Корабельні газотурбінні енергетичні установки та їх класифікація.

Принцип дії КГТЕУ і призначення основних її елементів.

Потужність КГТЕУ на режимах ПБШ та ЕБШ.

Загальна будова корабельної ГТУ.

 

 

Навчальна література:

1. Кузнецов В.В. та ін. Корабельні газотурбінні енергетичні установки. ч.1 та 2. С.: 2003. С. 118 та 82.

2. Кирюхин. Устройство судовых газотурбинных установок. С.: 2003. С. 84.

3. Трофимивич Г.К. Корабельные газотурбинные энергетические установки.

4. Ребров Б.В. Корабельные газотурбинные энергетические установки. Ч.1. Л.: 1970., ст. 280 –283.

5. Дмитриев Г.П. Корабельные газотурбинные и дизель-газотурбинные энергетические установки. Л.: 1988, ч.1, ст. 8- 11, 19 – 24; 1990. ч.2. ч.1, ч.2, ст. 3 – 7.

6. Хуршудян Г.М та ін. Корабельные дизельные энергетические установки и основы их общего проектирования. Л.: 1980. С. 276.

 

Вступ

Вся історія військового кораблебудування нерозривно пов'язана з пошуком найбільш ефективних джерел енергії забезпечення заданого ходу кораблів (суден). Тому формування сучасного вигляду Військово-морського флоту, розробка й будівництво перспективних кораблів і суден неможливі без розвитку корабельних енергетичних установок (КЕУ). Вибір типу й состава головної енергетичної установки (ГЕУ) - один з найважливіших етапів проектування корабля. Розвиток сучасної корабельної енергетиці іде по шляху створення потужних, економічних та надійних в експлуатації ГЕУ, які мають малі маси та габарити.

ГТА використовуються як головні двигуни надводних кораблів, а також як приводи електричних генераторів.

ГТД, як головний двигун НК є серцевиною всієї ГЕУ. Він забезпечує хід і маневреність корабля.

 

1. Корабельні газотурбінні енергетичні установки та їх класифікація

 

У сучасній корабельній енергетиці застосовуються всі існуючі типи енергетичних установок:

- котлотурбінні енергетичні установки (КТЕУ);

- атомні енергетичні установки (АЕУ);

- газотурбінні енергетичні установки (ГТЕУ);

- дизельні енергетичні установки (ДЕУ);

- комбіновані дизель-газотурбінні енергетичні установки (КДГТЕУ);

- комбіновані парогазотурбінні енергетичні установки (КПГТЕУ).

З початку 50-х років у корабельній енергетиці знайшли широке застосування комбіновані ГЕУ, до складу яких входять різні типи двигунів: ДВЗ і ГТД, парова турбіна і ГТД.

Ці двигуни за їх функціональним призначенням підрозділяються на:

- маршові (основні) двигуни, призначені для забезпечення економічних бойових швидкостей;

- прискорюючі (форсажні) двигуни, призначені для забезпечення режимів повних бойових швидкостей.

Практично до кінця 60-х років ГТД застосовувалися головним чином у якості форсажних у складі комбінованих дизель-газотурбінних і парогазотурбінних енергетичних установках.

Перш ніж розглядати принципову схему і склад основних елементів КГТЕУ розбираємося з термінологією.

ГТД - тепловий двигун реактивного типу в якому теплова енергія попередньо стиснутого й нагрітого газу перетвориться в механічну енергію обертання ротора турбіни. До його складу входять наступні елементи:

- компресор, один чи декілька;

- камера згоряння;

- газова турбіна, одна чи декілька.

ГТА – агрегат, до складу якого крім ГТД входить ще і редуктор (зубчаста передача - ЗП).

ГТУ – містить у собі ГТА й елементи валопроводу (звукоізолююча муфта та ГУП) чи ГТД, ЗП і електрогенератор (ГТГ).

КГТЕУ – містить у собі ГТУ, валопроводи, рушії, а також усі системи і механізми, що забезпечують функціонування корабля (ЕЕС, допоміжну ЕУ).

