Современная судовая газотурбинная установка

Современная судовая газотурбинная установка

СОДЕРЖАНИЕ :

ВВЕДЕНИЕ---------------------------------------------------------------------------2

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГТУ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ------2

1.1 Состав ГТУ

1.1.1.ГТУ в составе судовой энергетической установки.-----------------3

1.1.2 Газотурбинный двигатель------------------------------------------------4

1.1.3 Передача---------------------------------------------------------------------7

1.1.4 Общая компоновка ГТУ--------------------------------------------------8

1.1.4.1Судовые ГТУ промышленного типа---------------------------12

1.1.4.2 Судовые ГТУ легкого типа--------------------------------------13

1.2 Редукторы -----------------------------------------------------------------------16

1.3 Средства реверса----------------------------------------------------------------17

1.3.1 Газовый реверс -------------------------------------------------------------17

1.3.2Реверсивные передачи-----------------------------------------------------19

1.3.3 Винт регулируемого шага-------------------------------------------------21

1.4. Средства и посты управления------------------------------------------------21

1.5. Преимущества комбинированной установки-----------------------------23

Заключение----------------------------------------------------------------------------24

ВВЕДЕНИЕ.

Современная судовая газотурбинная установка (ГТУ) успешно конкурирует с аналогичными по назначению паротурбин­ными и дизельными. От последних она выгодно отличается ком­пактностью и малой удельной массой, маневренностью и высокой ремонтопригодностью, лучшей приспособленностью к автоматиза­ции и дистанционному управлению.

Газотурбинная установка может использоваться как всережимная и в сочетании с дизельными и паротурбинными.

При эксплуатации ГТУ чувствительна к качеству подготовки топлива и масла, к изменению внешних условий (температура, чи­стота и давление атмосферного воздуха), ее надежность, как ни у какой другой установки зависит от точности выполнения всех эксплуатационных инструкций, а также от своевременности и правильности решений, принимаемых обслуживающим персо­налом в непредусмотренных инструкциями ситуациях.

Опыт эксплуатации судовых ГТУ показал, что от инженера-ме­ханика требуется не только знание и пунктуальное выполнение требований эксплуатационной документации, но и понимание фи­зических, химических и других процессов, протекающих в рабо­тающих двигателях. Кроме того, при длительных плаваниях ин­женеру-механику часто необходим справочный материал, связан­ный с эксплуатацией ГТУ и отсутствующий в имеющейся на судне документации.

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

1.1.1. 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.

1.1.2. 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.

Т 3

Р2

2

Р1 4

0 1 S

Рис.1.1. Теоретический простой цикл ГТД.

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.

Топливо Газ

	ТНД	ТВ
			КК ВД

Т

ВВВоздух

Рис.1.2. Принципиальная схема двухкомпрессорного ГТД со свободной турбиной винта.

Принципиальная схема двухкомпрессорного ГТД приведена на рис.1.2. На ней показаны компрессора и турбины, их количество, взаимное расположение и силовая связь.

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.

1.1.3. 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 .

1.1.4. 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.

Системы ГТУ включают комплексы разнообразных техниче­ских средств, при помощи которых могут быть осуществлены все эксплуатационные режимы работы установки, а также ее техни­ческое обслуживание. Условно их можно разделить на две группы. Первая группа—это комплексы технических средств, которые по­зволяют управлять установкой, т. е. задавать и поддерживать не­обходимые режимы се работы и изменять эти режимы при необхо­димости. К ним относятся системы:

- управления, воздействующая на подачу топлива в КС, на системы пуска и реверса и другие системы, обеспечивающие под­держание и изменение режима работы;

- пуска, с помощью которой ГТУ вводится в действие;

- реверса, обеспечивающая изменение направления упора, со­здаваемого гребным винтом или другим движителем.

Ко второй группе относятся следующие системы, обеспечиваю­щие оптимальные условия для работы ГТУ:

- топливная, состоящая из технических средств, размещенных на ГТД, а также вне двигателя;

-масляная с техническими средствами на ГТД, передаче (ре­дукторе) и вне их;

-охлаждения забортной водой, размещенная обычно вне ГТУ и предназначенная для охлаждения масла ГТУ в маслоохлади­телях;

- сжатого воздуха, технические средства которой размещены как на ГТУ, так и вне установки;

- промывки проточной части;

- антиобледенительная (система обогрева входного устрой­ства ГТД) и ряд других.

Кроме того, работа ГТД на судне обеспечивается воздухоприемным и газовыпускным устройствами, системой теплоизоляции ГТД. Основные характеристики судов с ГТУ приведены в табл. 1.1, а показатели ГТУ - в табл. 1.2 (по отечественным и иностранным литературным источникам).

Таблица 1. 1. Основные характеристики судов с ГТУ.

Таблица 1.2 Основные характеристики ГТУ

1.1.4.1. Судовые ГТУ промышленного типа.

Примером названных установок может служить ГТУ-20 судна «Парижская коммуна». Она состоит из двух одинаковых устано­вок ГТУ-10, работающих через общий редуктор на один ВРШ. Особенностью ГТУ-20 является блокированная ТНД, что потребовало установки ВРШ.

Установки промышленного типа МS-1000, МS-3000, МS-5000, МS-7000 и их модификации фирмы «Дженерал электрик» конвер­тированы в судовые из стационарных ГТУ. Все они работают но открытому циклу с регенерацией теплоты уходящих газов для по­догрева воздуха.

