Паротурбинные установки на судах это

Обновлено: 22.04.2024

Погожим весенним днем 1947 года от причала одного из британских портов вышел в море неприметный катер. Он не имел даже названия-лишь обозначение MGB2009.

Ходовые испытания этого катерка ознаменовали начало применения на флоте принципиально нового типа силовых установок — газовых турбин. На MGB2009 один из трех бензиновых моторов мощностью 1250 л. с. был заменен газотурбинным двигателем «Метрополитен-Виккерс» («Метровик») G2 мощностью 2500 л. с. Это позволило повысить скорость катера водоизмещением 100 т с 30 до 35 узлов. С учетом положительных результатов эксплуатации MGB2009 английское Адмиралтейство приняло решение о постройке двух патрульных катеров типа «Болд» водоизмещением 150 т со скоростью полного хода 43 узлов. Комбинированная четырехвальная энергетическая установка кораблей суммарной мощностью 13 000 л. с. состояла из двух дизелей мощностью по 2500 л. с, вращавших два средних гребных вала, и двух ускорительных газотурбинных двигателей мощностью по 4000 л. с, работавших на два бортовых вала.

Первой серьезной попыткой создания корабельного газотурбинного двигателя была работа инженер-механика Российского флота П. Д. Кузьминского, который еще в 1892 году предложил и изготовил оригинальный двигатель с камерой сгорания, охлаждаемой водой, и турбиной радиального типа. В 1935-1941 годах под научно-техническим руководством Г. И. Зотикова велись работы по созданию турбины внутреннего сгорания опытной (ТВСО) — корабельного ГТД мощностью 3500 л. с. Однако в то время эти работы не увенчались успехом.

СОВЕТСКИЕ КОРАБЕЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

В 1951 году было разработано техзадание на создание первой советской газотурбинной установки УГТУ-1. Для сокращения сроков разработки и постройки этой установки в качестве прототипа был выбран авиационный турбовинтовой двигатель конструкции С. А. Колосова. УГТУ-1 имела мощность 4000 л. с . ресурс составлял всего 100 ч. В 1952 году УГТУ-1 была установлена на опытной торпедный катер проекта 183. Испытания прошли в целом успешно, показав целесообразность дальнейшего развития корабельных газотурбинных установок. Для их производства было решено передать строящийся в Николаеве Южный турбинный завод (изначально предназначавшийся для производства паровых турбин). В 1954 году на предприятии создали конструкторское бюро по разработке ГТД, а в следующем году в Николаеве выпустили первую серийную газовую турбину М1, предназначавшуюся для торпедных катеров.

Отдельным направлением газотурбостроения в раннем периоде было создание для противолодочных кораблей проектов 204 и 35 газотурбокомпрессоров Д-2 (1960 г.) и Д-3 (1964 г.) мощностью 15 000 — 18 000 л. с, подающих сжатый воздух от отдельно стоящих компрессоров в гидромотор. Такие силовые установки оказались неэффективными, и николаевские машиностроители сосредоточились на более традиционных установках, приводящих гребные винты. Крупным успехом стало создание первой в мире всережимной газотурбинной установки для больших противолодочных кораблей проекта 61 (головной «Комсомолец Украины» вошел в строй в 1962 году). Такая установка состояла из четырех ГТД МЗ мощностью по 18 000 л. с. и нетребовала каких-либо дополнительных двигателей для экономического хода. За рубежом подобные силовые установки появились лишь в следующем десятилетии (на американских эсминцах типа «Спрюенс»). В целях увеличения дальности плавания кораблей в Николаеве были созданы газотурбинные установки с применением в агрегатах маршевых двигателей для обеспечения экономичного режима на малых и боевом экономических ходах и основных (ускорительных) двигателей для полных ходов. Агрегат М-5 для корабля проекта 1134Б состоял из одного маршевого ГТД мощностью 6000 л. с. и двух основных двигателей по 20 000 л. с. Для корабля проекта 1135 был создан агрегат М-7 в составе двух маршевых ГТД по 6000 л. с. и двух форсажных ГТД по 18 000 л.с. В 1981-1982 годах завершилось создание первых двух унифицированных ГТД третьего поколения М-70 мощностью 10 000 — 12 000 л. с и М-75 мощностью 5000 л. с. Экономичность двигателей была повышена за счет увеличения температуры газа перед турбиной, степени сжатия в компрессоре, улучшения аэродинамики и повышения КПД компрессоров и турбин.

За рубежом ведущую роль в создании корабельных газотурбинных установок до середины 1970-х годов сохраняла за собой Великобритания. Ее конструкторы пошли своеобразным путем, применив на крупных кораблях комбинированную силовую установку схемы COSAG (Combined Steam And Gas). Она включала паровые и газовые турбины, а также редукторы, обеспечивающие совместную или раздельную работу обоих турбин. На эсминцах типа «Каунти» установили по две паровые турбины (по 15 000 л. с.) и четыре газовые «Метровик» G6 (по 7500 л. с), на фрегатах типа «Трайбл» — по одной турбине каждого типа. За пределами Великобритании силовые установки COSAG распространения не получили.

