Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Газоперекачивающие агрегаты (ГПА) являются основным оборудованием компрессорных станций магистральных газопроводов. Их задача -- компримирование природного газа для обеспечения его транспортировки на большие расстояния при рабочем давлении 5,2-12,0 МПа. ГПА состоит из газотурбинного привода и центробежного нагнетателя (компрессора), соединённых через муфту или мультипликатор. В каждом из этих узлов подшипники выполняют критическую функцию -- обеспечивают опору высокоскоростных роторов, воспринимают радиальные и осевые нагрузки и определяют виброакустическое состояние всей машины.
В газовых турбинах промышленного класса -- ГПА-Ц-16, Solar Centaur/Taurus/Mars, Siemens SGT-100/400/750 -- роторы вращаются со скоростью от 5000 до 16 500 об/мин в условиях высоких температур, переменных нагрузок и длительной непрерывной работы. Подшипники ГПА и газовых турбин подразделяются на три основные группы: опорные (journal bearings), упорные (thrust bearings) и подшипники вспомогательных механизмов (мультипликаторов, редукторов, маслонасосов).
Типовой газоперекачивающий агрегат включает газогенератор (компрессор высокого давления + камера сгорания + турбина газогенератора), свободную силовую турбину и центробежный нагнетатель природного газа. В некоторых конструкциях между силовой турбиной и нагнетателем устанавливается мультипликатор (повышающий редуктор) для согласования частот вращения.
Газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-16 предназначен для транспортирования природного газа по магистральным газопроводам при рабочем давлении 5,2-7,5 МПа. Агрегат блочно-контейнерного исполнения включает газотурбинный двигатель НК-16СТ и двухступенчатый центробежный нагнетатель НЦ-16 с вертикальным разъёмом корпуса. Частота вращения выходного вала силовой турбины -- 5300 об/мин. Температура эксплуатации от -55 до +45 градусов C.
Двигатель НК-16СТ конструкции ОКБ Кузнецова создан на базе авиационного двухконтурного двигателя НК-8-2У семейства двигателей НК. Базовый двигатель применяется в качестве силовой установки самолёта Ту-154. Двигатель НК-16СТ конструктивно состоит из двух модулей -- газогенератора и силовой турбины. Двухопорные роторы компрессоров низкого и высокого давления (КНД и КВД) размещены на роликовых и шариковых подшипниках качения. Частоты вращения роторов: ВД -- 6900 об/мин, НД -- 5270 об/мин, силовая турбина -- 5300 об/мин. Это характерно для всех авиапроизводных газотурбинных двигателей, где требования к массогабаритным характеристикам и быстрому пуску/останову определяют выбор типа подшипников.
Двухопорный ротор нагнетателя ГПА-Ц-16 с двумя рабочими колёсами установлен в подшипниках скольжения и снабжён гидравлическим уплотнением втулочного типа. Подшипники крепятся к торцевым крышкам корпуса через обоймы уплотнений. Для уменьшения осевых нагрузок на опорно-упорный подшипник нагнетателя предусмотрен думмис (разгрузочный поршень), а полость всасывания соединена с задуммисной камерой внешним трубопроводом.
К подшипниковым узлам нагнетателя крепится блок маслонасосов: шестерёнчатый насос системы смазки и трёхвинтовой насос системы уплотнения. На торцах подшипников установлены датчик вибрации ротора и датчик осевого сдвига.
Газовые турбины Solar Turbines (Caterpillar) широко применяются в качестве привода газоперекачивающих агрегатов и генераторных установок. Модельный ряд включает Centaur 50, Taurus 60/70 и Mars 90/100. Все модели оснащены гидродинамическими многоклиновыми подшипниками скольжения (tilting pad).
Согласно спецификации Solar Turbines (TPS50CSMD), газовая турбина Centaur 50 в двухвальном исполнении (mechanical drive) оснащена: тремя многоклиновыми (tilt pad) радиальными подшипниками с бесконтактными датчиками вибрации (proximity probes), одним многоклиновым упорным подшипником с термометрами сопротивления (RTD). Максимальная скорость силовой турбины -- до 16 500 об/мин, газогенератора -- до 15 000 об/мин. Мощность на валу -- 4,57 МВт. Межремонтный интервал (TBO) -- 30 000 часов.
