Зміст

Стор.

1. Використання ГТД на водотонажних кораблях.

Типи корабельних ЕУ із ГТД…………………………………………………4

2. Состав головної ГТУ великого протичовнового

корабля проекту 61…...………………………………………………………25

3. ГТД третього покоління – ГТД UGT15000,

особливості конструкції його турбінного блоку……………...……………34

4. Камери згоряння сучасних ГТД,

їх класифікація та особливості устрою….………………………………….45

1. Використання гтд на водотонажних кораблях. Типи корабельних еу із гтд

Досвід експлуатації суден, на яких паротурбінні установки (ПТУ) було замінено газотурбінними (наприклад, «Джон Серджент»), показав, що газотурбінні установки (ГТУ) будуть ефективні здебільшого на швидкохідних і спеціальних судах водотонажного типу або з динамічними принципами підтримки. Поява суден на підводних крилах (СПК), на повітряній подушці (СПП), а також контейнеровозів, баржевозів, накатних судів стало поштовхом для більш широкого впровадження газотурбінних установок в морську практику на якісно новому рівні.

Газотурбінні установки можуть бути з ГТД промислового (індустріального, важкого) типу, з ГТД легкого (авіаційного) типу, комбінованими.[1]

Гту водотонажних суден з гтд промислового типу

У ГТД промислового типу реалізовані складні теплові схеми, що включають в себе регенерацію та утилізацію теплоти випускних газів і проміжне охолодження повітря між компресорами. Особливістю його є блокована схема, тобто відбір потужності здійснюється від турбіни, що приводить в дію компресор.

Суднові ГТД – це їх модифікація, застосовувана в стаціонарній практиці на газоперекачуючих станціях і електростанціях. Вони мають масу набагато більшу, ніж ГТД авіаційного типу. Так, маса двигуна фірми „Дженерал Електрик” МS 50002R при потужності 14,7 МВт разом з фундаментом важить понад 90 т. При установці регенератора вона збільшується вдвічі. Фірма випускає двигуни MS 1000, MS 5000, MS 7000 і їх модифікації, які конвертовані в суднові. З метою більш ефективної роботи в морських умовах на цих двигунах була проведена заміна ряду матеріалів, з яких виготовляли відповідальні деталі. Це дозволило збільшити ресурс двигунів промислового типу, який став у кілька разів перевищувати ресурс установок авіаційного типу.

Прикладом суднових ГТУ з ГТД промислового типу може бути ГТУ-20 двохвального суховантажного судна „Паризька комуна”, яка складається з двох подібних агрегатів ГТУ-10 потужністю 4350 кВт кожний, які працюють на загальний двоступінчастий редуктор ланцюгового типу з передавальним числом 57,5, і одного загального ТУК. Основні техніко-економічні показники ГТУ-20 в порівнянні з установкою на транспортному судні „Адмірал Каллаган” наведені в таблиці 1.1.[2]

Таблиця 1.1. Основні техніко-економічні показники ГТУ-20 в порівнянні з установкою на транспортному судні „Адмірал Каллаган” з параметрами на номінальному режимі потужності[3]

Назва параметру	Марка двигуна
	ГТУ-20	LM-2500
Країна	СРСР	США
Фірма-виробник	ЛКЗ	„Дженерал Електрік”
Тип судна	Суховантажне судно „Паризька комуна”	Судно для транспорту „Адмірал Каллаган”
Теплова схема	Регенерація тепла відхідних газів в повітряному регенераторі і проміжне охолодження повітря між компресорами	Проста схема
Тип ГТА	ГТД промислового (важкого) типу	ГТД авіаційного (легкого) типу
Конструктивна схема ГТА	Двокаскадний ГТД з блокованою силовою турбіною	Однокаскадний ГТД з вільною силовою турбіною
Паливо	Важке паливо (мазут), легке паливо (дизельне)	Легке паливо („морське”)
Номінальна потужність ГТА, кВт	2·4350=8700	15400
Температура повітря на вході в двигун, К	293	294
Міра підвищення тиску	9,0	16,8
Витрата повітря, кг/с	2·33,5=67	59
Початкова температура газу, К	1023	1373
Питома витрата палива, г/(кВт·ч)	306	244
Кількість і тип ступенів компресорів	6-КНТ, 12-КВТ (осьовий ступінь)	16-КНТ, без КВТ (осьовий ступінь)
Тип камери згоряння, кількість жарових труб і форсунок	Трубчасто-кільцева з 6 жаровими трубами і 6 форсунками	Кільцева з 1 жаровою трубою і 30 форсунками
Кількість ступенів турбін	ТВТ-1, ТНТ-1	ТВТ-2, ТНТ-6
Частота обертання, хв.^-1	КВТ-7100, КНТ-5750	КВТ-9600, вільної СТ-3600