Совместное применение паровых и газовых турбин оказалось неэффективным. А вот с дизелями получилось лучше. Несмотря на сравнительно большую удельную массу дизельных двигателей, они отличаются низким расходом топлива.

Поэтому в военных флотах получили распространение дизель-газотурбинные силовые установки. В них дизеля применяются для экономического хода, а ГТД включаются лишь на полном ходу.

Существуют две возможные конфигурации таких установок: CODAG (Combined Diesel And Gas) и CODOG (Combined Diesel Or Gas).

В первом случае на полном ходу совместно работают дизеля и ГТД, во втором — только газовые турбины. Силовая установка CODAG применялась, например, на уже упоминавшийся катерах типа «Болд», а из крупных кораблей впервые использовалась на немецких фрегатах типа «Кельн» (четыре дизеля MAN по 3000 л. с. и две газовые турбины «Браун-Бовери» по 12 000 л. с).

Из современных кораблей она используется на немецких фрегатах «Заксен», норвежских «Фритьоф Нансен», российских проекта 22350.

Силовые установки CODOG проще CODAG, поскольку не требуют сложных редукторов, обеспечивающих одновременную работу на один вал дизелей и ГТД. Однако при этом требуется применение газовых турбин сравнительно большей мощности. Схема CODOG широко применяется на фрегатах немецкой постройки («Бремен», «Бранденбург» и экспортных проекта МЕКО200), а также индийских фрегатах «Шивалик», южнокорейских корветах «Поханг» и целом ряде других кораблей. Например, на новых шведских корветах типа «Висбю» применена силовая установка в составе четырех ГТД TF50A (по 5440 п. с.) и двух дизелей MTU (по 1770 л. с.)

ТОЛЬКО НА ТУРБИНАХ

Применение на кораблях с дизель-газотурбинными силовыми установками двигателей двух разных типов создает определенные трудности с их техническим обслуживанием. С эксплуатационной точки зрения предпочтительней применение однотипных двигателей. Поэтому в 1970-е годы начали появляться корабли с газо-газотурбинным силовыми установками, в которых используются ГТД малой мощности для экономического хода и большой — для полного. В зависимости от того, работают ли эти ГТД на полном ходу раздельно или совместно, различают варианта конфигурации газо-газотурбинных установок: COGOG и COGAG. Первый вариант применен, например, на ракетных крейсерах типа «Слава» (проект 1164), британских эсминцах типа «Шеффилд», канадских «Ирокез», голландских фрегатах «Кортенар». Силовые установки COGAG применены на российских сторожевых кораблях типа «Неустрашимый» (проект 11540) и ряде других. Интересным примером являются английские фрегаты типа «Бродсуорд». На первых двух сериях этих кораблей применялись силовые установки COGOG в составе двух турбин экономического хода «Тайн» (суммарной мощностью 9700 л. с.) и двух полного хода «Олимпус» (54 000 л. с). На фрегатах третьей серии установлены более совершенные, но менее мощные турбины полного хода «Спей» (37 540 л. с), поэтому на них перешли к схеме COGAG. Разновидностью чисто газотурбинных силовых установок являются всережимные, в которых нет разделения на ГТД полного и экономического хода, а применяются однотипные газовые турбины. Мы уже упоминали о «Комсомольце Украины» — первом в мире корабле с такой установкой. Начиная с 1970-х годов всережимные установки получили наибольшее распространение в ВМС США. На серии эсминцев типа «Спрюенс» установили по четыре ГТУ LM2500, созданных фирмой «Дженерал Электрик» на базе самолетного двигателя TF39 (применяется на тяжелом транспортном самолете С-5 «Гэлакси»). Помимо 31 корабля типа «Спрюенс» такие силовые установки применили на четырех эсминцах типа «Кидд», 27 крейсерах «Тикондерога». В настоящее время всережимные установки с четырьмя турбинами LM2500 устанавливаются на эсминцах типа «Арли Берк» (в строю 62 корабля, а всего в серии планируется 76). На меньших по размеру фрегатах типа «Оливер X. Перри» (построено с учетом зарубежных «клонов» 71 корабль) применялась всережимная силовая установка из двух турбин LM2500.

В 1980-е годы в Великобритании была разработана силовая установка CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas), в которой для экономического хода используются электродвигатели, питаемые от дизель-генераторов, а на полном ходу на вал подключались дополнительно газовые турбины. Такие установки применили на фрегатах типа «Норфолк», а также кораблях франко-итальянского проекта FREMM. Преимуществом CODLAG является малошумность на экономической скорости, что необходимо для борьбы с подлодками.

На ряде наиболее современных кораблей (английских эсминцах типа «Дэринг» и американских «Зумвольт») применены ГТУ с полным электродвижением. То есть в них не предусмотрена работа ГТД непосредственно на вал: на вал работают электродвигатели, а ГТД приводят в действие генераторы. Например, на «Дэрингах» установлены две ГТУ «Роллс-Ройс» WR-21 (по 28 800 л. с.) и два гребных электродвигателя (по 27 000 л. с).

