Виды судовых турбинных установок

Тема № 1

ВИДЫ СУДОВЫХ ТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

 

В настоящее время на флоте применяют судовые энергетические установки (СЭУ) с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), паровыми турбинами (ПТУ), газотурбинными двигателями (ГТД) и комбинированные. Выбор вида СЭУ обусловлен типом и назначением судна и осуществляется на основе сравнения многих технико-экономических показателей как СЭУ, так и судна в целом.

По удельному расходу топлива паротурбинная установка уступает дизельной — 230 — 320 против 200 — 230 г/(кВт ч). Вместе с тем ПТУ менее требовательна к качеству топлива и при мощностях свыше 20 тыс. кВт имеет меньшую построечную стоимость, меньшую массу и габариты и ряд других преимуществ перед СЭУ с ДВС. Основные характеристики ПТУ морских транспортных судов отечественной и зарубежной постройки приведены в табл. 1.1.

 

Паровая турбина в настоящее время является единственным реальным тепловым двигателем, где возможно использование ядерной энергии. В табл. 1.2 даны основные технические характеристики ЯЭУ построенных судов.

Газотурбинные установки (ГТУ) находят широкое применение на тех судах, для которых особенно существенны преимущества этих установок — малая удельная масса, компактность, высокая маневренность, возможность быстрой агрегатной замены и др. Вместе с тем по экономичности ГТУ пока уступают дизельным установкам.

 

Современные судовые ГТУ можно разделить на легкие и тяжелые. Основные характеристики судовых ГТУ приведены в табл. 1.3

Достаточно широко ГТУ используются в военно-морском флоте, в частности, на кораблях с динамическими принципами поддержания.

Комбинированные установки выполняются как смешанного типа, так и с единым термодинамическим циклом.

Комбинированные установки смешанного типа состоят из нескольких независимых установок, например ДВС и ГТУ. Такие установки применяются, когда судно имеет два ходовых режима, которые резко различаются мощностью и продолжительностью. Так,режим длительного малого хода может обеспечиваться ДВС, режим полного хода — ГТУ или совместно ГТУ и ДВС.

Комбинированные установки с единым термодинамическим циклом применяют с целью повышения КПД установки при сохранении умеренных массогабаритных характеристик.

 

ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

Размещение ктэу на судне

 

Способ размещения КТЭУ на судне зависит от класса судна, рода выполняемых им задач, объемов энергетических помещений, типа тепловой схемы энергетической установки и от многих других факторов.

Для одновального судна обычно применяется совместное размещение котельной и турбинной установки в едином машинно-котельном отделении (рис. 82. а). При этом работу единственного ГТЗА могут обеспечивать один - два главных котла.

Размещение всех главных и вспомогательных механизмов в одном отсеке судна способствует сокращению длины трубопроводов обслуживающих систем, главных и вспомогательных паропроводов, облегчает управление и наблюдение за работой установки из поста дистанционного управления.

Вариантов размещения основного оборудования КТЭУ на судах, имеющих две, три и четыре линии вала, намного больше.

 

Основными способами размещения КТЭУ при этом являются:

- линейный;

- эшелонный;

- совмещенно-эшелонный способы размещения.

 

Линейное размещение

При линейном размещении КТЭУ на судне котлы располагаются в котельных отделениях, главные турбины – в турбинных отделениях. При этом все турбинные отделения судна располагаются в корме за всеми котельными отделениями. Возможны два варианта линейного размещения.

Первый вариант (рис. 82. б) предполагает размещение всех котлов судна с обслуживающими их системами в котельном отделении, всех турбоагрегатов – в следующем за ним машинном отделении. При таком размещении достигается максимальная компактность установки, минимальная протяженность энергетических помещений, систем и паропроводов.

При этом возможна работа каждого котла на свой ГТЗА, или с помощью перемычек по паровым и водяным системам допускается работа в следующих вариантах:

- левый котел на правый ГТЗА,

- правый котел на левый ГТЗА,

- работа одного котла на оба ГТЗА.

 

Недостатком такой схемы размещения является тот факт, что при аварийном повреждении котельного (либо машинного) отделения, все котлы (или турбины) выходят из строя, что делает невозможным дачу судном хода.

Второй вариант линейного размещения (рис. 82. в) предполагает размещение каждого котла с обслуживающими системами в своем котельном отделении, каждого ГТЗА – в своем машинном отделении.