З початку 60-х років у корабельній енергетиці знайшли широке застосування газо-газотурбінні енергетичні установки (ГГТЕУ), що мають наступні схеми:

1 тип - відношення потужності МД та ФД менше 0,15 – 0,20 та сумісна робота ГТД не передбачена. МД та ФД працюють роздільно за рахунок підключення на гребний вал через загальний редуктор. При цьому МД забезпечує швидкість руху корабля 18 – 20 вузлів, а при роботі ФД – 30-32 вузла. Такі схеми в міжнародної класифікації називають COGOG (CO – комбінована, G – газотурбінна, О – «або» – сумісна робота не передбачена).

 

 

Рисунок 1. Схема КГТЕУ, де не передбачена сумісна робота МД та ФД.

2 тип – забезпечується як сумісна, так і роздільна робота ГТД, які входять до агрегату. Такі схеми називають GOGAG. Такі режими забезпечуються такими конструкторськими рішеннями:

А) В КГТЕУ входять ГТА в якому на загальну передачу працюють двигуни однакової потужності. Це установки типу М–3. Потужність ГТД у таких ГТЕУ складає 15000 – 22000 кВт.

 

Рисунок 2. Схема КГТЕУ с ГТД рівної потужності, працюючих на один вал.

Б) В КГТЕУ входить ГТА в якому головна ЗП забезпечує можливість як роздільної, так і сумісної роботи ГТД різної потужності. Це агрегати типу М – 5, М – 7, М – 9, М – 15, М – 21.

 

Рисунок 3. Схема КГТЕУ с ГТД різної потужності, працюючих на один вал.

К комбіновані ДГТЕУ мають схеми двох типів:

- схеми, які не передбачають сумісну роботу ДВЗ та ГТД (CODOG),

- схеми, які передбачають як сумісну, так і роздільну роботу ГТД та ДВЗ (CODAG).

ГТД також знайшли застосування на КВП для обертання осьового компресора, який надає повітря під спідницю КВП та для обертання повітряного гвинта.

Міжнародна класифікація: CO – комбінована, G – газотурбінна, D – дизельна, S – паротурбінна, L – електрорух, N – ядерна, А – «і» - сумісна робота, О – «або» – сумісна робота не передбачена.

Газотурбінні установки класифікуються:

- За принципом здійснення процесу замикання циклу: відкритого, закритого і напівзакритого циклів;

- За принципом здійснення процесу горіння: при постійному тиску, при постійному об'єму і змішане горіння;

- По роду використовуваного палива:

- ГТУ, що працюють на органічному паливі;

- ГТУ, що використовують ядерне пальне;

- По використанню тепла газів, що відробили: з регенерацією, з утилізацією і без регенерації й утилізації;

- За принципом здійснення процесу стиску: одне-, двох- і триступінчастий стиск із проміжним охолодженням і без нього;

- За принципом здійснення процесу розширення – з одноступінчатим і багатоступінчастим розширенням із проміжним підігрівом і без нього.

ГТЕУ має ряд переваг перед існуючими тепловими двигунами:

а) у порівнянні з ПТУ:

- відсутність котлової установки з великою кількістю допоміжних механізмів і пристроїв, складною системою водопідготовки;

- значне скорочення потреб в воді;

- швидкий пуск установки в дію;

б) у порівнянні з ДВЗ:

- можливість використання твердого палива;

- відсутність кривошипно-шатунного механізму;

- менші габарити і вага при великих потужностях;

- менші витрати на експлуатацію (масло, ЗІП);

- незначна потреба в охолоджуючій воді.

Недоліки:

- на роботу ГТЕУ істотний вплив роблять зовнішні впливи: температура зовнішнього повітря, снігопад, обледеніння повітроприймальних шахт, попадання морської води, сольові відкладення;

- на роботу ГТЕУ впливає нестійка робота компресора (помпаж);

- за економічністю ГТЕУ уступає ДВЗ (наближається до швидкохідних ДВЗ).

