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. Шан-
чуров (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 дви‑
гатели наземного применения : учебное пособие / О. В. Кома‑
ров, 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 газо‑

турбинных двигателей (ГТД) в качестве приводных для энергетических и газотран‑
спортных установок.

Рассмотрены вопросы переменного режима конвертированных авиационных 

и судовых ГТД в наземной эксплуатации, конструктивные особенности конверти‑
рованных двигателей отечественного и зарубежного производства. Особое внима‑
ние уделено вопросам обслуживания, надежности и диагностики газотурбинных 
двигателей транспортного типа.

Пособие предназначено для студентов вуза, обучающихся по направлению под‑

готовки 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 част‑

ных и мелких инвесторов, фактически прекратилась деятельность от‑
ечественных энергомашиностроительных предприятий, выпускавших 
паровые и газовые турбины для нужд энергетики, а затем и ГТУ для 
транспорта газа. Одновременно резко сократилось и количество из‑
готавливаемых гражданских самолетов большой вместимости, стро‑
ительство военно‑морских судов.

Но промышленность нуждалась в продолжении развития энергетики 

в связи с выработкой ресурса имевшейся техники и ее моральном и фи‑
зическом устаревании. Выходом из создавшейся ситуации, с одной сто‑
роны, был импорт современного крупного энергетического оборудова‑
ния, а с другой — использование в районах, где наблюдался недостаток 
электроэнергии, конвертированных отечественных и зарубежных эффек‑
тивных авиа‑ и судовых двигателей для местных электростанций.

Одновременно в тот же период времени в нашей стране был утра‑

чен крупный рынок совместного производства электрической и те‑
пловой энергии в больших городах, возросло строительство мелких 
отопительных котельных, нерационально использующих топливо. 
Возникла необходимость широкого внедрения технологий, позволя‑
ющих увеличивать производство электроэнергии в местах ее потре‑
бления с развитой утилизацией тепла уходящих газов.

Во многих странах поддерживается развитие распределенных систем 

генерации электроэнергии в дополнение к существующим централизо‑
ванным системам. Существуют проблемы в отношении стоимости элек‑
троэнергии, полученной на местах, по сравнению с передаваемой из круп‑
ных 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 бо‑
лее низкую стоимость, чем получаемая из централизованных источников.

Достойная альтернатива созданию крупных энергоблоков подкре‑

пляется экономией средств на модернизацию распределительных 
систем. Рост производства автономных источников энергии удов‑
летворяет возрастающим требованиям к качеству и надежности энерго‑ 
и теплоснабжения. Таким образом, возрастающее внимание к исполь‑
зованию конвертированных авиа‑ и судовых газотурбинных двигателей 
имеет достаточное обоснование.

В отношении удельного расхода топлива при отсутствии теплового 

потребления привлекает внимание создаваемая пермскими двигателе‑
строителями ГТУ с регенерацией половинного расхода рабочего тела. 
В такой установке может быть получен эффективный КПД, прибли‑
жающийся к показателям парогазовых установок средней и неболь‑
шой мощности (45…46 %).

Основным критерием для создания эффективных промышленных ави‑

ационных двигателей также должна быть стоимость жизненного цикла 
ГТД, включающая затраты на доработку конструкции двигателя при кон‑
вертации его для наземного применения, топливные затраты на единицу 
срока службы, расходы на техническое обслуживание и поддержание ра‑
ботоспособности, затраты на ремонт с включением транспортных расхо‑
дов и т. д. В части применения конвертированных двигателей для привода 
нагнетателей на компрессорных станциях газопроводов лучше руковод‑
ствоваться использованием понятия стоимости жизненного цикла, в ко‑
торое, кроме обычных составляющих, должна входить стоимость укрытия.

В ближайшем будущем наиболее перспективной представляется двух‑

вальная схема газогенератора, обеспечивающая в дальнейшем реализа‑
цию параметров Тг до 1650…1800 К и pкS= 30…35. В то же время значи‑
тельный эффект мог бы быть получен при замене материалов лопаток 
и дисков на более дешевые, для чего, в частности, должна быть модерни‑
зирована 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 тех‑
нологического газа. В частности, при переработке ГТД для наземно‑
го 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 мо‑
дулей в эксплуатации без трудоемких подгонок. Безусловным требова‑
нием к новым двигателям является повышение технологичности обслу‑
живания. Под этим понимается упрощение доступа к обслуживаемым 
элементам, сокращение числа инструмента для обслуживания и номен‑
клатуры проводимых работ. Должна быть обеспечена возможность боро‑
скопического осмотра проточной части турбомашин и камеры сгорания.

Двигатель должен быть снабжен электронной системой автомати‑

ческого управления, включающей развитую систему контроля его тех‑
нического состояния. С начала ввода в действие должна быть обеспе‑
чена 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 газо‑
вого тракта, она может быть рассчитана на повышенный межремонт‑
ный ресурс. Обязательна отработка последней ступени СТ совместно 
с затурбинным диффузором.

Предпочтительно выполнение СТ с регулируемой первой ступенью, 

что позволяет осуществить различные программы управления двига‑
телем, улучшить динамику регулирования энергетических агрегатов.