Силовая (свободная) турбина Solar -- одноступенчатая реактивная конструкция (для Centaur 50), где ротор газогенератора и ротор силовой турбины имеют собственные подшипниковые опоры. Активный упорный подшипник воспринимает осевые нагрузки при работе турбины под нагрузкой. При останове ротор может смещаться к неактивной стороне упорного подшипника. Мониторинг осевого положения ротора осуществляется бесконтактными датчиками приближения (proximity probes).
Для согласования частоты вращения силовой турбины с приводимым оборудованием используется мультипликатор (speed-increasing gearbox) или редуктор (speed-reducing gearbox). Температура подшипников мультипликатора контролируется термометрами сопротивления (RTD) с обеих сторон упорного подшипника.
Газовые турбины Siemens Energy серии SGT являются промышленными машинами, спроектированными для длительной непрерывной эксплуатации. Все модели используют гидродинамические многоклиновые подшипники скольжения (tilting pad) для опорных и упорных узлов.
SGT-400 -- двухвальная газовая турбина мощностью около 13 МВт с 11-ступенчатым осевым компрессором и двухступенчатой консольной турбиной компрессора. Газогенератор -- двухопорная конструкция (two-bearing gas generator rotor). Свободная силовая турбина -- двухступенчатая консольная конструкция. Согласно технической документации Siemens, турбина оснащена многоклиновыми радиальными и упорными подшипниками (Tilt-pad radial and thrust bearings). Вибрационный и температурный мониторинг подшипников входит в стандартную комплектацию. Номинальная скорость -- 14 100 об/мин. Более 390 единиц поставлено с наработкой парка свыше 5 млн часов.
SGT-750 -- промышленная газовая турбина мощностью 37 МВт с 13-ступенчатым компрессором и степенью сжатия 24:1. Силовая турбина -- двухступенчатая, скорость 6100 об/мин. Оба ротора (газогенератор и силовая турбина) установлены на многоклиновых подшипниках скольжения длительного ресурса (long-life tilting pad bearings). Межремонтный интервал -- 68 000 часов между капитальными ремонтами (17 дней простоя за 17 лет эксплуатации). Балансировка ротора может выполняться на месте без разборки.
SGT-100 -- компактная промышленная турбина мощностью около 5 МВт, скорость 13 000 об/мин. Оба ротора оснащены многоклиновыми опорными и упорными подшипниками. Пакетная компоновка Siemens SPCP-100 включает центробежный компрессор типа STC-SV с многоклиновыми опорными и упорными подшипниками, тандемными сухими газовыми уплотнениями и сухой металлической муфтой.
Опорные (радиальные) подшипники скольжения в газовых турбинах и центробежных нагнетателях воспринимают массу ротора и динамические радиальные нагрузки от дисбаланса, несоосности и аэродинамических сил. В промышленных газовых турбинах преимущественно используются многоклиновые подшипники (tilting pad journal bearings), а в некоторых конструкциях -- втулочные (sleeve bearings) и антивихревые (anti-whirl bearings).
Многоклиновой подшипник состоит из нескольких (обычно 4-5) сегментов (колодок/pads), каждый из которых может качаться вокруг точки опоры. Рабочая поверхность колодок покрыта баббитовым слоем (сплав ASTM B23 Grade 2: основа -- олово с добавками сурьмы и меди) толщиной менее 1 мм, нанесённым на стальную или хромомедную основу. При вращении ротора каждая колодка формирует гидродинамический масляный клин, обеспечивающий бесконтактную работу.
Главное преимущество tilting pad подшипников -- подавление самовозбуждающихся вибраций (oil whirl/oil whip), которые представляют серьёзную проблему для высокоскоростных роторов. Это достигается благодаря тому, что каждая колодка адаптирует своё положение независимо, исключая перекрёстные (cross-coupling) жёсткостные коэффициенты. По этой причине стандарт API 617 рекомендует tilting pad подшипники для центробежных компрессоров.
В ряде промышленных турбин (например, Siemens SGT-500) используются втулочные подшипники (sleeve type) для опор ротора газогенератора. Четыре радиальных подшипника втулочного типа воспринимают нагрузки ротора. Втулочные подшипники конструктивно проще многоклиновых, однако имеют ограничение по ротодинамической устойчивости на высоких скоростях.
