Аксиома современного газотурбостроения гласит, что магистральными направлениями повышения эффективности работы газотурбинной установки (ГТУ) являются увеличение степени повышения давления в компрессоре pк* и повышение температуры газа перед турбиной Т*г. Однако при реализации обеих этих тенденций возникают значительные трудности, связанные, прежде всего, с большими давлениями в газовоздушном тракте и проблемой охлаждения лопаток газовой турбины. А остаются ли верными критерии, используемые в авиационном двигателестроении при выборе параметров газоперекачивающих ГТУ?

В настоящее время максимальную температуру газа перед турбиной практически у всех наземных газотурбинных установок выбирают в пределах 1050…1200 °C, исходя из необходимости ограничения температуры охлаждаемой стенки лопаток турбины величиной 850…900 °C. Что же касается степени повышения давления в компрессоре, то она имеет устойчивую тенденцию к росту. Например, у двигателя НК-38СТ, входящего в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16А, значение pк* доведено до 25,9 при максимальной температуре Т*г = 1200 °C. Величина pк* в значительной мере влияет на стоимость агрегата, капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Можно указать и другие осложнения, вызываемые применением компрессоров с высоким pк*. Чем выше степень повышения давления в компрессоре, тем ниже эксплуатационная пригодность ГТУ, выше вероятность возникновения помпажа, сложнее эксплуатация установки на переходных режимах.
Почему все же разработчики идут на повышение значений pк*? Дело в том, что в условиях технического перевооружения производственных объектов отрасли можно исходить из необходимости оптимизации параметров устанавливаемого оборудования или достижения максимально возможного эффективного к.п.д. h*е. А повышения к.п.д. ГТД, как свидетельствуют термодинамические расчеты, можно добиться путем увеличения pк*. Однако, на наш взгляд, эффективный к.п.д. установки не является тем критерием, на основе которого следует выбирать оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре газотурбинного двигателя, работающего в составе ГТУ. Дело в том, что повышение давления за компрессором приводит к существенному удорожанию всего ГТД в целом. Более рационально производить оптимизацию pк*, добиваясь максимума удельной эффективной работы газотурбинной установки Ауд (здесь Ауд - работа, производимая 1 кг рабочего тела). Привлекательность оптимизации по критерию максимума Ауд определяется тем, что рациональные значения pк* получаются значительно меньшими, чем в случае оптимизации по критерию максимума эффективного к.п.д.
Проиллюстрируем это положение. В табл. 1 приведены результаты расчета наивыгоднейших pк* безрегенеративных ГТУ в зависимости от соотношения граничных температур цикла (T4*/T1*) и приведенного относительного к.п.д. турбомашины (h*m = h*к·h*т - произведение к.п.д. компрессора и турбины) по условию достижения максимального значения удельной эффективной работы газотурбинной установки Aуд.
В ГТУ с регенеративным использованием теплоты продуктов сгорания наивыгоднейшие значения pк*, вычисленные по традиционным методикам, оптимизирующие по максимуму эффективного к.п.д. установки h*е, оказываются значительно большими по сравнению с оптимальными значениями pк*, рассчитанными по максимуму Ауд. Именно эта особенность рабочих процессов явилась одной из причин широкого применения регенерации теплоты в ГТУ.
Результаты термодинамических расчетов свидетельствуют, что зависимости эффективной удельной работы и эффективного к.п.д. газотурбинной установки от величины pк* являются существенно разными. Так, при возрастании наибольшей температуры цикла от 750 до 900 °С оптимальное значение pк*, при котором эффективная удельная работа газотурбинного двигателя имеет максимальное значение, изменяется в узком диапазоне - от 6 до 9. Диапазон же значений pк*, при которых оптимизируется максимальный эффективный к.п.д., существенно выше: от 9 до 16. При увеличении максимальной температуры цикла сверх 900 °С значение pк*, при котором достигается максимум эффективного к.п.д. газотурбинной установки, начинает уже превышать 16.
Анализируя техническую документацию разрабатываемых ГТУ типа ГПА-Ц-16АЛ и ГПА-Ц-16А (ПО "Сатурн" и ПО им. Фрунзе), можно сделать вывод, что для повышения к.п.д. установки на 1 % (от 34 до 35 %) оказалось необходимо повысить степень повышения давления в компрессоре с 19 до 26 (на 37 %) при постоянной номинальной мощности 16 МВт. Столь существенный рост pк* при незначительном повышении к.п.д. неминуемо сопровождается значительным повышением рабочего давления в агрегате, усложняет и утяжеляет его конструкцию. Все это конечно же отразится на стоимости ГТУ и эксплуатационных затратах.
