Область применения газотурбинных двигателей, их преимущества и недостатки по сравнению с другими типами тепловых двигателей,

На судах икораблях многих стран мира в составе газотурбинных и дизель-газотурбинных энергетических установок широко применяются главные и вспомогательные газотурбинные двигатели (ГТД), так как они обладают важными положительными качествами (рис.1,2). Газотурбинные и дизель-газотурбинные энергетические установки (ГТЭУ и ДГТЭУ) обеспечивают кораблю высокие боевые возможности, связанные со значительной полной боевой скоростью, большой автономностью, повышенными запасами боеприпасов из-за минимальных массогабаритных показателей установок и т.п.

Рис.1. Типы энергетических установок Российского ВМФ

Газотурбинные двигатели используются на боевых надводных кораблях различных классов и различного водоизмещения. Главные газотурбинные и дизель-газотурбинные энергетические установки по количественному составу составляют большую часть энергетических установок боевых кораблей водоизмещением до 10 000 т, а в отдельных случаях применяются на кораблях водоизмещением до 20 000 т (авианесущий корабль ВМС Великобритании «Invincible »).

Рис.2. Типы энергетических установок иностранных ВМС

Газотурбинные двигатели в составе ГТЭУ и ДГТЭУ обладают определёнными достоинствами, а именно:

· высокой энергоёмкостью, характеризуемой удельной мощностью 1÷3 МВт/м³ (1÷2 МВт/т) и значительной агрегатной мощностью (40 ÷ 50 МВт);

· приемлемой экономичностью на режимах номинальной нагрузки
(0,190 ÷ 0,200 кг/кВтч) и малым расходом ГСМ в целом;

· высокой манёвренностью и готовностью к действию (экстренное приготовление к действию – 10 ÷ 15 мин, время запуска –120÷180 с, время выхода на номинальный режим – 5 ÷ 15 мин, реверс–10 ÷ 45 с);

· высокой автоматизацией процессов управления, малой трудоёмкостью технического обслуживания, высокой ремонтопригодностью;

Газотурбинные двигатели появились на кораблях совсем недавно, во второй половине прошлого века. Они возникли на основе достижений науки и техники, а в их конструкции нашли применение качественные жаропрочные и титановые сплавы, другие современные конструкционные материалы. Детали и узлы ГТД изготавливаются на высокоточном оборудовании с использованием достижений авиационной и космической технологий. Это необходимо для того, чтобы обеспечить рабочий процесс при высоких температурах газа (1200 ⁰С и более), давлениях (до 2 МПа) и при частотах вращения роторов турбин и компрессоров 10-20 тысяч оборотов в минуту. Главные ГТД имеют мощность от 4 до 20 тысяч киловатт и, как уже указывалось, применяются на кораблях различных классов: ракетных катерах, эскадренных миноносцах, больших противолодочных кораблях, крейсерах и даже на авианосцах. В зависимости от класса на корабле могут быть один или несколько двигателей. Если главных ГТД несколько, то они используются вместе на полной боевой скорости и по отдельности, на пониженных скоростях. На отдельных проектах кораблей для обеспечения экономических ходов применяют специальные маршевые ГТУ.

Вспомогательные ГТД используются для привода электрических генераторов мощностью от нескольких десятков до 2 000 кВт. Их называют газотурбогенераторы (ГТГ). Таких ГТГ на корабле может быть несколько. Они проще по конструкции, чем главные ГТУ, но имеют такие же высокие температуры и давления газа и повышенные частоты вращения. Обычно ГТГ имеют большой ресурс и могут непрерывно работать длительное время без остановки для технического обслуживания. Вспомогательные ГТУ обладают высокой готовностью к действию и поэтому их часто используют для привода не только генераторов тока, но и аварийных средств, например, пожарных или водоотливных насосов.

В 1791 г. англичанин Дж. Барбер впервые предложил идею создания газо­турбинного двигателя. Он состоял из газогенератора, включающего поршневой компрессор (К) и камеру сгорания (КС), газовой турбины (Т) и нагрузки, сое­диненной с газовой турбиной.

