Томас Дэг – MAAG-GEAR AG,
С. М. Иноземцев – SVENTA AG

Уже на восьми электростанциях после всесторонних стендовых испытаний применен новый тип редуктора, работающего с частичным вакуумом.
Представлены основные аспекты проектирования, конструкции и технологии высокоэффективного турборедуктора HET^®. Обсуждается новая технология редукторов и ее интеграция в систему управления и контроля газовой турбины, включая особенности вакуумной системы контроля.

Для повышения общего КПД высокоскоростных газотурбинных агрегатов необходимо уделять внимание каждому компоненту системы. Так, повышение КПД редукторов привело к созданию рыночно привлекательного продукта, дающего значительную экономию топлива и снижение выбросов CO₂ при тех же значениях генерируемой электроэнергии. Потери мощности могут быть уменьшены на 45% по сравнению с обычным турборедуктором. Известно, что потери турборедуктора уменьшаются за счет оптимизации двух компонентов – подшипников и зубчатых пар. Улучшение конструкции подшипников для снижения потерь – это постоянный процесс. В то же время уменьшения потерь в зубчатых зацеплениях, дающих большую часть общих потерь редуктора, удалось достигнуть впервые за счет создания частичного вакуума вокруг зубьев. Основная идея не так нова, но она смогла быть внедрена в практику только после выработки технического решения по обеспечению достаточного разрежения без нанесения ущерба системе масляного дренажа. Эта технология была запатентована и внедрена швейцарской фирмой MAAG-GEAR AG, получив фирменное наименование высокоэффективного турборедуктора HET^® (High Efficiency Turbogear). Наряду с некоторыми конструктивными особенностями, которые позволяют получать частичный вакуум, была разработана комплексная система контроля вакуума, чтобы интегрировать новую технологию в контрольный блок защиты ГТУ. Это дало гарантии работоспособности агрегата и, в том числе, возможность его автоматического переключения в обычный режим в случае возникновения неисправности вакуумной системы. Кроме того, система безопасности позволила потребителю вручную переключать режимы с вакуумного на обычный и обратно.
Редукторы HET^® устанавливаются на ГТУ с минимальными доработками.

Повышение КПД редукторов с помощью НЕТ^®-технологии
Принцип
Основное внимание HET^®-технологии направлено на уменьшение потерь в редукторе.
Потери в зубьях и подшипниках из-за трения и аэродинамических воздействий приводят к нагреву смазочного масла и редуктора. Их необходимо отводить в виде тепла.
На рис.1 показано соотношение относительных потерь в высокоскоростном редукторе с мощностью более 30 МВт. Соотношение базируется на опыте и может изменяться в пределах 5% в зависимости от конструкции редуктора. Для редукторов, работающих с окружной скоростью около 150 м/с, более 80% потерь обусловлены зубчатым зацеплением и вращением роторов. Они вызваны такими аэродинамическими эффектами, как завихрение и сопротивление воздуха (рис.2).
Детальное объяснение этих потерь приводится в публикации [1].
Следовательно, для уменьшения потерь в редукторе надо оптимизировать источники потерь. Аэродинамические потери в зубьях могут быть снижены:
•    удалением воздуха – для ослабления влияния завихрений и аэродинамического сопротивления;
•    уменьшением потока (количества) масла, направляемого к зубчатому зацеплению до минимума, необходимого для удовлетворительной смазки и охлаждения.
Для снижения потерь в опорах были разработаны специальные подшипники с самоустанавливающимися сегментами и минимальным расходом масла при данной окружной скорости подшипника.

Конструктивные особенности
Передовым решением значительного уменьшения потерь в редукторе явилось создание вакуума в зоне вращения роторов. Особенности конструкции, запатентованной фирмой MAAG-GEAR AG, представлены на рис. 3. Редуктор HET^® в дополнение к основному корпусу (2) имеет еще и внутренний корпус (4), в котором располагаются роторы (1). Из созданного пространства (5) воздух и большая часть масла могут быть удалены комбинированным воздушно-масляным насосом (6). Валы герметизированы специальными уплотнениями (7). Такая конструкция позволяет достигнуть уровня разрежения около 85% при работе редуктора HET^® в вакуумном режиме. Подшипники (3) отделены от внутреннего пространства.
Следовательно, масло от подшипников не попадает в вакуумную зону.

