2. Порівняльний аналіз корабельних енергетичних установок

Основними типами корабельних енергетичних установок є КТУ, ДУ, ГТУ, АУ й комбіновані енергетичні установки, а також установки з електрорухом. Деякі характеристики сучасних корабельних енергоустановок представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Основні характеристики корабельних енергетичних установок

Тип установки		Питома маса, кГ/кВт	Питома витрата палива, г/ кВт.*год	Агре-гатна потуж-ність тис. кВт	Переваги	Недоліки
1		2	3	4	5	6
КТУ		12-14	400-480	37	Велика агрегатна потужність	Недостатня економічність. Тривале готування до дії
ГТУ		3-7	250-260	10-30	Гарні масо-габаритні показники Перспектива збільшення агрегатної потужності. Швидке готування до дії Легко автоматизується	Невелика агрегатна потужність. Різке зниження економічності при зменшенні навантаження. Недостатній ресурс. Підвищені вимоги до якості палива
ДУ		7-15	220	7,4	Висока економічність. Швидке готування до дії. Легко автоматизується	Мала агрегатна потужність. Висока чутливість до перевантажень, обмеження по обертах нижче 1/3-1/4 від повних. Підвищена гучність і вібрація Висока вартість дизельного палива. Відносно висока питома витрата масла на двигун, особливо у швидкохідних форсованих дизелях; Менша довговічність (ресурс) корабельних ДЕУ в порівнянні зі ПТУ
Середньо-оборотні двигуни
Високо-оборотні двигуни		4-6	240	7,4
АЭУ	з ВВР	30-40		50	Величезна концентрація ядерної енергії в речовині в порівнянні з концентрацією хімічної енергії в органічному паливі "Необмежена" тривалість роботи	Більша питома маса. Складний процес утилізації
	з ЖМР	20-25		13

КТУ - різновид паросилової енергоустановки, у якій головним двигуном є парові турбіни, а робоче тіло (пар) генерується в парових котлах. Сучасні корабельні котлотурбінні установки мають питому витрату палива 300-350 г/к.с.*год, питому масу 9-10 кг/к.с., потужність турбін досягає 50-70 000 к.с.

У ДУ у якості головного двигуна використовуються дизелі. Сьогодні дизель є самою економічною по витраті палива тепловою машиною. В порівнянні з іншими тепловими двигунами дизель має найвищі ефективні показники (_е = 0,36  0,42), корабельні ДЕУ є найбільш економічними по витраті палива.

Перевага ДЕУ обумовлена не тільки найнижчою питомою ефективною витратою палива g_е на режимі повної потужності дизеля N_ДП (табл. 2), але і порівняно малою зміною g_е в широкому діапазоні експлуатаційних навантажень  від мінімальної до повної.

Таблиця 2

Порівняльна характеристика паливної економічності корабельних теплових двигунів різних типів (по питомої ефективної витраті палива g_е).

Тип двигуна	gе кГ/кВт·год		gе кГ/к.с.·год
	NД = NДП	NД = 0,25NДП	NД = NДП	NД = 0,25NДП
ДВЗ	0,22 ÷ 0,23	0,23 ÷ 0,26	0,16 ÷ 0,17	0,17 ÷ 0,19
ГТУ	0,30 ÷ 0,35	0,45 ÷ 0,68	0,22 ÷ 0,26	0,34 ÷ 0,50
ПТУ	0,41 ÷ 0,49	0,81 ÷ 0,92	0,30 ÷ 0,36	0,60 ÷ 0,63

Ця обставина грає досить важливу роль, тому що експлуатація сучасних кораблів відрізняється багаторежимністю, пов'язаної зі зміною швидкостей ходу і відповідної їм навантажень ГД у широкому діапазоні. За статистичним даними, більшу частину (80 ÷ 90%) експлуатаційного часу кораблі мають швидкості ходу, не перевищуючі (0,5 ÷ 0,6) V_SП, що відповідає навантаженням ГЕУ в межах 10 ÷ 30% від повної.

