Корабельные газотурбинные энергетические установки

Военно-морские силы /
Агрессивные устремления империалистических государств проявляются в непрерывном совершенствовании средств вооружённой борьбы на море. Корабли оснащаются ракетным оружием, большим количеством радиоэлектронных средств, повышаются автономность их плавания, скорость хода и манёвренность. Увеличивая долю весовой нагрузки, отдаваемой под вооружение и радиоэлектронные средства, зарубежные специалисты ищут пути сокращения веса и объема других подсистем корабля, в том числе главных и вспомогательных механизмов. Эта задача решается путём все более широкого внедрения энергетических установок с газотурбинными двигателями (ГТД).

В настоящее время газотурбинные энергетические установки применяются в ВМС , Великобритании, Канады, , Нидерландов, Франции, Италии, Ирана и ряда других стран. Они установлены более чем на 300 кораблях различных классов. По мнению зарубежных специалистов, это стало возможным благодаря наличию у ГТД многих положительных качеств, основные из которых:

  • малый вес и габариты;
  • высокая готовность к работе;
  • низкий уровень вибрации;
  • большая надежность;
  • лёгкость осуществления полной автоматизации;
  • применение дистанционного управления.

Кроме того, по сравнению с дизельными и паротурбинными эти двигатели легче ремонтировать, условия их эксплуатации лучше и они требуют меньшее количество обслуживающего персонала.

В то же время в зарубежной печати сообщалось, что ГТД не свободны от ряда существенных недостатков:

  • при повышении температуры окружающего воздуха на их входе наблюдаются высокие потери мощности;
  • большое потребление воздуха, в несколько раз превышающее потребление воздуха дизельными и паротурбинными установками, приводит к увеличению размеров воздухоприёмных и газовыхлопных каналов и усложняет задачу их размещения на корабле;
  • для передачи крутящего момента на гребные винты (ГТД нереверсивны) необходимы реверсивные редукторы или винты регулируемого шага.

По данным зарубежной печати, почти 90% общего ходового времени корабли идут малым и средним ходами и лишь на относительно короткое время развивают полный ход. Поскольку мощность, развиваемая двигателем, находится примерно в кубической зависимости от скорости корабля, то энергетическая установка на малых ходах используется весьма нерационально. Создание всережимной высокоэкономичной энергетической установки со значительным моторесурсом и приемлемыми весогабаритными показателями считается довольно сложной технической задачей, решения которой ещё не найдено. Поэтому зарубежные специалисты полагают, что в определённых случаях необходимо иметь на корабле комбинированную энергетическую установку, состоящую из маршевого двигателя, используемого при движении малым и средним ходами, и ускорительного — для движения полным ходом.

За рубежом корабельные комбинированные газотурбинные энергетические установки подразделяются на:

  • дизель-газотурбинные (в режиме экономических кодов работают только дизели, а в режиме полного хода — дизели и ГТД совместно или только ГТД);
  • газо-газотурбинные, в которых в режиме экономических ходов работают маршевые ГТД, а в режиме полного хода — маршевые и ускорительные ГТД совместно или только ускорительные двигатели;
  • парогазотурбинные, в режиме экономических ходов которых работают паровые турбины, а в режиме полного хода — паровые турбины и ГТД совместно.

В энергетических установках всех перечисленных типов используется механическая передача мощности на гребной вал. В последние годы за рубежом исследуются возможности использования электрических передач с машинами со сверхпроводящими обмотками.

Газотурбинные двигатели


Применяемые в настоящее время на кораблях ВМС капиталистических стран ГТД относятся к двигателям первого поколения и представляют собой переоборудованные авиационные турбовальные двигатели. Переоборудование было вызвано тем, что авиационные двигатели непригодны для эксплуатации в морских условиях вследствие коррозии и эрозии их деталей, что снижает эффективность работы двигателей и сокращает срок их службы.

Переоборудование авиационных ГТД с целью их эксплуатации в корабельных условиях заключалась в замене деталей из магниевых сплавов на алюминиевые, алюминиевых лопаток компрессора — на стальные; для поверхностей деталей, работающих при высоких и низких температурах, применялись стойкие металлические и лакокрасочные покрытия; температура газов на входе в турбину была снижена приблизительно на 100° С.

