного изделия, а, следовательно, от аэродинамического совершенства ее каналов зависит величина потребляемой энергии газовой турбины на совершение работы сжатия до требуемого значения. Потребляемая мощность связана с величиной снижения давления при движении в подводящем агрегате. Также она зависит от структуры потока в сечении входа в лопаточный аппарат. При неравномерности происходит нарушение условий расчетного оптимального обтекания рабочих и направляющих венцов компрессора.

Вместе с тем, стационарность течения во всасывающем устройстве, отсутствие значительных по амплитуде пульсаций, повышает аэродинамическую устойчивость турбокомпрессора ГТУ при регулировании ее производительности. Это позволяет эксплуатировать машину в большем диапазоне режимов по расходу, что особенно важно для машины, действующей в составе парогазовой установки (ПГУ). Наличие вихревых структур, отрывных явлений, а также пульсаций и высокой скорости при обтекании элементов воздуховода является причиной ухудшения акустических и вибрационных характеристик компрессора газовой турбины.

Важным вопросом является организация аэродинамического согласования взаимодействия данного оборудования с воздухозаборным трактом. При этом, важно обеспечить оптимальное согласование геометрии сечения входа с сечением выхода из ВЗТ. При согласовании указанных элементов, возможно обеспечение оптимального (с равномерной структурой) входа воздушной струи во входной патрубок.

Объектом исследования в данном случае является ВУ осевого компрессора газотурбинного двигателя ГТЭ-110 в блоке ПГУ-325 «Ивановские ПГУ».

Задача по разработке нового воздухозаборного тракта усложнилась стесненными условиями на площадке с действующим оборудованием.
Перед поступлением в компрессор, струя осуществляет поворот на угол 90° с высокой скоростью, более 30 м/с. Для снижения потерь полного давления, исходя из зависимости (1), требуется снизить скорость и оптимизировать направление струи.                   

где ρ – плотность, кг/м3; с – скорость потока, м/с, потерь ζ - коэффициент гидравлических потерь.
Для эффективного решения задачи по оптимизации и равномерного заполнения данного изделия при одностороннем, периферийном его вводе потребовалось провести большое количество опытов. Наиболее удачная конструкция представлена на рисунках                 

Анализ течения показал равномерное распределение воздушных масс по сечению макета. Новое ВУ газотурбинного двигателя ГТЭ-110 показала уровень максимально низкого статического давления в размере DPamax = -2332Па.
Полученный эффект от мероприятия можно оценить по разнице максимальных значений DPAmax - DPamaxA = 4885Па.  

  Математическое моделирование процесса не дает точного положения мест возникновения обратных потоков, вихрей, турбулентных течений, 
Эффективное использование результатов оптимизации форм и компоновки воздуховода и входного агрегата по вышеизложенному варианту возможно на этапе проектирования.
Дальнейшее исследование новой конструкции проводилось на натурной модели, выполненной в масштабе 1:8,5 из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе стекловолокна и полимерного связующего. Исследования проводились на испытательном стенде ОАО «НПО «ЦКТИ».
Испытания проводились совместно с воздуховодом и блоком шумоглушения.
В результате проведения модельных экспериментальных исследований аэродинамических и энергетических характеристик входного устройства осевого компрессора газотурбинной установки ГТЭ-110 было установлено: 
- Величина потерь полного давления при эксплуатации подводящего агрегата на рабочем режиме составляет 502 Па. 
- Коэффициент потерь полного давления  (осредненный при испытаниях в диапазоне режимов по расходу) составляет 0,0717 (7,17%). Для сравнения, коэффициент потерь в существующем тракте составляет 0,424 (42,4%)

Исследования показали, что установленное внутри коллектора «крыло» положительно повлияло на равномерность распределения потока перед турбиной. 
Моделирования распределения воздушных масс в продольном разрезе обозначило неравномерность распределения воздуха между верхней и нижней части тупиковой зоны коллектора. 
Для выравнивания и уравновешивания струй между верхней и нижней полостью, проводилось моделирование различных углов наклона тупиковой части подводящего устройства.

