Внесение технических усовершенствований в конструкцию турбин серии MS 3002 связано с большим их распространением и высокой надежностью.
Цель модернизации турбин состояла в решении трех главных задач, чрезвычайно важных для пользователей ГТУ:
- повышение термического кпд;
- увеличение межремонтных сроков работы;
- увеличение мощности.
Модернизированная ГТУ получила индекс «К». В таблице 3 показан эффект от модернизации конструкции.
Содержание:
Осевой компрессор
В модернизированном компрессоре (эффект, получаемый при модернизации турбины, отображен в таблице 3) сохранены контур и общие размеры при полностью перепроектированных статорных и роторных лопатках, установленных на новых дисках.
Изменены аэродинамические профили (специально рассчитаны для оптимизации распределения числа Маха и сокращения нагрузок и потерь) и материалы для изготовления и покрытия рабочих лопаток.
Таблица 3 – Эффект, получаемый при модернизации турбины серии MS 3002
|
Объекты модернизации |
Преимущества |
|
Осевой компрессор с улучшенной аэродинамикой |
Повышение термического кпд Повышение мощности Увеличение запаса по помпажу |
|
Новые конструкционные материалы |
Повышение температуры сгорания Увеличение межремонтных сроков |
|
Усовершенствованная система уплотнений |
Повышение термического кпд Минимальное ухудшение рабочих свойств ГТУ |
Сокращение зоны слабого потока у основания лопатки до минимального уровня привело к увеличению КПД компрессора на 2,6%. Противопомпажная система разработана аналогично агрегатам ГТК-25И(ИР): отвод воздуха осуществляется за 10 ступенью при пуске.
Увеличение приблизительно на 3000 кгс осевого усилия вследствие повышенного давления потребовало улучшения конструкции упорного подшипника.
Был разработан новый подшипник типа OCI (Oil Controlled Injection – контролируемый впрыск масла), с прямым впрыском и повышенным давлением масла. Размеры остались те же, а номинальная нагрузка увеличилась на 20 %.
Камера сгорания
В процессе эксплуатации часто возникают проблемы, обусловленные выходом из строя контрольных термопар на выхлопе. В таких случаях эксплуатационный персонал, как правило, снижает температуру перед ТВД.
Модернизированный профиль сопла показал лучшую работоспособность при высоких температурах, чем у используемых в настоящее время агрегатов, с учетом новых температурных градиентов и диапазона абсолютных значений температуры металла. По этой причине стало возможным поднять температуру сгорания до 975 °С.
Охлаждающая зона внутренних лопаток при этом остается неизменной, поскольку увеличение потребности в охлаждающем агенте обеспечивается увеличением давления воздуха, отбираемого от осевого компрессора.
В новом многофрагментном сопле выполнен увеличенный зазор для термического расширения, уменьшающий растрескивание боковых стенок. Опыт эксплуатации таких сопел показывает, что можно достичь снижения начала растрескивания в три раза. Именно это обстоятельство позволяет не проводить ревизию горячего тракта после 24 тыс. часов работы, заменив ее обычной проверкой камеры сгорания, благодаря чему уменьшается простой и затраты.
Вновь спроектированная камера сгорания, предлагаемая к модернизации, объединяет современные технические достижения, разработанные компаниями«Дженерал Электрик» и «Нуово Пиньоне». Целью модернизации явилось решение трех следующих ключевых проблем.
1 Минимизация потерь мощности
Достигается путем применения осевого расположения камер сгорания (как в MS 3002). Осевая схема позволяет минимизировать путь воздушного потока от выпуска осевого компрессора до конца переходного патрубка.
Сохранив конфигурацию с обратным потоком, удалось уменьшить на 780 мм длину жаровых труб и исключить переходные патрубки типа «колено». Кожух камеры сгорания наклонен на 6° вперед для возможности демонтажа жаровых труб.
Новая геометрия потока газов обеспечивает улучшение рабочих свойств на 0,4 %, вследствие сокращения потерь давления.
2 Повышение надежности и увеличение срока службы компонентов
Силы термического расширения в соединениях наряду с вибрацией вызывают износ элементов агрегатов. В качестве противоизносной меры внедрено керамическое покрытие уплотнений между жаровой трубой и переходным патрубком, муфт форсунок и пламяперекидных патрубков.