Паровая турбина относится к двигателям, в которых тепловая энергия подведенного пара вначале превращается в кинетическую и только после этого используется для работы. Паротурбинные двигатели на судах применяются с 1895 г. Практически турбинный двигатель впервые был установлен на боевых кораблях в первом десятилетии XX в., а уже позднее стал использоваться на больших пассажирских судах. В 50-е гг. началась конкурентная борьба между паротурбинными и дизельными установками за применение на больших судах для перевозки массовых грузов и на танкерах. Сначала на судах дедвейтом 30—40 тыс. т и больше преобладали паротурбинные установки, однако быстрое развитие двигателей внутреннего сгорания привело к тому, что в настоящее время ряд судов дедвейтом более 100 тыс. т оснащается дизельными установками. Только на очень больших судах дедвейтом более 200 тыс. т устанавливают паротурбинные двигатели. Паротурбинные установки сохранились также на крупных боевых кораблях военно-морского флота, а также на быстроходных и больших контейнерных судах, когда мощность главного двигателя составляет 29440 кВт и более. Паровые турбины являются гидравлическими тепловыми двигателями, в которых в отличие от поршневых паровых машин и поршневых двигателей внутреннего сгорания не требуется преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение гребного винта. За счет этого упрощается конструкция и решаются многие технические проблемы. Кроме того, паровые турбины даже при очень большой мощности имеют сравнительно небольшие размеры, так как частота вращения ротора довольно высока и в зависимости от типа и назначения турбины составляет от 3000 до 8000 об/мин.

Каждая турбина включает в себя следующие основные конструктивные детали:

- неподвижные направляющие лопатки или сопла, в которых тепловая энергия пара за счет перепада давления и температуры преобразуется в кинетическую (энергия потока);

- направляющие лопатки как части ротора, при сквозном проходе, через которые кинетическая энергия пара производит работу.

Направляющие лопатки применяют в том случае, когда конечное давление расширения составляет более 55% давления пара на входе, в других случаях используют сопла. Скорость выхода пара из турбины достигает 500—600 м/с. Прохождение потока пара через сопло показано на рисунке. Стрелка символически показывает повышение скорости входа пара и одновременно рост кинетической энергии.

Прохождение пара в расширительном устройстве паровой турбины

Использование кинетической энергии для совершения механической работы происходит следующим образом. Выходящий из расширительных устройств пар попадает на вогнутые профили лопаток, отклоняется от них, изменяет свое направление и за счет этого воздействует тангенциальной силой на ротор. В результате создается вращающий момент, который вызывает вращение ротора турбины. Принцип действия ступени паровой турбины показан на рисунке ниже. Этот принцип может быть осуществлен за счет активного и реактивного действия пара.

Ступень активной паровой турбины:

1 — направляющие лопатки; 2 — рабочие лопатки; 3 — вал ротора

В активных турбинах тепловая энергия преобразуется в кинетическую непосредственно в неподвижных расширительных устройствах; по обеим сторонам венца рабочих лопаток действует одинаковое давление. В реактивной турбине только часть тепловой энергии в неподвижных расширительных установках преобразуется в кинетическую. В каналах между рабочими лопатками происходит дальнейшее падение давления и превращение оставшейся тепловой энергии в кинетическую, которая используется там одновременно для выполнения механической работы. По обеим сторонам ротора рабочих лопаток в реактивной турбине действуют различные давления, которые вызывают дополнительное осевое усилие, стремящееся вращать ротор в направлении основного потока пара. Ступень реактивной турбины изображена на следующей рисунке. Здесь показано осевое усилие, возникающее из-за перепада давления перед венцом рабочих лопаток и за ним.

Ступень реактивной паровой турбины

Современные паровые турбины главной энергетической установки состоят обычно из двух корпусов. В одном корпусе находится ротор турбины высокого давления, а в другом — низкого. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней, которые в зависимости от вида турбины обозначаются как ступени давления или ступени скорости. Рабочий пар последовательно проходит через .неподвижные венцы расширительных устройств и венцы рабочих лопаток. Так как объем пара во время процесса расширения постоянно увеличивается, рабочие лопатки по мере падения давления должны быть длиннее. В корпусе турбины низкого давления находятся особые венцы рабочих лопаток турбины заднего хода. Турбины главной энергетической установки на судах, гребные винты которых имеют изменяющийся шаг, не нуждаются в турбинах заднего хода. Наряду с турбинами главной энергетической установки в машинных отделениях судов устанавливают вспомогательные турбины, которые служат для привода генераторов, насосов, вентиляторов и т. д. Иногда их используют и на судах с дизельной энергетической установкой, например на танкерах, в качестве турбогенераторов или грузовых насосов с турбоприводом.