2. Принцип дії КГТЕУ і призначення основних її елементів

Розглянемо принцип дії ГТУ на прикладі ГТУ простого (відкритого) циклу з горінням при постійному тиску з одновальним ГТД (рис.4).

 

КЗ

Компресор (К), що приводиться в дію турбіною (Т), засмоктує атмосферне повітря, стискає його до визначеного тиску (5÷7 кгс/см²) і подає в камеру згоряння (КЗ), куди паливним насосом безупинно подається паливо. У процес спалювання палива при постійному тиску утворюються гази (t =850⁰С і вище), що направляються в турбіну. У турбіні потенційна енергія газу в сопловому вінці перетвориться в кінетичну енергію газового потоку, а на робочому вінці КЕ газового потоку перетвориться в механічну роботу обертання ротора турбіни.

При цьому 70¸75% потужності, що розвивається турбіною, витрачається на обертання компресора, а 25¸30 – через зубчасту передачу (ЗП) і валопровід передається гвинту.

З турбіни гази, що відробили, викидаються в атмосферу, де вони охолоджуються при атмосферному тиску до температури повітря. Тим самим замикається термодинамічний цикл.

Запуск ГТУ робиться за допомогою спеціального електричного двигуна (стартера), паливо в період запуску запалюється від електросвічі.

Такі агрегати, як правило, використовуються для привода електрогенераторів.

На сучасних кораблях застосовуються ГТУ, що мають наступні схеми:

а) двохвальна схема:

КЗ

б) трьохвальна схема:

 

	КЗ

		ТГ
		ЗП
			КНТ
		Рисунок 5.

 

 

К – компресор; Т1 – турбіна високого тиску; Т2 – турбіна низького тиску (турбіна гвинта).

гази, що відпрацювали ТНТ ТВТ КВТ повітря Рисунок 6.   КНТ – компресор низького тиску; КВТ – компресор високого тиску; ТВТ – турбіна високого тиску; ТНТ – турбіна низького тиску; ТГ– турбіна гвинта.

У турбіні двохвальної (рис. 5) схеми розширення газів відбувається у двох турбінах: ТВТ та ТНТ. ТВТ обертає компресор, а ТНТ працює на гвинт.

Потужність та економічність ГТУ у значної мірі залежить від степені стиску повітря у компресорі: чім більше ступінь стиску – тим вище потужність ГТУ і вона більш економічна. Тому використовуються ГТД з багатоступінчастим стиском повітря та розширення газу. Наприклад, у турбіні трьохвальної схеми (рис. 6) здійснюється двохступінчастий стиск повітря у КНТ і КВТ до 12÷15 кГ/ см² (й вище), розширення газів з температурою до 1100^оС відбувається у трьох турбінах: ТВТ що обертає КВТ, ТНТ що обертає КНТ та ТГ, що працює на гвинт через ЗП. Ця схема знайшла широке застосування у складі корабельних ГТУ вітчизняного виробництва (М3, М5, М7, М9, М15, М21 та ін.).

Гази, що випрацювали мають високу температуру (більше 300^ОС) та уносять із собою багато тепла. Економічність ГТД може бути підвищена за рахунок регенерації – повернення частки тепла газів, що ідуть, у цикл ГТД.

Для прикладу схема ГТУ з одновальним ГТД у котрій застосована регенерація.

 

Рисунок 7. Схема ГТУ з регенерацією.

Стиснуте компресором повітря спрямовується у регенератор, де підігрівається газами, що надходять з турбіни. Газ, що підігрівся, надходить в КЗ, потім у турбіну, та пройшовши регенератор, іде в атмосферу. При використанні регенератора для отримання однієї й тої ж температури газів перед турбіною витрата палива буде меншою, ніж у ГТУ без регенерації, за рахунок чого економічність буде більш високою.

Для підвищення потужності та економічності також використовують ГТУ з утилізацією тепла газів, що йдуть.

 

Рисунок 8. Схема ГТУ з утилізацією газів, що ідуть до атмосфери.