Газотурбинный двигатель - тепловой двигатель непрерывного действия, в лопа­точном аппарате которого энергия сжатого в компрессоре и нагретого в камере сгорания газа преобразуется в механическую работу на валу турбины. По конструкции газовые турбины близки к па­ровым турбинам, идея которой высказывалась ещё в I в. до н. э. Героном Александрийским.

За 100 лет после Барбера так никому и не удалось реализо­вать его идеи. Лишь в 1892 г русский инженер П.Д. Кузьминский разработал проект, а 1900 г построил газотурбинный двигатель со сгоранием топлива при постоянном давлении, предназначенный для небольшого катера. В этом ГТД была применена многоступенчатая газовая турбина.

В России быстрое развитие корабельных ГТЭУ началась с первого газотурбинного двигателя М1, установленного в качестве ускорительного двигателя на торпедных катерах пр.183тк. Созданный конструкторским бюро под руководством С.Д. Колосова в 1952 году, этот двигатель стал первым и очень важным этапом в дальнейшем развитии корабельного газотурбостроения нашей страны.

Почти пятидесятилетний опыт эксплуатации ГТД на кораблях отечественного флота и Военно-морских сил других стран показал, что для обеспечения надёжной работы газотурбинной техники требуются специалисты высокой квалификации. Они должны не только хорошо знать устройство механизмов и систем, но и твёрдо понимать смысл всех действий по приготовлению к запуску, обслуживанию во время работы, остановке или поддержанию установок в готовности.

Классификация корабельных газотурбинных установок

Классификация главных ГТУ по назначению

Как отмечено выше, газотурбинные двигатели и установки обладают высокой экономичностью на режимах полной мощности и одновременно небольшими размерами и массой. Кроме того, ГТД имеют высокую манёвренность и хорошие динамические характеристики. Поэтому эти двигатели наиболее часто применяются в комбинированных энергетических установках (ЭУ) боевых кораблей. Комбинированные установки используются на кораблях различных классов от ракетных катеров до больших противолодочных кораблей и ракетных крейсеров.

Газотурбинные двигатели в комбинированных ЭУ применяются в качестве маршевых или форсажных двигателей. Маршевые ГТД чаще всего используются в газо-газотурбинных энергетических установках, где форсажными двигателями также являются ГТД. Газотурбинные двигатели могут применяться совместно с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) или с котлотурбинными установками (КТУ), которые в этом случае чаще всего используются в качестве маршевых. При создании комбинированных ЭУ стараются реализовать очевидный принцип: применение ГТД экономически выгодно тогда, когда доля времени его работы на номинальной нагрузке будет преобладающей при использовании на корабле.

На кораблях водоизмещением менее 3 000 т чаще используют дизель-газотурбинные энергетические установки при совместной работе дизеля и ГТД на полной боевой скорости (ДГТЭУ) и газо-газотурбинные энергетические установки (ГГТЭУ), которые содержат маршевые и форсажные ГТД, в то время как на кораблях большего водоизмещения (до 10 000 т) в основном применяют ГГТЭУ. Если обратить внимание на классы кораблей, то видно, что корабли небольшого водоизмещения, для которых требуется высокая полная боевая скорость при повышенной манёвренности (ракетные, патрульные, сторожевые катера) чаще всего имеют ДГТЭУ и иногда ГГТЭУ. Комбинированные установки, в составе которых имеются форсажные ГТД и маршевые ДВС, применяют также на противолодочных кораблях, фрегатах, сторожевых кораблях, которым много времени приходится находиться в районе поиска подводных лодок, двигаясь при этом малыми скоростями, а при необходимости на повышенных скоростях выходить в заданный район или точку атаки.

Большие противолодочные корабли, ракетные крейсера, эскадренные миноносцы чаще всего оснащаются установками, которые условно можно назвать “однородными”, т.е. основанными на одном типе двигателей.

Корабли ещё большего водоизмещения, например, тяжёлые крейсера и авианесущие корабли пока ещё редко имеют газотурбинные энергетические установки.

