автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Основные принципы методологии создания, доводки и эксплуатации конверсионного газотурбинного двигателя

Введение.

1. Конверсия авиационных двигателей в газотурбинные приводы для наземных установок.

Выводы.

2. Режимы работы, характеристики, ресурс, конструктивные особенности авиапривода

2.1. Основные требования к газотурбинным авиаприводам.

2.2. Режимы работы газотурбинных авиаприводов.

2.3. Характеристики газотурбинных авиаприводов и основные направления их обеспечения и улучшения.

2.4. Ресурс газотурбинных авиаприводов и основные принципы его обеспечения.

2.5. Конструктивные особенности газотурбинных авиаприводов.85 Выводы.

3. Методология испытаний и оценки характеристик газотурбинных авиаприводов.

3.1. Стендовые испытания.

3.2. Оценка характеристик при стендовых испытаниях и в эксплуатации.:.

Выводы.

4. Системы автоматического управления и законы регулирования газотурбинных авиаприводов.

4.1. Системы автоматического управления газотурбинным приводом.

4.2. Законы регулирования газотурбинного привода.

Выводы.

5. Методология диагностики и поддержания технического состояния газотурбинного привода в эксплуатации.

Выводы.

6. Реконверсия опыта создания, доводки и эксплуатации газотурбинного авиапривода в авиационный двигатель.

Выводы.

Динамичное развитие во всем мире энергоёмких производств, таких как газовая промышленность, энергетика, нефтяная промышленность, металлургия и др., обуславливают необходимость ввода новых fc мощностей, замены морально и (или) физически устаревшего оборудования, реконструкции объектов. Техническое перевооружение отраслей промышленности является исключительно актуальной проблемой, так как наличие в промышленности изношенного, выработавшего свой ресурс оборудования вводит производства в зону повышенного риска: приводит к перерасходу топлива, нарушению экологических требований, снижению промышленной безопасности и © эксплуатационной надежности. Решение этих проблем связано с разработками нового оборудования с высокими характеристиками как по энергосбережению, так и по экологии, ресурсу, надежности и затратам на эксплуатацию.

В связи с этим перед учеными, организаторами производств всего мира стоят проблемы резкого повышения эффективности продукции на основе ускорения научно-технического прогресса. * Для решения этих задач необходимы знания условий эксплуатации производимой продукции, опыта её эксплуатации, опыта создания и эксплуатации аналогичной продукции других производителей, новейших достижений в областях науки и техники, связанных с разрабатываемой и производимой продукцией.

В настоящее время для энергоемких производств большое развитие получила газотурбинная техника в виде механических приводов и парогазовых установок с комбинированной выработкой электрической л w энергии и тепла.

Основой такой техники стали газотурбинные приводы в том числе и созданные на основе авиационных газотурбинных двигателей (так называемые конверсионные газотурбинные авиаприводы ), что в немалой степени связано с резким сокращением выпуска стационарных газотурбинных установок.

Целесообразность применения конверсионных газотурбинных приводов обусловлена их высокими экономическими показателями, а успех их применения в энергетике, газовой отрасли и др. во многом зависит от решения проблем ресурса, надежности, экономичности и экологических характеристик. При использовании в таком оборудовании в качестве топлива природного газа обеспечиваются высокие экологические и экономические характеристики. Современные газотурбинные установки имеют коэффициент полезного действия (КПД) до 40.42% в простом цикле и до 58% в комбинированном.

Высокие экологические характеристики позволяют размещать энергоустановки в границах промышленных зон, в районах жилых зон, тем самым, в случае, применения комбинированных установок для выработки электрической энергии и тепла, существенно сокращать потери тепла при подаче его потребителям.

Современные тенденции развития газотурбинной техники для авиации и наземного применения обуславливают разработку конструкций с высокими параметрами термогазодинамического цикла, большими ресурсами, хорошей эксплуатационной технологичностью и низкой стоимостью.

Проблемы создания такой техники значительно усложняются в связи с ужесточением требований по защите окружающей среды от выбросов вредных веществ с продуктами сгорания.

Большой опыт успешной разработки передовых образцов техники для военной авиации, обобщенный в двигателях семейства АЛ, позволил также создать авиапривод для наземного применения AJI-31CT.

Конвертирование авиационных двигателей в наземные газотурбинные авиаприводы освещено в ряде научных работ и статей отечественных и зарубежных специалистов.