Судовая паровая турбина

1 — турбина высокого давления; 2 — турбина низкого давления; 3 — подшипник вала турбины; 4 — редуктор: 5 — подшипник вала с фундаментом; 6 — подшипник вала турбины; 7 — гребной винт; 8 — управляющий клапан переднего хода; 9 — управляющий клапан заднего хода

Параметры рабочего пара современных паровых турбин главной энергетической установки достигают 7,85 МПа при температуре перегрева от 510 до 520°С. Расход пара равен 2,72 кг/(кВт-ч), в то время как в поршневых паровых машинах в зависимости от типа и конструкции он составляет 5,4—8,2 кг/(кВт-ч). Мощность турбин главной энергетической установки в настоящее время достигает 36 800 кВт, удельный расход топлива — 272 г/(кВт-ч). Почти до 1920 г. частота вращения главных паровых турбин подгонялась к частоте вращения гребного вала, в связи с чем строили турбины с очень большим диаметром ротора. Для возможности увеличения частоты вращения турбин независимо от частоты вращения гребных винтов между турбинами и гребными валами стали устанавливать редукторные передачи.

Вопрос о том, удастся ли получить высокие скорости у судов обычного или необычного типа, зависит прежде всего от прогресса в судовом машиностроении. Наибольшая мощность применяемых на судах энергетических установок составляет 85 тыс. кВт (на 30-узловом транспортном судне). Для 35-узлового судна потребуется уже мощность порядка 140—180 тыс. кВт. Наибольшие из построенных до сего времени энергетических установок имеют мощность 175 тыс. кВт (на пассажирском судне) и 265 тыс. кВт (на авианосце). Однако корабли обоих этих типов не могут сравниваться с транспортными судами, ибо эксплуатируются в совершенно иных условиях. Превышения указанных мощностей можно ожидать, когда речь идет о больших трансокеанских судах на воздушной подушке, для которых потребуются мощности порядка 350—550 тыс. кВт. Мощность тепловой электростанции, обеспечивающей электроэнергией город с миллионным населением, составляет около 200 тыс. кВт. Для размещения агрегатов и подсобных служб такой электростанции требуется производственная площадь около 10 тыс. м2, на борту же судна для размещения установки можно выделить только от 1000 до 1500 м2 площади. Отсюда вполне очевидно, что развитие судового машиностроения должно ориентироваться на двигатели с большой концентрацией мощности, требующие незначительных площадей и кубатуры. Какие типы главных двигателей имеются в настоящее время и появятся в будущем? Если говорить об обычных транспортных судах, то на них в подавляющем большинстве случаев стоят дизели и значительно реже паротурбинные установки.

Судовые энергетические установки

1 — низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт; 2 — дизель-редукторная установка; 3 — паротурбинная установка; 4 — газовая турбина; 5 — атомная установка; 6 — газотурбинная установка с электрической передачей на винт

Газовые турбины и атомные установки, широко используемые в военном кораблестроении, до сих пор практически не нашли применения в торговом флоте. Однако так продолжаться не будет. По мере дальнейшего роста скоростей и размеров судов вопрос об увеличении мощности судовых энергетических установок делается все более актуальным. Одновременно к установке должны предъявляться следующие требования:

— малый объем, необходимый для ее размещения;

— относительно высокая надежность;

— длительный срок службы;

— низкий расход топлива. Разумеется, что энергетическая установка должна, кроме того, легко поддаваться автоматизации.

Из всех двигателей непосредственно на гребной винт могут работать только малооборотные дизели с частотой вращения 100—200 об/мин (в некоторых случаях до 300 об/мин). Все остальные типы двигателей вследствие слишком высокой для гребного винта частоты вращения требуют понижающего редуктора. Это создает условия для применения многомашинных установок, когда на один гребной винт через редуктор работает сразу несколько двигателей и мощность, передаваемая на винт, возрастает. Если 2—4 среднеоборотных дизеля будут работать на один редуктор, то мощность, передаваемую на один гребной винт, уже сейчас можно довести до 55 тыс. кВт. Дальнейшее увеличение мощности может быть достигнуто путем применения многовальных установок с двумя или тремя гребными винтами. Но для того, чтобы повышенную мощность перспективных главных двигателей превратить с помощью гребных винтов в толкающий судно упор, требуется еще исследовательская работа в области самих гребных винтов. 432 ee В настоящее время максимальная мощность, которую гребной винт может переработать, составляет у гражданских судов около 45 тыс. кВт и у боевых кораблей — примерно 65 тыс. кВт на один винт. Дальнейшее повышение мощности винтов только за счет увеличения их диаметров невозможно, так как диаметр гребного винта должен быть меньше осадки судна. Например, гребной винт 250 000-тонного танкера с энергетической установкой мощностью 24 тыс. кВт имеет диаметр 9,4 м и массу почти 60 т. Большие размеры гребных винтов создают значительные технологические трудности при отливке. Новые пути увеличения мощности открывает применение соосных, расположенных один за другим гребных винтов противоположного вращения.