В последние годы появились корабельные ГТД второго поколения, которые и разрабатывались на основе авиационных турбореактивных двигателей, но уже специально для использования в морских условиях. Они имеют малый удельный расход топлива, повышенную коррозионную стойкость, меньшие, чем у ГТД первого поколения, вес и габариты, больший срок службы и повышенною надёжность. КПД этих двигателей был увеличен за счёт повышения рабочего давления, температуры цикла, а также применения эффективного охлаждения лопаток турбины.

Наиболее напряженные узлы и детали таких двигателей изготавливаются из высокопрочных коррозионно-стойких сплавов. Ротор и статор компрессора выполняются из титановых или никелевых, а компоненты турбины и камеры сгорания из кобальтовых или никелевых сплавов. Все детали ГТД, работающие при высокой температуре (камера сгорания, лопатки турбины высокого давления, направляющие и активные лопатки первой и второй ступеней турбины низкого давления), имеют алюминизированные или хромированные пленочные покрытия, которые являются достаточно надежной защитой от высокотемпературной коррозии. ГТД второго поколения могут работать на авиационном керосине, дизельном и дистиллятивом топливах и даже природном газе. В отличие от ГТД первого поколения они выделяют незначительное количество дыма, что достигнуто благодаря применению совершенной конструкции топливных форсунок и полному его перемешиванию с воздухом в аксиальных вихревых камерах сгорания.

В настоящее время лучшим ГТД второго поколения зарубежные специалисты считают американский двигатель LM-2500 (рис. 1) фирмы «Дженерал электрик». Он создан на базе авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя TF39 той же фирмы и представляет собой двухвальный двигатель простого цикла, в состав которого входят 16-ступенчатый компрессор, быстросъемная кольцевая камера сгорания малого диаметра, двухступенчатая турбина высокого давления и шести-ступенчатая свободная силовая турбина. При нормальных эксплуатационных условиях (температура окружающего воздуха 15°С, давление 1,03 кг/кв.см.) и теплотворной способности топлива 10270 ккал/кг двигатель имеет максимальную длительную мощность 24 700 л. с. при 3400 об/мин. Удельный расход топлива на этой мощности 181,9 г/л.с.ч и расход воздуха 59-65 кг/с. Длина двигателя составляет 6,25 м, вес около 3,8 т. Компрессор выполнен однороторным со степенью сжатия 17:1.

Газотурбинный двигатель LM-2500
Рис. 1. Газотурбинный двигатель LM-2500

По сравнению с корабельными ГТД других типов температура газа в двигателе LM-2500 значительно повышена, однако благодаря эффективному охлаждению температура его стенок оказалась ненамного выше, чем у ГТД первого поколения. Особое внимание при этом уделяется обеспечению контроля за потоком охлаждающего воздуха, уменьшению его потерь, а также контролю за радиальным зазором.

Силовая турбина представляет собой прямоточную шестиступенчатую конструкцию с небольшими окружными скоростями. Силовой вал ГТД снабжён с обеих сторон эластичными дисковыми муфтами сцепления, выравнивающими несогласованные крутящие моменты. Считается, что дисковые муфты наиболее полно удовлетворяют требованиям корабельных ГТД, так как не требуют смазки, не имеют трущихся поверхностей и обладают высокой коррозионной стойкостью.
Подшипники ГТД смазываются с помощью масляных насосов синтетическим маслом.

Компрессор и корпус силовой турбины для удобства обслуживания и ремонта выполнены разъёмными, что позволяет заменять лопатки без демонтажа двигателя в целом. Кроме того, имеются смотровые отверстия для наблюдения за состоянием наиболее важных частей, а вся топливная система смонтирована снаружи двигателя.

В период стендовых испытаний ГТД LM-2500 время его безаварийной работы значительно превысило моторесурс двигателей первого поколения. В ходе пробной эксплуатации на судне «Адмирал Коллагэн» в 1972 году этот двигатель отработал более 15 тыс. ч, из них 5 тыс. ч он работал в диапазоне мощностей 19—21 тыс. л. с.

ГТД LM-2500 был выбран в качестве силового двигателя энергетической установки эскадренных миноносцев типа (водоизмещение 7800 т). строительство которых (серия из 30 единиц) ведётся для ВМС США с 1972 года.