Как показывают термодинамические расчеты, для устаревших ГТУ (выпуска до 1980 г.) единичной мощностью не свыше 10 МВт, предусматривающих, преимущественно, регенерацию теплоты отработанных газов ГТУ, эффективная удельная работа двигателя слабо зависит от pк*, то есть график зависимости представляет собой почти горизонтальную линию, в то время как кривая зависимости эффективного к.п.д. установки от степени повышения давления в компрессоре имеет ярко выраженный экстремум. Так, для ГТУ типа ГТ-750-6 (производитель - "Невский завод") удельная эффективная работа Ае достигает максимума при pк*=4,6 (табл. 2). Приблизительно такое значение степени повышения давления в компрессоре (4,8) и выбрано для установки.
Результаты термодинамических расчетов, выполненных применительно к ГТУ выпуска после 1980 г., для которых характерны большая единичная мощность и отсутствие регенерации, показывают, что ярко выраженные экстремумы в функции от pк* имеет не только график изменения эффективного к.п.д., но и график изменения эффективной удельной работы двигателя. Значение pк*опт, соответствующее максимуму графика зависимости эффективного к.п.д., превышает 12, в то время как pк*опт, соответствующее наибольшему значению удельной эффективной работы, имеет значительно меньшую величину. Так, для ГТН-25 значение pк*опт равно 12,5 при максимальном h*e, а для максимальной Ае оно составляет всего 8 (табл. 2).
Таким образом, выбор оптимального значения степени сжатия в компрессоре по критерию максимума удельной работы двигателя позволяет проектировать и изготавливать как компрессор, так и ГТУ в целом в расчете на меньшее рабочее давление, а значит и с меньшими металлозатратами при фиксированной мощности агрегата, что значительно упрощает его конструкцию и снижает капитальные вложения в производство.
Стоит обратить особое внимание на то, что выбор наивыгоднейших значений характеристик, которые указываются в технических условиях на разработку новых ГТУ, необходимо производить с учетом статистических данных о фактической загрузке эксплуатируемых установок, а не в расчете на режим максимальной (номинальной) мощности. Для этого средний коэффициент загрузки агрегата (основываясь на многолетних статистических данных) следует принимать равным ~ 0,75…0,85. Следует отметить, что эксплуатируемые в настоящее время основные производственные объекты газотранспортных систем имеют значительный резерв мощности. Для стационарных установок это предопределяет ухудшение показателей эффективности производства из-за неадекватного соотношения объема транспортируемого газа и располагаемых производственных мощностей.
В этих условиях актуальной является задача, исследования возможности получения максимальной полезной нагрузки газоперекачивающего агрегата при наименьшей тепловой мощности двигателя. При всех расчетах следует помнить, что для ГТД, используемой в качестве привода ГТУ наиважнейшим является не параметры внутреннего цикла, а качества его, как привода. Поэтому, для решения указанной задачи проанализируем зависимость универсальной безразмерной характеристики ГТУ - dNес, равной отношению эффективных мощностей компрессора и турбины, от показателей работы ГТУ.
Результаты расчетов с использованием четырех различных способов представлены в табл. 3. Эффективная мощность компрессора и турбины рассчитывались по известным формулам на основании паспортных данных термобарических параметров.
В столбце (1) приведены значения для dNес, когда эта величина получается при подстановке в них заявленных параметров ГТУ. Для столбца (2) dNес рассчитывалась по тем же параметрам, но в качестве располагаемой мощности использовалась эффективная мощность ГТУ, принятая по заявленным паспортным данным. Числовые значения dNес в столбце (3), в отличие от двух предыдущих, получены в относительных безразмерных величинах термобарических параметров и также на основе использования паспортных данных.
В столбце (4) представлены оптимальные значения соотношений эффективных мощностей компрессора и турбины в эффективном термодинамическом цикле наибольшей удельной работы газотурбинного двигателя, полученные профессором Н.И. Белоконем.