Упорные подшипники фиксируют ротор в осевом направлении и воспринимают осевые нагрузки, возникающие от перепада давлений на ступенях компрессора и турбины. В промышленных газовых турбинах и нагнетателях применяются самоустанавливающиеся многоклиновые упорные подшипники двухстороннего действия (double-acting tilting pad thrust bearings). Их часто называют подшипниками типа Kingsbury -- по имени компании-пионера этой технологии.
Упорный подшипник состоит из набора колодок с баббитовой рабочей поверхностью (white metal lined), расположенных вокруг вала по обе стороны от упорного гребня (thrust collar). Самоустанавливающаяся (self-equalizing) конструкция с рычажной системой компенсирует перекос между упорным гребнем и подшипником, обеспечивая равномерное распределение нагрузки по колодкам. Допустимые скорости скольжения -- до 160 м/с и выше, удельные нагрузки -- более 4 МПа при непрерывной работе (по данным Miba).
Kingsbury разработала технологию Leading Edge Groove (LEG) -- направленной подачи масла непосредственно к передней кромке каждой колодки, вместо традиционного затопленного подвода. Это снижает температуру колодок, уменьшает расход масла и потери на трение, а также повышает грузоподъёмность. Подшипники с LEG работают в разрежённой полости (evacuated cavity) с дренажём масла снизу, в отличие от традиционных конструкций с затопленной камерой.
Центробежные нагнетатели природного газа, применяемые в ГПА, работают при давлениях до 7,5-12 МПа и скоростях ротора 4500-8000 об/мин. Ротор опирается на два опорных подшипника, расположенных снаружи от газового тракта по обе стороны от сухих газовых уплотнений (dry gas seals). Такая компоновка изолирует смазку от технологического газа и обеспечивает удобный доступ для обслуживания.
Для центробежных компрессоров по API 617 стандартом де-факто являются многоклиновые (tilting pad) опорные подшипники. Подшипники фиксированной геометрии (цилиндрические, эллиптические) практически не применяются в центробежных компрессорах, изготовленных после 1970-х годов, из-за проблем с ротодинамической устойчивостью.
Осевые нагрузки от газодинамических сил на рабочих колёсах воспринимаются самоустанавливающимися упорными подшипниками типа Kingsbury. Разгрузочные устройства (думмис/балансировочный поршень) снижают осевую нагрузку, но не устраняют её полностью. Остаточная осевая сила и переходные нагрузки при пуске, останове и помпаже воспринимаются упорным подшипником.
В ряде современных конструкций ГПА применяются активные магнитные подшипники (AMB -- Active Magnetic Bearings) для ротора нагнетателя. Магнитные подшипники обеспечивают бесконтактную левитацию ротора в электромагнитном поле, исключая необходимость маслосистемы для нагнетателя. Это особенно актуально для трубопроводных компрессоров и герметичных подводных компрессоров. Требования к магнитным подшипникам регламентируются Приложением E стандарта API 617 и серией стандартов ISO 14839.
Мультипликаторы (повышающие редукторы) и понижающие редукторы в составе ГПА служат для согласования частоты вращения силовой турбины с приводимым оборудованием. Они представляют собой параллельные или планетарные зубчатые передачи с косозубыми или шевронными колёсами.
В ряде редукторов ГПА для опор валов используются подшипники качения: конические роликовые однорядные для восприятия комбинированных радиально-осевых нагрузок от косозубого зацепления, и цилиндрические роликовые для чисто радиальных нагрузок. Парная установка конических роликовых двухрядных подшипников обеспечивает фиксацию вала в обоих осевых направлениях. Для тяжёлых условий применяются упорные конические роликовые подшипники.
Конические роликовые подшипники от ведущих производителей -- INA, KOYO, NACHI -- обеспечивают высокую грузоподъёмность при комбинированных нагрузках и применяются в редукторах по стандарту API 613.
В высокоскоростных мультипликаторах промышленных ГПА, спроектированных по API 613, опоры валов нередко выполняются на гидродинамических подшипниках скольжения (втулочных или многоклиновых). Например, в редукторе Siemens SGT-500 используются четыре радиальных подшипника скольжения втулочного типа. Упорные нагрузки от шевронных колёс воспринимаются отдельными упорными подшипниками.