Продовження таблиці 1.1

Назва параметру	Марка двигуна
	ГТУ-20	LM-2500
Маса агрегату, кг	236600	19960
Питома маса агрегату, кг/кВт	27,2	1,30
Довжина агрегату, мм	13000	7920
Ширина агрегату, мм	10400	2740
Висота агрегату, мм	7500	2440
Температура газів за СТ, К	655	798
Міра регенерації, %	75	Відсутня
ККД агрегату, %	28	37
Спосіб запуску ГТД	Електродвигун	Повітряна турбіна

Принципова схема ГТУ-20 зображена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципова схема ГТУ-20 з регенерацією та утилізацією теплоти суховантажного судна „Паризька комуна”[2]

- · - · - ̶ пар; - - - - ̶ конденсат; ̶ газ, повітря

Особливістю схеми є наявність блокованого приводу гвинта і одного з компресорів установки. Для блокованої установки характерно те, що при запусках і роботі її на часткових режимах вимагається зменшення навантаження. Тому в головній судновій передачі повинна бути передбачена можливість відключення ГТД від суднового валопроводу і поступове збільшення навантаження на двигун. Таким вимогам може задовольняти або гідравлічна передача, або водометний рушій (на СПК), або ВРШ, який дозволить працювати на змінних режимах в умовах зміненого навантаження і при реверсуванні шляхом відповідної перекладки лопастей.

Гази з обох двигунів після виходу з регенераторів 8з температурою близько 245°С надходять в комбінований котел9, а потім в димову трубу.

Комбінований котел складається з двох частин – утилізаційної продуктивністю 4,5 т/год, де пар генерується за рахунок теплоти відхідних газів, та вогневої продуктивністю 6 т/год, в якій є форсунка для спалювання палива, як у звичайному ДК (допоміжному котлі). Тиск пару 0,6 МПа. Вогнева частину котла використовується при неповних навантаженнях, маневрах і на стоянці. При розвитку двигунами повної потужності або близької до неї теплоти відхідних газів достатньо для забезпечення паром утилізаційного турбогенератора і загальносуднових споживачів. Форсунка вогневої частини котла працює постійно з мінімальною витратою палива, що знижує ККД установки приблизно на 1,5%.

До складу ТУК входять утилізаційний котел 9, два утилізаційних турбогенератора12з конденсаторами15, теплий ящик13, насоси14і16. На режимі повного переднього ходу кожен УТГ здатний розвивати 430 кВт; другий УТГ при цьому знаходиться в резерві. Передбачений відбір пари11для підігріву палива в системі паливопідготування і для загальносуднових споживачів. Підведення пари до УТГ здійснюється по паропроводу10.

Для стоянкового режиму передбачений допоміжний котел 18продуктивністю 7 т/год при тиску 0,5 МПа і дизель-генератор17потужністю 270 кВт. Цей режим може забезпечуватися при роботі вогневої частини комбінованого котла спільно з УТГ.

ГТД працює за циклом з регенерацією і проміжним охолодженням повітря. У його склад входять компресори низького тиску 2і високого тиску6, повітроохолоджувач5і регенератор8, камера згоряння7турбіни високого тиску4і низького тиску3.

На охолодження повітря кожного двигуна витрачається близько 1000 т/год забортної води. Частота обертання гвинта на номінальному режимі – 100 об/хв.