При этом обеспечивается повышенная живучесть установки (при аварийном повреждении одного из котельных или машинных отделений судно не останется без хода, практически всегда остается возможность дать ход от неповрежденного котла или ГТЗА), но такой вариант размещения увеличивает протяженность помещений энергетической установки, длину паропроводов и систем ГЭУ.

 

Рис. 82. Способы совмещенного, линейного и совмещенно-эшелонного размещения КТЭУ на судне.

МО – машинное отделение; КО – котельное отделение; МКО – машинно-котельное отделение; НМКО – носовое МКО; КМКО – кормовое МКО; ОВМ – отделение вспомогательных механизмов.

 

Эшелонное размещение

 

В такой схеме размещения КТЭУ (рис. 83) каждое машинное отделение судна размещается вслед за обслуживающими его котельными отделениями. При этом котельные и машинное отделения, работающие совместно, образуют автономный эшелон энергетической установки.

В случае двухвальной схемы размещения эшелоны имеют наименования: носовой (или правый) и кормовой (или левый).

При трехвальной схеме размещения – носовой, средний и кормовой эшелоны. С помощью межэшелонных перемычек по паровым системам и конденсату, возможна работа котлов одного эшелона на ГТЗА любого другого эшелона.

Эшелонное размещение основных механизмов КТЭУ обеспечивает самую высокую степень живучести энергетической установки среди других схем размещения, но в то же время энергетические помещения при такой схеме размещения обладают самой большой протяженностью по длине судна.

 

Совмещенно - эшелонное размещение

 

Совмещено-эшелонная схема размещения оборудования КТЭУ предполагает расположение в каждом машинно-котельном отделении двух главных котлов вместе с обслуживаемым ГТЗА (рис. 82. г). При этом значительно сокращается длина паропроводов и трубопроводов обслуживающих систем, повышается удобство эксплуатации установки.

Оба эшелона – носовой и кормовой – являются автономными, но с помощью перемычек по пару и обслуживающим системам возможна работа котлов носового эшелона на оба ГТЗА, или ГТЗА кормового эшелона; и котлов кормового эшелона на оба ГТЗА, или ГТЗА носового эшелона.

Между МКО размещается отсек вспомогательных механизмов, в котором расположены турбогенераторы, опреснительные установки, вспомогательная котельная установка, пароэжекторные холодильные машины и другое вспомогательное оборудование.

Совмещенно-эшелонная схема размещения КТЭУ достаточно компактна и обладает повышенной живучестью из-за сокращения длины энергетических помещений, числа вспомогательных механизмов, длины дымоходов и паропроводов.

Живучесть установки также повышается за счет включения промежуточного отсека с расположенными в нем вспомогательными механизмами.

 

Рис. 83 Способы эшелонного размещения КТЭУ на судне.

 

 

Рис. 3.Схема расположеиия машинно-котельной установки при четырехвальной установке

 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ СУДОВЫХ ТУРБОМАШИН

 

Судовые турбомашины классифицируют по следующим признакам.

1. По роду рабочей среды:

- различают турбины паровые и газовые.

В паровых турбинах рабочей средой (теплоносителем) является водяной пар, в газовых — смесь продуктов сгорания с избыточным воздухом или нейтральный газ, например гелий.

 

2. По назначению:

- главные и вспомогательные.

Главные турбины приводят во вращение гребной вал и, в свою очередь, разделяются на турбины переднего хода (ТПХ) и турбины заднего хода (ТЗХ).

Вспомогательные турбины применяются для привода вспомогательных механизмов, обслуживающих главную энергетическую установку и хозяйственно-бытовые нужды (электрогенераторы, вентиляторы, насосы и т. д.).

 

3. По числу ступеней:

- многоступенчатые и одноступенчатые.

Главные турбины выполняют многоступенчатыми, вспомогательные, как правило, одноступенчатыми.

 

4. По способу передачи мощности:

- прямодействующие и с передачами.

Прямодействующие турбины применяют только в качестве вспомогательных. Главные турбины могут иметь зубчатую или электрическую передачу, вспомогательные — только зубчатую передачу.

Наибольшее распространение имеет зубчатая передача, к. п. д. которой достигает 97 — 98%. Электропередача используется на судах специального назначения: ледоколах, пассажирских судах.

Прямая передача возможна, если приводной механизм (электрогенератор, компрессор, вентилятор и др.) допускает высокую частоту вращения.