Известен положительный опыт применения ГГТЭУ на авианесущих кораблях в ВМС Англии и Италии. Основной проблемой при использовании газотурбинной энергетики на этих кораблях является размещение шахт воздухоприёма и газовыхлопа таким образом, чтобы не нарушить целостность полётной палубы и ангара для самолётов и одновременно исключить влияние потоков горячих выхлопных газов работающих ГТД на использование палубной авиации.

Особенности рабочего процесса в судовых ГТД

Рабочим процессом в газотурбинном двигателе называют непрерывную последовательность сжатия воздуха, его нагрева при сжигании топлива и расширения сжатого и нагретого газа для получения полезной работы. Для того осуществления рабочего процесса служат компрессор, камера сгорания и турбина. Рабочий процесс в ГТД имеет определённые особенности.

Газотурбинный двигатель потребляет большое количество воздуха, на сжатие которого затрачивается значительная мощность. Чтобы сократить затраты мощности на вращение компрессора необходимо сжимать воздух с высоким коэффициентом полезного действия. Высоким КПД обладают осевые компрессоры, которые в основном и применяются в газотурбинных двигателях.

Нагрев рабочего тела (воздуха) в камере сгорания происходит при сжигании мелко распылённого жидкого топлива, которое подаётся под большим давлением через топливные форсунки. Таких форсунок может быть десять и больше. На сгорание топлива идёт только часть воздуха, подаваемого компрессором. Воздух, который не участвует в горении, смешивается с продуктами сгорания и образует новое рабочее тело - газ, который поступает на сопловые лопатки турбины. В сопловом аппарате и затем на рабочих лопатках турбины газ расширяется, в результате чего получается полезная работа. Часть этой работы затрачивается на вращение компрессора, а остальная на привод потребителя мощности, например гребного винта.

Для получения высокой экономичности турбины и соответственно всей установки ротор турбины должен вращаться с большой частотой, а для гребного винта требуются пониженные обороты. Уменьшение частоты вращения происходит в редукторе.

При запуске газотурбинного двигателя для воспламенения топлива в камере сгорания требуется подать сжатый воздух с расчётными значениями давления и температуры. Для сжатия воздуха необходимо раскрутить ротор компрессора до больших оборотов. Раскрутка ротора компрессора при запуске выполняется стартёром. Чаще всего в качестве стартёра применяют электродвигатель постоянного тока большой мощности (несколько десятков киловатт). Применяют также электродвигатели переменного тока, воздушные турбины или специальные вспомогательные ГТД.

Топливо в камере сгорания при запуске воспламеняется искрой от свечи высокого напряжения, создаваемого трансформатором зажигания. Свеча работает несколько десятков секунд, после чего в камере сгорания происходит постоянное самовоспламенение топливо воздушной смеси. В первый момент после начала горения топлива в камере сгорания ещё недостаточно воздуха и поэтому температура газов перед соплами турбины максимальная. Затем температура постепенно снижается. Металл лопаток может только кратковременно работать при такой температуре и поэтому каждый запуск ГТД вызывает накопление повреждений в деталях турбины. Вот почему важно обеспечить в эксплуатации надёжность каждого запуска и исключить неудавшиеся запуски, например, из-за разрегулирования автоматики.

После завершения запуска двигатель работает на режиме холостого хода, который часто является режимом прогрева. Прогрев двигателю необходим для выравнивания температур в деталях и уменьшения вследствие этого температурных напряжений. На режиме прогрева двигатель осматривают и проверяют его готовность к работе на повышенной мощности.

После камеры сгорания горячий газ поступает в турбину. Сначала в сопловых и затем в рабочих лопатках турбины происходит расширение газа. При уменьшении давления и температуры газа возникает полезная работа, которая преобразуется во вращение ротора турбины. С ротором турбины соединяется потребитель мощности, которым может быть компрессор, редуктор или электрогенератор. Турбин в двигателе может быть несколько и каждая турбина в двигателе в этом случае имеет свой потребитель мощности.

Расширение газа в турбине заканчивается на последних ступенях последней турбины, после чего газ идёт в газовыхлопное устройство и выводится в атмосферу.