Современная судовая газотурбинная установка

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГТУ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ.

Судовая энергетическая установка (СЭУ) служит для сообщения хода судну, а также для обеспечения всех судовых потребителей необходимыми видами энергии (тепловой, электрической и пр.).

Судовые энергетические установки классифицируются как по роду используемого топлива (с органическим и ядерным топливом), так и по типу двигателя—двигатели внутреннего сгорания (ДВС), паротурбинные установки (ПТУ) и газотурбинные (ГТУ), а также комбинированные, состоящие из двигателей различных типов.

Судовые ГТУ от других типов выгодно отличаются целым рядом показателей: малыми габаритами и удельной массой, более высокой маневренностью, высокой ремонтопригодностью, лучшей приспособленностью к автоматизации и дистанционному управлению. Одновременно ГТУ несколько уступают ДВС по экономичности и требуют более тщательного ухода, как во время работы, так и при бездействии.

1.1. Состав ГТУ

ГТУ в составе судовой энергетической установки.

В соответствии с назначением СЭУ весь комплекс ее механизмов и систем условно делят на четыре группы:

— главную установку, предназначенную для обеспечения движения судна:

— вспомогательную, обеспечивающую потребности судна в различных видах энергии на стоянке, при подготовке главной установки к действию и бытовые потребности судна;

— электроэнергетическую, обеспечивающую судно различными видами электроэнергии;

— механизмы и системы общесудового назначения. Газотурбинная установка может быть главной или се составной частью, может быть приводом электрических генераторов, различных механизмов общесудового назначения. В последних двух случаях ГТУ называют вспомогательной.

Судовая энергетическая установка состоит из одного или нескольких комплексов двигатель-движитель, каждый из которых включает движитель, валопровод и одну главную установку. Главная установка в свою очередь состоит из одного или нескольких однотипных (в КУ, возможно, и разнотипных) двигателей и общей для них передачи, подводящей энергию к движителю через линию вала. Если двигатели главной установки газотурбинные, и она обеспечивает ход и маневрирование судна, ее называют газотурбинной всережимной. В комбинированной установке газотурбинная, как правило, является ускорительной (форсажной), обеспечивающей судну приращение скорости переднего хода.

Газотурбинный двигатель.

Газотурбинный двигатель—тепловая машина, предназначенная, для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу на валу двигателя. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Наибольшее распространение получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении. На рис. 1.1 изображен теоретический простой цикл такого ГТД на диаграмме Т-S. Здесь 1—2— изоэнтропийный (адиабатический) процесс повышения давления воздуха в компрессоре; 2—3—изобарный подвод теплоты в КС; 3—4 — изоэнтропийный (адиабатический) процесс расширения газа в турбине; 4—1—изобарный отвод теплоты в атмосферу. Большая часть работы расширения газа в турбине расходуется на сжатие воздуха в компрессоре, остальная часть производимой турбиной ГТД работы обычно после преобразования передается к потребителю мощности и называется полезной работой.

В так называемых сложных циклах ГТД, где можно получить более высокий КПД, или большую полезную работу, предусматривается либо промежуточное охлаждение воздуха (например, между компрессорами или их ступенями), либо вторичный подогрев газов (в дополнительных КС между турбинами), либо регенерация, т. е. использование теплоты выходящих из турбин газов для предварительного подогрева сжатого воздуха, либо любое возможное сочетание названных средств. Двигатели, выполненные по сложному циклу, имеют большие массы и габариты по сравнению с ГТД простого цикла, менее маневренны, менее надежны, весьма сложны.

Существенный недостаток ГТД простого цикла-относительно низкая экономичность-может быть устранен согласованным увеличением степени повышения давления воздуха Лк в компрессоре ГТД и температуры газа Тоз на входе в первую турбину ГТД (на выходе газа из КС), что наглядно подтверждается зависимостью КПД ГТУ от Лк при различных отношениях Тоз/То: здесь Тоз-абсолютная температура газа на выходе из КС в полных параметрах; То-абсолютная температура воздуха на входе в ГТУ.

Максимальное значение КПД при реально достижимой в настоящее время температуре Тоз=1000°С имеет место при Лк=16−21. Данную Лк можно осуществить в многоступенчатом осевом компрессоре; при этом в составе ГТД могут быть два последовательно установленных компрессора, каждый из которых приводится от отдельной турбины, или один компрессор, устойчивость режимов работы которого повышается вследствие применения поворотных лопаток спрямляющих аппаратов на ряде первых ступеней. При этом возможно применение дополнительных устройств, обеспечивающих устойчивость работы компрессоров, особенно на переходных режимах: лент перепуска воздуха, антипомпажных клапанов и т. д.

Собственно газовыми турбинами являются ТВД, ТНД. ТВ; совокупность КНД,ТНД, и соединяющего их вала образует турбокомпрессорный блок низкого давления (ТКНД); совокупность КВД, ТВД и соединяющих их конструкций—турбокомпрессорный блок высокого давления (ТКВД): часть ГТД, включающую ТКНД, ТКВД и КС, часто называют генератором газа (ГГ). Таким образом, ГТД можно рассматривать как совокупность генератора газа и пропульсивнои турбины.

Передача

Оптимальные условия работы гребного винта и пропульспвной турбины ГТД обеспечиваются обычно при различных частотах вращения. Для достижения приемлемых экономичности, масс и габаритов частота вращения ротора пропульсивной турбины должна быть значительно выше, чем гребного винта. Снижение частоты вращения осуществляется в передаче при обязательном требовании минимальных потерь мощности. Передача может выполнять и другие функции, в частности «собирать» мощности нескольких двигателей на один движитель, «раздавать» мощность теплового двигателя на несколько движителей, разобщать двигатели от движителей, осуществлять реверс и т. д.

Различают передачи механические, гидравлические, электрические. Последняя может работать на переменном и постоянном токе. В первом случае потери энергии в передаче составляют 6— 14%, во втором—11—19%. Для электропередач характерны большие массы и габариты: так, приходящаяся на 1 кВт масса электропередачи составляет 7—22 кг. Несомненны преимущества электропередач:

— возможность использования нереверсивного главного двигателя;

— удобство управления установкой;

— уменьшение длины гребных валов;

— отсутствие жесткой связи между главным двигателем и винтом и т. д.

Чисто гидравлическая передача имеет относительно малый КПД: 95—96 и 85—88% — соответственно гидромуфты и гидротрансформатора переднего хода, 70—75% —гидротрансформатора заднего хода. По этой причине их предпочитают применять в сочетании с механической передачей. Механическая (обычно зубчатая) передача имеет высокий КПД (до 98—99%) и находит преимущественное применение на судах .

Общая компоновка ГТУ.

На судах применяют ГТУ двух основных типов: с ГТД промышленного (тяжелого) типа; с ГТД авиационного (легкого) типа. Компоновочные схемы этих ГТУ могут существенно отличаться. Для ГТУ второго типа характерно выполнение ГТД в рамном или безрамном варианте, с трубчатым основанием, в звукоизолирующем кожухе. Максимально возможная часть систем, обеспечивающих работу ГТД, смонтирована на нем или в его раме; основные вспомогательные механизмы (например, основные топливный и масляный насосы) навешены на ГТД и приводятся от блока его вращения, в наименьшей степени изменяющего частоту вращения при переходе ГТД с режима на режим.

На редукторе ГТУ также смонтированы обеспечивающие его работу системы и механизмы (например, навесные маслонасосы). Связь ГТД с редуктором осуществляется посредством рессор.