Интеграция НЕТ^®-редуктора в газотурбинный агрегат
Интеграция HET^®-технологии в систему валов ГТУ требует и надежности, и простоты обслуживания. Поэтому еще до эксплуатации в составе электростанции к HET^®-технологии были выдвинуты следующие требования:
•    гарантированная работа в двух альтернативных режимах, вакуумном и обычном, без ограничений срока эксплуатации и обслуживания;
•    возможность переключения между режимами без прерывания работы;
•    ресурсные испытания новых компонентов (вакуумного насоса);
•    выработка логики вакуумного контроля для безотказной работы турбины;
•    проверка и испытания логики вакуумного контроля.

Логика вакуумного контроля
Новая HET^®-технология была принята к использованию при условии переключения режимов без ограничений в работе турбины. Работа турборедуктора контролируется дублирующим измерением уровня масла. Если уровень превышает определенный предел, то дальнейшая работа возможна только в обычном режиме с принятием в расчет повышенных потерь в редукторе. Схема защитного оборудования показана на рис. 4. Вакуум создается во внутреннем корпусе редуктора с помощью вакуумного насоса (3), который удаляет смесь воздуха и масла. Уровень масла контролируется дублирующим измерением (4,5). Этот контрольный блок запускает переключение с вакуумного режима на обычный при условии достижения предельного уровня масла. Если происходит дальнейшее возрастание уровня масла до второго предельного уровня, то выдается сигнал на аварийный останов турбины. После получения сигнала скорость ротора снижается до некритического уровня, чтобы избежать контакта масла с зубчатой передачей.
Каждый обратный клапан (1, 2) оборудован двумя бесконтактными переключателями с дублирующей конструкцией каждого из них.
Насос можно заменить в течение двух часов работы в обычном режиме без останова электростанции.

Работоспособность и надежность системы
Если не считать внутреннего корпуса редуктора и работы в условиях вакуума, то конструкция турборедуктора разработана в соответствии с хорошо зарекомендовавшей себя технологией. Конструкция роторов и зубьев основана на тех же ноу-хау MAAG-GEAR AG, что и для обычных редукторов. Нет никаких различий в размерах и конструкции основного корпуса, а также в межцентровых расстояниях редуктора. Эти две особенности позволяют легко модернизировать и заменять обычные редукторы непосредственно на электростанциях.
Следовательно, возможность использования редукторов зависит только от возможности создать и поддерживать вакуум во внутреннем корпусе. Это обеспечивается специальной защитной контрольной системой, описанной выше, и использованием только надежных и протестированных компонентов.
В результате потребитель получает возможность работы HET^®-редуктора в двух режимах, обычном и вакуумном.

Первые результаты эксплуатации
Первые подтверждения преимуществ новой HET^®-технологии были получены на электростанциях: Neckarwerke Штутгарт AG's HKW 2, Altbach/Deizisau в Германии; тепловая электростанция Энергетической компании SK в Hillerod, Дания; Stadtwerke, Ганновер Линден.
Редукторы типа GD были подсоединены к газовой турбине V64.3 фирмы Siemens на электростанции Hillerоd и к газовой турбине V64.3A на электростанциях Altbach/ Deizisau и Stadtwerke, Ганновер. Суммарное время наработки редукторов ко времени написания данной статьи составило более 64000 часов. Показатель работоспособности (надежности) HET^®-технологии на этих трех электростанциях составил 100%, т. е. не было ни одного отключения по вине вакуумной системы или из-за редукторов.