В данной работе осуществляется обобщение опыта создания, доводки и эксплуатации конвертированного газотурбинного двигателя АЛ-31СТ с опытом в этой области других отечественных и зарубежных фирм и формулируются основные принципы методологии их создания, доводки и эксплуатации. Эти основные принципы могут быть полезны при создании высокоэффективного, отвечающего современным требованиям, конверсионного газотурбинного привода как для рынка России, так и для зарубежных рынков.

Обобщение опыта положено в основу цели работы, для достижения которой выполнен комплекс исследований и анализ, направленных на решение следующих задач:

1. Изучение взаимосвязи режимов работы, характеристик, ресурса и надежности газотурбинных авиаприводов.

2. Разработка методологии испытаний газотурбинных авиаприводов в стендовых условиях и в эксплуатации.

3. Обоснованы требования к системам управления и законам регулирования газотурбинного авиапривода.

4. Разработана методология поддержания технического состояния газотурбинного авиапривода в эксплуатации.

5. Обоснована методология реконверсии опыта доводки и эксплуатации газотурбинного авиапривода в авиадвигатель.

Практическая значимость работы состоит в том, что сформулированные основные принципы методологии создания, доводки и эксплуатации конверсионного газотурбинного двигателя на базе значительного объема опыта работы по авиаприводу AJI-31CT и других, как отечественных, так и зарубежных, представляют собой инструмент при конвертировании авиадвигателя в наземную газотурбинную установку. Этот инструмент позволит сократить затраты и время конвертирования.

Содержание работы по главам:

В главе 1 проведен анализ отечественных и зарубежных конверсионных разработок газотурбинных приводов.

В главе 2 сформулированы основные требования к газотурбинным авиаприводам, проанализированы их режимы работы, сформулированы основные направления обеспечения и улучшения их характеристик и обеспечения ресурса, проанализированы конструктивные особенности газотурбинных авиаприводов.

В главе 3 сформулированы основные положения методологии испытаний и оценки характеристик авиаприводов в стендовых условиях и в эксплуатации.

В главе 4 проанализированы системы управления и законы регулирования газотурбинных авиаприводов.

В главе 5 излагается методология диагностики и поддержания технического состояния газотурбинного авиапривода в эксплуатации.

В главе 6 рассмотрена целесообразность переноса опыта доводки и эксплуатации газотурбинного авиапривода на базовый авиадвигатель и его модификации с целью их совершенствования.

Работа выполнена в научно-техническом центре им. А. Люльки ОАО "НПО Сатурн".

По результатам проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, получено 5 патентов.

Основные выводы

1.Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать принципы методологии проектирования, доводки и эксплуатации конверсионного газотурбинного авиапривода, которые являются основой конвертирования авиадвигателя в наземные газотурбинные установки.

2.Проведенный анализ конверсионных разработок газотурбинных авиаприводов, их режимов работы, характеристик, требований по ресурсу и надежности позволил определить основные направления совершенствования газотурбинных авиаприводов.

3.Сформулирована стратегия управления современными газотурбинными приводами в части архитектуры системы автоматического управления, контроля и диагностики технического состояния и формирования законов регулирования.

4.Разработаны и реализованы на авиаприводе АЛ-31 СТ алгоритм управления подачей топлива в низкоэмиссионную камеру сгорания со сложной схемой процесса сжигания газообразного топлива и механизм активного подавления пульсаций в камере сгорания, обеспечившие уровень выбросов оксидов азота менее 86 мг/нм .

5.Предложена и реализована схема топливопитания стенда газообразным топливом для испытаний газотурбинных авиаприводов на авиационных стендах. Разработана методика определения мощности авиапривода по результатам испытаний его газогенератора с жестким насадком, позволившая с высокой степенью точности контролировать стабильность серийного изготовления модуля газогенератора.

6. Разработана стратегия обслуживания газотурбинного авиапривода АЛ-31 СТ при его эксплуатации по техническому состоянию на основе применения современных систем мониторинга режимов работы и учета рабочих факторов, влияющих на ресурс высокотемпературных деталей турбины и деталей компрессора.