Движители для передачи большой мощности или для быстроходных судов

1 — трехвальная установка; 2 — гребной винт в насадке; 3 — соосные гребные винты противоположного вращения; 4 — водометный движитель

В этой связи нельзя не упомянуть часто применяемые гребные винты в насадках. Благодаря окружающей его кольцевидной насадке, винт может при одинаковой мощности и равных условиях эксплуатации обеспечить транспортному судну увеличение упора до 6%. Это немаловажное преимущество может использоваться, однако, только на тихоходных судах. На быстроходных применение винтов в насадках невыгодно, так как собственное сопротивление насадки перекроет выигрыш. Возникает естественный вопрос: нельзя ли ожидать изменения соответствующего положения по аналогии с авиацией? В авиации вопрос резкого повышения скорости полета, а следовательно, и мощности был решен путем перехода от винтовых движителей к реактивным. Почему, скажем, нельзя применить водоструйные реактивные движители на судах? На это вкратце можно ответить следующим образом. Создаваемая пропеллером самолета воздушная струя в силу физических законов не может достичь скорости, необходимой для сверхзвуковых самолетов или ракет. Поэтому нет иного пути повышения скорости отбрасываемой струи воздуха до требуемого уровня, кроме применения реактивных движителей, так что прогресс в авиации неминуемо ведет к реактивным движителям. В судостроении положение иное. И в будущем для достижения больших скоростей здесь могут применяться гребные винты, имеющие более высокий коэффициент полезного действия, чем у водометных движителей, состоящих из центробежного насоса и сопла. Водометные движители найдут применение в особенно благоприятной области — на быстроходных судах на подводных крыльях. До сих пор остался без ответа вопрос о том, какого именно типа энергетические установки будут преимущественно применяться в будущем. Сравнение массы и стоимости энергетических установок представляет в благоприятном свете многомашинные установки со среднеоборотными дизелями и, пожалуй, прежде всего газовые турбины. купить дизельное топливо для отопления Если в качестве главного судового двигателя принять газовую турбину, то можно уменьшить массу установки на 50% по сравнению с паровой турбиной и на 60% по сравнению с тихоходным дизелем, непосредственно работающим на гребной винт. При мощности 30 тыс. кВт экономия массы составляет от 1000 до 1500 т. Сравнение габаритов дает такие результаты: газовая турбина 20 тыс. кВт имеет длину 7 м, высоту 1,5 м, а массу всего 8,5 т. Длина же тихоходного дизеля примерно 20 м, высота около 10 м, а масса почти 1000 т. Если сравнивать энергетические установки в целом, а не только главные двигатели, разница будет несколько меньше, так как для газовой турбины требуются редуктор и сложная система каналов для подвода свежего воздуха и отвода отработавших газов.

Энергетические установки с низкооборотным дизелем и газовыми турбинами

Диапазон мощностей свыше 35 тыс. кВт до настоящего времени занимают паровые турбины. Однако и здесь в перспективе с ними будут конкурировать газовые турбины. Преимущественная сфера применения мощных двигателей — по-видимому, быстроходные контейнеровозы и суда с горизонтальной погрузкой. Скорости свыше 30 уз требуют мощностей от 55 до 100 тыс. кВт. При меньшем пределе газовая турбина будет иметь массу 20 т, в отличие от 1400-тонной паротурбинной установки. Еще более важной является экономия площади. Длина машинного отделения газотурбинного судна при указанной мощности будет вдвое меньше, чем у паротурбинного. Благодаря этому грузовместимость газотурбинного судна возрастет на 10—20%. Примерно в такой же степени возрастет количество перевозимого груза. С применением электрической передачи газовые турбины позволяют осуществить совершенно новые принципы компоновки машинных отделений. Например, в очень небольшом и низком помещении в корме можно расположить гребной электродвигатель, приводящий гребной винт через редуктор, Этот двигатель будет получать питание от главной электростанции — генераторов электрического тока, приводимых непосредственно газовыми турбинами. Поскольку главная электростанция может находиться в любом месте судна, ее можно разместить в сравнительно небольшом машинном отделении на палубе. При этом резко сократится длина воздушных и газоотводных каналов, газовые турбины будут легко доступны и замена их после истечения срока службы не составит ни малейшего труда.

Газотурбоэлектроход с газовыми турбинами, установленными в надстройке

Однако для того, чтобы такой проект мог быть осуществлен, необходимо существенное снижение цен на электрооборудование. Кроме того, следует иметь в виду, что электрическая передача всегда связана с большими потерями мощности. Особую проблему представит также борьба с шумом, создаваемым работающими в надстройке на главной палубе газовыми турбинами. Кроме указанных, газовая турбина имеет и другие преимущества: малые расходы на обслуживание, возможность быстрой замены (в течение 4—6 ч), быстрая готовность к действию и, разумеется, большая концентрация мощности в очень малом объеме. Почему же, несмотря на многочисленные преимущества, газовые турбины до сих пор не нашли широкого применения в судовых энергетических установках? Это объясняется следующими причинами:

1) очень велик удельный расход топлива: газовая турбина расходует от 310 до 340 г на 1 кВт-ч, т. е. приблизительно на 40—50% больше, чем дизель.

