Паротурбинные энергетические установки.

В середине ХХ века перед судостроением была поставлена задача постройки сухогрузных судов и танкеров с увеличенными грузоподъемностью и скоростью хода. Относительно высокие мощности ЭУ этих судов привели к выбору для них паротурбинных установок (ПТУ). Были построены: серия сухогрузных судов типа «Ленинский комсомол» (1959г) дедвейтом 15980т, ПТУ мощностью 9, 5 МВт; серия танкеров типа «Пекин» дедвейтом 32030т и типа «София» дедвейтом 50770т, ПТУ мощностью 14, 0 МВт.

Для серии сухогрузных судов типа «Ленинский комсомол» были созданы ГТЗА типа ТС-1, мощностью 9, 6 МВт, удельным расходом топлива 320 г/кВтч, параметрами пара P=4, 4 МПа; t=470˚ С.

Для танкеров типа «Пекин» и «Софья»- ГТЗА типа ТС-2, мощностью 14, 0 МВт, удельным расходом топлива 330 г/кВтч, параметрами пара Р=7, 8 МПа; t=515˚ C.

В середине XX века ПТУ уступала дизельной ЭУ по удельному расходу топлива 230÷ 320 против 200-230 г/кВт ч; но ПТУ была менее требовательна к качеству топлива и при мощности свыше 20 МВт имела меньшую построечную стоимость, меньше массу и габариты по сравнению с СЭУ с ДВС.

Высокоэкономичная ПТУ нового поколения в 70-х годах для крупнотоннажного танкера «Крым» с одновальной ЭУ мощностью 22 МВт в то время также не могла быть обеспечена дизелями, так как максимальная мощность МОД производства Брянского машиностроительного завода составляла 8, 83 МВт. ПТУ для шести танкеров типа «Крым» были последними в Советском Союзе установками такого типа для судов гражданского флота. Причина этого заключалась в неконкурентоспособности ПТУ по технико-экономическим характеристикам с дизельными установками, в сложности состава и эксплуатации СЭУ. Это соответствовало и мировым тенденциям того времени, после пика 1975 г, когда было построено 130 паротурбинных судов различного назначения, началось сокращение заказов на них, а после 1985 г строительство судов с ПТУ практически прекратилось.

Рис. 2. Принципиальная схема судовой паротурбинной установки.

В паротурбинной установке рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, претерпевая циклическое изменение своего состояния, вода – пар – вода и т.д.

Вода за счет тепловой энергии топлива в паровом котле, превращающейся в пар заданных давления и температуры, большая часть которого поступает в главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА) 5 (рис.2.), остальная часть направляется к вспомогательному турбоагрегату.

Отработавший в ГТЗА пар поступает в главный конденсатор 7, где конденсируется и насосом 8 в виде конденсата (воды) нагнетается в подогреватель питательной воды (ППВ)10. Сюда же насосом 9 подается конденсат от вспомогательного конденсатора 6, а также греющий пар от отборов ГТЗА. Вода в ППВ 10 смешивается с паром и нагревается до температуры кипения. Растворенные в ней газы удаляются в атмосферу, т.е. смесительный подогреватель 10 служит также деаэратором питательной воды. Из подогревателя – деаэратора 10 питательным насосом 12 вода нагнетается в паровой котел (через ППВ 13 и 14, обогреваемые паром из отборов ГТЗА). В котле теплота, выделившаяся при сжигании органического топлива, передается от дымовых газов воде и пару. Топливо в топку котла 1 подается из расходной топливной цистерны 16 насосом 15 через фильтры 17 и подогреватель топлива 18. Туда же вентилятором 19 и из атмосферы подается воздух, а образующиеся при сгорании топлива дымовые газы отводятся в дымовую трубу.

Установка, обеспечивающая движение судна, называется главным турбозубчатым агрегатом (ГТЗА), в его состав входят главные турбины, главная передача, главный конденсатор, органы управления и регулирования, валоповоротное устройство и подъемно транспортное приспособление для разборки и сборки турбин.

На рис.3 изображен двухкорпусный ГТЗА ТС-3 танкера типа «Крым».

Рис.3 Схема ГТЗА ТС-3 танкера типа «Крым».

Поскольку турбина является двигателем, то для обеспечения заднего хода судна устанавливают турбину заднего (ТЗХ). Она размещается обычно в одном корпусе с ТНД и состоит из нескольких ступеней. При наличии электропередачи или винта регулируемого шага (ВРШ) необходимость в ТЗХ отпадает.

Газотурбинные энергетические установки.

Газотурбинные установки (ГТУ) находят широкое применение на тех судах; для которых особенно существенны преимущества этих установок- малая удельная масса, компактность, высокая маневренность, возможность быстрой агрегатной защиты и др. в настоящее время по экономичности ГТУ пока уступают отдельным ЭУ. Достаточно широко ГТУ используются на судах с динамическими принципами поддержания и в военно-морском флоте.