Двухвальная энергетическая установка эскадренного миноносца «Спрюенс» состоит из двух силовых газотурбинных блоков, расположенных по бортам в двух машинных отделениях, трех газотурбинных генераторов и вспомогательных механизмов. Задний ход обеспечивается винтами с регулируемым шагом (диаметр 518 см).

Каждый силовой блок корабля состоит из двух ГТД и двухступенчатого главного зубчатого редуктора с раздвоением мощности и передаточным отношением 21,4: 1. С целью снижения шумности каждый ГГД помещен в звуко-теплоизолирующий кожух. Поскольку ГТД нереверсивны вращение гребных винтов в разные стороны осуществляется с помощью обратно расположенных ГТД правого и левого бортов. В муфтотормозном соединительном устройстве используется муфта с принудительной синхронизацией, состоящая из синхронизирующих фрикционных дисков и зубчатой муфты. Это устройство обеспечивает торможение силовой турбины (при неработающем газогенераторе ГТД) и гребного вала, а также подключение второго ГТД силового блока при работающем первом.

Газотурбогенераторы в составе энергетической установки предназначены для питания корабельных потребителей электроэнергии. Кроме того, предусмотрены утилизационные котлы, которые, используя выхлопные газы газотурбогенераторов, вырабатывают пар, идущий на вспомогательные нужды, в том числе и на обогрев корабельных помещений.

Входные воздухопроводы размещены в верхней части надстройки и оборудованы сетчатыми фильтрами для удаления влаги, инерционными сепараторами, снижающими содержание соли в воздушном потоке, и глушителями. Газоотводные трубопроводы при минимальном проходном сечении имеют незначительное сопротивление, способны выдерживать ударные нагрузки и оборудованы глушителями. Уровень автоматизации в системе управления позволяет одному оператору управлять всей энергетической установкой и вспомогательным оборудованием из центрального поста управления.

Благодаря применению ГТД LM-2500 объём машинного отделения на эскадренном миноносце типа «Спрюенс» уменьшился на 33%, выигрыш в весе составил около 400 т по сравнению с паротурбинной установкой той же мощности.

В соответствии с принятым решением все строящиеся корабли ВМС Великобритании, в том числе противолодочные крейсера типа (водоизмещение 20000 т), будут оснащаться только газотурбинными энергетическими установками второго поколения. Последние планируется устанавливать также на американских авианесущих кораблях, которые предполагается иметь в составе флота к 1980 году.

По заявлению зарубежных военно-морских специалистов, ГТД является пока единственным типом двигателя для кораблей на подводных крыльях (КПК) и воздушной подушке (КВП). Малый удельный вес и высокая агрегатная мощность двигателя позволяют этим кораблям иметь скорость хода 50 узлов и выше. Способность ГТД развивать в течение короткого отрезка времени значительную мощность обеспечивает КПК преодоление пика сопротивления движению при выходе на крылья.

Следует отметить, что на КВП газотурбинные двигатели используются для создания силы поддержания корабля и его движения, причем работают они в весьма тяжелых условиях.

Иностранные специалисты считают, что дальнейшее развитие корабельных газотурбинных двигателей пойдет главным образом по пути повышения КПД, увеличения срока службы и повышения агрегатной мощности. Системы регулирования и управления будут выполняться на твердотельных электронных схемах, которые в большей степени (по сравнению с существующими гидравлическими) удовлетворят эксплуатационным условиям, будут просты в обслуживании и значительно дешевле.

Электрические машины со сверхпроводящими обмотками


Одним из направлений, по которому намечается совершенствовать корабельные газотурбинные энергетические установки, зарубежные специалисты считают использование электрических машин со сверхпроводящими обмотками для передачи мощности от газотурбинных двигателей к гребным винтам.

Работы по созданию таких электрических машин начались в 60-х годах. Обнадёживающие результаты первых экспериментов позволили приступить к изучению возможности их применения и на кораблях.

В электрической машине обмотка возбуждения изготавливается из проводника, состоящего из большого числа тонких нитей из сплава ниобия и титана, заключённых в медную оболочку. Охлаждённый жидким гелием (сверхнизкая температура 4,2° К) такой проводник обладает свойствами сверхпроводимости. Вследствие высокой допустимой плотности тока в такой обмотке возбуждения удаётся значительно увеличить полезный магнитный поток электрической машины и выполнить её без стального магнитопровода. По этим причинам электрические машины со сверхпроводящими обмотками могут иметь малые размеры и вес.