К – компресор; КЗ – камера згорання; ТВТ – турбіна високого тиску; ТГ – турбіна гвинта; ЗП – зубчаста передача; ПТ – парова турбіна; ПК – паровий котел; ПН – перекачувальний насос.

 

3. Потужність КГТЕУ на режимах ПБШ та ЕБШ

 

Вибір схеми ГЕУ заданої потужності зводиться до комплексної оптимізації:

- числа ГТА;

- кількості ГТД в агрегаті;

- розподілу потужності в агрегаті між двигунами.

Кількість агрегатів у ГЕУ визначається прийнятою кількістю гребних валів. Вибір числа ГТД в агрегаті та розподіл потужності між ними визначається з урахуванням наступного:

1. До складу агрегату включені маршові і форсажні ГТД. Потужність МД вибирається з умови забезпечення заданої дальності плавання на режимі ЕБС. Потужність ФД вибирається з умови забезпечення ПБС при роздільної чи спільній роботі з МД.

2. До складу агрегату включені декілька ГТД однакової чи різної потужності. Потужність кожного двигуна залежить:

- від забезпечення режиму ПБС при роботі всіх двигунів в агрегаті;

- забезпечення заданої дальності плавання на режимі.

Таким чином, в обох випадках вибір схему ГЕУ зводиться до вибору варіантів за критеріями:

- потужність агрегату, що достатня для забезпечення ПБС;

- економічність ГЕУ, що забезпечує задану дальність плавання корабля на режимі ЕБС чи мінімальну витрату палива при плаванні корабля по заданому спектру швидкостей;

- масогабаритні характеристики.

Найбільш складною задачею оптимізації складу КГТЕУ є розподіл потужності між двигунами в агрегаті. Існує два підходи.

Один з них базується на концепції поділу двигунів в агрегаті на МД, ФД й ОД.

Потужність МД вибирається таким чином, щоб вони забезпечили найбільшу дальність плавання корабля на заданій швидкості при найменшій витраті палива на милю пройденого шляху. Потужність ФД й ОД визначається режимом ПБС за умови їх спільної чи роздільної роботи з МД.

Другій підхід базується на концепції формування КГТЕУ з всережимних двигунів однакової чи різної потужності (термін «всережимний» означає, що двигуні не поділяються на маршові і форсажні). Потужність окремих двигунів в агрегаті вибирається з умови забезпечення мінімальної витрати палива на визначений час при плаванні корабля по заданому спектру швидкостей ходу.

Незважаючи на різні вихідні концепції, задача розподілу потужності між двигунами в агрегаті зводиться до рішення задачі по мінімізації витрати палива на милю пройденого шляху.

Відповідно до завдання на проектування приймаються наступ­ні вихідні дані:

- водотоннажність корабля;

- повна бойова швидкість;

- економічна бойова швидкість.

Визначається корабель-прототип, дані якого найбільш близькі до вихідних даних завдання.

За даними корабля-прототипу приймаються:

- число гребних валів;

частота обертання гребного валу на режимі ПБШ.

Залежність N_R = f (V_S) (буксирувальнапотужність) задається у вигляді таблиць чи графіків. У випадку відсутності даних буксирувальну потужність для водотоннажного корабля можна визначити за формулою:

де V_S - швидкість кораблі в вузлах;

С – коефіцієнт пропорційності.

Потужність ГТА на режимі ПБШ визначається за формулою:

 

де - буксирувальнапотужність, кВт;

Z_в – кількість гребних валів;

η_ІІ = 0,67÷0,70 – пропульсивний коефіцієнт;

η_в = 0,98 – ККД валопроводу.

Потужність ГТА на режимі ЕБШ визначається за формулою:

де - буксирувальнапотужність, кВт;

Z_в – кількість гребних валів;

η_ІІ = 0,67÷0,70 – пропульсивний коефіцієнт;

η_в = 0,98 – ККД валопроводу.

Установлені розрахунком потужності ГТА N_ГТАІ, N_ГТАІІ при­ймаються в якості вихідних даних при виборі схеми ГЕУ.