Низкооборотная свободная турбина

Привод для энергетики

В период с 2000 — 2006 г.г. конструкторским отделом АО “Эверест-Турбосервис в тесном сотрудничестве с ОАО “СНТК им. Н.Д. Кузнецова” был спроектирован энергетический привод ЭТС.860.000 для прямого безредукторного привода электрогенератора.

Конструктивно привод представляет собой трехступенчатую свободную турбину (СТ) с номинальной частотой вращения 3000 об/мин и выходной мощностью до 18 МВт. Выполненный в виде отдельного модуля на собственной раме и имеющий с газогенератором газодинамическую связь путем использования спроектированного и запатентованного (патент № 91112 от 01.06.2009 г.) переходного устройства данный привод способен работать с любым газогенератором с подходящими термо-газодинамическими параметрами.

Назначенный ресурс свободной турбины составляет 100000 часов, межремонтный 20000 часов.

Конструктивные особенности энергетического привода

Свободная турбина состоит из следующих основных узлов: трехступенчатого ротора, трехступенчатого соплового аппарата и опоры. Крутящий момент с ротора силовой турбины передается непосредственно к муфте электрогенератора.

Ротор силовой турбины – двухопорный, барабанно-дисковой конструкции. В конструкцию входит вал, на котором закреплены полумуфта, лабиринтные кольца, внутренние обоймы подшипников, проставка и три колеса, состоящие из дисков с установленными в них лопатками.

Исходя из требований надежности и долговечности, в роторе используются неохлаждаемые литые лопатки из жаропрочного сплава ВЖЛ 12Э-ВИ. Диски выполнены из жаропрочного материала ЭИ-698, вал ротора – из жаропрочной стали ЭИ-961.

Сопловой аппарат силовой турбины состоит из наружного и внутреннего корпусов, наружных колец и трех ступеней сопловых лопаток. Лопатки – литые, с последующей механической обработкой, выполнены из материала ВЖЛ 12Э-ВИ. Сопловой аппарат крепится со стороны выхода к опоре силовой турбины, а со стороны входа имеет подвижное телескопическое соединение с опорой газогенератора. На наружном корпусе, наружных кольцах и оболочке силовой турбины предусмотрены “лючки” для осмотра лопаток ротора СТ.

Наружный и внутренний корпуса образуют плавный канал, который используется для подвода рабочего тела от газогенератора к свободной турбине.

Опора силовых турбин состоит из двух частей – силовой и газовыходной.

Силовую часть опоры составляют наружный корпус, шесть радиальных силовых стоек, внутренний корпус, к которому с помощью стенок и проставок крепится корпус маслополости. В корпусе маслополости с левой и правой стороны запрессованы и закреплены корпуса подшипников с форсуночными кольцами и наружными обоймами переднего и заднего роликовых подшипников опоры СТ. Для принятия осевой силы в опоре силовой турбины установлен шариковый подшипник. К фланцу корпуса маслополости крепится лабиринтное кольцо, которое вместе с лабиринтным кольцом диска 3–й ступени образует разгрузочную полость.

Газовыходная часть опоры представляет собой сварную конструкцию с четырьмя фланцами и обтекателями шести силовых стоек опоры. Через силовые стойки проходят трубы, по которым осуществляется подвод и откачка масла, суфлирование масляных полостей, подвод воздуха в разгрузочную полость и на наддув лабиринтных уплотнений. Через одну из стоек проходит рессора, передающая вращение от вала силовой турбины к коробке приводов, в которой установлены датчики частоты вращения ротора СТ.

В связи с продолжительным выбегом СТ, обусловленным большой массой генератора, на свободной турбине установлен гидроаккумулятор, масло из которого при остановленном нагнетательном маслонасосе самотеком подается на подшипники ротора свободной турбины.

При разработке и создании привода учитывался опыт проектирования и доводки свободных турбин двигателей НК-16СТ, НК-36СТ (с 2–ступенчатой СТ) и НК-37СТ (с 4-ступенчатой СТ), прошедших проверку длительной эксплуатацией, а многие узлы и детали привода унифицированы с таковыми вышеуказанных двигателей. Габаритные и стыковочные размеры спроектировнного модуля энергетической турбины полностью совпадают с размерами свободной турбины двигателей НК-16СТ, и НК-16-18СТ, что позволит использовать привод в серийно выпускаемых энергоустановках без внесения в них конструктивных изменений.

Использование турбины совместно с газогенераторами двигателей НК-16СТ и НК-16-18СТ позволяет при строительстве энергетической установки произвести переоборудование любого стандартного газогенератора под использование совместно с трехступенчатой свободной турбиной непосредственно у заказчика в условиях эксплуатации.

Испытания и начало производства

Испытания трехступенчатой свободной турбины проводились на испытательном стенде ОАО “Самарский научно-технический комплекс им.Н.Д.Кузнецова в составе двигателя НК-16ЭТС (номинальная мощность 16МВт, КПД 29% в условиях ISO).

В качестве газогенератора использовался газогенератор двигателя НК-16СТ с внедренными в него мероприятиями:

• по системе отбора воздуха – изменено место отбора на наддув разгрузочной полости 3–ступенчатой силовой турбины с целью получения допустимой величины осевой силы, действующей на радиально- упорный шариковый подшипник;
• по системе запуска – для запуска двигателя использован электростартер;
• по системе топливопитания – использована электронно-гидравлическая система с дозатором ДУС-6,5МП;
• по маслосистеме – применены выносные маслофильтры с бумажными фильтроэлементами типа “Реготмас”, повышающими тонкость фильтрации масла до 25 мкм вместо 40 мкм и пропускную способность в 2…3 раза.

Позднее турбина была испытана совместно с газогенератором двигателя НК-16-18СТ (номинальная мощность 18МВт, КПД 31,7% в условиях ISO).

Проведенные испытания полностью подтвердили расчетные параметры.

Для изготовления энергетического привода разработаны технологические процессы, изготовлена оснастка и необходимое нестандартное оборудование.

В период 2006-2009 г.г. на основе турбины ЭТС.860.000 была спроектирована и изготовлена ее более мощная модификация — турбина 20ЭТС.860.000. Номинальная мощность турбины составляет 20МВт при 3000 об/мин. Увеличение мощности удалось добиться за счет увеличения пропускной сбособности газовоздушного тракта, и повышения температуры перед турбиной. Первый рабочий образец планируется ввести в работу в 2011 году в составе когенерационной газотурбинной теплоэлектростанции КГТЭС — 40, строящейся на ОАО ММП им.В.В.Чернышева г.Москва. Свободная турбина будет работать совместно с газогенератором авиационного двигателя РД — 55 и стыковаться с ним посредством переходного устройства собственной разработки и изготовления. Всего на электростанции будет установлено две турбины 20ЭТС.860.000.

Также для этого проекта были разработаны и изготовлены выхлопная улитка, рама газогенератора РД-55 и промежуточный вал с гибкой муфтой, для соединения с электрическим генератором.