Новые двигатели должны отвечать все возрастающим экологиче‑

ским требованиям по токсичности выбросов, шуму, тепловыделени‑
ям в укрытие. Основные характеристики газотурбинных двигателей, 
применяемых в настоящее время в газоперекачивающих и энергети‑
ческих агрегатах, приводятся в приложении. 

Важное значение имеют затраты на ремонтно‑техническое обслу‑

живание. По литературным данным, расходы на обслуживание и ре‑
монты для современных парогазовых установок существенно превы‑
шают затраты на автоматизированных газотурбинных электростанциях 
с утилизацией теплоты. Примеры низких затрат на обслуживание и ре‑
монты демонстрирует ряд отечественных и зарубежных конвертиро‑
ванных 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 частно‑

сти 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 ре‑
дуктор 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 получи‑

ло применение турбореактивных двигателей, принципиальная схема 
которых представлена на рис. 1.2. Для использования на земле вме‑
сто реактивного сопла выполнялась дополнительная свободная сило‑
вая турбина, связанная с газогенераторной частью двигателя только 
газодинамически. Энергетические и приводные установки, использу‑
ющие газогенератор авиационного двигателя, как известно, широко 
распространены в различных отраслях промышленности. Турбовин‑
товой двигатель НК‑12МВ также был переработан в двигатель со сво‑
бодной турбиной, получил название НК‑12СТ и был применен в га‑
зоперекачивающем 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 двухваль‑

ных турбореактивных двигателей (ДТРД или ТРДД). Структурная схема 
одного варианта ТРДД представлена на рис. 1.3. Без наружного конту‑
ра, используемого в движительной составляющей двигателя, газогенера‑
тор стал состоять из двух компрессоров (КНД и КВД), камеры сгорания 
и двух турбин (ТВД и ТНД). Главным достоинством двухвального газо‑
генератора стала реализация более высокой степени повышения давле‑
ния, обеспечиваемая двумя компрессорами, что давало значительный 
выигрыш в экономичности. При ДТРД полезная мощность также вы‑
рабатывалась 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 вен‑

тилятором 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 двухконтур‑

ные двигатели типов НК‑8–2у, Д30‑КУ, АИ‑25 и др.

Вопросы конвертирования некоторых отечественных авиадвигате‑

лей и их показатели в условиях земли изложены в [1, 2] и других ис‑
точниках. Среди других мероприятий по конвертированию авиадви‑
гателей 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 мас‑

са. С этим связана тщательная отработка конструкции на опытных 
образцах. Для авиадвигателестроения характерны также постоянный 
прогресс в части повышения экономичности и надежности, возмож‑
ность использования в конвертированных двигателях многих деталей, 
отработавших летный ресурс, но пригодных для дальнейшей эксплу‑
атации, развитие средств технической диагностики.

Специалистам известно, что увеличение эффективности газогене‑

раторной части двигателя определяется в первую очередь ростом сте‑
пени повышения давления pк  и максимальной температуры в цикле 
Т г . Совершенствование однокомпрессорных газогенераторов и более 
сложных двухкомпрессорных в этом направлении происходило парал‑
лельно. В однокомпрессорных ГТД, например разработанных перм‑
скими 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 газоге‑

нераторе два или три компрессора, приводимые своими турбинами. 
Правда, это вызывает определенную сложность конструкции, кото‑
рая 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 сред‑

ней мощности могут быть использованы конвертированные газотур‑
бинные двигатели (ГТД) не только авиационного, но и судового типа. 
Исторически до некоторого времени развитие технологии и улучше‑
ние конструкции стационарных и авиационных двигателей шло па‑
раллельными курсами. Вследствие широкого применения ГТД в во‑
енной и гражданской авиации и значительных затрат на их разработку 
и совершенствование технологии двигатели авиационного типа полу‑
чили 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 несколь‑
ко более высокие затраты на обслуживание и ремонт.

За рубежом ряд ГТД стационарного и авиационного типов были мо‑

дифицированы для использования их в судовых газотурбинных уста‑
новках (ГТУ). Основные задачи такого конвертирования: перевод дви‑
гателя на работу на жидкое газотурбинное топливо; адаптация работы 
ГТД в морской среде; присоединение к редуктору; обеспечение воз‑
можности реверса и других специальных режимов работы.

Примерами зарубежных авиадвигателей, переработанных для ис‑

пользования 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 газотур‑
бинных двигателей для военно‑морского флота.

Отличаясь от авиационных значительно большей массой и мото‑

ресурсом, они более полно отвечали условиям работы на земле. Тем 
не менее необходимо было их дальнейшее приспособление к особен‑
ностям эксплуатации у различных заказчиков.

В настоящее время доработанные судовые ГТД применяются 

во многих областях промышленности и транспорта, например в ка‑
честве транспортабельных энергетических установок плавучих элек‑
тростанций, для привода нагнетателей на магистральных газопроводах, 
в передвижных блочно‑транспортабельных газотурбинных электро‑
станциях (БТГТЭ), на промышленных электростанциях, в парогазо‑
вых 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 просто‑
му циклу);

• высокий уровень автоматизации работы двигателя, что упро‑

щает эксплуатацию и сокращает потребность в обслуживаю‑
щем персонале;

• повышенный ресурс до капитального ремонта (вначале около 

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