Простейший ГТД открытого цикла с горением топлива при постоянном давлении работает следующим образом (рис 4).

Компрессор 5, приводимый в действие турбиной 11, через приемную трубу 4 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до определенного давления, например до 5∙ 10 кПа, и непрерывно нагнетает его в камеру сгорания 9. В нее через форсунку 8 с помощью насоса 3 подается топливо. Образую­щиеся в процессе сгорания топлива газы высокой температу­ры, обычно превышающей 1000 С, направляется в турбину 11, где кинетическая энергия их преобразуется в механическую работу. По условию прочности отдельных деталей нельзя до­пустить, чтобы в газовую турбину поступали газы такой вы­сокой температуры. Поэтому в камеру сгорания подается воздуха в несколько раз больше теоретически необходимого для сжигания топлива. Потребность большого избытка возду­ха в ГТУ приводит к значительной относительной мощности, затрачиваемой на его сжатие в компрессоре, который по­требляет до 70% мощности турбины.

Рис. 4. Конструктивная схема простейшего ГТД открытого цикла

Сжатый воздух, поступающий из компрессора в камеру сгора­ния, разделяется на два потока. Один поток, составляющий 30 ÷ 40%, вводится в активную зону горения, другой, состав­ляющий 60 ÷ 70%, охлаждает пламенную трубу, смешивается с продуктами сгорания вне активной зоны горения и понижают температуру газа до значения, требуемого на входе в тур­бину. Выпускные газы по трубопроводу 10 уходят в атмосфе­ру. Развиваемая турбиной мощность частично затрачивается на привод компрессора и через редуктор 2 используется для привода гребного винта 1.

Пуск установки производится с помощью пускового устройст­ва 7, соединенного посредством специальной муфты 6 с ро­тором компрессора. В период запуска топливо воспламеняет­ся от электросвечи.

Система пуска состоит из пускового двигателя (стартера), муфты включения, запального устройства и пускорегулирующей аппаратуры. В качестве пускового двигателя могут служить электростартеры, воздушные турбины, ДВС, но наиболее распространены электростартеры. Если запуск ГТД требует большой мощности (67÷ 75 кВт) используют пусковые газотурбинные двигатели или несколько электростартеров.

Присоединение стартера к приводу вала ГТД осуществляется посредством муфты включения, которая автоматически отключается при достижении определенной частоты вращения ротора двигателя.

Запальное устройство состоит из пусковой форсунки и электрической запальной свечи.

Основным недостатком данного ГТД является низкий КПД из-за больших тепловых потерь во внешнюю среду, т.к. охлаждение рабочего тела происходит при смешивании с атмосферным воздухом.

=24, 5 ; =0, 37 кг/кВтч.

Одним из способов повышения КПД ГТД является усложнение рабочего цикла, наиболее широко применяются циклы ГТД с регенерацией и промежуточным охлаждением, тогда =31, 5%, =0, 270 кг/кВтч.

Усложнение рабочего цикла приводит к увеличению массогабаритных показателей и снижению надежности ГТД. Использование ГТУ с теплоутилизирующим контуром (ГТУ с ТУК) позволяет избегать этих недостатков. Примером может служить установка М-25 сухогрузного судна «Капитан Смирнов», состоящая из ГТД и паровой турбины, пар для которой вырабатывается утилизационным парогенератором за счет теплоты отработанных газов ГТД. Схема отечественной парогазовой установки ГТУ М-25 дана на рис. 5

Рис.5 Схема ГТУ с ТУК (ГТУ М-25)

Судно «Капитан Смирнов» имеет два главных газотурбинных агрегата М-25, работающих каждый на ВФШ, их суммарная мощность обеспечивает судну скорость около 27 узлов. Агрегат М-25 имеет мощность 18400кВт при частоте вращения 130 об/мин на выходном валу. Отношение мощности паровой турбины к мощности ГТД

Применение ТУК повышает КПД установки и уменьшает удельный расход топлива

Дальнейшее развитие ГТД связывают с освоением более высоких температур рабочего тела, для чего требуется создание более жаропрочных материалов, что решается в настоящее время введением в конструкцию турбины элементов металлокерамики.

В ГТУ закрытого цикла (рис.6.) в рабочем процессе участвует одно рабочее тело, совершающее кругооборот в изолированном от атмосферы замкнутом тракте. Рабочее тело воздух или какой либо инертный газ сжимается в компрессо­ре 4 и направляется через нагреватель 6, который повышает его температуру при постоянном давлении до 650-750 С, в турбину 3. Здесь рабочее тело расширяется до давления, близкого к давлению перед компрессором. Далее оно охлаж­дается забортной водой в охладителе 5 до начальной темпе­ратуры цикла. Мощность турбины расходуется на привод ком­прессора и через редуктор 2 используется для привода гребного винта 1. В качестве нагревателя в обычных ГТУ применяют воздушный котел, работающий на органическом то­пливе, в ядерных ГТУ - ядерный реактор.

Рис.6. Принципиальная схема ГТУ закрытого цикла