Потрібно мати на увазі, що агрегатна потужність дизеля практично не відбивається на величині питомої витрати палива g_е, що може бути однаковим у двигунів будь-якої номінальної потужності. У той же час створення двигунів малої потужності інших типів (ГТД, ПТ) з високими ефективними показниками (по _е, g_е), сполучено з більшими труднощами, а в ряді випадків і неможливо. Зі зменшенням агрегатної потужності економічність ГТД, і особливо ПТ, істотно знижується. Наприклад ПТ турбогенератора потужністю  1000 кВт має g_е в 5 ÷ 6 разів більше, ніж дизель. Оскільки ДЕУ мають найкращі показники паливної економічності, вони є одними із самих кращих для кораблів, які по характері їхнього використання повинні мати більшу дальність плавання.

Розмаїтість конструкцій і типів дизелів, широкий діапазон їхніх агрегатних потужностей і експлуатаційних показників створюють можливості для оптимального вибору головних двигунів при проектуванні ЕУ кораблів і суден.

Поряд із розробкою мер по підвищенню агрегатної потужності дизелів широко практикується і такий шлях збільшення сумарної потужності ДЕУ, як об'єднання (агрегатування) декількох двигунів за допомогою підсумовуючої редукторної передачі для роботи на один гребний вал. Такі дизельні багатомашинні агрегати (БМА) у складі багатовальної установки дозволяють одержати сумарну потужність до 50 ÷ 60 тис. к. с., забезпечуючи високу економічність на всіх (особливо часткових) режимах роботи, надійність і уніфікацію устаткування.

Завдяки цілому ряду позитивних якостей ДЕУ одержали широке поширення на кораблях різних класів, а серед ЕУ транспортних суден займають провідне положення.

Питома витрата палива сучасних корабельних високооборотних дизелів на повній (номінальної) потужності становить 160-170 г/к.с.*ч. Цей показник вище в 1,8-2 рази у КТУ й в 1,2-1,5 рази у ГТЕУ На кораблях застосовуються середньооборотні, підвищеної оборотності й високооборотні дизелі.

Корабельні ДЕУ мають наступні основні особливості:

1. Перетворення хімічної енергії палива в механічну роботу безпосередньо усередині робочих циліндрів дизелів забезпечує високу економічність корабельних ДЕУ, що перевищує економічність установок всіх інших типів.

2. Більш висока економічність ДЕУ забезпечується не тільки на номінальної, але і на часткових навантаженнях.

3. Економічність ДЕУ практично не залежить від агрегатної потужності двигунів.

4. Можливість створення потужністних рядів дизелів у широкому діапазоні (на базі стандартних типорозмірів циліндрів) дозволяє застосовувати ДЕУ на багатьох класах кораблів і суден.

5. Відносна простота будови ДЕУ та комплектувального устаткування забезпечує гарну пристосовність до автоматизації, агрегатуванню та уніфікації її елементів.

6. Високі маневрені якості установок і відносна простота реверсивних пристроїв.

7. Гарні масогабаритні показники ДЕУ, особливо з легкими високооборотними дизелями.

Порівняльні характеристики деяких середньооборотних дизелів для ПЧ наведені у таблиці 3.

Таблиця 3

Порівняльні характеристики дизелів для ПЧ

Марка двигуна	Країна-виробник. Фірма.	Рік випуску	Характеристики	Питомі маси
				кГ/к.с.	кГ/кВт
МВ16V652	ФРН МТU	1990	16 циліндрів, V- образний, 1610 к.с.	5	6,8
2Д42	СРСР Коломенський ДБЗ	1960	6 циліндрів, однорядний, 1900 к.с.	7,5	10,2

У ГТУ як головний двигун використовуються газотурбінні двигуни (ГТД), що представляють собою сукупності газових турбін, компресорів і камер згоряння, конструктивно об'єднаних у єдине ціле. У сучасних ГТУ питома витрата палива становить 180-190 Г/к.с.*ч. Питома маса приготовленої до дії ГТУ 2-5 кг/к.с.

