Авиационные и судовые конвертированные газотурбинные двигатели наземного применения

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

О. В. Комаров, Т. А. Недошивина, Б. С. Ревзин

АВИАЦИОННЫЕ И СУДОВЫЕ 

КОНВЕРТИРОВАННЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ  
ДВИГАТЕЛИ НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Учебное пособие 

Под общей редакцией кандидата технических наук, 

доцента О. В. Комарова

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 

13.03.03 — Энергетическое машиностроение

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2019 

УДК 621.438:629(075.8) 
ББК 39.455.5я73+39.55я73 
          К63 

Рецензенты: завкафедрой энергетики д‑р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров (Уральский государственный лесотехнический университет); 
главный конструктор ЗАО «Уральский турбинный завод», канд. техн. 
наук Т. Л. Шибаев 

К63

Комаров, О. В.
Авиационные и судовые конвертированные газотурбинные двигатели наземного применения : учебное пособие / О. В. Комаров, Т. А. Недошивина, Б. С. Ревзин ; под общ. ред. канд. техн. 
наук, доц. О. В. Комарова. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 
2019. — 196 с.
ISBN 978‑5‑7996‑2599‑3

Изложены предпосылки применения конвертированных транспортных газотурбинных двигателей (ГТД) в качестве приводных для энергетических и газотранспортных установок.

Рассмотрены вопросы переменного режима конвертированных авиационных 

и судовых ГТД в наземной эксплуатации, конструктивные особенности конвертированных двигателей отечественного и зарубежного производства. Особое внимание уделено вопросам обслуживания, надежности и диагностики газотурбинных 
двигателей транспортного типа.

Пособие предназначено для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 13.03.03 — Энергетическое машиностроение, и может быть использовано 
для слушателей систем переподготовки и повышения квалификации специалистов 
газотранспортных предприятий и персонала газотурбинных электрических станций.

Библиогр.: 8 назв. Табл. 9. Рис. 93. Прил. 1. 

УДК 621.438:629(075.8) 
ББК 39.455.5я73+39.55я73 

ISBN 978‑5‑7996‑2599‑3
© Уральский федеральный  
     университет, 2019

Введение

Эффективность применения конвертированных  

авиа- и судовых двигателей для малой и средней энергетики

В 

начале 90‑х годов XX века в нашей стране произошел переход 
управления крупных машиностроительных заводов в руки частных и мелких инвесторов, фактически прекратилась деятельность отечественных энергомашиностроительных предприятий, выпускавших 
паровые и газовые турбины для нужд энергетики, а затем и ГТУ для 
транспорта газа. Одновременно резко сократилось и количество изготавливаемых гражданских самолетов большой вместимости, строительство военно‑морских судов.

Но промышленность нуждалась в продолжении развития энергетики 

в связи с выработкой ресурса имевшейся техники и ее моральном и физическом устаревании. Выходом из создавшейся ситуации, с одной стороны, был импорт современного крупного энергетического оборудования, а с другой — использование в районах, где наблюдался недостаток 
электроэнергии, конвертированных отечественных и зарубежных эффективных авиаи судовых двигателей для местных электростанций.

Одновременно в тот же период времени в нашей стране был утрачен крупный рынок совместного производства электрической и тепловой энергии в больших городах, возросло строительство мелких 
отопительных котельных, нерационально использующих топливо. 
Возникла необходимость широкого внедрения технологий, позволяющих увеличивать производство электроэнергии в местах ее потребления с развитой утилизацией тепла уходящих газов.

Во многих странах поддерживается развитие распределенных систем 

генерации электроэнергии в дополнение к существующим централизованным системам. Существуют проблемы в отношении стоимости электроэнергии, полученной на местах, по сравнению с передаваемой из крупных энергосистем. При развитой системе газоснабжения в результате 
опыта, полученного при эксплуатации достаточно совершенных авиа

Введение

и судовых двигателей, выяснилось, что при использовании собственных 
небольших ТЭЦ суммарная электрическая и тепловая энергия имеет более низкую стоимость, чем получаемая из централизованных источников.