Система защиты и мониторинга подшипников ГПА регламентируется стандартом API 670 (Machinery Protection Systems) и включает непрерывный контроль вибрации, температуры и осевого положения ротора.
Бесконтактные датчики приближения (proximity probes) измеряют относительную вибрацию вала в подшипниковых узлах. Датчики устанавливаются попарно под углом 90 градусов (XY-конфигурация), формируя орбиту движения вала. Допустимые уровни вибрации определяются по ISO 20816 и API 670. При превышении порогового значения подаётся предупреждение; при достижении аварийного уровня -- автоматическое отключение турбины.
Термометры сопротивления (RTD Pt100) или термопары устанавливаются в каждой колодке опорных и упорных подшипников. Рабочая температура баббитовой поверхности при нормальных условиях -- 70-110 градусов C. Критическая температура, при которой начинается деградация несущей способности баббита, составляет 120-130 градусов C. Конкретные пороговые значения предупреждения и аварийного останова устанавливаются производителем для каждой модели турбины.
Датчик осевого положения (axial displacement / thrust position probe) контролирует положение ротора относительно упорного подшипника. Увеличение осевого смещения свидетельствует об износе баббита упорного подшипника, изменении осевой нагрузки или деградации масляной плёнки. В газовых турбинах Solar настройка порогов осевого сдвига выполняется относительно активной стороны упорного подшипника после первого пуска на нагрузку.
Промышленные газовые турбины (Siemens SGT, Solar и др.) проектируются на непрерывную работу десятки тысяч часов без остановки. Подшипники скольжения (гидродинамические) при условии стабильной подачи масла обладают теоретически бесконечным ресурсом, поскольку вал и подшипник разделены масляной плёнкой без механического контакта. Подшипники качения имеют конечный усталостный ресурс из-за циклических контактных напряжений. Кроме того, tilting pad подшипники обеспечивают высокую ротодинамическую устойчивость на высоких скоростях.
Авиапроизводные газотурбинные двигатели унаследовали конструкцию от авиационных прототипов (НК-16СТ создан на базе НК-8-2У), где ключевыми требованиями являются минимальная масса и способность к быстрому запуску. Подшипники качения (роликовые и шариковые) значительно легче, компактнее и не требуют предварительного создания давления масла для запуска. Ресурс авиапроизводных ГТД компенсируется системой регламентных замен подшипников при капитальном ремонте.
Tilting pad (многоклиновой, сегментный) подшипник состоит из отдельных колодок, каждая из которых может наклоняться независимо. Это исключает перекрёстные коэффициенты жёсткости, вызывающие самовозбуждающиеся вибрации (oil whirl/oil whip) в подшипниках фиксированной геометрии. По стандарту API 617 tilting pad подшипники являются рекомендуемым типом для центробежных компрессоров, обеспечивая стабильную работу при высоких скоростях и переменных нагрузках.
Думмис (balance piston) -- разгрузочное устройство, уменьшающее осевую силу на упорный подшипник нагнетателя. В ГПА-Ц-16 думмис уменьшает осевое усилие за счёт подвода давления всасывания к задней стороне ротора, создавая противодействующую силу. Полость всасывания соединена с задуммисной камерой внешним трубопроводом. Без думмиса осевая нагрузка на упорный подшипник от газодинамических сил на рабочих колёсах была бы слишком велика для надёжной длительной работы.
В мультипликаторах (повышающих редукторах) ГПА применяются два типа опор: подшипники скольжения (втулочные или многоклиновые) -- в высокоскоростных агрегатах по API 613, и подшипники качения (конические роликовые, цилиндрические роликовые) -- в менее скоростных конструкциях. Конические роликовые подшипники воспринимают комбинированные радиально-осевые нагрузки от косозубого зацепления.
Износ упорного подшипника проявляется как увеличение осевого смещения ротора, которое непрерывно контролируется бесконтактным датчиком осевого положения по API 670. Дополнительно контролируется температура колодок: рост температуры может свидетельствовать об увеличении нагрузки, деградации масляной плёнки или начале контактного износа баббита. Комплексный анализ тренда осевого сдвига и температуры позволяет прогнозировать остаточный ресурс.
