ФНПЦ ММПП "Салют" рассматривает применение авиационных технологий в наземных (индустриальных) энергетических установках как одно из наиболее приоритетных направлений своей деятельности. На мировом рынке спрос на промышленные газотурбинные двигатели (ГТД) неуклонно растет. Рост объемов продаж в 90-х годах более чем в полтора раза превысил уровень 80-х годов. В качестве практического шага в направлении освоения этого рынка на ФНПЦ ММПП "Салют" было создано новое подразделение - конструкторский отдел индустриальных газотурбинных установок (ГТУ).

На "Салюте" разработки наземных энергетических установок ведутся по многим направлениям. Это и парогазотурбинные установки большой мощности с к.п.д. более 50 %, и легкие дешевые установки простого цикла в диапазоне мощностей 10…30 МВт, где в качестве газогенератора с минимальными доработками используются авиационные двигатели.

Особый интерес представляет диапазон мощностей от 1 до 6 МВт. Годовые объемы продаж ГТУ этого диапазона мощностей измеряются тысячами. Для газотурбинных двигателей простого цикла такая мощность довольно мала. Ощутимо сказывается масштабный фактор, и поэтому к.п.д. у существующих ГТД недостаточно высок. Такие ГТУ проигрывают в конкуренции с поршневыми установками. Для мощностей до 6 МВт объемы продаж газотурбинных установок не превышают 10 % от объемов продаж дизельных установок. Для успешной конкуренции в этом классе энергетических установок необходимо обеспечить выполнение следующих требований: к.п.д. ГТД от 40 до 45 %; высокие экологические характеристики (концентрация вредных веществ в выхлопных газах СО, NОx и UНС < 10 ррm); высокая надежность ГТУ (полный ресурс не менее 100 тыс. ч, до первого капитального ремонта - 30…50 тыс. ч); должны сохраняться все преимущества существующих ГТД (быстрый запуск, высокая маневренность, малый вес и т.д.).

Эти требования были приняты в качестве основополагающих при разработке концепции нового двигателя ГТД-6РС в классе мощности 6 МВт.

Важнейшей особенностью предлагаемой концепции является применение рекуперации тепла отработавших в турбине газов.
Второй принципиально важной особенностью предлагаемой концепции является принятая схема ГТД-6РС - одновальная с опорами скольжения.

Следующий момент предлагаемой концепции - низкоэмиссионная камера сгорания. О поставленной цели уже говорилось - концентрация вредных веществ в выхлопных газах СО, NОx и UНС не должна превышать 10 ррm. Эта цель достигается при соответствующей расстановке приоритетов. В жертву хорошим экологическим характеристикам приносится цена, вес и габариты камеры сгорания.

И, наконец, четвертый основополагающий момент концепции - это применение развитой системы регулирования профиля проточной части и выбор расчетных параметров газодинамического цикла с учетом необходимости работы в широком диапазоне частичных нагрузок с к.п.д., близким к максимальному. На рис. 1 показана зависимость относительной располагаемой мощности и к.п.д. от относительной частоты вращения (внешняя характеристика) ГТД-6РС. Диапазон возможных частичных нагрузок двигателя ограничен следующими причинами: 1- ограничение по максимальной относительной мощности N = 1,2 (в данном случае это 6 МВт); 2 - ограничение по максимальному моменту на рессоре, передающей мощность от ГТД к потребителю; 3 - ограничение по возможному диапазону регулирования профиля проточной части; 4 - минимальная устойчивая частота вращения; 5 - максимальная допустимая относительная частота вращения (по критериям прочности).

При температуре воздуха выше 15 °С может быть применена система кондиционирования циклового воздуха, что позволит сохранить номинальную мощность ГТД и существенно уменьшить темп падения к.п.д.

Характерной особенностью привода электрогенератора переменного тока для малых электростанций и теплоэлектроцентралей является требование постоянства частоты вращения потребителя. Если энергосистема автономная, то постоянную частоту вращения потребителя должна обеспечивать система регулирования привода. В одновальных ГТД эти требования выполнять проще, чем там, где приводящая турбина свободная. На рис. 1 для случая, когда нагрузкой ГТД служит электрогенератор, показана линия рабочих режимов 6, наложенная на внешнюю характеристику. Потребление электроэнергии, как правило, существенно изменяется в течение суток, недели, года. Принятая концепция ГТД-6РС обеспечивает выработку электроэнергии в течение всех суток с к.п.д., превышающим 40 %.

Газы на выходе из регенератора будут иметь достаточно высокую температуру (порядка 300 °С). Тепло уходящих газов можно использовать, например, снабдив ГТД-6РС паровым или водогрейным утилизационным котлом, что, по сути, превратит его в малую теплоэлектроцентраль. При работе с утилизационным котлом коэффициент использования топлива в зависимости от вида вырабатываемого тепла будет находиться в пределах от 0,8 (в случае выработки пара высоких параметров) до 0,95 (в случае горячей воды).

Условия работы ГТД в составе главной судовой энергетической установки на винт регулируемого шага очень похожи на условия работы привода электрогенератора. Как правило, частоту вращения винта регулируемого шага стараются поддерживать постоянной, а изменение нагрузки и реверс осуществляют поворотом лопастей винта. Поэтому линия рабочих режимов и зависимость к.п.д. от мощности, приведенные на рис.1 и рис. 3, соответственно, справедливы и для судовой энергетической установки с винтом регулируемого шага.

Условия работы ГТД в составе главной судовой энергетической установки на винт фиксированного шага существенным образом отличаются от предыдущих рассмотренных примеров. При работе на винт фиксированного шага, на внешнюю характеристику ГТД-6РС следует наложить не линию, а поле рабочих режимов (обозначенное линиями 7 на рис. 1). Все поле рабочих режимов при работе на винт регулируемого шага находится в наиболее благоприятной области внешней характеристики ГТД-6РС.

Нагнетатель для газоперекачивающих станций, как правило, представляет собой лопаточную машину, подчиняющуюся тем же законам, что и гребной винт. Главные факторы, влияющие на коэффициент пропорциональности - давление газа на входе и выходе из нагнетателя. Работоспособность ГТД-6РС обеспечивается во всем диапазоне без запретных зон.

Рассмотренные примеры не носят всеобъемлющего характера. Они показывают только наиболее характерные области предполагаемого использования ГТД-6РС. Из рассмотрения следует, что принятая концепция (рекуперативный цикл, выбор номинальных термодинамических параметров с учетом пожелания работать с максимальным к.п.д. на самых глубоких частичных нагрузках, регулирование профиля проточной части) позволяет создать многоцелевой одновальный двигатель, который обеспечит наилучшие эксплуатационные характеристики там, где традиционно одновальные двигатели даже не рассматривались.

В заключение можно сказать, что закладываемые в конструкцию ГТД-6РС важнейшие качества: простая конструкция (одновальный двигатель); ресурс более 100 тыс. часов; высокий к.п.д. (более 40 %); отличные экологические показатели, позволяют характеризовать его как двигатель нового поколения, а концепция, позволяющая реализовать эти качества, является концепцией XXI века.

Рис. 1