Питома витрата ДП на всю установку при початковій температурі газу перед ТВТ 750°С і загальною мірою підвищення тиску 8,45 на повному передньому ході при потужності 8400 кВт – 320 г / (кВт·год), а з урахуванням корисної роботи пара, одержуваного в ТУК, ̶ 300 г/(кВт·год).[2]

Як вже зазначалося раніше, у агрегаті ГТУ-20 кожний з двигунів виконаний за двокаскадною схемою з блокованою силовою турбіною. До складу агрегату входять два компресори, дві турбіни, повітроохолоджувач, регенератор, камера згоряння, повітря - і газопроводи з компенсаторами і редуктор (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Конструктивна схема агрегату ГТУ-20

Продовження рис. 1.2. Конструктивна схема агрегату ГТУ-20[3]

1 – КНТ; 2 – ТНТ; 3 – ТВТ; 4 – регенератор; 5 – байпасний клапан; 6 – камера згоряння; 7 – КВТ; 8 – противопомпажний клапан; 9 – фланець приводу допоміжних механізмів; 10 – повітроохолоджувач; 11 – редуктор; 12 – шино-пневматичні гальма; 13 – ВРШ

Турбіни, компресори, камера згоряння і коробка приводів з пусковим пристроєм і механізмами встановлюються на зварній сталевій рамі. Згідно з конструктивною схемою агрегату, ТВТ є приводом КВТ, а ТНТ – приводом КНТ і одночасно, через редуктор, гвинта регульованого кроку. Передбачено, у зв'язку з можливим настанням явища помпажа (бо КНТ жорстко з'єднаний з гребним гвинтом) при різкій зміні режиму роботи установки, швидке випускання газу за ТВТ в атмосферу. Це сприяє забезпеченню достатніх запасів стійкості компресорів.

Відносне розміщення компресора і турбіни каскаду високого тиску таке, що осьове зусилля на диск ТВТ частково врівноважується осьовим зусиллям в КВТ, направленим у протилежну сторону. Некомпенсована частина навантаження сприймається упорним підшипником. Осьові зусилля, що виникають при роботі компресора і турбіни низького тиску, також частково врівноважуються.

Корпуси КВТ, ТВТ, КНТ і ТНТ мають по чотири лапи в площині роз'єму, якими вони кріпляться до фундаментної рамі. Для забезпечення співвісності корпусів в процесі експлуатації агрегату при можливих термічних переміщеннях окремих ввузлівлів в нижній частині кожного з корпусів є два вертикальних паза, розташованих у діаметральній площині, у які встановлюються шпонки, закріплені на рамі. Дозволяючи корпусам вільно розширюватися по вертикалі, шпонки виключають можливість зсуву їх убік від первісної вертикальної площини. На двох лапах кожного корпусу перпендикулярно діаметральній площині виконані пази, в які встановлюються поперечні шпонки, що допускають переміщення корпусів тільки в сторони і перешкоджають розширень їх по осі. Інші дві лапи вільно переміщуються в горизонтальній площині в довільному напрямку.

Для компенсації теплових розширень ввузлівлів агрегату ГТУ-20 в якості фікс-пунктів прийняті: для компресорів – корпуси упорних підшипників; для ТВТ – лапи її корпусу з боку газовипуска; для ТНТ – лапи корпусу з боку впуску газів.

На рис. 1.3показані турбокомпресорні агрегати ГТУ-10. Турбіна високого тиску12приводить в дію осьовий компресор високого тиску11з дванадцятьма ступенями, а турбіна низького тиску6– шестиступеневий осьовий компресор низького тиску2. Обидві турбіни - двоступеневі, однодискові з розвиненими дифузорами. Проставка5з'єднує корпусу ТВД і ТНД і здійснює підведення газу до ТНТ. Компенсатор7сприймає теплове розширення проставки. Внутрішній корпус проставки має дві діафрагми4, через які підводиться по трубі13повітря для охолодження дисків ТВТ і ТНТ. Турбіна високого тиску має подвійний корпус10з ізоляцією9між корпусами. Зовнішній корпус8охолоджується водою (дистилят). Для сприйняття осьових зусиль турбокомпресори забезпечені підшипниками ковзання. Упорні підшипники1одногребіневі самоустановлювальні. Патрубок3служить для перепуску газу під час маневрування, минаючи ТНТ.[3]

Рис.1.3. Турбокомпресорні агрегати ГТУ-10

ГТУMS 5212Rзнайшли застосування на ролкерах типу „Айрон Монарх”. Вони дозволили створити компактні енергетичні установки з великою потужністю. На рис. 1.4 зображений поздовжній розріз ГТА моделіMS 5002R.