Достойная альтернатива созданию крупных энергоблоков подкрепляется экономией средств на модернизацию распределительных 
систем. Рост производства автономных источников энергии удовлетворяет возрастающим требованиям к качеству и надежности энергои теплоснабжения. Таким образом, возрастающее внимание к использованию конвертированных авиаи судовых газотурбинных двигателей 
имеет достаточное обоснование.

В отношении удельного расхода топлива при отсутствии теплового 

потребления привлекает внимание создаваемая пермскими двигателестроителями ГТУ с регенерацией половинного расхода рабочего тела. 
В такой установке может быть получен эффективный КПД, приближающийся к показателям парогазовых установок средней и небольшой мощности (45…46 %).

Основным критерием для создания эффективных промышленных авиационных двигателей также должна быть стоимость жизненного цикла 
ГТД, включающая затраты на доработку конструкции двигателя при конвертации его для наземного применения, топливные затраты на единицу 
срока службы, расходы на техническое обслуживание и поддержание работоспособности, затраты на ремонт с включением транспортных расходов и т. д. В части применения конвертированных двигателей для привода 
нагнетателей на компрессорных станциях газопроводов лучше руководствоваться использованием понятия стоимости жизненного цикла, в которое, кроме обычных составляющих, должна входить стоимость укрытия.

В ближайшем будущем наиболее перспективной представляется двухвальная схема газогенератора, обеспечивающая в дальнейшем реализацию параметров Тг до 1650…1800 К и pкS= 30…35. В то же время значительный эффект мог бы быть получен при замене материалов лопаток 
и дисков на более дешевые, для чего, в частности, должна быть модернизирована система охлаждения деталей турбины, а также камера сгорания.

Кроме требований к общему и межремонтному ресурсу, должно 

быть уделено внимание возможности длительной безостановочной 
работы двигателя, особенно для газоперекачивающих агрегатов, где 
даже кратковременный останов связан с безвозвратной потерей технологического газа. В частности, при переработке ГТД для наземного применения должно быть введено дублирование отдельных филь

Эффективность применения конвертированных авиа- и судовых двигателей для малой и средней энергетики 

тров, чтобы при необходимости можно было проводить их контроль 
и замену без остановки двигателя.

Значительное снижение затрат при длительной эксплуатации может 

обеспечить модульная конструкция двигателя, позволяющая замену модулей в эксплуатации без трудоемких подгонок. Безусловным требованием к новым двигателям является повышение технологичности обслуживания. Под этим понимается упрощение доступа к обслуживаемым 
элементам, сокращение числа инструмента для обслуживания и номенклатуры проводимых работ. Должна быть обеспечена возможность бороскопического осмотра проточной части турбомашин и камеры сгорания.

Двигатель должен быть снабжен электронной системой автоматического управления, включающей развитую систему контроля его технического состояния. С начала ввода в действие должна быть обеспечена эксплуатация ГТД по фактическому техническому состоянию.

Свободная силовая турбина, которая является новым объектом при 

конвертировании авиадвигателя, должна быть спроектирована таким 
образом, чтобы не было необходимости при ремонте отсоединять ее 
от приводимого агрегата. Благодаря пониженным параметрам газового тракта, она может быть рассчитана на повышенный межремонтный ресурс. Обязательна отработка последней ступени СТ совместно 
с затурбинным диффузором.

Предпочтительно выполнение СТ с регулируемой первой ступенью, 

что позволяет осуществить различные программы управления двигателем, улучшить динамику регулирования энергетических агрегатов.

Новые двигатели должны отвечать все возрастающим экологическим требованиям по токсичности выбросов, шуму, тепловыделениям в укрытие. Основные характеристики газотурбинных двигателей, 
применяемых в настоящее время в газоперекачивающих и энергетических агрегатах, приводятся в приложении. 

Важное значение имеют затраты на ремонтно‑техническое обслуживание. По литературным данным, расходы на обслуживание и ремонты для современных парогазовых установок существенно превышают затраты на автоматизированных газотурбинных электростанциях 
с утилизацией теплоты. Примеры низких затрат на обслуживание и ремонты демонстрирует ряд отечественных и зарубежных конвертированных двигателей. Нет сомнений, что по мере совершенствования 
двигателей и в результате развития конкуренции эти затраты должны 
иметь тенденцию к снижению.