2) в газовой турбине может сжигаться только легкое и потому дорогое топливо (например, дизельное), в то время как любой мало- или среднеоборотный дизель работает на тяжелом моторном топливе, стоимость которого на мировом рынке составляет около 60% стоимости дизельного топлива;

3) моторесурс, т. е. время между двумя переборками, у газовой турбины составляет всего 1500 ч, что намного ниже, чем у дизелей или паровых турбин.

Таким образом, если судовладелец решил поставить на свое судно газовую турбину, он должен иметь для этого достаточно веские основания. В будущем этот тип двигателей должен все чаще встречаться на быстроходных судах, ибо мощные энергетические установки другого типа окажутся более тяжелыми и займут значительно больше места, что неблагоприятно скажется на грузоподъемности и грузовместимости судна. Для очень быстроходных судов, особенно для судов на подводных крыльях и на воздушной подушке, газовые турбины представляют собой неизбежную необходимость. Повышения экономичности газовых турбин можно ожидать лишь в связи со снижением удельного расхода топлива. Но поскольку это наступит, по-видимому, не скоро, можно полагать, что в первое время увеличится число дизельных установок с редуктором, которые во многих случаях, особенно на быстроходных судах, заменят самый экономичный двигатель — малооборотный дизель. Если говорить об энергетических установках завтрашнего дня, нельзя обойти вниманием атомные энергетические установки. Установки такого типа уже доказали свою пригодность в качестве главных двигателей и безопасность эксплуатации на многочисленных боевых кораблях, а также на советских ледоколах «Ленин», «Арктика» и «Сибирь» и на трех гражданских судах. Однако атомные установки до сих пор еще неэкономичны. Существуют различные мнения о том, начиная с какой мощности атомные энергетические установки становятся экономичнее обычных. Результаты исследований колеблются между значениями 45 и 70 тыс. кВт. Естественно, что исследовательские работы в области применения атомной энергии для движения судов продолжаются; цель этих исследований — сдвинуть границу экономичности к более низким значениям мощности. Оптимистические прогнозы обещают, что через несколько лет атомные установки уже начиная с 15 тыс. кВт станут конкурентоспособными с энергетическими установками других типов.

До XXI века широкого применения атомной энергии в морском торговом флоте не предполагается. Для последующего периода возникают дополнительные проблемы. Будет ли к тому времени иметься еще достаточное количество обогащенного урана — топлива для атомных реакторов? Не истощатся ли месторождения урана в связи с быстро растущей сетью атомных электростанций еще раньше, чем нефтяные месторождения? Поскольку на атомные энергетические установки не возлагается чрезмерных надежд, поиски новых первичных источников энергии являются важной задачей. Известно, что уже появились и работают достаточно мощные батареи, составленные из топливных элементов. Однако, поскольку у двигателей этого типа трудно будет добиться большой концентрации мощности, их применение и в будущем, по-видимому, ограничится автомобильным и железнодорожным транспортом. Таким образом, и в дальнейшем наибольшее значение будут иметь двигатели внутреннего сгорания, а также газовые и паровые турбины. Ветер, тысячелетиями служивший в качестве движущей силы судов, также не будет оставлен без внимания. Возможности использования парусных судов, правильного планирования их рейсов растут вследствие улучшения качества прогнозирования погоды. Эти соображения привели к созданию проекта парусного судна «Дина». В этом проекте идет речь о шестимачтовом паруснике, который будет использоваться либо для перевозки грузов, либо в качестве круизного пассажирского судна. Средняя скорость его будет лежать в пределах 12—16 уз, а максимальная — до 20 уз. Паруса будут обслуживаться автоматически, матросам не нужно будет подниматься на мачты. Для плавания во время штиля или при ветре до 4 баллов по шкале Бофорта предусмотрен вспомогательный дизель, который может сообщить судну скорость порядка 6 уз.

Проект современного парусного судна типа «Дина» с автоматическим обслуживанием парусов

Под воздействием роста цен на топливо и уменьшения запасов нефти появилось большое число проектов различных парусных судов. Однако ни один из них до сих пор еще не реализован. Не представляется ли захватывающей перспектива экономического соревнования парусников и атомоходов в начале следующего тысячелетия? Однако не стоит возлагать чрезмерных надежд на возрождение парусного флота. Главные двигатели торговых судов и после 2000 г. в основном будут принципиально того же типа, что и в наше время. Помимо того появятся еще атомные энергетические установки, если, конечно, оправдаются надежды на существенное снижение цен на ядерное горючее. Но сбудутся ли эти надежды, неизвестно. Во всяком случае, ясно, что прогресс в этом направлении будет непрерывно продолжаться, если высокие скорости станут всеобщим явлением на морском транспорте. Однако гораздо сильнее, чем тенденция к повышению скоростей, наблюдавшаяся в прошлые годы и ожидаемая в дальнейшем, будет проявляться в международном морском судоходстве стремление к повышению экономичности за счет увеличения размеров судов и сокращения их стояночного времени.