Рис. 1.4. Поздовжній розріз ГТА моделі MS 5002R[3]:

1 – компресор; 2 – камера згоряння; 3 – ТВТ; 4 – механізм повороту сопел силової турбіни; 5 – ТНТ (силова турбіна); 6 – газовивідний пристрій; 7 – рама агрегату з масляним баком

Австралійське вантажне накатне судно „Айрон Монарх”, побудоване наприкінці 1973 року, має довжину 179,3 м, дедвейт 14,4 тис. т та швидкість 20 вузлів. Одногвинтова пропульсивна установка включає в себе ГТД MS 5212R фірми „Дженерал Електрик” з номінальною потужністю 12,85 МВт і максимальною потужністю 14 МВт. Особливістю цієї установки є розділений газовипускний тракт, який розгалужений на лівий і правий борти (рис.1.5), що дозволяє зменшити його габарити. Кожен рукав газовідводу має УК. Повітряпідвідний канал розташований по лівому борту. Газовідвідний та повітряпідвідний канали проходять у двох бортових камерах, простір між якими є місцем проїзду колісної техніки на нижню транспортну палубу. МВ на цих судах знаходиться в кормовій частині під транспортною палубою, тому енергетична установка скомпонована з мінімальними габаритами по висоті. ГТД через двоступінчастий редуктор приводить судновий ВРШ. Від редуктора приводиться електрогенератор потужністю 368 кВт і частотою обертання 1500 об/хв., що забезпечує електроенергією судно в ходовому режимі. В аварійних ситуаціях при відключеній силовій турбіні цей же генератор, працюючи в режимі електродвигуна, крутить ВРШ з частотою обертання 37 об/хв. і забезпечує судну аварійний хід. Живлення генератора в цьому випадку здійснюється від одного з трьох ДГ, встановлених на судні.

Рис.1.5. Розміщення ГТУ у машинному відділенні судна "Айрон Монарх":

1,5 – повітряприймальний і газовідвідний патрубки; 2 – УК; 3 – газовідвідний канал круглого перерізу (діаметр 1900 мм); 4 – глушник повітряприймальної шахти; 6 – газохід; 7 – судновий валопровід

На метановозі „Лусайн” вперше у світовій практиці було застосовано ГТУ MS 5212R, особливість якої полягає в тому, що вона працює не тільки на мазутному і дистилятних паливах, а й на метані, що випаровується в танках. Метан, що випаровується при атмосферному тиску і температурі – 163°С, стискається перед КЗ до необхідного тиску (близько 2,8 МПа). Газоподібне паливо повинне містити за об'ємом 60 ... 100% метану, до 5% етану, до 1% пропану, до 40% азоту і до 10% двоокису вуглецю.

Інша особливість установки – можливість одночасної роботи на важкому, рідкому і газоподібному паливах, що забезпечується спеціальною форсункою і системою регулювання. Розпилювання мазуту здійснюється повітрям від навішеного компресора. З метою підтримки постійного тиску газу мазут подається у вигляді домішки до нього. При цьому можливі два випадки: якщо витрата газу знижується до 10%, подача його припиняється і ГТД працює тільки на мазуті; якщо витрата мазуту падає до 10%, регулятор, підтримуючи цей рівень, знижує при необхідності подачу газу.

Згідно з вимогами класифікаційних товариств запуск і зупинка двигуна тільки на газі заборонені, але маневрування дозволено. Будь-який з сортів палива не впливає на потужність установки. Регулювання і перемикання установки для роботи на будь-якому паливі можна також здійснювати вручну.

Суднова електростанція складається з трьох ДГ загальною потужністю 970 кВт. На судні є утилізаційний і допоміжний котли продуктивністю 3,8 і 4,5 т/г пари відповідно.

Енергетична установка високоавтоматизована, управління нею здійснюється дистанційно з містка, передбачається обслуговування без вахти у машинному відділенні протягом доби.

На базі ГТД типу MS 3000 створені компактні і високоавтоматизовані багатоцільові установки з електрорухом. Вони знайшли застосування на танкерах і поромах. Особливість цих установок полягає в тому, що вони мають компактний газотурбогенераторний блок з самостійним керуванням, який працює на електродвигун змінного струму з постійною частотою обертання, що приводить в обертання ВРШ. Електрогенератор також змінного струму з постійною частотою обертання. Зміна режимів роботи енергетичної установки судна здійснюється ВРШ, керованим з містка, і кількістю поданого пального.