Глава 1. Сравнительная 

характеристика газотурбинных 

приводов: авиационного,  
судового и стационарного

1.1. Конструктивные типы авиадвигателей, используемых  

для конвертирования в энергетические и приводные установки

П

ринципиальные схемы основных авиационных газотурбинных 
двигателей приводятся в большом числе источников, в частности в [1, 2].

В нашей стране хронологически первыми были конвертированы 

для использования на земле одновальные турбовинтовые двигатели 
(ТВД) с необходимыми переделками.

На рис. 1.1 представлена принципиальная схема турбовинтового 

двигателя. В нем основная полезная мощность передается через редуктор на винт, который является главным движителем. По такой 
схеме выполнены кратко затронутые ниже в настоящем издании ТВД 
НК‑12МВ, АИ‑20, АИ‑24 и др.

В зарубежной практике вначале большее распространение получило применение турбореактивных двигателей, принципиальная схема 
которых представлена на рис. 1.2. Для использования на земле вместо реактивного сопла выполнялась дополнительная свободная силовая турбина, связанная с газогенераторной частью двигателя только 
газодинамически. Энергетические и приводные установки, использующие газогенератор авиационного двигателя, как известно, широко 
распространены в различных отраслях промышленности. Турбовинтовой двигатель НК‑12МВ также был переработан в двигатель со свободной турбиной, получил название НК‑12СТ и был применен в газоперекачивающем агрегате ГПА‑Ц‑6,3.

1.1. Конструктивные типы авиадвигателей, используемых для конвертирования в энергетические и приводные установки 

1
2
3
4
5
6

 

Рис. 1.1. Принципиальная схема ТВД:*

1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — компрессор; 4 — камера сгорания;  

5 — турбина; 6 — выходное сопло 

1
2
3
4
5

Рис. 1.2. Принципиальная схема ТРД:

1 — входное устройство; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания;  

4 — турбина; 5 — выходное устройство 

Несколько позже началось конвертирование двухконтурных двухвальных турбореактивных двигателей (ДТРД или ТРДД). Структурная схема 
одного варианта ТРДД представлена на рис. 1.3. Без наружного контура, используемого в движительной составляющей двигателя, газогенератор стал состоять из двух компрессоров (КНД и КВД), камеры сгорания 
и двух турбин (ТВД и ТНД). Главным достоинством двухвального газогенератора стала реализация более высокой степени повышения давления, обеспечиваемая двумя компрессорами, что давало значительный 
выигрыш в экономичности. При ДТРД полезная мощность также вырабатывалась преимущественно в дополнительной свободной турбине.

* Здесь и далее представлены рисунки из техдокументации предприятия.

Глава 1. Сравнительная характеристика газотурбинных приводов: авиационного, судового и стационарного 

Однако наружный контур двигателя, по которому нагнетается вентилятором воздух для повышения КПД движителя, в условиях земли 
использовать затруднительно и его большей частью удаляют.

1
2
3
4
5
6

 

Рис. 1.3. Принципиальная схема ТРДД:

1 — вентилятор и компрессор низкого давления; 2 — компрессор высокого  
давления; 3 — турбина высокого давления; 4 — турбина низкого давления;  

5 — выходное сопло центрального контура; 6 — выходное сопло второго контура 

В нашей стране в свое время наиболее известны были двухконтурные двигатели типов НК‑8–2у, Д30‑КУ, АИ‑25 и др.

Вопросы конвертирования некоторых отечественных авиадвигателей и их показатели в условиях земли изложены в [1, 2] и других источниках. Среди других мероприятий по конвертированию авиадвигателей для наземного применения можно выделить:

• замену подвески двигателя на раму.
• разработку силовой турбины;
• замену топливной системы и модернизацию камеры сгорания;
• замену системы регулирования и управления;
• перестановку навесных агрегатов с корпуса двигателя на раму;
• корректировку противообледенительной системы;
• снижение максимальных параметров температуры газа, степени 

сжатия, частоты вращения;

• приспособление к изменению периодичности обслуживания.