Обзор НЕТ^®-технологии
В конструкции роторов и подшипников учтен весь предшествующий большой технический опыт, но условия работы в вакуумном режиме потребовали адаптации некоторых параметров, а также новой системы контроля и безопасности.
Перед выводом технологии на рынок было проведено испытание методом взаимной нагрузки с редукторами мощностью 70 кВт. Методика этого испытания описана в публикации [1]. Целью была проверка конструкции при полной и частичной нагрузке. Но результаты испытаний были получены на стенде, а не в условиях эксплуатации.
Для реальной оценки конструкции важно было сравнить данные практического применения технологии с теоретическими расчетами. Данные о суммарной наработке редукторов доказывают правильность выбранной конструкции и надежность HET^®-технологии. По результатам испытаний были сделаны две главные доработки:
•    известно, что тепловая деформация в обычном и вакуумном режиме – разная. Она была рассчитана для продольных профилей зубьев и проверена на практике. Кроме того, отсутствие циркуляции воздуха приводит к частичному нагреву в зазоре между зубьями. Степень нагрева можно определить только в рабочем режиме. Теперь степень нагрева в этой зоне контролируется оптимизацией системы охлаждения;
•    второе улучшение было достигнуто изменениями в защитной контрольной системе путем перепроектирования компоновки контрольно-измерительных приборов и определения новых требований к вакуумной системе.

Определение потерь в редукторе
Приемо-сдаточные испытания редукторов должны проводиться на испытательном стенде производителя. Потери редуктора в ненагруженном режиме должны определяться по тензометрическим измерениям. Для точной оценки к ним надо еще добавить 2,5 кВт расхода электроэнергии на работу вакуумного насоса.
Потери мощности при работе с нагрузкой в обычных редукторах, как правило, получают только расчетным путем. Ожидаемый уровень потерь при полной нагрузке рассчитывают, исходя из измеренных значений потерь в ненагруженном режиме, умноженных на числовой коэффициент, установленный эмпирически на основе опыта фирмы MAAG-GEAR AG.
Поскольку подобный опыт определения потерь для HET^®-редукторов еще не накоплен, их потери при работе в вакуумном режиме оцениваются при испытаниях методом взаимной нагрузки [1]. Расчеты ведутся по той же методике, что и для обычных редукторов, но значения коэффициентов должны быть другими, вводится поправка на потери в подшипниках, характерные для вакуумной системы. Также учитывается тот факт, что между потерями в зубьях и в подшипниках соотношение тоже изменяется.
Для проверки теоретических расчетов и подтверждения их соответствия в режиме работы с реальной нагрузкой на станции Altbach/Deizisau были проведены дополнительные приемо-сдаточные испытания.
Замеры на стенде показали важность снижения потерь в зубчатой паре, особенно из-за завихрений и аэродинамического сопротивления. И они уменьшаются, если переключиться на вакуумный режим.
Замеры при приемо-сдаточных испытаниях в Altbach/Deizisau новой электростанции HKW 2 с комбинированным циклом подтвердили снижение потерь для HET^®-редукторов под нагрузкой.
Потери в редукторе, измеренные на станции, в пределах 5% погрешности коррелируют с расчетными значениями, полученными на основе стендовых испытаний в ненагруженном режиме.
Дополнительно была выявлена экономия электроэнергии при работе турборедукторов в обычном режиме (без вакуума). Это обусловлено оптимизацией конструкции масляной системы охлаждения и подшипников. Потери HET^®-редукторов, работающих в обычном режиме, оказываются всегда ниже, чем у обычных редукторов.
Выигрыш от работы редуктора в вакуумном режиме зависит от конкретных особенностей построения комплекта оборудования конкретного потребителя, и поэтому он не может быть представлен в обобщенном виде, одинаковом для всех потребителей.

Заключение
Технология высокоэффективных турборедукторов успешно стартовала в эксплуатационных условиях на трех первых электростанциях. Эта технология редукторов, работающих в условиях частичного вакуума (его уровень во внутреннем корпусе составляет 85%), была отработана, начиная со стендовых испытаний у изготовителя до реальной надежной работы в составе газотурбинных установок мощностью 65…90 МВт с выполнением всех требований по безопасности.
Первые же результаты подтвердили 100%-ную надежность конструкции в вакуумном и обычном режимах.
Таким образом, конструкции с новой HET^®-технологией смогли подтвердить улучшение технических и эксплуатационных параметров и безопасности газотурбинных установок.

Использованная литература
[1] DEEG, Th. «The MAAG High Efficiency Turbogear HET» VGB Kraftwerkstechnik, issue 1/96.