Лаборатория газотурбинных и парогазовых установок

Основные направления деятельности лаборатории:

  • Разработка систем охлаждения сопловых и рабочих лопаток, роторов и статоров газовых турбин.
  • Экспериментальные исследования гидравлики и температурного состояния элементов турбин, в том числе охлаждаемых лопаток в стендовых и натурных условиях.
  • Проектирование, изготовление и испытания регенераторов ГТУ.
  • Обследование ГТУ в процессе планово-предупредительных ремонтов, экспертиза причин повреждаемости элементов газотурбинных установок.
  • Исследование в стендовых и натурных условиях, проектирование и изготовление элементов выхлопных трактов ГТУ.
  • Разработка способов стабилизации газового потока.
  • Проектирование, изготовление и исследование элементов воздухозаборного тракта ГТУ, в том числе улиток.
  • Выполнение различных НИОКР по парогазовым установкам, в том числе разработка технических предложений по ПГУ различных типов, разработка тепловых схем ПГУ, выбор основного и вспомогательного тепломеханического оборудования ПГУ и ПТУ.
  • Проектирование и изготовление нестандартного оборудования, в том числе теплообменных аппаратов и глушителей.
  • Исследование и проектирование противообледенительных систем газотурбинных установок.
  • Определение экологических характеристик (уровни шума и тепловыделение) тепломеханического оборудования ГТУ и ПГУ Проектирование, изготовление и монтаж шумо- и теплоизоляции тепломеханического оборудования натурных ГТУ и ПГУ.
  • Стенд для исследования лопаточных аппаратов газовых турбин

Экспериментальный стенд предназначен для исследований гидравлических характеристик и температурного состояния лопаточных аппаратов газовых турбин.

Основной элемент стенда - высокотемпературная газодинамическая установка, модернизированная в 2013 – 2016 гг.

Основные параметры установки:

  • максимальная температура газа – 1100°C,
  • максимальное давление газа – 2,5 бар,
  • температура охлаждающего воздуха от 20 до 350°C.

Установка состоит из камеры сгорания, в которую поступает сжатый воздух от компрессора К­500 (мощность электродвигателя 3500 кВт, расход G = 10 кг/с, Р = 6 бар), участка газоподготовки, рабочего участка, сменных пакетов исследуемых и вспомогательных лопаток.

Участок газоподготовки предназначен для выравнивания поля температур и давлений газа перед входом в рабочий участок.

Он состоит из нескольких элементов:

  • смесителя, который перемешивает поток после выхода из камеры сгорания и водоохлаждаемого колена (поворот потока на 90°),
  • турбулизатора (состоит из нескольких рядов взаимно перпендикулярных стержней),
  • сотового успокоителя, который выполнен из взаимно перпендикулярных пластин,
  • образующих сотовую структуру с размером ячейки 40 × 40мм,
  • конфузора.

Рабочий участок состоит из наружного корпуса, охлаждаемого водой, и внутреннего корпуса с установленными в нем пакетами препарированных экспериментальных и вспомогательных лопаток. В новой жидкотопливной камере сгорания установлена пламенная труба с конвективно-пленочным охлаждением и двухтопливная однокаскадная форсунка с пневмораспылом. В новой камере сгорания пусковая форсунка – газотопливная (от баллона).

В состав стенда входят также следующие системы:

  • топливная система для подачи дизельного топлива к форсункам камеры горения,
  • водяная система для подвода воды к охлаждаемым наружным корпусам установки и форсункам для впрыска воды в продукты сгорания за рабочим участком,
  • система подготовки и подвода охлаждающего воздуха к лопаткам, в том числе электронагреватели.

Принципиальная конструктивная схема установки

Общий вид стенда после модернизации

  • Установка для исследования выхлопного тракта

Создана специальная экспериментальная установка. На ней выполнены исследования выхлопного тракта установки ПГУ-325, в состав которой входит газотурбинная установка ГТЭ-110. В выхлопной тракт установки (далее - ВТУ) входят диффузор газовой турбины (ДТ), выхлопной патрубок ГТЭ-110, являющийся с аэродинамической точки зрения диффузором (ВП), диффузор котла-утилизатора (ДКУ), котел-утилизатор (КУ), переходный элемент к КУ.