Найбільш економічний у 80-х рр. ХХ сторіччя ГТД американського виробництва потужністю 32,5 тис. к.с. мав питому витрату палива 0,178 кГ/к.с.·г. Розрахунки доводять, що витрата палива КЕУ по схемі COGAS ( ГТУ з ТУК та паровою турбіною) на номінальному режимі може бути зниженим до 0,145 кГ/к.с.·г. Для ЕМ водотоннажністю 7 тис. т, КЕУ с ГТУ (4 ГТД LM 2500) потужністю 20 тис. к.с. по схемі COGAG перехід на COGAS дозволить заощадити 300 т водотоннажності за рахунок зниження витрати палива.

В АЕУ як головний двигун використовується парова турбіна, робоче тіло генерується в ядерної паровиробляючої установці. Перша атомна енергоустановка для ПЛ створена в США в 1955 р., а в СРСР в 1958 р. АЭУ використовуються на ПЛ, великих БНК і суднах. Питома маса таких установок становить 24-28 кг/к.с.

У комбінованих установках використовуються маршові двигуни, що забезпечують економічні швидкості ходу корабля й прискорювачі (форсажні) двигуни, що забезпечують одержання підвищених і повних швидкостей ходу. Маршові й двигуни, що прискорюють, можуть бути різнотипними чи одного типу з різними властивостями (потужність, економічність, компактність). Залежно від конструктивної схеми установки вони можуть працювати роздільно або спільно на свої власні або загальні рушії.

На надводних кораблях і катерах найчастіше застосовуються комбіновані дизель-газотурбінні енергетичні установки (ДГТУ) У них найбільше вдало сполучаються достоїнства дизелів як маршових двигунів й ГТД у якості двигунів, що прискорюють.

Крім ДГТУ на кораблі застосовуються й інші комбіновані енергоустановки: газогазотурбінна (ГГТУ), дизель-дизельна (ДДУ), з яких частіше застосовується ГГТУ. У цій установці як маршовий двигун застосовуються ГТД невеликої потужності з підвищеним ресурсом і по можливості із кращою паливною економічністю, а в якості прискорювачих двигунів - звичайні ГТД великої потужності

В установках з електрорухом як головний двигун застосовуються гребні електродвигуни (ЕД) постійного або змінного струму, а як джерела електроенергії – дизельгенератори (ДГ). турбогенератори (ТГ) або газотурбогенератори (ГТГ) Найпоширенішої є дизель - електрична енергетична установка (ДЕУ), у якій роль джерел струму виконують ДГ. Турбоелектрична енергоустановка (ТЕУ) застосовується на великих суднах і атомних криголамах. Електрорух застосовується на підводних човнах і суднах, буксирах, плавкранах, підводних апаратах, криголамах.

Важливу роль у виборі типу ГЕУ відіграють масогабаритні показники. Деякі питомі маси ГД наведені у таблиці 4.

Таблиця 4

Питомі маси ГЕУ

Тип двигуна	Питомі маси
	кГ/к.с.	кГ/кВт
ГТД*	1÷1,5	1,4÷2,0
ДВЗ*	6÷7	18÷20
ПТУ*	13÷15	9,6÷11
ЯЕУ:**
- АВ т. «Nimitz» CVN 71	28÷30	38÷41
- АВ т. «Enterprise» CVN 66	37	50
- АПЧ	44÷48	60÷65

* без урахування маси органічного палива для ЕУ.

** з урахуванням маси біологічного захисту.

Слід відзначити, що з урахуванням 7800 т органічного палива на АВ «Forrestal» СV 59 питома маса його ПТУ зростає до 43÷45 кГ/к.с. (59÷61 кГ/кВт) або у 1,5 рази більше, ніж у АВ «Nimitz» CVN 71.

Висновки:

1. Дизельні енергетичні установки є найбільш економічними.

2. Паротурбінні установки найбільш довговічні.

3. Газотурбінні установки мають більші потужності при відносно малих масі і габаритах.