1.2. Общая характеристика судовых двигателей,  применяемых при транспорте газа и в энергетике

Характерной чертой авиационных двигателей является малая масса. С этим связана тщательная отработка конструкции на опытных 
образцах. Для авиадвигателестроения характерны также постоянный 
прогресс в части повышения экономичности и надежности, возможность использования в конвертированных двигателях многих деталей, 
отработавших летный ресурс, но пригодных для дальнейшей эксплуатации, развитие средств технической диагностики.

Специалистам известно, что увеличение эффективности газогенераторной части двигателя определяется в первую очередь ростом степени повышения давления pк  и максимальной температуры в цикле 
Т г . Совершенствование однокомпрессорных газогенераторов и более 
сложных двухкомпрессорных в этом направлении происходило параллельно. В однокомпрессорных ГТД, например разработанных пермскими моторостроителями, было достигнуто pк » 20, в результате чего 
появился двигатель земного применения мощностью 16 МВт с КПД 
до 37 %, названный ГТУ‑16 П.

Более экономичными могут быть двигатели, имеющие в газогенераторе два или три компрессора, приводимые своими турбинами. 
Правда, это вызывает определенную сложность конструкции, которая требует более совершенной технологии и усложняет управление 
двигателями. Ниже рассмотрены особенности переменных режимов 
как более сложных, так и простых двигателей с одним компрессором.

1.2. Общая характеристика судовых двигателей,  
применяемых при транспорте газа и в энергетике

Как известно, в качестве газотурбинных установок малой и средней мощности могут быть использованы конвертированные газотурбинные двигатели (ГТД) не только авиационного, но и судового типа. 
Исторически до некоторого времени развитие технологии и улучшение конструкции стационарных и авиационных двигателей шло параллельными курсами. Вследствие широкого применения ГТД в военной и гражданской авиации и значительных затрат на их разработку 
и совершенствование технологии двигатели авиационного типа получили ряд преимуществ перед аналогичными промышленными: более 
высокий эффективный КПД (до 40 % и более), высокое качество из

Глава 1. Сравнительная характеристика газотурбинных приводов: авиационного, судового и стационарного 

готовления, модульность конструкции, — благодаря чему они нашли 
широкое применение в наземных условиях на газоперекачивающих 
станциях и в электроэнергетике. Недостатком их являются несколько более высокие затраты на обслуживание и ремонт.

За рубежом ряд ГТД стационарного и авиационного типов были модифицированы для использования их в судовых газотурбинных установках (ГТУ). Основные задачи такого конвертирования: перевод двигателя на работу на жидкое газотурбинное топливо; адаптация работы 
ГТД в морской среде; присоединение к редуктору; обеспечение возможности реверса и других специальных режимов работы.

Примерами зарубежных авиадвигателей, переработанных для использования в качестве судовых, могут служить ГТД LM1500 и LM 
2500 (оба фирмы General Electric), FT4A и FT9 (Turbo Power & Marine 
System), Spey фирмы Rolls Royce и др.

В бывшем СССР на НПО «Машпроект» в г. Николаеве, начиная 

с 1954 г., была развернута разработка специальных судовых газотурбинных двигателей для военно‑морского флота.

Отличаясь от авиационных значительно большей массой и моторесурсом, они более полно отвечали условиям работы на земле. Тем 
не менее необходимо было их дальнейшее приспособление к особенностям эксплуатации у различных заказчиков.

В настоящее время доработанные судовые ГТД применяются 

во многих областях промышленности и транспорта, например в качестве транспортабельных энергетических установок плавучих электростанций, для привода нагнетателей на магистральных газопроводах, 
в передвижных блочно‑транспортабельных газотурбинных электростанциях (БТГТЭ), на промышленных электростанциях, в парогазовых энергетических установках небольшой и средней мощности.

Основными достоинствами, обусловившими широкое применение 

авиационных и судовых ГТД, являются:

• высокая экономичность в сравнении с эксплуатируемыми ГТУ 

стационарного типа (КПД до 40 % при работе ГТД по простому циклу);

• высокий уровень автоматизации работы двигателя, что упрощает эксплуатацию и сокращает потребность в обслуживающем персонале;

• повышенный ресурс до капитального ремонта (вначале около 

20 тыс. часов — с последующим увеличением до 40 тыс. часов);