Из данных табл. 3 следует, что для газотурбинных установок, имеющих равные значения температуры газов перед турбиной, наблюдается рост dNес при увеличении pк*. Так, при повышении pк* с 3,9 до 7,8 (ГТК-5 и ГПА-Ц-6,3) величина dNес, подсчитанная по паспортным данным, возрастает на 16 % и достигает величины 0,7237. При этом полезная нагрузка двигателя, естественно, уменьшается.
Оптимальное значение dNес, подсчитанное исходя из условия получения наибольшей удельной работы, возрастает лишь на 10 % и становится равным 0,615 (ГПА-Ц-6,3).
Увеличение степени повышения давления в компрессоре установки ГТ-6-750 (pк* = 4,6) по сравнению с аналогичным показателем ГТ-750-6 (pк* = 6,0) почти не сказывается на dNес, подсчитанной по паспортным данным, а оптимальное значение dNес опт возрастает на 6 %.
Наблюдается рост dNес, подсчитанной по паспортным данным для ГТУ с температурой газов Т*г на уровне 900…925 °С при возрастании pк* от 7,8 до 10. Это повышение, как правило, не превышает 20 %, то зато dNес начинает отличаться от dNес опт более чем на 20 %, что свидетельствует о нецелесообразности повышении pк* при температуре газов перед турбиной более 900 °С.
Из анализа данных, приведенных в табл. 3, следует, что наиболее удачно спроектированы агрегаты ГТК-10И и ГТК-25И, у которых доля полезной нагрузки составляет почти 50 % от всей мощности, вырабатываемой газовой турбиной. При этом оптимальные значения dNес у этих ГТУ почти совпадают с расчетными значениями, представленными в графе (3) (отклонения составляют 4…7 %).
При одинаковой температуре перед турбиной увеличение значения pк* ведет к уменьшению dNес опт. Так, если сравнить агрегаты ГТ-6-750 и ГТ-750-6, то выяснится, что рост pк* с 4,6 до 6,0 привел к снижению величины dNес опт с 0,551 до 0,519. В то же время значение dNес, подсчитанное по паспортным данным, при этом практически не изменяется, оставаясь на уровне 0,64.
У двухкаскадных ГТУ типа ГПА-10 по сравнению с агрегатами ГПА-Ц-16 при одинаковом значении температуры Т*г величина pк* возросла от 9,7 до 10,3, что привело к незначительному увеличению dNес опт: от 0,50 до 0,52. При этом значение dNес, подсчитанное по паспортным данным, увеличилось в значительно большей мере: от 0,67 до 0,72.
Это обстоятельство свидетельствует о невысокой степени полезного использования мощности, выработанной газовой турбиной агрегата ГПА-10, для которого характерно нерационально высокое значение pк* = 10,3.
У двухкаскадных ГТУ типа ГТН-16 и ГТН-25 при приблизительно одинаковых значениях dNес, подсчитанных по паспортным данным (0,66…0,72), необоснованно высоки pк*, равные 11,5 и 12,5, соответственно. Об этом свидетельствует тот факт, что значения dNес опт, подсчитанные исходя из условия получения наибольшей удельной работы двигателя, получаются заметно меньшими (0,46…0,47).
Проведенный анализ свидетельствует о том, что большинство ГПА, находящихся в эксплуатации в системе транспорта газа, в особенности агрегаты выпуска последних лет (ГТН-16, ГТН-25, ГПА-10, НК-14СТ, ГПА-12 "Урал"), отличаются необоснованно высоким значением показателя dNес, подсчитанным по паспортным данным. У всех отмеченных агрегатов pк* превышает значение 10.
Таким образом, установлено, что с ростом pк* доля полезной нагрузки ГТУ относительно общей ее величины, выработанной газовой турбиной двигателя, снижается, а это вызывает увеличение dNес. Особенно сильно указанный эффект заметен у трехвальных двухкаскадных ГТУ. Все изученные ГТУ характеризуются величинами dNес в основном, превышающими оптимальные. Исключение составляют ГТУ типа ГТК-10И и ГТК-25И. Расчетные значения dNес превышают значение dNес опт примерно на 35 %, а для некоторых агрегатов разница еще больше, и она превышает 40 %.