Эксперименты на установке позволили:

  • определить основную причину возникновения пульсаций давления в газовом потоке в ВТУ;
  • выдать рекомендации по снижению пульсации давления и проверить их в ходе эксперимента;
  • определить гидравлические потери в диффузорах.

Исходя из производительности осевого компрессора К-500, для получения чисел маха в потоке, соответствующих натурным условиям, коэффициент моделирования принят равным 11,11. Принципиальная схема установки приведена на рисунке ниже.

Принципиальная схема установки

В состав экспериментальной установки входили:

  • ресивер, входной стыковочный участок, участок закрутки для 3-х разных режимов работы натурного агрегата: холостого хода, 50 % нагрузки, номинального режима;
  • модели диффузора турбины, модель выхлопного патрубка, модель переходного участка, модель диффузора котла-утилизатора;
  • модель КУ с первым трубным пучком и эквивалентной моделью собственно котла.

Общий вид установки

Выполняемые работы

Начиная с 2012 г., выполняется большой комплекс работ, направленных на обеспечение надежной работы единственной отечественной мощной энергетической ГТУ ГТЭ-110 ПАО «ОДК-Сатурн». В рамках комплекса выполнены следующие работы:

  • всесторонний анализ конструкции агрегата, выявлены основные конструктивные недостатки агрегата;
  • проект и модернизация уникального высокотемпературного стенда для испытаний лопаток ГТЭ-110 и ГТЭ-110М;
  • несколько серий экспериментальных исследований сопловых и рабочих лопаток одной ступени турбины ГТЭ-110 при температуре газа 1100°С;
  • на основании расчетного анализа и ряда экспертиз повреждений лопаток разработаны и внедрены рекомендации по оптимизации лопаток.

Для экспериментального исследования на модернизированном стенде в натурные лопатки устанавливались два типа термопар маркировки ХА: для основной части лопатки приблизительно 50 термопар в мягкой изоляции из кремнеземнистой нити с пропиткой кременорганическим лаком (диаметр термоэлектродов 0,3 мм); в зоне выходной кромки устанавливаются кабельные термопары с наружным диаметром 0,5 - 0,7 мм.

Горячие спаи термопар расплющивались и приваривались контактной электросваркой к наружной поверхности лопатки в зоне конца канавки для укладки кабеля. Кабель в канавках и горячие спаи закрывались фольгой толщиной ≈ 0,1 мм, которая приваривалась к лопатке контактной электросваркой. Для измерения температуры воздуха и газа использовались термопары ХА с диаметром термоэлектродов 0,5 мм в мягкой изоляции.

На основании полученных экспериментальных данных по гидравлике и температурному состоянию нескольких вариантов сопловых и рабочих лопаток ГТЭ-110 верифицированы соответствующие расчетные модели в 2D и в 3D постановке.

С использованием верифицированных моделей произведены расчеты гидравлики, температурного, напряженного и вибрационного состояния лопаток для натурных условий.

На рис. А приведено сопоставление экспериментальных данных по рабочей лопатке с результатами расчетов.

На рис. Б представлены результаты расчета температурного состояния одного из вариантов рабочей лопатки ГТЭ-110 для натурных условий.

 Рис. А. Поверочные расчеты температурного поля  в среднем сечении на режиме горячей продувки

Рис. Б.

На основании выполненных экспериментов и расчетов разработаны конкретные предложения по модернизации систем охлаждения и конструктивному облику сопловых и рабочих лопаток с целью увеличения их ресурса. Рекомендации внедрены в натурный агрегат.

Результаты расчета термонапряженного состояния в 3D постановке рабочей лопатки одной ступени турбины

Результаты определения вибрационного состояния системы диск-рабочие лопатки одной ступени турбины ГТЭ-110

Комплекс исследований по определению причины пульсаций потока и вибрации в выхлопном тракте установки ГТЭ-110 ПАО «ОДК-Сатурн», разработан способ подавления пульсаций.

Измерительная схема, которая подготовлена для проведения работы, включает в себя несколько типов первичных датчиков и вторичной аппаратуры:

  • зонд шаровой пятиканальный для измерения величины и направления скорости в потоке. Вторичная аппаратура- U образные дифманометры с водой и датчики давления типа «Метран-100 ДИВ» и «Метран-100 ДИ»;
  • трубка Пито-Прандтля для определения параметров потока в последнем измерительном сечении и «Метран-100 ДИВ»;
  • датчики давления типа «Метран-100 ДИВ» для определения статического давления при отборе со стенок установки, а также для обеспечения работы схемы определения пульсации давления;
  • пьезодатчики пульсации давления Ditran и измерительный комплекс производства National Instruments.

