Современная судовая газотурбинная установка

Газовый реверс с использованием двухъярусного облопачивания реверсивной турбины может быть выполнен по схеме, разра-

ботанной и испытанной фирмой «Дженерал электрик» для судо­вых ГТУ промышленного типа третьего поколения (рис. 1.4). На рисунке показаны направления движения газов и положения органов реверсивных устройств ГТУ. Специальные дефлекторы, расположенные за реверсивной ступенью, образуют на переднем ходу канал для прохода отработавших газов из рабочей решетки верхнего яруса в выпускной диффузор, обеспечивая тем самым уменьшение протечек газа в ступень заднего хода и снижение вен­тиляционных потерь. При работе на заднем ходу дефлекторы пе­ремещаются в положение, при котором образуется канал для про­хода отработавших газов из рабочей решетки заднего хода в вы­пускной диффузор.

Существенный недостаток ГТУ с газовым реверсом - потери мощности, достигающие 4—5%, что вызвано увеличенным сопро­тивлением вращению неработающих ступеней рабочего тела, имеющего весьма высокую плотность (например, по сравнению с ПТУ, в которой неработающие ступени располагают в зоне ва­куума).

Рис. 1.4. Схема течения газов в реверсивной турбине с двухъярусным облопачиванием: а—при работе на переднем ходу; б—при работе на заднем ходу.

/—механизм поворота сопловых лопаток; 2 —сопловые лопатки ПХ; 3 —сопловые лопатки ЗХ; 4 — газовыпускной диффузор; 5—дефлекторы; 6 — рабочие лопатки ЗХ;

7—рабочие лопатки ПХ; 8 —газовый канал ЗХ; 9 —газовый канал ПХ; 10 —раз­делитель газового потока; 11 — рабочие лопатки предыдущей турбины.

1.3.2. Реверсивные передачи

Конструкция реверсивной передачи позволяет изменить напра­вление вращения выходного (соединенного с винтом) вала пере­дачи при неизменном направлении вращения входного (соединен­ного с ГТД) вала.

Реверсивные передачи могут быть электрическими, гидравличе­скими и механическими. Электрический реверс применяют на су­дах с электродвижением. Его недостатки и достоинства опреде­ляются недостатками и достоинствами электрических машин, при­меняемых на судах для обеспечения хода судна.

Гидрореверсивная передача, изображенная на рис. 1.5, вклю­чает в свой состав гидромуфту и гидротрансформатор. В данной схеме продолжительный передний ход осуществляется передачей крутящего момента от вала 7 на шестерню 4 непосредственно че­рез фрикционную или кулачковую муфту (на рис. 1.5 не пока­зана ), а внутренняя полость гидромуфты может быть либо за­полненной рабочей жидкостью, либо опорожненной. Для перехода на задний ход нужно заполнить рабочей жидкостью гидромуфту,

Рис. 1.11. Принципиальная схема гидрореверсивной передачи. 1 — гидротрансформатор; 2 —неподвижный на­правляющий аппарат ГТ 3 — турбинное колесо ГТ; 4— ведущая шестерня редуктора: 5 — турбин­ное колесо гидромуфты; 6 — насосное колесо гидромуфты; 7 — вал турбины винта; 8 — ведо­мое колесоредуктора. Рис.1.5. Принципиальная схема реверсивного редуктора. 1— фрикцион ЗХ; 2 — колесо ЗХ; 3 — пара­зитная шестерня; 4, 5 — ведущие шестерни редуктора; 6 — ведомое колесо ПХ; 7 — фрикцион ПХ; 8 — выходной вал редуктора.

разобщить жесткую муфту, заполнить рабочей жидкостью по­лость В гидротрансформатора, опорожнить рабочую полость А гидромуфты. Недостаток этой передачи—низкий КПД гидро­трансформатора (0,85—0,87).

Механическая реверсивная передача может быть выполнена по схеме, представленной на рис. 1.5. Принцип действия реверсив­ного редуктора основан на применении двойного комплекта веду­щих шестерен и ведомых колес, расположенных между входным и выходным валами редуктора. Так, при движении судна перед­ним ходом крутящий момент от ГТД передается через шестерню 5 колесу 6 и далее — через включенный фрикцион переднего хода 7—на выходной вал редуктора 8. При движении судна задним ходом крутящий момент от ГТД передается на шестерню 4, паразитную шестерню 3, колесо заднего хода 2 и далее через включенный фрикцион заднего хода 1 на выходной вал редук­тора 8.

1.3.3. Винт регулируемого шага

Реверс посредством ВРШ осуществляется перекладкой лопа­стей винта при помощи механизма изменения шага (МИШ) из по­ложения ПХ в положение ЗХ, или наоборот. Механизм изменения шага расположен в ступице ВРШ, в связи с чем его диаметр по сравнению с ВФШ несколько увеличен. Тяги, воздействующие на МИШ, размещены внутри пустотелого гребного вала и управ­ляются гидроприводами.