7.Сформулированы условия и показана экономическая целесообразность реконверсии - переноса опыта создания, доводки и эксплуатации газотурбинного авиапривода на базовый авиационный двигатель АЛ-31Ф и его модификации - изделия 39, 96, а также на создаваемый авиадвигатель нового поколения, что позволило увеличить ресурс короткоресурсного авиадвигателя с уровня 500.700 часов до 1500.2000 часов.

8.Апробирование результатов исследований выполнено в процессе создания, доводки и многолетней эксплуатации конверсионного авиапривода AJI-31CT и реконверсии накопленного опыта в базовый авиадвигатель АЛ-31Ф и его модификации.

1. Андреев А. В., Куприн В. В., Рогожин В. И., Цыбулько В. А., Чепкин В. М., Марчуков Е. Ю. Способ эксплуатации двухконтурного турбореактивного двигателя по техническому состоянию. Патент. RU 2168163 С1.

2. Андреев А. В., Лебедев В. А., Чепкин В М. Неустойчивость горения водорода и кислорода в жидкостных реактивных двигателях с дожиганием генераторного газа. М. Навигатор-Экстра, 2000г., с. 43.

3. Акимов В. М., Бакулев В. И., Курзинер Р. И., Поляков В. В., Сосунов В. А., Шляхтенко С. М. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. М. Машиностроение 1987, с. 153,154,290,413.

4. Бабарин О., Глина О. Газотурбинная установка FT-8* и электростанции на её основе. Газотурбинные технологии № 4 2002 г., с. 36.39.

5. Балабан Ю Н. Конверсия предопределила тесное взаимодействие с РАО «Газпром». Рынок нефтегазового оборудования СНГ, № 2 1997, с. 48.50.

6. Беляев В., Маркелов А. Газотурбинные установки с энергетическим впрыском пара. Газотурбинные технологии № 4 2002 г., с. 20.24.

7. Богуслаев. В. Газотурбинные приводы Д-336 и АИ-336 ОАО «Мотор Сич» для энергетической, нефтяной и газовой промышленности, газотурбинные технологии № 1 2003 г., с. 14. 16.

8. Богуслаев. В. Газотурбинный привод для реконструкции компрессорных станций. Газотурбинные технологии № 6 2002 г., с. 14.18.

9. Бойко А М. Создание методологии выбора оборудования для объектов единой системы газоснабжения. Диссертация, Москва, 1999 г., с. 11,12,14,16.18.

10. Ю.Бойс М. Сокращение эксплуатационных затрат энергетической установки.

11. Газотурбинные технологии № 2 1999 г., с. 18.22. П.Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющихвеществ. М. Физматлит 2003г., с. 294.297.

12. Волков А. М., Гойхенберг М. М., Гончаров В. Г., Куприк В. В., Марчуков Е. Ю., Тарасенко В. Г., Федоров С. А., Чепкин В М. Устройство для подготовки и подачи топливо-воздушной смеси в камеру сгорания газотурбинной установки. Патент RU 2143642 С1.

13. Гаврилов В., Бржозовский Б., Мартынов В. Мониторинг газоперекачивающих агрегатов по интегральным показателям. Газотурбинные технологии № 6 2001 г., с. 23.27.

14. Газовые турбины в электроэнергетике. Теплоэнергетика № 4 1996 г.,1. С.2.11.

15. Гоголев А. Смена поколений. Рынок нефтегазового оборудования СНГ. №2 1997 г., с. 41.43.

16. Гончаров В. Г., Куприк В В. Технология малоэмиссионного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ AJI-31СТ. Тезисы докладов XLVIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. Г. Рыбинск, 25-26 сентября 2001 г., с 18,19.

17. Гриценко Е А. Воздух-земля. Двигатели НК для газовой промышленности. Рынок нефтегазового оборудования СНГ. №2 1997 г., с. 34.36.

18. Гриценко Е., Овчинников В., Шитарев И. Авиационные конвертированные ГТД семейства «НК» для газовой промышленности и энергетики. Газотурбинные технологии № 1 2002 г., с. 16. 19.

19. Гриценко Е., Орлов В., Павлов В. «Промышленные газовые турбины ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова». Газотурбинные технологии № 5 2001г., с. 12,13.

20. Гриценко Е., Орлов В., Павлов В. Разработка малоэмиссионных камер сгорания для ГТУ авиационного типа. Газотурбинные технологии № 6 2001 г., с. 6. 11.