Ключевое отличие -- тип привода. ГПА-Ц-16 использует авиапроизводный двигатель НК-16СТ (на базе НК-8-2У), где роторы КНД и КВД установлены на подшипниках качения (роликовые + шариковые). Промышленные турбины Siemens SGT используют многоклиновые подшипники скольжения (tilting pad) для всех роторов. Нагнетатели в обоих случаях оснащены подшипниками скольжения. Подшипники Siemens SGT-750 рассчитаны на 68 000 часов между капитальными ремонтами.
Для гидродинамических подшипников промышленных газовых турбин и нагнетателей применяются турбинные масла класса ISO VG 32 или ISO VG 46 (по ISO 8068). Это минеральные или синтетические масла с кинематической вязкостью 32 или 46 мм2/с при 40 градусах C, обладающие высокой стойкостью к окислению, антикоррозионными и антипенными свойствами. Для авиапроизводных ГТД (НК-16СТ) применяются синтетические авиационные масла.
Активные магнитные подшипники (AMB) обеспечивают бесконтактную левитацию ротора в электромагнитном поле. Система управления с обратной связью непрерывно корректирует положение ротора по сигналам датчиков. Преимущества: отсутствие маслосистемы для нагнетателя, устранение утечек масла в газовый тракт, снижение потерь на трение. Требования к AMB регламентируются Приложением E стандарта API 617 и серией ISO 14839.
Подшипники являются критическими компонентами газоперекачивающих агрегатов и промышленных газовых турбин, определяющими надёжность, ресурс и виброакустическое состояние оборудования. В промышленных газовых турбинах Siemens SGT и Solar Turbines основным типом являются многоклиновые подшипники скольжения (tilting pad journal и thrust bearings), обеспечивающие ротодинамическую устойчивость и ресурс до 68 000 часов. В авиапроизводных ГТД (НК-16СТ для ГПА-Ц-16) применяются роликовые и шариковые подшипники качения с регламентной заменой.
Центробежные нагнетатели газоперекачивающих агрегатов оснащены гидродинамическими многоклиновыми подшипниками по API 617 с самоустанавливающимися упорными подшипниками типа Kingsbury. Мультипликаторы используют подшипники скольжения или конические роликовые подшипники качения в зависимости от скоростного режима. Непрерывный мониторинг вибрации, температуры и осевого положения ротора по API 670 обеспечивает предиктивное обслуживание и предотвращение аварийных отказов.
1. API Standard 616. Gas Turbines for the Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services.
2. API Standard 617. Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors (8th Edition).
3. API Standard 613. Special Purpose Gear Units for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services.
4. API Standard 670. Machinery Protection Systems.
5. API Standard 614. Lubrication, Shaft-sealing and Oil-control Systems and Auxiliaries.
6. ISO 20816 (серия). Mechanical vibration -- Measurement and evaluation of machine vibration.
7. ISO 14839 (серия). Mechanical vibration -- Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings.
8. ISO 8068. Lubricants, industrial oils and related products -- Family T (Turbines).
9. ASTM B23. Standard Specification for White Metal Bearing Alloys.
10. Siemens Energy. SGT-400 Industrial Gas Turbine -- Technical Datasheet.
11. Siemens Energy. SGT-750 Gas Turbine -- Technical Presentation (Siemens AG, 2010).
12. Siemens Energy. SGT-100/200/400 Compressor Packages -- Technical Documentation.
13. Solar Turbines Incorporated. Centaur 50 Turbomachinery Package Specification (TPS50CSMD/309, 2009).
14. Kingsbury Inc. LEG Bearings, Thrust and Journal -- Product Documentation.
15. Патент RU 2403416 C1. Газоперекачивающий агрегат.
16. ГПА-Ц-16. Ремонтная документация (1.4300.4.0000.000 РД).
17. РТЭ ГТД НК-16СТ. Руководство по технической эксплуатации двигателя НК-16СТ.
18. Ревзин Б.С., Ларионов И.Д. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. М.: Недра, 1991.
19. Harris T.A., Kotzalas M.N. Rolling Bearing Analysis. 5th ed. CRC Press, 2006.
20. Хронин Д.В. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1989.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.