 

5. По направлению вращения:

- реверсивные и нереверсивные.

Реверсивные работают на передний и задний ход и применяются в качестве главных.

Нереверсивные используются в качестве вспомогательных турбин и в качестве главных в установках с винтом регулируемого шага, а также в установках с электрической передачей, где реверс осуществляется гребным электродвигателем.

 

6. По расположению роторов:

- горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальное расположение роторов принимается для главных и вспомогательных турбин, вертикальное — только для вспомогательных турбин.

В судовых установках в основном используют горизонтальные турбины, удобные в обслуживании и ремонте. Вертикальные турбины занимают небольшую площадь машинного отделения, поэтому они предпочтительнее для судов специального назначения в качестве привода вспомогательных механизмов (турбоциркуляционные насосы, турбовентиляторы).

 

7. По направлению потока рабочего тела

- осевые, радиальные и центростремительные.

 

У осевых турбин поток рабочего тела по проточной части движется по направлению оси турбины, у радиальных от центра к периферии рабочего колеса, у центростремительных — от периферии к центру.

Радиальные и центростремительные турбины в судовых условиях применяются очень редко.

Более распространены осевые турбины. Они позволяют иметь большую агрегатную мощность и высокий к. п. д.

 

8. По характеру рабочего процесса:

- активные и реактивные.

Активные турбины могут быть как вспомогательными, так и главными (ТВД, ТСД, ТНД). Реактивные применяют в качестве турбин среднего и низкого давления главного турбоагрегата.

 

Для паровых турбин дополнительно принята следующая классификация.

1. По числу корпусов:

Турбина является частью судового турбоагрегата, в который, кроме нее, входят зубчатая передача, конденсатор — в паровом турбоагрегате, турбокомпрессоры и камера сгорания — в газотурбинном.

В зависимости от числа турбин, входящих в паровой турбоагрегат, различают:

- многокорпусные и однокорпусные турбины.

Однокорпусные турбины используются в качестве главных только при низких начальных параметрах пара.

В однокорпусном агрегате одна турбина, в многокорпусном — две или три.

Однокорпусные турбоагрегаты применяют, если число ступеней в турбине не превышает 10 — 12 активных или 20 — 25 реактивных. При большем числе ступеней применяют многокорпусные турбоагрегаты.

 

2. По давлению пара на выходе турбины:

- конденсационные турбины;

- турбины с противодавлением.

Турбины с противодавлением строятся как вспомогательные.

В конденсационных турбинах пар отводится в конденсатор, в котором поддерживается давление ниже атмосферного (0,0049—0,0098 МПа), давление отработавшего пара в турбинах с противодавлениемвыше атмосферного. В основном применяются конденсационные турбины.

 

3. По давлению пара р₀ на входе (перед регулирующими органами) турбины:

- турбины низкого давления (р₀ = 1,0-3,0 МПа, пар сухой насыщенный или слабо перегретый);

- турбины среднего давления (р₀ = 5,0-6,0 МПа, t₀ = 450-500 °С);

- турбины высокого давления (р₀ >6,0 МПа, t₀>500 °С).

 

Паровые турбины в зависимости от начального состояния пара разделяют на турбины перегретого пара и влажнопаровые.

В первых турбинах большинство ступеней работает в области перегретого пара, во вторых — в области влажного пара.

Более высокий К. П. Д. имеют турбины перегретого пара, поэтому они имеют наибольшее распространение. Влажнопаровые турбины используют в установках с ядерным топливом. Они работают на слабоперегретом или сухом насыщенном паре.

 

4. По числу протоков пара:

- однопроточные;

- двухпроточные.

В судовых установках чаще используются однопроточные турбины, двухпроточные применяются только как турбины низкого давления.

 

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ГТД

 

Газотурбинные двигатели в зависимости от назначения выполняются по различным схемам. Если цикл характеризует термодинамические особенности ГТД, то схема — тепломеханические связи между основными элементами двигателя. ГТД одного и того же цикла могут выполняться по различным схемам. Определяющими при выборе схемы являются надежность и экономичность ГТД, особенно на режимах частичных нагрузок.

На рис. 6.7 представлены некоторые схемы, получившие применение на флоте.

 

Блокированная схема 1 конструктивно наиболее проста. Ее характерной особенностью является зависимость частоты вращения компрессора от характеристики движителя. Схема отличается снижением КПД двигателя на частичных нагрузках при любом способе регулирования.

При запусках и работе на частичных режимах блокированная схема требует уменьшения нагрузки, что вызывает необходимость применения электропередачи, гидропередачи или винта регулируемого шага (ВРШ).

Подобные двигатели применяют в установках, работающих в основном на номинальных нагрузках.

Рис. 6.7. Структурные схемы газотурбинных двигателей

Простой цикл: 1 — блокированный привод винта и компрессора; 2 — свободная силовая турбина; 3 — два турбокомпрессора и свободная силовая турбина. Цикл с регенерацией: 4 — свободная силовая турбина. Цикл с регенерацией и промежуточным охлаждением: 5 — блокированный привод винта и КНД

 

Схема 2со свободной силовой турбиной также отличается простотой компоновки, хорошими пусковыми характеристиками и примерно таким же падением КПД на частичных нагрузках, как и предыдущая. Используется в установках, также работающих в основном на номинальном режиме.

Схема 3 с двумя компрессорами и независимой силовой турбиной позволяет получить требуемое сжатие воздуха при большой начальной температуре газа и обеспечить работу каждого компрессора в оптимальных условиях. Экономичность такого ГТД на частичных нагрузках снижается несколько меньше чем в предыдущих схемах. Установка обоих компрессоров в одном корпусе, а также размещение в общем корпусе всех трех турбин позволяют получить весьма компактный двигатель. Подобная схема находит применение в корабельных установках.

Следует отметить, что большинство двигателей простого цикла конвертированы в судовые из авиационных. В качестве примера можно привести ГТД LM-2500, LM-1500 («Дженерал электрик», США), FT4A («Пратт Уитни», США), «Олимп» и «Гном» («Роллс-Ройс», Англия) и др.

 

Схема 4 с регенерацией и свободной силовой турбиной Т2 обладает более высоким КПД, чем у ГТД простого цикла. Применение регенерации несколько уменьшает также падение КПД двигателя на частичных нагрузках.

 

Схема 5 с регенерацией и промежуточным охлаждением имеет блокированный привод винта и компрессора низкого давления. Последнее обусловливает необходимость применения ВРШ. Усложнение схемы приводит к возрастанию гидравлических потерь, что снижает эффективность регенерации и промежуточного охлаждения.

 

Тема № 1

ВИДЫ СУДОВЫХ ТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

 

В настоящее время на флоте применяют судовые энергетические установки (СЭУ) с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), паровыми турбинами (ПТУ), газотурбинными двигателями (ГТД) и комбинированные. Выбор вида СЭУ обусловлен типом и назначением судна и осуществляется на основе сравнения многих технико-экономических показателей как СЭУ, так и судна в целом.

По удельному расходу топлива паротурбинная установка уступает дизельной — 230 — 320 против 200 — 230 г/(кВт ч). Вместе с тем ПТУ менее требовательна к качеству топлива и при мощностях свыше 20 тыс. кВт имеет меньшую построечную стоимость, меньшую массу и габариты и ряд других преимуществ перед СЭУ с ДВС. Основные характеристики ПТУ морских транспортных судов отечественной и зарубежной постройки приведены в табл. 1.1.

 

Паровая турбина в настоящее время является единственным реальным тепловым двигателем, где возможно использование ядерной энергии. В табл. 1.2 даны основные технические характеристики ЯЭУ построенных судов.

Газотурбинные установки (ГТУ) находят широкое применение на тех судах, для которых особенно существенны преимущества этих установок — малая удельная масса, компактность, высокая маневренность, возможность быстрой агрегатной замены и др. Вместе с тем по экономичности ГТУ пока уступают дизельным установкам.

 

Современные судовые ГТУ можно разделить на легкие и тяжелые. Основные характеристики судовых ГТУ приведены в табл. 1.3

Достаточно широко ГТУ используются в военно-морском флоте, в частности, на кораблях с динамическими принципами поддержания.

Комбинированные установки выполняются как смешанного типа, так и с единым термодинамическим циклом.

Комбинированные установки смешанного типа состоят из нескольких независимых установок, например ДВС и ГТУ. Такие установки применяются, когда судно имеет два ходовых режима, которые резко различаются мощностью и продолжительностью. Так,режим длительного малого хода может обеспечиваться ДВС, режим полного хода — ГТУ или совместно ГТУ и ДВС.

Комбинированные установки с единым термодинамическим циклом применяют с целью повышения КПД установки при сохранении умеренных массогабаритных характеристик.