Для переходного патрубка применен новый сплав на основе никеля, устойчивый к атмосферным осадкам.
Обследование камеры сгорания проводится после 24 тыс. часов работы (при базовой нагрузке и работе на природном газе).
3 Минимизация содержания NOx на выхлопе от 128 ppm до 90 ppm.
Чтобы минимизировать содержание NOx, на выхлопе применены жаровые трубы типа LHE (Lean Head End) с головной частью, обеспечивающей бедную смесь. Разработаны эти трубы для ГТУ типа GT 10 и MS 5002. Они обеспечивают сокращение окислов азота в выхлопах более чем на 35% по сравнению с серийными жаровыми трубами. В частности, для природного газа они гарантируют 90 ppmvd NOx при 15% О2 при увеличении на 13,9 °С температуры сгорания.
Турбина высокого давления
Чтобы увеличить температуру сгорания на 13,9 °С лопатки ТВД выполнены из нового материала, обеспечивающего более высокую прочность на разрыв и уменьшение усталостных разрушений.
Лопатки имеют покрытие, нанесенное плазменным распылением алюминия, которое резко увеличивает устойчивость лопатки как к коррозии, так и окислению, увеличивает вдвое срок службы лопаток в коррозийных средах. Это обеспечивает значительное увеличение межпроверочных сроков лопаток ТВД.
Уплотнения
В турбине значительное количество воздуха расходуется на охлаждение, и некоторое количество его неизбежно теряется. Утечки потока охлаждающего воздуха (до 20%) обычно называются паразитными потоками.
Модернизированные уплотнения сокращают удельный расход тепла.
Уплотнения между внутренним цилиндром выхлопной коробки и задним валом компрессора
Некоторое количество потока воздуха через эту зону необходимо для охлаждения пространства перед ТВД, но существующий поток достаточно велик. Сведение этого потока воздуха до минимального уровня, требующегося для охлаждения, увеличивает количество воздуха, который может быть использован для выполнения работы в цикле.
Это обеспечивается заменой существующего лабиринтного уплотнения на щеточный уплотнительный элемент. При этом устанавливается новый внутренний цилиндр.
Лабиринтные уплотнения ТВД
Зазоры, требуемые для обеспечения работоспособности при термическом расширении металлов, являются причиной утечек газов. Эта проблема решается путем применения зубчатого эластичного шлицевого уплотнения, способного отслеживать изменения зазора вследствие теплового расширения деталей турбины.
Шлицевое уплотнение представляет собой металлическую ленту, вставленную в канавку на боковых поверхностях каждого сегмента. Во время работы дифференциальное давление на уплотнениях толкает их в сторону стенок канавок, запечатывая утечку как присоска.
Истираемые лабиринтные уплотнения СТ
Зазоры между верхушками рабочих лопаток и корпусом устанавливались на основе ожидаемых переходных процессов. Зазор должен был быть достаточно большим, чтобы не допустить касание верхушки рабочей лопатки о лабиринтное уплотнение. Как результат, зазор при работе в установившемся режиме работы обычно больше, чем необходимо с точки зрения эффективности.
Истираемые уплотнения обеспечивают контакт между верхушкой лопаток и лабиринтным уплотнением корпуса, сохраняя относительно малые зазоры между элементами. Ленты истираемого материала, выполненные из высокотемпературного сплава, устойчивого к окислению, напаиваются на кожух.
Верхушки рабочих лопаток СТ «режут» истираемый материал уплотнения при контакте во время переходных процессов.
Модернизированные уплотнения замедляют процесс снижения эксплуатационных свойств за счет обеспечения номинальных зазоров во время всего срока службы лабиринтного уплотнения (показано в таблице 4).
Таблица 4 – Улучшение эксплуатационных свойств ГТУ серии MS3002за счет применения модернизированных уплотнений
|
Тип уплотнения |
Приращение выходной мощности, % |
Уменьшение удельного расхода тепла, % |
|
Уплотнения между внутренним цилиндром выхлопной коробки и задним валом компрессора |
+0.70% |
–0.50% |
|
Лабиринтные уплотнения ТВД |
+0.50% |
–0.30% |
|
Истираемые лабиринтные уплотнения СТ |
+0.20% |
–0.30% |