На рис. 1.6 зображено поздовжній розріз суднового ГТА MS 3002R.

Рис. 1.6. Поздовжній розріз суднового ГТА MS 3002R[3]:

1 – компресор; 2 – камера згоряння; 3 – газопідвідні патрубки; 4 – ТВТ; 5 – механізм повороту сопел ТНТ; 6 – ТНТ (силова турбіна); 7 – газовивідний пристрій

Газотурбогенераторний блок змонтований на загальному фундаменті з електрогенератором і всіма обслуговуючими його допоміжними механізмами і системами, включно з системою охолодження. На цій же рамі розміщені допоміжний редуктор, від якого наводяться насоси, компресор і пусковий двигун. Блок установки знаходиться на верхній палубі. Газова турбіна охолоджується прісною водою, яка надходить від радіатора, що знаходиться поблизу газотурбогенераторного блоку на відкритій палубі. У блок радіатора входять всі елементи системи: вентилятори, насоси, необхідна арматура, прилади контролю і трубопроводи. Висока надійність такої установки і малі трудовитрати при обслуговуванні дозволили скоротити екіпаж на газотурбінному судні до 13 осіб замість 38 на аналогічних судах з енергетичними установками інших типів. Компонування ЕУ танкера з електрорухом проекту фірми "Зульцер" зображена на рис.1.7. ГТУ з двигунами промислового типу та електрорухом оснащені і інші судна, наприклад "Шеврон Орегон".

Рис. 1.7. Компонування ГТУ з електропередачею:

1 – приміщення станції вуглекислотного гасіння; 2 – масляні цистерни ГТД та гребного електродвигуна; 3 – палуба юта; 4 – генератор і збуджувач; 5 – редуктор; 6 – ГТД; 7 – головна палуба; 8 – рульова машина; 9 – майстерня; 10 – агрегати масляної та паливної систем; 11 – компресор пускового повітря; 12, 16 – верхня і нижня платформи; 13 – паливні і масляні сепаратори; 14 – охолоджувачі прісної води і масла; 15 – насос, що перекачує паливо; 17 – механізм зміни шагу ВРШ; 18 – головний упорний підшипник; 19 – гребний електродвигун; 20 – баластний насос; 21 – підлога МО; 22 – фільтр забортної води; 23 – настил подвійного дна; 24 – повітря приймальні фільтри: 25 – регенератори; 26 – паливні цистерни

Стаціонарні промислові ГТУ володіють рядом переваг, до числа яких можна віднести малі початкові витрати, компактність, добре налагоджене серійне виробництво, надійність, високу міру автоматизації, здатність працювати на дешевих сортах палива і т.д. Застосування ГТД подібного типу на низці спеціалізованих судів замість паротурбінних або дизельних ЕУ виявляється доцільним. Разом з тим вони дещо поступаються ДВС по ККД.

Збільшення витрат на паливо в порівнянні з дизельною установкою компенсується значно меншими витратами на мастило, технічне обслуговування та утримання екіпажу. Застосування ГТД дозволило збільшити місткість суден, знизити вартість і скоротити час їх побудови.

Газотурбінними установками промислового типу обладнано ряд судів закордонного флоту, зокрема накатні австралійські судна типу "Айрон Монарх", танкери типу "Шеврон Орегон", метановоз "Лусайн", пором "Сівей прінс" тощо. Перевагою таких ГТУ є те, що вони використовують високов'язке місцеве (австралійське) паливо з температурою застигання 49°С. Проте ці установки не витримали конкуренції. Так, на балкери "Айрон Карпентаріа" і "Айрон Кертіс"дедвейтом 45430 т кожний регенеративні ГТУ MS 3002 фірми "Дженерал Електрик"замінені на блоки з двох СОД типу 12V32 фірми "Вяртсіля-Васа" потужністю по 3400 кВт, які працюють на дешевому і низькосортному паливі. Заміна ГТУ на дизельну установку дозволить знизити витрату палива на 40%, що відповідає скороченню витрат на паливо приблизно на 1,3 млн. доларів на рік для кожного судна.

На раніше побудованих подібних судах "Айрон Монарх" і "Айран Дюк" також здійснено заміну ГТУ на дизельну установку. Передбачається, що витрати на переобладнання цих суден окупляться десь за 4 роки.[2]