1.4. Средства и посты управления

Автоматизация управления ГТУ осуществляется с использова­нием топливной системы ГТД, с помощью которой подается топ­ливо при пуске, изменяется режим работы, выполняется оста­новка. Отключением подачи топлива в КС осуществляется ава­рийная защита ГТД. Конструкцией системы предусматривается, чтобы фактическое изменение подачи топлива в камеру сгорания ГТД не приводило к опасному повышению температуры газа, по­явлению неустойчивых режимов работы и другим негативным по­следствиям. Обслуживающие ГТУ автономные вспомогательные механизмы представляют собой автоматизированные агрегаты, ко­торые могут дистанционно принимать команды на пуск, изменение режима, остановку и которые имеют собственные защитные и про­чие устройства. Кроме механизмов в состав ГТУ входит разнооб­разная автоматическая арматура, например устройства отключе­ния линий всасывания и нагнетания резервных насосов, свечи за­жигания и пусковые форсунки, приводы органов реверса и антипомпажных устройств и так далее.

Система управления ГТУ включает совокупность устройств, дающих командные сигналы на включение и отключение нагрузки части двигателей установки, на разворот лопастей ВРШ и т. п. Управление ГТУ и ее обслуживание невозможно без различных средств контроля параметров и сигнализации о положении орга­нов управления, таких как панели контрольно-измерительных приборов, панели сигнализации в виде мнемосхемы или сигналь­ных ламп, а на высокоавтоматизированных судах—системы цент­рализованного контроля (информационно-измерительные).

Централизованная система управления представляет собой пульт с рукоятками и кнопками, посредством которых осуще­ствляется любой из предусмотренных режимов работы ГТУ и всего силового' комплекса судна. Она может быть электрической, гид­равлической, комбинированной и т. д. На высокоавтоматизированном судне в системе управления могут быть использованы ЭВМ, которые вырабатывают по данным измерений управляющие си­гналы, облегчающие работу оператора .

Автоматические устройства, обеспечивающие управление глав­ной установкой, обычно размещаются в центральном, запасном (аварийном) постах управления, в ходовой рубке судна или на ка­питанском мостике.

Средства управления и контроля скомпонованы в пульты упра­вления, панели сигнализации и КИПов, в блоки управления, раз­мещенные в отдельных шкафах. Одновременное управление из разных постов исключается. Узлы переключения постов управле­ния обычно предусматривают принудительную передачу управле­ния любому посту или произвольное взятие управления «на себя» из любого поста, причем запасной пост получает на это право по разрешающему сигналу из центрального поста.

Запасной пост управления обычно размещается вблизи ГТУ. Количество информации о состоянии ГТУ и всего силового ком­плекса судна неодинаково на разных постах, в частности в ходо­вой рубке информация ограничивается сведениями, необходимыми капитану для принятия решения об использовании ГТУ. Наиболь­ший объем информации поступает в ЦПУ.

1.5. Преимущества комбинированной установки

Комбинированная главная установка включает в свой состав разнотипные главные двигатели, которые могут быть термодина­мически связанными друг с другом или термодинамически неза­висимыми.

Преимущества КУ обычно определяются характером использо­вания судна и его главной установки, а также особенностями главных двигателей различных типов.

Характер использования судов некоторых типов определяет их плавание преимущественно на скоростях, меньших полной. Так, китобойные и рыболовные траулеры, ледоколы, транспорт­ные суда активного ледового плавания не все ходовое время экс­плуатируются на полной скорости, чему препятствует ледовая об­становка или иные решаемые судном задачи.

В связи с примерно кубической зависимостью эффективной мощности установки от скорости водоизмещающего судна и ухуд­шением экономичности ГТУ при отклонении от расчетного режима желательно на скоростях, меньших полной, применять специаль­ный двигатель, относительно маломощный с высокими экономич­ностью и долговечностью. Таким требованиям в наибольшей сте­пени отвечает ДВС, не исключено применение и других типов дви­гателей. Полный ход можно быстро развить с помощью двигателя (установки), который кроме высокой маневренности должен быть весьма мощным с относительно малой долговечностью (что позволяет выполнить его легким и малогабаритным). Такому требованию наиболее полно отвечает ГТУ, которая к тому же относительно проста в обслуживании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Из рассмотренных выше материалов видно, что судовые газотурбинные установки, обладая определенными преимуществами перед другими типами, в тоже время обладают очень существенным недостатком-низкой экономичностью. В сочетании с малыми массогабаритными показателями, высокой приемистостью, быстрой подготовкой к пуску, высокой степенью готовности к приему нагрузки это предопределило использование газотурбинных двигателей на военных кораблях.