Расчёты показывают, что вес гребного электродвигателя (длина 3 м, диаметр 3 м, мощность 36,8 МВт, 100 об/мин) составит 40 т, а вес питающего его генератора со сверхпроводящей обмоткой (40 МВт, 3000 об/мин) — всего 15 т Размеры генератора: длина 2 м, диаметр 1,5 м. Другим ценным качеством таких электрических машин считается высокий (практически неограниченный) верхний предел мощности, позволяющий создавать гребные электрические установки для перспективных кораблей различных классов и типов конструкций. Высокий КПД рассматриваемых машин может обеспечить передачу гребному винту 95% мощности первичных двигателей.

Электрические машины со сверхпроводящими обмотками нуждаются в экранировании, так как из за отсутствия стального магпитопровода обладают значительным внешним магнитным полем, плотность которого на их поверхности 0,01 Т. В машинах переменного тока экран выполняется в виде ферромагнитных или алюминиевых полых цилиндров, окружающих статор машины. В машинах постоянного тока считают целесообразным использовать специальные экранирующие сверхпроводниковые катушки.

Дополнительным элементом гребной электрической машины со сверхпроводящей обмоткой служит гелиевая рефрижераторная установка, поддерживающая в обмотке возбуждения электрической машины температуру 4,2° К. Для обслуживания группы электрических машин необходимо иметь несколько рефрижераторных установок. Например, для крупного корабля на воздушной подушке, в энергетическую установку которого входят десять электрических машин, достаточно будет четырёх рефрижераторных установок. Гелиевая рефрижераторная установка для энергетической установки мощностью 22 МВт весит 1,8 т и занимает объем около 5,6 куб.м.

В настоящее время технология производства гелиевых рефрижераторных установок считается отработанной, и может быть изготовлен корабельный вариант. Специальными исследованиями была доказана маловероятность аварий из-за отказа рефрижераторной установки, но все же предлагается гребные электродвигатели проэктировать так, чтобы они могли работать с ограниченной мощностью без охлаждения обмоток возбуждения жидким гелием. В этом случае корабль сможет вернуться на базу малым ходом, используя для питания гребных электродвигателей вспомогательные корабельные генераторы.

Строительство крупных кораблей на подводных крыльях в значительной степени зависит от возможности создания лёгких и достаточно экономичных энергетических установок мощностью несколько десятков тысяч лошадиных сил. Тяжёлые и неэкономичные энергетические установки непригодны для КПК военного назначения, так как сокращают и без того малую долю весовой нагрузки, отводимую под вооружение и топливо.

Расчёты показали, что для КПК водоизмещением 750 т газотурбинная энергетическая установка с электрическими машинами со сверхпроводящими обмотками (газотурбоэлектрическая) легче примерно на 10% газотурбинной установки с водометными движителями или с механической передачей мощности к гребным винтам, лучше скомпонована и не уступает им по другим показателям (кроме стоимости и длительности разработки). На таком КПК планируется установить два генератора постоянного тока со сверхпроводящими обмотками мощностью по 15,5 MBт каждый при 3400 об/мин, приводимых в движение газотурбинными двигателями LM-2500. Движение на крыльях будут обеспечивать два гребных электродвигателя со сверхпроводящими обмотками одинаковой с генераторами мощности, расположенные в гондолах (диаметр 1,5 м, длина 4,9 — 6,1 м). Двигатели планируют соединить непосредственно с суперкавитирующими гребными винтами (диаметр 1,68 м, номинальная скорость вращения 1500 об/мин.). Для движении в водоизмещающем режиме будут использовать два гребных электродвигателя со сверхпроводящими обмотками мощностью по 1690 кВт каждый при 500 об/мин, которые предполагают установить в гондолах вне корпуса КПК для вращения непосредственно суперкавитирующих гребных винтов.