21. Гутник М, Тумановский А. Перспективы создания высокотемпературных малотоксичных камер сгорания стационарных ГТУ. Газотурбинныетехнологии № 6 2002 г., с. 38.40.

22. Дидилов В., Новосёлов В. Аппаратура для систем управления газотурбинными двигателями. Газотурбинные технологии №3 2001 г., с. 26.28.

23. Довженко В. Н., Клисенко В. П. Авиационные газотурбинные технологии для газовой промышленности. Газотурбинные технологии № 1 2003 г.,с. 20.22.

24. Дюбанов Ю. Рыбин П. Фастахов В. Системы регулирования АО «Никтит». Опыт эксплуатации на ТЭС Рио-Чико (Аргентина). Газотурбинные технологии № 2 1999 г., с. 30.35.

25. Идельсон А., Овчинников В. НК-14Э для привода электрогенератора в составе электростанции БГТЭС-9,5. Газотурбинные технологии № 5 2001 г., с. 23.25.

26. Иноземцев А. Газотурбинные установки ОАО «Авиадвигатель. Газотурбинные технологии № 1 2000 г., с. 24.27.

27. Инструкция по контролю и продлению срока службы металла основных элементов турбин и компрессоров энергетических установок. РД 34.17.448-97. Москва 1998г., С.2.6.

28. Каблов Е., Кишкин С. Перспективы применения литейных жаропрочных сплавов для производства турбинных лопаток ГТД. Газотурбинные технологии № 1 2002 г., с. 34.37.

29. Канаев А. В., Королёв В. С., Парафейник В. П., Куприк В. В., Лезнов А. С. Газоперекачивающий агрегат ГПА Ц-16Л — высокая степень готовности. Газотурбинные технологии №4 2001 г., с. 14.16.

30. Каталог газотурбинного оборудования 2001. Газотурбинные технологии, с. 87.90, 110.Л12.

31. Каталог удельных выбросов загрязняющих веществ газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов. РД51-162-92. ИРЦ «Газпром», Москва, 1993 г., с.21,22,41,42.

32. Клименко В., Клименко Ю., Мазур А. Парогазовые установки с дожиганием топлива па базе двигателя АЛ-31СТЭ. Газотурбинные технологии № 1 2002 г., с. 6. 10.

33. Коваленко А., Муравчёнко О., Бухолдин Ю., Парафейник В., Епифанов С., Фролов С. Перспективы развития газотурбинного привода для компрессорных агрегатов и установок, углеводород ных газов. Газотурбинные технологии №2 2003 г., с. 2.6.

34. Козаченко А Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М. «Нефть и газ», 1999 г., с. 160,161,314.

35. Коклин И. Диагностирование состояния ГПА по эксплуатационно-экологическим параметрам. Газотурбинные технологии № 2 2002 г.,с. 25.28.

36. Коробицын М. Повышение эксплуатационных характеристик энергетических установок. Газотурбинные технологии № 3 2001 г., с. 2.7.

37. Крекнин Ю. Ренгеноспектральный анализ смазочных масел в эксплуатации. Газотурбинные технологии № 3 2001 г., с. 18.23.

38. Крылов Б. А., Куприк В. В., Ласточкин Ю. В., Марчуков Е. Ю. Опытконверсии в реконверсии авиационных двигателей. Тезисы докладов. Lнаучно-техничесская сессия по проблемам газовых турбин. Санкт

39. Петербург 17-18 июня 2003г., с. 30,31.

40. Компрессорные станции Газпрома. Эксплуатация и техническое обслуживание. Газотурбинные технологии № 2 2001 г., с. 2,3.

41. Кузменко М., Межибовский В., Брындин О., Телегин Г. Газотурбинная электростанция в Рыбинске введена в эксплуатацию. Газотурбинные технологии №5 2003 г., с. 2.5.

42. Кузменко М. Л., Набиуллин P. X. Газотурбинная электростанция ГТЭС-12 обеспечивает энергией город Нарьян-Мар. Газотурбинные технологии №4 2003 г., с. 2.4.

43. Куприк В. В. Конверсия авиационных двигателей в газотурбинный привод для наземных установок (обзорный анализ зарубежного и отечественного опыта). М. Конверсия в машиностроении № 5 2003г., с. 16. .21.