Экспериментальное исследование выполнялось при числе Re в потоке в автомодельной области. (Re>1.5*105), и числах Маха, соответствующим натурным значениям. Например, для режима номинальной нагрузки при осевом входе потока в диффузор турбины испытания проводились при значении числа М ≈ 0,47. ( Re составил 3,76*105). Измерения пульсации давления показало, что основной причиной их возникновения является закрутка потока. (см. Рис. Д) Разработан способ подавления пульсации давления потока в ВТУ за счет установки раскручивающего устройства. (см. Рис. Е)

 Рис. Д. Измерения пульсации давления.

 Рис. Е. Подавление пульсации давления потока в ВТУ.

Работы по судовым агрегатам мощностью 1,25 – 1,8 МВт ПАО «ПРОЛЕТАРСКИЙ ЗАВОД»

  • Выполнены разработка, изготовление и испытание пластинчатого регенератора для новой судовой установки ГТГ-1250 Р ПАО «ПРОЛЕТАРСКИЙ ЗАВОД».
  • Получен патент на полезную промышленную модель, патент реализован в серийной ГТУ.

Судовая установка ГТГ-1250 Р ПАО «ПРОЛЕТАРСКИЙ ЗАВОД»

Комплекс работ по определению экологических характеристик оборудования ПГУ 325

  • Выполнены измерения уровня шума в машзале ПГУ 325.
  • Определены основные источники шума.
  • Даны рекомендации по снижению шума от тепломеханического оборудования ПГУ.
  • Выполнены проектные работы по модернизации звуковой изоляции укрытия, выхлопного патрубка, маслохозяйства, трансмиссии и труб газотопливной системы. Выпущен комплект РКД тепловой изоляции корпуса турбины. Новая шумоизоляция и теплоизоляция корпуса турбины смонтирована на натурном агрегате.

3D модель новой шумоизоляции улитки агрегата ГТЭ-110.

Работы по исследованию противообледенительных систем ПОС ГТУ

  • Выполнен комплекс работ по исследованию противообледенительных систем (ПОС) газотурбинных установок SGT-800, V 64.3А и ГТ-160, установленных на электростанциях ПАО «ТГК-1» в Санкт-Петербурге. Даны рекомендации по оптимизации алгоритмов ПОС и их конструкции. Произведен расчет экономических потерь от работы ПОС и снижения мощности агрегатов в летнее время. Даны предложения по внедрению системы «Туман».
  • Выполнен комплекс работ по обследованию поврежденных ВНА компрессоров 2-х газотурбинных агрегатов SGT-100, установленных в энергоцентре аэропорта «Пулково». Определена причина повреждения лопаток - обледенение в зоне ВНА.

Комплекс работ по импортозамещению

  • Разработаны научно-технические и экономические основы создания программы импортозамещения оборудования энергетического машиностроения в области газотурбинных технологий.
    • Выполнен сбор и анализ исходной информации и разработаны разделы программы импортозамещения оборудования энергетического машиностроения в области газотурбинных технологий, в том числе:
      • исследованы номенклатура и технический уровень рынка оборудования стационарных ГТУ;
      • разработаны предложения по техническим требованиям и типоразмерному ряду газовых турбин;
      • определен круг организаций, предприятий, инжиниринговых компаний и конструкторских бюро, заинтересованных в создании отечественных стационарных ГТУ;
      • подготовлены предложения по реализации пилотных проектов в области создания высокоэффективных парогазовых энергоблоков;
      • разработана программа импортозамещения в области энергетических газотурбинных технологий.
  • Разработаны научно-техническая и экономическая основы создания программы импортозамещения в области энергетических газотурбинных технологий, в том числе:
    • прогноз потребности энергетики России до 2030 г. в газотурбинном оборудовании;
    • предложения по освоению производства ГТУ со стопроцентной локализацией в России;
    • требования к конструкторским организациям и производителям ГТУ в области информационной поддержки жизненного цикла изделий;
    • предложения по тепловым схемам и требованиям к основному оборудованию ПГУ;
    • предложения по выбору и применению информационно-технологического обеспечения управления программой импортозамещения.