Генераторы и гребные электродвигатели предполагают соединить между собой коаксильными алюминиевыми токопроводами, имеющими жидкостное охлаждение. Два гелиевых компрессора и четыре ожижителя гелия обеспечивают охлаждение обмоток электрических машин до возникновения состояния сверхпроводимости и будут поддерживать это состояние во время работы установки, а при необходимости и во время стоянки корабля в базе. В этом случае готовность корабля к выходу в море составляет около 5 мин. При выключенной системе охлаждения готовность корабля к выходу в море увеличивается до 5—6 ч.

Два генератора и два гребных двигателя обеспечат полный ход КПК (50 узлов, суммарная мощность 31 МВт). Движение на крыльях со скоростью 37—38 узлов возможно при работе одного газотурбогенератора.

При движении в водоизмещающем режиме один газотурбогенератор может работать на два гребных электродвигателя малой мощности, способных сообщить кораблю скорость хода не более 15 узлов. При всех режимах движения управлять энергетической установкой КПК будут с мостика. Скорость вращения гребных двигателей регулируется изменением тока возбуждения электрических машин.

Кроме увеличения полезной нагрузки, повышения дальности плавания, улучшения компоновки главных механизмов, зарубежные специалисты отмечают и другие положительные качества газотурбоэлектрических установок с генераторами и двигателями со сверхпроводящими обмотками. Так как два гребных двигателя могут работать от одного газотурбогенератора, то нет необходимости в специальном источнике энергии (первичном двигателе) для движения в водоизмещающем режиме. Скорость хода КПК регулируется величиной тока возбуждения генераторов и гребных электродвигателей, поэтому газотурбогенераторы могут работать при различной нагрузке с оптимальной для них скоростью вращения, соответствующей минимальному удельному расходу топлива.

Поскольку в стойках подводных крыльев нужно прокладывать лишь электрические кабели и трубопроводы для хладагента (гелия), идущие к гребным электродвигателям, поперечное сечение стоек может быть небольшим, что не повлечёт за собой увеличения мощности энергетической установки.

По данным иностранной печати, в США предварительно прорабатывались проекты сверхнроводниковых газотурбоэлектрических установок мощностью 73,6 МВт и 147,2 МВт для КПК водоизмещением несколько тысяч тонн. Расположение основных элементов такой энергетической установки на корабле показано на рис. 2.

Схема расположения газотурбоэлектрической установки мощностью 100 000 л. с.Рис. 2. Схема расположения газотурбоэлектрической установки мощностью 100 000 л. с. (73,6 МВт) на КПК: 1 — генератор со сверхпроводящей обмоткой; 2 — газотурбинный двигатель; 3 — трубопровод хладагента и токопровод; 4 — гребной электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой; 5 — ожижитель гелия

В настоящее время в США разрабатывается проект корабля на воздушной подушке весом 2000 т, экспериментальный образец которого планируют построить в ближайшие годы. После его испытаний будет принято решение о дальнейшем строительстве подобных кораблей.

Как показали расчёты, энергетическая установка такого КВП может состоять из четырех газотурбогенераторов переменного тока и двух гребных электродвигагелей со сверхпроводящими обмотками мощностью по 30,8 MB каждый, а также четырёх электродвигателей вентиляторов мощностью по 1 МВт. Два вспомогательных дизельгенератора предназначаются для питания систем возбуждения главных генераторов, гребных электродвигателей и гелиевых рефрижераторных установок.

Вес электрической передачи, включающей машины со сверхпроводящими обмотками, коммутационную аппаратуру, кабели, устройства управления и контроля, вспомогательное оборудование, составит 63,5—77 т, что на 9—22% меньше веса механической передачи.

При проектировании кораблей катамаранного типа возникают трудности с размещением энергетической установки, поскольку рациональные размеры корпусов оказываются недостаточными.

Как известно, использование газотурбинных двигателей на кораблях рассматриваемого типа связано с трудностями, которые заключаются в создании малогабаритных редукторов с высоким передаточным отношением, расположении воздухозаборных и газоотводных каналов, обеспечении выгрузки двигателей для их замены или ремонта и т. д. Кроме того, значительная длина воздухозаборных и газоотводных каналов ухудшает условия работы газотурбинных двигателей.