В начале XX в. начали появляться судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Первое в мире датское судно «Зеландия» с дизельной установкой, построенное в 1912 г., имело два дизеля мощностью по 147,2 кВт. Эти ДВС приводили в движение непосредственно по одному гребному винту. После этого ДВС стали совершенствоваться довольно быстро. Процесс особенно ускорился после второй мировой войны. В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС. Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт. В некоторых странах по традиции, а также исходя из имеющихся производственных мощностей турбинный двигатель применяют и на судах меньшей мощности. Это особенно характерно для судов торгового флота США. Дизельная энергетическая установка состоит из одного или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов. В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на четырехтактные и двухтактные. Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува. Существует другой принцип разделения ДВС - по частоте вращения. Малооборотные дизели с частотой вращения 100—150 об/мин непосредственно приводят в движение судовой движитель. Среднеоборотными называют ДВС с частотой вращения 300—600 об/мин. Они приводят в движение судовой движитель через редуктор. Приблизительно до конца 60-х гг. на судах устанавливали реверсивные главные двигатели, позволяющие судну осуществлять задний ход. Только при малых мощностях для реверса ДВС использовали специальные устройства (реверсредукторы), дающие возможность маневрирования. В 60-х гг. одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.

Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами)

Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке. Кроме главного двигателя предусмотрены еще два вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы. Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов. Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю. При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей. Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла. Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла. Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла. Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.

Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения. Принцип действия четырехтактного ДВС показан на рисунке ниже. В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за два поворота коленчатого вала, т. е. за четыре хода поршня. Механическая работа совершается только за время одного такта, три остальных служат для подготовки. При первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр. В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время второго такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление. Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива. При достижении давления 19,62—39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94—3,43 МПа и температура 550—600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92—4,91 МПа и 600—700°С.

Принцип действия четырехтактного дизеля

Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. Третий такт является рабочим. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизелях с наддувом — от 5,89 до 7,85 МПа. Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу. Во время четвертого такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу. Четырехтактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

Принцип действия двухтактного дизеля

В рабочий цикл двухтактного дизеля входят два такта, или один оборот коленчатого вала. Первый такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении. Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисинке. Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в четырехтактном ДВС. Во время второго такта - рабочего (или расширения) — расширяющиеся газы совершают механическую работу. В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова. Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна. Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения. Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром. Во всех выпускаемых четырехтактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Принцип действия газотурбинного нагнетателя

1 — турбина, работающая на отработавших газах; 2 — отработавшие газы; 3 — свежий воздух; 4 — компрессор; 5 — коленчатый вал; 6 — цилиндр; 7 — поршень.

Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам. В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14—0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.

Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля

а — предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b — одновременно происходит сжатие и всасывание; с — рабочий такт и предварительное сжатие; d — предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана.

Двухтактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10—12 цилиндрами. Диаметр цилиндров больших двухтактных дизелей достигает 1000 мм, ход — 1500—2000 мм. Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт. В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах. Двухтактные дизели имеют очень большие размеры и массу. Их удельная масса достигает 40—55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600—800 т.

Четырехтактный дизель (рядный двигатель)

1 — наддувочный агрегат; 2 — охладитель наддувочного воздуха; 3 — трубопровод отработавших газов; 4 — трубопровод наддувочного воздуха; 5 — трубопровод охлаждающей воды; 6 — масляный трубопровод; 7 — топливный трубопровод; в — распределительный вал; 9 — приводное колесо; 10 — промежуточные шестерни; 11 — приводное колесо коленчатого вала; 12 — коленчатый вал; 13 — шатун; 14 — поршень; 15 — цилиндровая гильза; 16 — камера охлаждающей воды; 17 — крышка цилиндра; 18 — выпускной клапан; 19 — впускной клапан; 20 — топливный клапан; 21 — штанга; 22 — топливный насос; 23 — маслораэбрызгивающее кольцо; 24 — масляная ванна картера; 25 — станина двигателя; 26 — блок цилиндров.

Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:

Паротурбинная установка (ПТУ) преобразует энергию пара в кинетическую энергию турбины, чем обеспечивает движение судна, а также приводит в действие вспомогательные механизмы и агрегаты.