Для проектирования новых и оценки совершенства существующих газотурбинных двигателей, работающих в стационарных установках, весьма важной характеристикой является удельная работа. Это работа, произведенная 1 кг рабочего тела двигателя (Ауд, кДж/кг), рассчитанная в безразмерных параметрах по работе на выходном валу ГТУ относительно общей работы цикла. Наибольший интерес представляет исследование зависимости Ауд от параметров ГТУ для определения условий, при которых можно получить максимальное ее значение. Естественно, что повышение характеристик pк* и T*4/T*1 приведет к значительному увеличению эффективной мощности ГТУ, но при этом рост Ауд может быть неадекватным. Снижение Ауд связано с увеличением доли мощности, выработанной газовой турбиной, потребляемой осевым компрессоров ГТУ. Увеличение же мощности осевого компрессора происходит в первую очередь при подъеме характеристик цикла по pк* и T*4/T*1. Это приводит к значительному увеличению металлоемкости, усложняет проблему жаростойкости и жаропрочности металла горячих деталей ГТУ. Как показывают результаты исследований, стремление повысить pк* и T*4/T*1 требует гораздо большей повышения мощности осевого компрессора по сравнению с результирующим ростом эффективной мощности и эффективного к.п.д. ГТУ в целом. В связи с этим, оптимизация проектирования ГТУ связана с выбором такого варианта проекта, при котором характеристики Ауд и Aе (Aе - отношение мощности ГТУ к мощности, вырабатываемой газовой турбиной) приобретают наибольшее значение при прочих равных условиях.
На основании результатов проведенных расчетов в табл. 4 представлены зависимости характеристик экономичности и эффективности ГТУ от степени повышения давления осевого компрессора. Здесь Каэ кт - степень аэродинамического совершенства турбокомпрессора, определяемая как произведение цикловых степеней аэродинамического совершенства турбины и компрессора ГТУ.
Таким образом, кривая В на рисунке представляет границу оптимальных, предпочтительных значений характеристики Aек/Ае. Характеристики агрегатов, расположенных ниже кривой В, предпочтительны другим агрегатам, имеющих характеристики, расположенные выше кривой В. Этот выбор произведен в зависимости от оптимальных значений характеристик по критериям энергосбережения (Ауд) и ресурсосберегающих характеристик (pк* и T*4/T*1).
Из табл. 4 и рисунка следует, что с увеличением pк* удельная эффективная работа компрессора Aек и удельная эффективная работа двигателя Aе возрастают, причем работа Aек растет в большей степени. Так, если pк* возрастает от 4 до 16, то Aе повышается в 2,6 раза, а Aек - в 3 раза.
Таким образом, применяя предлагаемые критерии, можно определить, насколько данный компрессор оказывается "переразмерен" для применения в ГТУ такого типа. Все точки, расположенные выше кривой В, соответствуют ГТУ, у которых удельная эффективная работа компрессора слишком велика по сравнению с общей работой ГТУ. Этот параметр можно использовать как оценочный при проектировании новых энергоприводов на базе существующих двигателей.

Расчетные значения отношения удельных эффективных работ ГТД и осевого компрессора (Ауд/Авк) и степени аэродинамического совершенства турбокомпрессора (Каэ кт) для различных типов ГТУ № точки на рисунке Тип ГТУ Пк Ауд/Аек Каэ кт 1 ГТК-5 3,900 0,60 0,895 2 ГТ-750-6 4,600 0,54 0,905 3 ГТ-6-750 6,000 0,56 0,933 4 ГТК-10-4 4,400 0,63 0,911 5 ГТН-16 11,500 0,51 0,934 6 ГПА-Ц-6,3 7,800 0,38 0,856 7 ГПА-Ц-16 9,700 0,51 0,925 8 ГТН-25 12,500 0,37 0,932 9 ГПА-10 10,300 0,38 0,923 10 ГТК-10И 7,100 0,75 0,903 11 ГТК-25И 8,200 0,71 0,915 12 Кобера-812 9,000 0,46 0,861 13 НК-14СТ 10,500 0,51 0,870 14 ГПА-12 "Урал" 15,597 0,58 0,937

Зависимости - удельной эффективной работы осевого компрессора (Авк - кривая А), - удельной эффективной работы ГТУ (Ае - кривая Б), - и отношения этих работ (Авк/Ае - кривая В) от Пк ГТУ (номера точек на графике соответствуют порядковым номерам установок в таблице)