Особенностью ГТУ М5-3012К является привод генератора пе­ременного тока от ТНД и постоянная частота их вращения. Глав­ный электродвигатель (ГЭД) переменного тока с постоянной ча­стотой вращения приводит в действие ВРШ. Установка М5-3012К со всеми обслуживающими механизмами и системами располо­жена на верхней палубе судна, а ГЭД — в машинном отделении. Некоторые данные о судовых ГТД промышленного типа приве­дены в табл. 1.3.

Таблица1.3. Характеристики судовых ГТД типа М S .

1.1.4.2. Судовые ГТУ легкого типа.

На судах такие ГТУ нашли применение в следующем исполнении:

- с одним компрессором и одной турбиной (блокированная, рис. 1.6, а);

- с одним турбокомпрессором и свободной ТВ (рис. 1.6, б);

— с двумя турбокомпрессорами и свободной ТВ (см. рис. 1.2). Были проведены большие работы по конвертированию авиаци­онных ГТД для использования их на судах: в СССР — ГТУ М-25.

В США были созданы ГТД типов: LМ-100, LМ-300, LМ-1500, LМ-2500, LМ-5000, FТ-4А, FТ-4А12, FТ-4С-2 и др.; в Англия -типов «Олимп», «Тайн», «Гном» и др. Некоторые данные о судовых ГТД авиационного типа приведены в табл. 1.4.

Табл.1.4. Характеристики зарубежных судовых ГТД.

1.2. Редукторы

Редукторы обладают рядом преимуществ перед другими ти­пами передач: меньшие масса и габариты, более высокий КПД, простота устройства, сравнительно меньшая стоимость, большая долговечность, высокая безотказность и т. д. По назначению раз­личают редукторы главные и вспомогательные; по конструкции — переборные, планетарные и комбинированные, по направлению вращения—реверсивные и нереверсивные; по виду зубчатых ко­лес—цилиндрические и конические; по числу зубчатых пар— одно- и многоступенчатые; по расположению осей валов—горизон­тальные и вертикальные; по типу передач — цепные, гнездовые и с раздвоением мощности.

Примером двухступенчатого редуктора с раздвоением мощно­сти является редуктор главного газотурбинного агрегата М-25 су­дов типа «Атлантика». В 1-й ступени мощность ГТД через шестерню Z1 передается на две шестерни Z2. На 2-й ступени от каждой шестерни Z3, приводимой от Z2, мощность передается на две шестерни Z4, от них—на главное колесо редуктора Z5 и да­лее—на ВФШ.

Редуктор установки М-25—переборный, реверсивный, с ци­линдрическими зубчатыми колесами, с горизонтальным располо­жением валов; редуктор установки ГТУ-20—также переборный, с цилиндрическими зубчатыми колесами, двухступенчатый, с го­ризонтальным расположением валов, но нереверсивный, с цепным типом передачи. Редуктор судовой ГТУ средней мощно­сти с ГТД GТРЕ-990 выполнен планетарным.

Планетарные редукторы в основном устанавливаются на КВП и СПК. Для комбинированных установок наиболее характерны редук­торы, собирающие мощности от нескольких двигателей, в том чи­сле и разнотипных и разной мощности, а также раздающие мощность двигателей различным не­скольким потребителям. Для этих же установок характерны операции

подключения и отключения двигателей с помощью гид­равлических и специальных механических разобщительных муфт. Наиболее простой, но достаточно распространенной муфтой такого назначения является автоматическая механическая с обгон­ным устройством .В редукторах широко используются так называемые самосин­хронизирующие муфты, конструкция которых представляет собой сочетание фрикционной и зубчатой муфт. Первая служит для син­хронизации валов и создания тем самым условий для включения зубчатой муфты, которая способна продолжительное время пере­давать основной крутящий момент.

1.3. Средства реверса

Упор винта на переднем ходу называют положительным, на заднем—отрицательным. Отрицательный упор применяют в экс­плуатации для движения судна задним ходом, торможения и остановки судна, идущего передним ходом, для стаскивания судна с мели и т. п.

Реверсом называют маневр, связанный с изменением направ­ления упора, создаваемого гребным винтом. Осуществляют реверс с помощью одного из трех элементов пропульспвного комплекса:

-силовая турбина—передача—движитель, который в этом случае называют реверсивным.

1.3.1. Газовый реверс.

При использовании реверсивной силовой турбины реверс на­зывают газовым, а ГТД—реверсивным. В соответствии с требо­ваниями к проектированию судовых установок мощность на зад­нем ходу должна составлять примерно 40—50 % мощности перед­него хода.

Конструктивно турбина заднего хода может быть выполнена в виде :

а) отдельной турбинной ступени, расположенной на диске, жестко связанном с ротором турбины переднего хода;

б) отдельной турбины, передающей крутящий момент на ре­дуктор через собственный вал (рессору);

в) верхнего (нижнего) яруса лопаток, расположенного над (под) ярусом лопаток одной из ступеней переднего хода.

В конструкциях (а) и (б) существенно возрастают массогабаритные показатели ГТД, возникает необходимость в создании надежных закрытий в газовых каналах, а в случае «б», кроме того, нарушается принцип прямоточности ГТД. В случае применения радиальной реверсивной турбины воз­никают трудности компоновки проточных частей турбин, состоя­щих из нескольких последовательно расположенных центростре­мительных турбин, а также затруднения, связанные с конструк­тивным сочетанием в


29-04-2015, 01:59