Основные элементы главной ПТУ: паровой котел, главная паровая турбина, главный конденсатор, главная зубчатая передача. Вал вместе с турбинным диском образуют важнейшую часть турбины — ротор. Совокупность этих элементов (без парового котла) составляют главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА). Кроме ГТЗА в ПТУ входит вспомогательная паровая турбина с конденсатором, которая приводит в действие турбогенератор судовой электростанции. На турбоэлектроходах турбогенератор — это главный агрегат. В отличие от поршневых паровых машин и поршневых двигателей внутреннего сгорания в ПТУ не требуется преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала гребного винта. Это упрощает конструкцию и позволяет решить многие технические проблемы. В зависимости от типа и назначения турбины частота вращения ротора составляет от 3000 до 8000 оборотов в минуту.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Принцип работы паротурбинной установки прост. Выходящий из расширительных устройств (сопел) разогретый пар под высоким давлением попадает в каналы рабочих лопаток, расположенных на ободе турбинного диска, насаженного на вал турбины, отклоняется от них, изменяя свое направление. За счет этого пар воздействует тангенциальной силой на ротор. В результате создается вращающий момент который вызывает вращение ротора турбины. Современные судовые ГТЗА обычно имеют два корпуса. В первом находится ротор турбины высокого давления, а во втором — низкого.

Каждая турбина имеет нескольких турбинных дисков с набором лопаток, которые в зависимости от вида турбины обозначаются как ступени давления или ступени скорости. Рабочий пар последовательно проходит через неподвижные венцы расширительных устройств и венцы рабочих лопаток. При этом объем пара во время процесса расширения постоянно увеличивается, и рабочие лопатки каждого следующего турбинного диска должны быть длиннее.

В корпусе турбины низкого давления находятся особые венцы рабочих лопаток турбины заднего хода. Суда, гребные винты которых имеют изменяющийся шаг, не нуждаются в турбинах заднего хода. Наряду с турбинами ГТЗА на судах устанавливают вспомогательные турбины, для привода генераторов, насосов, вентиляторов и другого оборудования.

Судовые паротурбинные установки, работающие при начальном давлении пара 40-50 атм и температуре пара 450-480 °С, имеют экономический КПД 24-27%. Повышение начального давления пара и совершенствование установок позволяют увеличить КПД судовых ПТУ до 35 %.

ТИПЫ ПАРОВЫХ ТУРБИН

Существуют два основных типа ПТУ, различающихся по принципу работы рабочего тела (пара). Первый тип — активные турбины (турбина Кертиса). В этих турбинах расширение пара от начального до конечного давления происходит в одном сопле (группе сопл), закрепленном в корпусе перед рабочими лопатками турбинного диска. При воздействии струи пара на рабочие лопатки часть его кинетической энергии преобразуется в механическую работу на валу ротора турбины. Таким образом в активной турбине весь процесс расширения и ускорения пара идет только в неподвижных каналах (соплах), а на рабочих лопатках происходит только превращение кинетической энергии пара в механическую работу без дополнительного расширения паровой струи.

Второй тип турбин — реактивные турбины (турбина Парсонса). В этом типе в неподвижном корпусе и на внешней стороне ротора закреплены и направляющие, и рабочие лопатки, образующие камеры для прохода пара. Расширение пара происходит во всех межлопаточных каналах — подвижных и неподвижных. На первом этапе пар поступает в каналы первого ряда направляющих лопаток, размещенных в корпусе. Из каналов неподвижных направляющих лопаток первого ряда пар поступает в каналы первого ряда рабочих лопаток. Из каналов рабочих лопаток первого ряда пар направляется в каналы неподвижных лопаток второго ряда и т. д.

ПРИМЕНЕНИЕ В ВМФ

Первый турбоход в России появился в 1904 году. Им стала яхта-миноносец «Ласточка» водоизмещением 140 т. Корабль был построен в Англии, как опытное судно, а затем куплен Морским Ведомством для проведения опытов с турбоагрегатами. «Ласточка» имела две ПТУ мощностью 1000 л. с. каждая и развивала максимальную скорость 18,5 узлов.

В конце 1914 года встрой вошел линкор «Севастополь», на котором стояло четыре турбины Парсонса и 25 котлов Ярроу общей мощностью 42 000 л. с, что обеспечивало кораблю скорость хода около 24,6 узлов.

Во время Второй мировой войны ПТУ широко использовались в качестве главной энергетической установки на крупнейших кораблях. Немецкий линкор «Бисмарк», водоизмещением 41 700 т, имел три ТЗА мощностью по 46 000 л. с. каждый. Корабль развивал скорость до 30 узлов.

Его одноклассник линкор «Тирпиц», водоизмещением 45 474 т, нес 12 паровых котлов «Вангер» и три турбины Brown Boveri & Cie, суммарной мощностью 163 026 л. с. Линкор развивал скорость в 30,8 узлов.

Паровые турбины стояли и на крупнейших линкорах в истории флота — японских кораблях типа «Ямато» (водоизмещение 68 200 т) — четыре ТЗА «Кампон» суммарной мощностью 150 000 л. с.

В настоящее время ПТУ уступают свое место газовым турбинам. Но их эксплуатация на некоторых судах продолжается. Например, тяжелый авианесущий крейсер «Адмирал флота Советского Союза Кузнецов» имеет четыре ГТЗА ТВ-12-4 (8 котлов КВГ-4) суммарной мощностью-200 000 л. с, что позволят достичь скорости в 29 узлов.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: