1.3 Состав сэу

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.

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.

1.4 Газотурбинные энергетические установки [2]

Судовые газотурбинные энергетические установ­ки (ГТУ) могут быть подразделены на установки открытого и закрытого циклов. В первом случае рабочее тело, ко­торым является воздух и впоследствии смесь его с продуктами сго­рания топлива, пройдя через внутренние полости элементов уста­новки, выбрасывается в атмосферу.

Простейшая ГТУ открытого цикла с горением топлива при по­стоянном давлении показана на рис.1.1. Компрессор 5, приводи­мый в действие турбиной 11, через приемную трубу 4 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до определенного давления, например до 5-10² кПа, и непрерывно нагнетает в камеру сгорания 9. В нее через форсунку 8 с помощью насоса 3 подается топ­ливо. Образующиеся в процессе сгорания топлива газы высокой температуры, обычно превышающей 1000°С, направляются в тур­бину 11, где кинетическая энергия их преобразуется на лопатках в механическую работу. По условиям прочности отдельных дета­лей нельзя допустить, чтобы в газовую турбину поступали газы такой высокой температуры. Поэтому в камеру сгорания подает­ся воздуха в несколько раз больше теоретически необходимого для сжигания топлива. Потребность большого избытка воздуха в ГТУ приводит к значительной относительной мощности, затрачиваемой на его сжатие в компрессоре, который потребляет до 70% мощности турбины.

Сжатый воздух, поступающий из компрессора в камеру сгора­ния, разделяется на два потока. Один поток, составляющий 30—40%, вводится в активную зону горения, другой, составляю­щий 70—60%, охлаждает пламенную трубу, смешивается с про­дуктами сгорания вне активной зоны горения и понижает тем­пературу газа до значения, требуемого на входе в турбину. Выпускные газы по трубопроводу 10 уходят в атмосферу. Разви­ваемая турбиной мощность частично затрачивается на привод компрессора и через редуктор 2 используется для привода греб­ного винта 1. Пуск установки производится с помощью пускового устройства (электродвигателя, паровой турбины и др.) 7, соеди­ненного посредством специальной муфты 6 с ротором компрессо­ра. В период запуска топливо воспламеняется от электросвечи.

В ГТУ закрытого цикла (рис.1.2) в рабочем процессе участ­вует одно рабочее тело, совершающее кругооборот в изолирован­ном от атмосферы замкнутом тракте. Рабочее тело (воздух или какой-либо инертный газ) сжимается в компрессоре 4 и направляется через нагреватель, который повышает его температуру при посто­янном давлении до 650—750°С, в тур­бину 3. Здесь рабочее тело, совершая работу, расширяется до давления, близкого к давлению перед компрес­сором.

Рис.1.1 Принципиальная схема простейшей ГТУ открытого цикла

Далее оно охлаждается в ох­ладителе забортной воды до началь­ной температуры цикла. Мощность турбины расходуется на привод компрессора и через редуктор 2 используется для привода гребного винта 1. В качестве нагревателя в обычных ГТУ применяют воздушный котел, ра­ботающий на органическом топливе, в ядерных ГТУ — ядерный реактор.

Рис.1.2 Тепловая схема

ГТУ закрытого цикла

Можно использовать в ГТУ закрытого цикла высокое дав­ление рабочего тела, что позволяет получить большую мощность установки при малых массе и габаритах. Кроме того, изолирован­ность рабочего тела от окружающей среды предотвращает его за­грязнение. Однако ГТУ закрытого цикла имеют сложную конст­рукцию.

По способу подготовки рабочего тела, рассмотренные ГТУ от­носятся к турбокомпрессорным. В таких установках сжатие рабо­чего тела перед сообщением ему теплоты осуществляется в осевом или центробежном компрессоре, приводимом в действие газовой турбиной. Повышение долговечности ГТУ в начальный период их освоения шло по пути создания комбинированных установок, со­стоящих из газовой турбины и свободнопоршневого генератора газа.

Эти установки работают по открытому циклу. Процесс сжи­гания топлива осуществляется в цилиндрах СПГГ, где газ ча­стично расширяется и происходит снижение температуры его. Ра­бота расширения газа используется для сжатия воздуха порш­невым компрессором. Генерируемый СПГГ газ является рабочим телом для турбины.

Для газотурбинных установок с СПГГ характерна сравни­тельно высокая экономичность (КПД 34—36%) при относитель­но малой удельной массе (12—18 кг/кВт) и габаритах; они удоб­ны для размещения, уравновешены, обладают высокой маневрен­ностью и могут работать на тяжелых сортах топлива. Однако ГТУ с СПГГ имеют и недостатки: КПД их на 10—15% ниже КПД дизельных установок; весьма чувствительны к присутствию воды и воздуха в топливе; сложны в обслуживании; пропуск одной вспышки в СПГГ приводит к немедленной их оста­новке.

В судовых установках число СПГГ не превышает шести — восьми, так как большее количество затрудняет их размещение на судне и усложняет эксплуатацию. Поэтому ГТУ с СПГГ имеют ограниченную мощность (до 4400—5900 кВт).

Судовые установки с СПГГ ГТ не получили широкого распро­странения. В составе морского флота эксплуатируются лесовозы типа «Павлин Виноградов», оборудованные СПГГ ГТ мощностью 2900 кВт. С 1971 г. находится в эксплуатации опытный рыболов­ный траулер с СПГГ ГТ мощностью 440 кВт. На речном флоте судов с такими установками нет. Следует считать, что установки с СПГГ ГТ не имеют перспективы для дальнейшего их широкого использования па судах.

Простейшие ГТУ по сравнению с другими типами СЭУ имеют ряд преимуществ, основными из которых являются:

- большая агрегатная мощность при минимальной удельной массе и габаритах, меньшая занимаемая площадь и объем машин­ного помещения;

- высокая надежность, обусловленная ротативным принципом действия и простотой кинематической схемы;

- простота обслуживания, возможность быстрого пуска и высо­кая приемистость;

- наличие потенциальных возможностей дальнейшего уменьше­ния расхода топлива по мере их совершенствования;

- хорошая приспособленность к автоматизации и дистанцион­ному управлению вследствие простоты пуска и регулирования.

Перспективным является использование ГТУ на судах на под­водных крыльях и воздушной подушке, где превалирующим тре­бованием является обеспечение минимальных массы и габаритов установки при большой ее мощности.

На малых судах в качестве главных обычно устанавливают серийные конвертированные авиационные газотурбинные двигате­ли открытого цикла. Моторесурс таких установок составляет 1—3 тыс. ч, однако удельная масса их невелика (0,4—2,0 кг/кВт).

Для водоизмещающих судов решающее значение имеют эконо­мичность и моторесурс установки, а масса и габариты — второ­степенное. Поэтому на водоизмещающих судах морского флота в качестве главной установки, кроме конвертированных газотурбин­ных двигателей, используют ГТУ индустриального типа.

Такие ГТУ имеют длительный срок службы, работают на тяжелых сор­тах топлива и обладают повышенной экономичностью.

Судовые ГТУ, работающие на органическом топливе, относят­ся к установкам с открытым циклом; при использовании ядерного горючего для обеспечения радиационной безопасности применя­ют ГТУ закрытого цикла.

Реверсирование в ГТУ может осуществляться: реверсивной турбиной, имеющей ступени заднего хода, самостоятельной тур­биной заднего хода (ТЗХ), реверс-редукторной передачей, гид­равлической реверсивной и электрической передачами, винтом регулируемого шага, водометным движителем с реверсивно - рулевым устройством.

Одной из причин низкой эко­номичности простейшей ГТУ от­крытого цикла является боль­шая потеря теплоты с выпускны­ми газами. Эту потерю теплоты можно уменьшить, если преду­смотреть регенерацию, т. е. если теплоту выходящих из турбины газов использовать для подогре­ва сжатого воздуха. В данном случае в камеру сгорания будет поступать воздух с более высо­кой температурой, что потребу­ет меньшего количества топлива для получения газов заданной температуры и, следовательно, приведет к повышению экономичности установки.

Рис.1.3. Тепловая схема ГТУ с регенерацией, двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха

1 — гребной винт; 2 — редуктор; 3 — компрессор низкого давления; 4 — турбина низкого давления; 5 – камера горения; 6 - регенератор; 7 - компрессор высокого давления; 8 — турбина высокого давления.

В более сложном регенеративном цикле (рис.1.3), кроме подогрева сжатого воздуха предусматривается двухступенчатое его сжатие с промежуточным охлаждением.

У газотурбинных установок такого типа КПД повышается до 25—30%, однако увеличивается их масса, усложняются схе­ма и обслуживание. Основным средством увеличения КПД ГТУ, работающих без регенерации и промежуточного ох­лаждения воздуха, является использование утилизационных па­ротурбинных контуров. При этом энергетическая установка прак­тически превращается в комбинированную газопаровую, что по­зволяет получить такие же расходы топлива, как и у установок, выполненных по более сложным регенеративным схемам.

Газовые турбины применяют в качестве ускорительных двига­телей в комбинированных установках. В последнее время ГТУ ши­роко используют для привода вспомогательных механизмов: ава­рийных электрогенераторов, переносных и стационарных осушительно - пожарных насосов, грузовых насосов на танкерах и т. д. Так как указанные механизмы работают кратковременно, то эко­номичность ГТУ в данном случае не имеет решающего значения. Основную роль при этом играют малые масса и габариты, быст­рота пуска. Для привода вспомогательных механизмов используют ГТУ, выполненную по простейшей схеме, с радиальными газовы­ми турбинами и центробежными компрессорами. Мощность та­ких ГТУ составляет 22—736 кВт, удельная масса 0,2—0,7 кг/кВт. Время пуска и приема нагрузки находится в пределах 15—120 с. Срок службы ГТУ для привода резервных и аварийных агрега­тов 500—1000 ч, а для привода стояночных генераторов и грузо­вых насосов — до 5000 ч. Коэффициент полезного действия вспо­могательных ГТУ довольно низкий (0,13—0,18).

К общими недостатками газотурбинных установок являются: - относительно низкая экономичность из-за ограниченной начальной температуры газа;

- зависимость надежности и экономичности ГТУ открытого цикла от коррозионного воздействия внешней среды;

- жесткие требования к качеству топлива, используемого в ГТУ открытого цикла, и большие затраты на него;

• трудность осуществления реверса мощных установок;

• большие размеры воздухе- и газоходов, обусловленные значи­тельным избытком воздуха, подаваемого в камеру сгорания, что усложняет компоновку ГТУ на судне.

Надо отдать должное, что в последнее время ГТУ продолжают развиваться. Так, по данным журнала GAS&Turbine (2000 г.) в США созданы ГТУ малой мощности (от 500 кВт), используемые в качестве главного привода, которые имеют частоту вращения 300 тыс. оборотов и кпд до 40%, что приближает их по экономичности к поршневым двигателям. Совершенствование ГТУ связанно с применением новых сверхжаропрочных материалов и покрытий, позволяющих использовать на лопатках большую температуру газов.