44. Куприк В. В., Балуков Е. В., Забродин Ю. В. Центры диагностики и восстановительного ремонта газотурбинных приводов на предприятиях ОАО Газпром. М. Конверсия в машиностроении № 5 2003г., с.72,73.

45. Лесунов В. П. ОАО УМПО : от авиационных двигателей к установкам для энергетики и транспортировки газа. Газотурбинные технологии № 3 2000 г., с. 38.40.

46. Марчуков Е. Ю. Конверсия высокотемпературного авиационного двигателя. М, 1998 г., с. 5.8,19.28,39,44,45,76,92,93,98,99,114.116.

47. Марчуков Е. Ю., Куприн В. В. Опыт реконверсии стационарных I T У. М. Конверсия в машиностроении № 5 2003г., с. 66,67.

48. Морозов М. С., Куприк В. В., Ермолаев А. В. PGT-21S: Российско-итальянский проект. Газотурбинные технологии № 4 2000 г., с. 23.25.

49. Муравченко О., Коваленко А., Бухолдин Ю., Парафейник В., Епифанов С, Фролов С. Принципы конвертирования газотурбинных двигателей авиационного и судового типа. Газотурбинные технологии № 5 2002 г., с. 20.24.

50. Настоящее и будущее российского турбостроения. Газотурбинные технологии, №1 1999 г, с. 28.34.

51. Ольховский Г. Технологии для тепловых электростанций. Газотурбинные технологии №2 1999 г., с. 4.7.58,Орлов В. Фишбейн Б. Результаты испытаний газотурбинных двигателей авиационного типа НК-36СТ и НК-37. Теплоэнергетика №4,1996 г., с. 23.26.

52. Поршаков Б. П. Газотурбинные установки. М. Недра, 1992 г. с. 158, 159, 180,245,246.60 .Постников А. М. Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ. Самарский научный центр РАН, 2002г., с. 10,18,19,118,119,134,135, 145,146,252.254,262.265.

53. Руководство по газовой турбине. Том IV-B. Панель управления турбиной (Woodward Netcom система). Nuovo Pignone, с. 2-14.2-17.

54. Соколовский М., Мельничук С, Кислицын Г., Тихонов С., Гонтарь Ю., Чичелов В., Ермолаев А., Мостовой А. Агрегат ГПА-16»Урал». Газотурбинные технологии №6 2001 г., с. 12.15.

55. Стрельченко А. Возможности и опыт эксплуатации системы защиты и комплексной диагностики СДКО. XLVIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин, 26-27 сентября 2001 г., г. Рыбинск, с. 25,26.

56. Тумановский А. Современные пути разработки и исследований малотоксичных камер сгорания стационарных ГТУ. L научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин, 17-18 июня 2003 г., С-П, с. 48,49.

57. Чепкин В. М., Марчуков Е. Ю., Куприк В. В. Опыт конверсии авиационного ГТД в стационарный. Газотурбинные технологии № 1 2000 г., с. 30.32.

58. Чепкин В. М., Марчуков Е. Ю., Куприк. В. В., Федоров С. А., Гончаров В. Г. Опыт создания и совершенствования низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ AJI-31CT. М. Конверсия в машиностроении №5 2003г., с. 78.80.

59. Шайхутдинов А., Соколовский М. Кислицын Г., Саков Ю., Чупраков А. Российские ГПА на газопроводе «Голубой поток». Газотурбинные технологии №4 2002 г., с. 2.4.

60. Шайхутдинов А., Кабанов В, Козлов Н., Россеев Н. Опыт эксплуатации ГПА-Ц-25 в ООО «Самаратрансгаз». Газотурбинные технологии5 2002 г., с. 16. 18.

61. Щуровский В. А. Новое поколение ГТУ для магистральных газопроводов. Газотурбинные технологии №1 1999 г., с. 8.,13.

62. Щуровский В. А. Новое поколение ГТУ для магистральных газопроводов. Теплоэнергетика № 4 1996 г., с. 12. 14.

63. Rolls-Royce Industrial Avon. Cas Turbine Forecast. May 1999, с. 1.6.

64. Rolls-Royce Industrial RB211. Cas Turbine Forecast. June 1999, с. 1.10.

65. United Technologies FT8. Cas Turbine Forecast. July 1999, с. 1.8.

66. Gas Turbine World, 1996 Hadbook, vol. 17, c. 2-03.2-08, 4-24.4-30, 4-41.4-45.