РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ МОЩНОСТЬЮ 16 МВТ ДЛЯ ПРИВОДА ГПА

Анализ структуры парка газотурбинных газоперекачивающих агрегатов ПАО «Газпром» показывает, что суммарная мощность, вырабатываемая газотурбинными двигателями 16–18 МВт, составляет более 45 % от установленной мощности всех агрегатов [1]. Общее количество газотурбинных двигателей в данном диапазоне мощности (в том числе конвертированных судовых и авиационных) составляет более 1400 ед. При этом возрастная структура парка газоперекачивающих агрегатов по наработке свидетельствует о физическом износе оборудования. Для обеспечения замены газотурбинных двигателей мощностью 16 МВт при достижении назначенного ресурса и при реализации проектов нового строительства Группой «Газпром энергохолдинг индустриальные активы» на производственной площадке ПАО «Тюменские моторостроители» реализуется проект по созданию современного отечественного газотурбинного двигателя ТМ-16.

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА СОЗДАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТМ-16

Проект предусматривает проведение расчетных и экспериментальных исследований, разработку конструкторской и технологической документации, а также изготовление и стендовые испытания опытного образца.

Стендовые испытания опытного образца планируется завершить до конца 2025 г. По предварительной оценке, ежегодная потребность в двигателях ТМ-16 составит не менее 7 ед. начиная с 2026 г.

Одновременно с разработкой двигателя ПАО «Тюменские моторостроители» реализует масштабную программу модернизации производственных мощностей, включающую ввод в эксплуатацию нового современного станочного оборудования и реконструкцию заводской инфраструктуры, которая позволит организовать серийное производство в необходимом объеме.

ОПИСАНИЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТМ-16

Разрабатываемый двигатель ТМ-16 представляет собой трехвальный uазотурбинный двигатель (ГТД), предназначенный для использования в составе газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорных станций в качестве привода нагнетателя для компримирования природного газа в целях его транспортировки по магистральным газопроводам (рис. 1).

Газотурбинный двигатель ТМ-16 состоит из входного устройства, осевого девятиступенчатого компрессора низкого давления (КНД), осевого десятиступенчатого компрессора высокого давления (КВД), противоточной камеры сгорания трубчато-кольцевого типа, осевой одноступенчатой турбины высокого давления, осевой одноступенчатой турбины низкого давления, осевой трехступенчатой силовой турбины и агрегатов, навешанных на двигатель. Компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение турбинами низкого и высокого давления соответственно (рис. 2, 3), образуя два контура, имеющих различную частоту вращения, кинематически не связанных друг с другом.

Силовая турбина расположена за турбиной низкого давления, мощность от нее передается через муфту на нагнетатель. Воздух поступает через входное устройство последовательно в КНД, затем в КВД, где сжимается до требуемых параметров. За КВД расположен кольцевой диффузор, в котором происходит снижение скорости потока воздуха и повышение давления перед входом в камеру сгорания. Из диффузора сжатый воздух поступает в камеру сгорания, в которой сжигается тепловоздушная смесь, подготовленная горелочными устройствами. В камере сгорания воздух частично участвует в процессе горения, частично смешивается с продуктами сгорания топлива.

Образовавшаяся газовоздушная смесь поступает последовательно в турбину высокого давления, турбину низкого давления и силовую турбину, которые развивают мощность, необходимую для привода компрессоров, агрегатов, навешанных на двигатель, и нагнетателя. Для обеспечения устойчивой работы компрессора в диапазоне рабочих режимов и при запуске ГТД КВД оборудован входным направляющим аппаратом с поворотными направляющими лопатками.

Для привода агрегатов, обслуживающих двигатель, на переднем корпусе КНД и на раме двигателя установлены коробки приводов. Рама двигателя предназначена для крепления двигателя и агрегатов, двигатель крепится к раме при помощи четырех гибких опор. Характеристики газотурбинного двигателя ТМ-16 представлены в таблице.

На сегодняшний день в рамках НИР выполнено численное моделирование условий работы осевого компрессора ТМ-16 на основе адаптированной расчетной модели (рис. 4).

По результатам расчетов выполнен анализ распределения одномерных параметров по ступеням, а также распределения ключевых параметров по высоте межлопаточных каналов и сделаны выводы о работоспособности конструктивных решений, выбранных при проектировании компрессора.

На рис. 5 представлена расчетная характеристика работы КНД во всем диапазоне режимов. 

Помимо этого, проведено построение расчетной характеристики КВД на номинальной частоте вращения (рис. 6). 

Для сравнения на графике нанесена номинальная изодрома КВД. В результате установлено, что компрессор является согласованным и в рабочей точке может обеспечить требуемую степень повышения давления.

ПРОИЗВОДСТВО И МОДЕРНИЗАЦИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТМ-16

Серийный выпуск двигателей ТМ-16 будет осуществлен ПАО «Тюменские моторостроители» с привлечением АО «Газэнергосервис» и АО «Уралтурбо», входящих в Группу «Газпром энергохолдинг индустриальные активы». По результатам серийного освоения ГТД ТМ-16 и проведения эксплуатационных испытаний будет выполнена его модернизация в целях улучшения технико-экономических характеристик. Дальнейшего повышения КПД двигателя планируется достичь путем умеренного увеличения предельных параметров термодинамического цикла (повышения степени сжатия компрессора и температуры перед турбиной) при сохранении мощности силовой турбины, что потребует перепрофилирования проточной части компрессоров и турбин высокого и низкого давления, а также применения новых сплавов для изготовления турбинных лопаток [2].

ВЫВОДЫ

ПАО «Тюменские моторостроители» обладает научно-техническим и производственным потенциалом для разработки и производства отечественного ГТД мощностью 16 МВт.

Разработка и постановка на производство ГТД ТМ-16 в периметре Группы «Газпром» позволит использовать его как основной привод ГПА мощностью 16 МВт на объектах реконструкции и нового строительства.

Опубликовано в журнале «Газовая промышленность», номер № 1, 2024 г. 

АВТОРЫ:

С.Г. Максимовский, ПАО «Тюменские моторостроители» (Тюмень, Россия)

А.Ю. Култышев, к.т.н., ООО «Газпром энергохолдинг индустриальные активы» (Санкт-Петербург, Россия)

И.Ю. Кляйнрок, к.т.н., ООО «Газпром энергохолдинг индустриальные активы»

К.О. Гилев, ООО «Газпром энергохолдинг индустриальные активы»

ЛИТЕРАТУРА:

1. Галиуллин З.Т., Сальников С.Ю., Щуровский В.А. Современные газотранспортные системы и технологии / под ред. В.А. Щуровского. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2014. 345 с.
2. Бронников А.Н., Кайдаш А.С., Рябчук В.Г. и др. Варианты повышения эффективности приводного газотурбинного двигателя ДГ90 // Газовая промышленность. 2023. № 5 (848). С. 64–73.