Использование сверхпроводниковой газотурбоэлектрической гребной установки позволяет преодолеть указанные затруднения. В этом случае легкие малогабаритные газогурбогенераторы со сверхпроводящими обмотками располагаются на палубной платформе, а тихоходные гребные электродвигатели — в непосредственной близости от дейдвудных сальников. Зарубежные специалисты считают, что в электрических машинах со сверхпроводящими обмотками (в отличие от обычных) соотношение диаметра и длины может быть различным, поэтому создание мощных тихоходных гребных электродвигателей для перспективных кораблей катамаранного типа водоизмещением 3000—30 000 т, вписывающихся в гондолы оптимальных размеров (диаметр 4,5—9 м), не представит трудностей.

Из расчётов, проведенных зарубежными специалистами, следует, что для кораблей катамаранного типа водоизмещением 3000 т и скоростью хода более 30 узлов необходима двухвальная энергетическая установка мощностью 36,8 МВт, электрическая передача которой будет весить примерно на 1/3 меньше механической.

Зарубежные военно-морские специалисты считают гребные электрические установки со сверхпроводящими обмотками перспективными для применения и на кораблях обычной конструкции. В проекте эскадронного миноносца 80-х годов с алюминиевым корпусом была показана возможность создать для него газотурбоэлектрическую гребную установку со сверхпроводящей обмоткой мощностью 73,6 МВт, весом 536 т. Все элементы установки должны располагаться в кормовой части корабля. Четыре газотурбогенератора должны находиться на второй палубе, два гребных электродвигателя — под нею. Центральная часть корабля будет использоваться исключительно для размещения оружия и радиоэлектронных средств.

Электрическая передача на авианесущем корабле водоизмещением 12 000 т позволила бы уменьшить вес его энергетической установки на 16—32 т.

Согласно расчётам при использовании на атомных подводных лодках электрических генераторов и двигателей со сверхпроводящими обмотками вес энергетической установки мощностью 16,2 МВт может быть уменьшен на 35 т, а мощностью 29,4 МВт — на 53 т. Электрические двигатели постоянного тока могут питаться от аккумуляторных батарей, что позволяет использовать их на дизель-электрических подводных лодках.

В настоящее время в США фирмой «Вестингауз» испытывается экспериментальный синхронный генерагор мощностью 5 MBт со сверхпроводящей обмоткой возбуждения. Номинальное напряжение генератора 4160 В, частота тока 60 Гц, скорость вращения 3600 об/мин. По своим размерам (длина 1525 мм, диаметр 1067 мм) он соответствует обычным корабельным генераторам переменного тока мощностью 1500 кВА. Вес генератора 5,9 т. Предполагается в дальнейшем довести его мощность до 15 МВА. Конструкция генератора показана на рис. 3. В стадии изготовления находится ещё один генератор мощностью 5 MBA, обеспечивающий напряжение 5 кВ, частоту 400 Гц при 12 000 об/мин. предназначенный для ВВС США

Схема устройства генератора переменного тока мощностью 5 MBA со сверхпроводящими обмотками
Рис. 3. Схема устройства генератора переменного тока мощностью 5 MBA со сверхпроводящими обмотками: 1 — соединительная муфта, 2 — подшипник; 3 — цилиндрическая часть вала, 4 — ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения; 5 — ферромагнитный экран; 6 — патрубок системы жидкостного охлаждения статора; 7 — выводные проводники обмотки возбуждения; 8 — контактные кольца; 9 — вращающееся уплотнение гелиевой системы охлаждения обмотки возбуждения; 10 — подача жидкого гелия в генератор; 11 — каналы для подвода жидкого гелия в обмотке возбуждения; 12 — обмотка статора генератора

Научно-исследовательский центр фирмы «Дженерал электрик» по трёхлетнему контракту с ВМС на сумму 3,9 млн. долларов изучает перспективы использования на КВП, КПК и кораблях катамаранного типа гребных электрических машин со сверхпроводящими обмотками. Контракт предусматривает также проектирование, изготовление и ходовые испытания гребной установки мощностью около 4,4 МВт.

ВМС Великобритании готовятся к проведению ходовых испытаний экспериментальной дизель-электрической гребной установки мощностью около 1 МВт на борту базового тральщика «Лайстон» водоизмещением 360 т. В планы английских специалистов входит создание гребной электрической установки со сверхпроводящими обмотками мощностью 14,7 МВт для сторожевого корабля.

Похожие записи

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.