Изготовление спроектированного агрегата с теми формами, которые были получены при моделировании значительно проще и быстрее  выполнить из ПКМ.
Удельная стоимость стеклопластика (руб/кг) существенно отличается от ординарной стали, однако стоимость изделия с транспортировкой и монтажом оказалась дешевле аналогичного проект из металла. На формирование стоимости повлиял ряд аспектов:
- стеклопластик примерно в 2,5 раза легче металла при сопоставимой прочности. Это позволило не только оптимизировать, но и увеличить размеры улитки и установить ее на существующий фундамент без его укрепления. Также сократились транспортные расходы. В ряде случаев использование композита позволило отказаться от грузоподъемных механизмов;
- сократилось время выполнения монтажных работ;
- высокая коррозионная стойкость не предполагает выполнение грунтовки и покраски;
- физико-механические свойства позволяют изготавливать конструкцию без компенсаторов температурных расширений.

На ряду с эффективностью использования изделий из полимерного композита стал вопрос о прочностных характеристиках. Расчет на прочность показал, что при увеличении количества фланцевых соединений толщина стенки может быть снижена до 5мм. К тому же поставка в разобранном виде с меньшими габаритными размерами и существенно сниженными весовыми характеристиками сокращает транспортные расходы.
Поскольку монтаж агрегата планировалось в действующую ячейку в стесненных условиях, то дробление на мелкие детали несколько повысило стоимость, однако это позволило смонтировать оборудование в кратчайшие сроки.

Изготовление ВУ и конфузора, являющего собой переходное устройство из прямоугольного сечения металлического воздуховода в овал, с учетом производства матриц составило 3,5 месяца. 
Монтаж изделия из стеклопластика взамен металлического выполнен менее чем за 2,5 месяца, при этом в объем реконструкции вошли работы по перекладке кабельных трасс препятствующих увеличению габаритов оборудования вверх. 
«Улитка» выполнена в полном соответствии с разработанной 3D моделью, включая перемычки и крыло.

Также из стеклопластика был изготовлен элемент воздуховода в натуральную величину (диаметр 6 метров) с интегрированной системой шумоглушения.

Наблюдение за функционированием газотурбинного двигателя после замены коллектора проводилось в течении 2018 года при различных климатических условиях. При эксплуатации ГТД-110 с новым всасывающим агрегатом стабильно устранены дефекты, связанные с пульсацией потока перед передним корпусом турбокомпрессора. Также снизилась величина пульсаций в камере сгорания ранее превышавшая допустимые значения при эксплуатации в условиях низких температур.
С увеличением проходного сечения и более равномерным распределением воздушных масс в конфузоре возросло количество воздуха, поступающего в компрессор газовой турбины. Данный эффект зафиксирован приборами «содержание кислорода в уходящих газах» значения показаний которых возросло с 13,8% до 14,8%. При этом массовый расход приблизился к 
ТУ.  G ТУ= 360±2 кг/с: G нов =355,94воз+ 6,42топл = 362,32 кг/с G ст =307,03+ 6,47топл = 313,5 кг/с.
Сравнивая функционирование двух газовых турбин  №7 (эквивалентная наработка 905 часов после восстановительного ремонта) работающего с проектным ВУ и №4 (эквивалентная наработка 350 часов после капитального ремонта) – с новой улиткой выявлено:
- В процессе аттестации блока на номинальную мощность 325 МВт, удельный расход топлива при номинальной мощности при равных климатических условиях составил:  
- для ГТД-110 №7 304,77 нм3/МВт,
- для ГТД-110 №4 298,04 нм3/МВт.
- Увеличилась степень сжатия в компрессоре газотурбинного двигателя, что привело к росту КПД на 0,5% (с 36% до 36,5%).
- Прекратились колебания давления на входе в машину, которые возникали постоянно при эксплуатации ГТЭ-110 со старой улиткой с Δр=2,2кПа и периодичностью в 18 сек.

- Реконструкция входного патрубка позволило приблизить условия эксплуатации газовой турбины к требованиям ТУ на ГТЭ-110. 
- Применение полимерных композиционных материалов позволило изготовить изделие наиболее оптимальной формы, в кратчайшие сроки, без изменения конструкции фундамента, что невозможно при изготовлении улитки из металла. При этом физико-механические характеристики остались в допустимых нормах, а стоимость проекта значительно уменьшилась.
- Блок парогазовой установки ПГУ-325 имеет потенциал переаттестации мощности на более высокий уровень, но для этого необходимо реконструкция не только всасывающего устройства, но и всего воздухозаборного тракта.

Если у Вас возникли вопросы по изготовлению сложного, объемного оборудования из полимерных композиционных материалов – свяжитесь с нами. 
С наилучшими пожеланиями
Генеральный директор ООО «ВИЦ»
Мурашов Павел Николаевич