Ян Мовилл, Ларс-Уно Акселсон – OPRA Turbines

Мировой рынок энергетического оборудования предлагает широкий модельный ряд газотурбинных установок в различном диапазоне мощности. Несмотря на большой выбор ГТУ, среди них преобладают газотурбинные двигатели с осевыми турбомашинами, которые усложняют конструкцию и увеличивают габариты ГТД. Обслуживание установок на базе осевых многоступенчатых турбомашин – трудоемкое и дорогостоящее, а при относительно малых мощностях ГТУ (до 2 МВт) осевые турбомашины резко теряют эффективность.

На сегодня осевые газотурбинные технологии наиболее распространены в газотурбостроении, особенно если речь идет о больших мощностях. На крупных электростанциях и промышленных объектах для производства электроэнергии, теплоснабжения и обеспечения производственных процессов применяются в основном осевые газовые турбины. Однако для небольших мощностей альтернативным вариантом осевым двигателям являются радиальные. Чтобы определить преимущества применения осевой или радиальной технологии, их нужно сравнить.
Турбомашина с центробежным компрессором и центростремительной турбиной может эффективно использоваться в одновальных газотурбинных двигателях в диапазоне мощности от 1 кВт до 2 МВт, при применении дополнительной силовой турбины можно получить 4 МВт.
В конструкции двигателей малых мощностей обычно используется центробежный компрессор, а тип турбины может варьироваться.
Радиальный тип двигателя для малой энергетики, по сравнению с осевым, имеет ряд преимуществ. Основным отличием данных двигателей является направление потока рабочего тела: в радиальной турбомашине поток воздуха движется в радиальном направлении по отношению к валу, а в осевой – параллельно.
Как правило, в осевых турбинах диски колес менее подвержены перегреву, так как расширение происходит в межлопаточном канале. В радиальной турбине проточную часть составляют не только лопатки турбины, но и диск колеса, соответственно, они и нагреваются в равной степени. Несмотря на это, ступень радиальной турбины может обеспечить степень повышения давления 9, в то время как в осевой турбине такой показатель достигается работой минимум трех ступеней.
Такое различие в эффективности осевой и радиальной турбины объясняется принципиальной разницей геометрии проточной части. В осевой ступени турбины окружная скорость входной и выходной кромки рабочего колеса равны. А окружная скорость входной кромки радиального колеса значительно выше, чем выходной, так как ее диаметр больше. Таким образом, при том же изменении тангенциальной скорости работа ступени радиальной турбины в значительной степени эффективнее, чем осевой.
В центробежном компрессоре воздух под действием центробежных сил направляется к периферии рабочего колеса, приобретая высокую скорость на выходе. Часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию давления. Завершается процесс сжатия в статическом диффузоре за счет торможения потока.
В осевом компрессоре под силовым воздействием рабочих колес воздух прогоняется по проточной части, закручивается во вращающихся каналах рабочего колеса, вследствие чего увеличивается абсолютная скорость потока кинетической энергии и осуществляется сжатие. Причем степень повышения давления зависит от количества ступеней. Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания, где осуществляется подвод тепла к рабочему телу и увеличивается его объем. Сжатый и нагретый газ подается в сопловой аппарат турбины.
В радиальной конструкции окружная скорость колеса турбины примерно равна абсолютной скорости потока газа на выходе из соплового аппарата. Поскольку разница между двумя скоростями является несущественной, на периферийном сечении лопаток турбины не происходит торможения потока и, соответственно, дополнительного повышения температур. В результате не требуется охлаждения рабочего колеса. Высокая окружная скорость колеса возможна за счет конструкции сечения лопаток типа «Эйфелева башня» с прочной корневой частью и относительно тонким и легким периферийным сечением.
Функция радиальной турбины противоположна функции центробежного компрессора. В турбине энергия сжатого газа с понижением скорости и температуры преобразуется в механическую работу. Затем поток воздуха под давлением ниже атмосферного подается в выхлопной диффузор, где за счет снижения скорости давление поднимается до уровня атмосферного. В осевых турбинах лопатки работают по принципу, схожему с работой крыла самолета: при отборе слишком большой мощности происходит срыв потока и потеря подъемной силы крыла. Именно поэтому для обеспечения отбора мощности, соизмеримого с отбором на одной ступени радиальной турбины, осевая конфигурация требует две-три ступени с промежуточными сопловыми аппаратами.
Оптимальным решением для полностью радиальной турбомашины является консольное исполнение ротора с размещением обоих подшипников перед компрессором в холодной части двигателя. Для осевых турбомашин, подшипники в которых располагаются в горячей части двигателя, такое решение неприемлемо, что значительно сокращает их ресурс. Однако если потребуется комбинированная радиальная конструкция с независимой силовой турбиной, то размещение подшипников в горячей части двигателя будет необходимым.
Важное преимущество осевых машин – возможность подвода охлаждающего воздуха к горячей проточной части. Это позволяет осевым двигателям работать при более высоких температурах, следовательно, осевой двигатель демонстрирует более высокие уровни КПД и мощности.
Ранее уже предпринимались попытки охлаждать радиальные турбины, однако они не увенчались успехом. Охлаждение осевых турбин малой мощности является проблемным также в связи с маленькими размерами охлаждающих каналов и сложностью их изготовления. Засорение охлаждающих отверстий ведет к снижению производительности и ресурса турбины.
Таким образом, становится очевидно, что для одновальных двигателей малой мощности (до 2 МВт) оптимальным решением является радиальная конструкция ротора, позволяющая работать без охлаждения при более высоких температурах, чем неохлаждаемая осевая турбина. Радиальная конфигурация имеет меньшее количество ступеней, более короткую проточную часть.
Радиальная турбина более надежна в эксплуатации и имеет более высокий ресурс при меньших требованиях к техническому обслуживанию. На практике это подтверждается успешной эксплуатацией энергетических установок компании OPRA на базе радиальных турбин OP16, которые нашли широкое применение в нефтеи газодобывающих отраслях как в России, так и по всему миру. Их высокая надежность, способность работать на различных видах топлива, включая попутный газ, низкая стоимость технического обслуживания дополнительно подтверждают преимущество радиальной конструкции турбин.