Первые ГТД в качестве опытных начали устанавливать на кораблях советского ВМФ на рубеже 40-50 годов. Однако эти двигатели обладали крайне малым ресурсом и были крайне ненадежны в эксплуатации. Первыми серийными комбинированными дизель-газотурбинными установками были ДГТУ типа Д2 и Д2М. Д2 включали в свой состав 2 ГТД типа Д54 и 2 дизеля М504 и устанавливались на малых противолодочных кораблях проекта 204, Д2М-2 таких же ГТД и 2 дизеля типа 58 и устанавливались на сторожевых кораблях проекта 35. Недостатком этих кораблей была высокая взрывопожароопасность из-за крайне неудачного расположения газотурбинных двигателей в кормовом отсеке. В конце 50-х годов была создана установка типа М2, которая включала в свой состав 2 ГТД, работающих на бортовые валы и дизель, работающий на средний вал на ВРШ. Эта установка была спроектирована для сторожевого корабля проекта 159 и показала высокие эксплуатационные качества. Эти корабли строились более 15 лет и находились в составе флота до середины 90-х годов. Всего было построено около 50 таких кораблей, из них более 20-на экспорт.

В начале 60-х годов был построен первый в мире полностью газотурбинный корабль – большой противолодочный проекта 61 с двухвальной установкой М3. М3 включала в свой состав 4 ГТД типа ДЕ59(по 2 на каждый вал) и 2 реверсивных редуктора с гидромуфтами. Общая мощность установки составляла 72000 л.с., и для своего времени это был настоящий прорыв для газотурбинных установок. В конце 60-х годов были запущены в серию следующие типы установок:

-2-х вальная М5 для большого противолодочного корабля проекта 1134Б, на каждый вал работал 1 маршевый и 2 форсажных ГТД, общая мощность 86000 л.с., впервые в мировой практике применен газовый реверс;

-2-х вальная М7 для сторожевого корабля проекта 1135, на каждый вал работал 1 МД и 1ФД, общая мощность-58000 л.с., газовый реверс. Особенностью этой установки являлось применение маршевой редукторной приставки, специального редуктора, установленного между редукторами маршевых двигателей, который позволял при работе 1МД распределять мощность на оба вала. Установка М7 оказалась настолько конструктивно удачной, что с некоторыми изменениями ее применили на БПК проекта 1155 и СКР проекта 1154, ПСКР проекта 11351, которые на настоящий момент составляют основу противолодочных сил Российского ВМФ.

-3-х вальная комбинированная М8 для малого противолодочного корабля проекта 1124, на бортовые валы работали дизеля типа М507 по 10000 л.с. с реверсивной главной передачей, на средний вал-нереверсивный ГТД ДЕ59 мощностью 18000 л.с. Ход этого корабля достигал 38 узлов. Всего было построено более 80 различных модификаций кораблей этого проекта;

-2-х вальная для ракетного крейсера проекта 1164, на каждый вал работал 1 МД с теплоутилизационным контуром, 2 ФД и паровая турбина, получающая пар от ТУК. Общая мощность – 110000 л.с., на сегодняшний день это самая мощная ГТУ;

-было создано много различных типов облегченных установок для кораблей на воздушной подушке, кораблей на подводных крыльях и кораблей с глиссирующими и полуглиссирующими корпусами. Для данных кораблей газотурбинные установки являются наиболее предпочтительными из-за своих массогабаритных показателей;

-были созданы ГТД чисто авиационного типа для экранопланов;

-были созданы газотурбогенераторы для выработки электроэнергии-типа ГТУ6А-мощностью 600 кВт и ГТУ12,5 мощностью 1250 кВт.

Газовые турбины являются весьма перспективными судовыми двигателями. Главный их недостаток-низкая экономичность успешно преодолевается за счет повышения температуры выходящих газов. Так в двигателе ДС71 удельный расход топлива на 2-ом форсированном режиме составляет 203 г/л.с.*час,что уже вполне сравнимо с экономичностью дизелей. Несомненно, что в будущем, с появлением новых жаропрочных сплавов, композитных материалов (что позволит значительно повысить ТВГ), газотурбинные установки несколько потеснят традиционные двигатели на судах.

В ВМФ, пограничной службе, особенно на кораблях быстрого реагирования (противолодочные, сторожевые, КВП, СПК), газотурбинные установки на сегодняшний день не имеют альтернативы.

Список использованных источников :

1. Вудворд Дж. Морские газотурбинные установки. Пер. с англ. Л., Судостроение, 1979.

2. Горелов В.И. Эксплуатация корабельных газотурбинных установок. М., Воениздат, 1972.

3. Курзон А.Г. Теория судовых паровых и газовых турбин. Л., Судостроение, 1970.

4. Трофимович Г.К., Речистер В.Д., Гильмутдинов А.Г. Справочник по ремонту судовых газотурбинных двигателей. Л., Судостроение, 1980.

5. Справочник инженера-механика судовых газотурбинных установок. Под ред. канд. техн. наук В.Д.Речистер. Л., Судостроение, 1985.