Особенности развития отрасли газотурбостроения

В современной технике разработано и используется множество различных типов двигателей. Одними из которых являются – газотурбинные двигатели (ГТД), т.е. двигатели, имеющие в своем составе компрессор, камеру сгорания и газовую турбину. ГТД широко применяются в авиационной, наземной и морской технике. На рис. 1. показаны основные объекты применения современных ГТД [1].

Рис. 1. Классификация ГТД по назначению

и объекты применения.

Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. B 1939 г. швейцарская фирма A.G. Brown Bonery ввела в эксплуатацию первую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и КПД 17,4%. В 1941 г. вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудованный ГТД мощностью 1620 кВт разработки этой же фирмы. С конца 1940-х гг. ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а с конца 1950-х гг. – в составе газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах для привода нагнетателей [2].

В современной гражданской и военной авиации ГТД практически полностью вытеснили поршневые двигатели и заняли доминирующее положение. Их широкое применение в энергетике, промышленности и транспорте стало возможным благодаря более высокой энергоотдачи, компактности и малому весу по сравнению с другими типами силовых установок.

В настоящее время в общем объеме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70%, наземные и морские - около 30%. Объем производства наземных и морских ГТД распределяется следующим образом: энергетические ГТД -91%; ГТД для привода промышленного оборудования и наземных транспортных средств - 5%; ГТД для привода судовых движителей - 4%.

Промышленные сверхмощные газовые турбины претерпели беспрецедентную технологическую эволюцию. Для больших изделий, используемых в энергетических проектах, с помощью букв обозначается технологический класс оборудования, определяемый объемом воздушного потока, коэффициентом сжатия компрессора и, что наиболее важно, температурой сгорания [3].

В 80-х годах прошлого века использовались турбины технологического класса Е, на смену которым в начале 90-х годов пришли установки класса F. Самые последние классы имеют маркировку G и Н. Эти новые разработки опирались на эволюционный процесс, использующий выверенную существующую модельную базу, а также накоплений опыт производителей. На рис. 2. иллюстрируется эволюционный процесс для установок класса F за 15 лет [4].

Повышение выходной мощности и удельного расхода тепла было достигнуто благодаря увеличению воздушного потока, давления с помощью компрессоров и за счет более высокой температуры сгорания в результате использования улучшенных материалов для лопаток и сопел турбины. Однако для того, чтобы удовлетворить строгие требования по эмиссии, вызывающие необходимость значительного улучшения эксплуатационных характеристик, в проект должны быть привнесены значительные изменения или даже созданы новые модификации (рис. 3.).

Эволюционный технологический процесс класса F для выходной мощности и удельный расход тепла

Мощность

__I Удельный расход топлива

■ Поток сжатого возд/ха

■ Класс сгорания

Рис. 2. Эволюционный процесс для установок класса F за 15 лет.

Рис. 3. Тенденции и прогноз мирового рынка ГТУ.

Газовые турбины способны работать только на газовом или жидком топливе, но в перспективе рассматривают технологии газификации угля, в котором в качестве основных компонентов присутствуют водород и монооксид углерода.

Основной интерес к развитию производства электроэнергии за счёт газификации твёрдых видов топлива объясняется тем, что применяемые при этом технологии позволяют существенно снизить экологическую нагрузку от топливосжигающего оборудования (по сравнению с традиционными технологиями сжигания углей). При этом уголь остаётся относительно дешёвым топливом на мировом рынке, запасы которого огромны, и, по некоторым экспертным прогнозам, их хватит ещё на 150– 200 лет при текущих объёмах потребления.