Болдырев О.Н. Судовые энергетические установки.

А. Мощностные показатели

А.1. Абсолютные мощностные показатели

– эффективная мощность главного двигателя

(мощность, снимаемая с выходного фланца двигателя);

– суммарная мощность ГЭУ, передаваемая валопроводу;

– суммарная мощность, подведенная к движителю;

– мощность электроэнергетической системы.

 

Рис. 2. Структурная схема передачи мощности от главного двигателя к движителю.

 

 – КПД главной передачи и валопровода;  – изменение оборотов движителя;

 – изменение мощности двигателя.

 

Для судна в целом используют и такой показатель, как буксировочная мощность или мощность полезной тяги:

где:

– КПД гребного винта и коэффициент влияния корпуса судна на работу винта, соответственно.

     

А.2. Относительные мощностные показатели:

 

К этим показателям относят:

энергонасыщенность судна:         ,  [кВт/т];  

относительную мощность ЭЭС : .

 

где:  – полное водоизмещение судна.

 

Б. Показатели экономичности

 

Экономичность характеризует способность СЭУ обеспечить максимальную дальность плавания корабля или судна при минимальных затратах топлива.

 

Различают следующие показатели экономичности:

 

часовой расход топлива        – , [т/ч];

удельный расход топлива – ;

где: и – мощности, необходимые для работы вспомогательных механизмов ГЭУ и общесудовых потребителей;

 

эффективный КПД установки    –

где:  , [кДж/кг] – низшая теплота сгорания топлива;

 

На практике часто применяется показатель, который характеризует не только качество СЭУ, но и свойства гидродинамического комплекса

«корпус – движитель – двигатель». Этим показателем является расход топлива на милю:

                                                             , [т/милю]

 

где: – средняя скорость судна на данном отрезке пути.

 

Все экономические показатели зависят от мощности СЭУ, развиваемой на данном ходовом режиме. Характер изменений экономических и мощностных показателей в зависимости от скорости движения судна показан на рис. 3. Из графиков зависимостей видно, что расход топлива на милю  имеет минимальное значение при некоторой скорости хода судна. Соответственно путь, пройденный судном при минимальном значении , является максимальным.

 

Скорость судна, при которой расход топлива на милю пути минимален, а дальность плавания имеет максимальное значение, называют экономической скоростью (ЭС).

 

Рис. 3. Зависимость изменения экономических показателей ЭУ и дальности плавания

от скорости движения судна.

 

Максимальной скоростью (МС) называют такую скорость движения судна, которая может быть достигнута при максимальной мощности ЭУ, определенных погодных условиях и нормальном водоизмещении.

 

Для боевых кораблей также различают:

- экономическую боевую скорость (ЭБС) – экономическую скорость корабля при работе всех боевых и технических средств в режиме, обеспечивающем боевую готовность и готовность ГЭУ к работе на полную мощность; ЭБС обычно на 3 ÷ 4 узла больше ЭС, а мощность ЭУ на ЭБС соответствует 15 ÷ 25 % от максимальной;

 

- полную боевую скорость (ПБС) – максимальную скорость корабля при работе боевых и технических средств в режиме, обеспечивающем полную боевую готовность; ПБС соответствует полной мощности ЭУ и гарантируется в течение 15 % времени от ресурса до заводского ремонта;

 

 

В. Показатели автономности

Под автономностью СЭУ понимается суммарная продолжительность ходовых и стояночных режимов работы, обеспечиваемая запасами топлива, масла и технической воды:

где:  и – продолжительность ходовых и стояночных режимов работы;

В свою очередь, время ходового режима:

где:

 – дальность плавания в милях при i-м ходовом режиме со скоростью u _i, уз.

 

Характер и относительная продолжительность режимов работы СЭУ определяют различную автономность при одних и тех же энергетических запасах.

 

 

Д. Показатели надежности

 

Надежностью называется свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые задачи в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

 

К основным показателям надежности относят: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

 Безотказностью называется способность СЭУ сохранять работоспособное состояние в течение заданного промежутка времени.

 

Под работоспособным состоянием понимается такое состояние СЭУ, при котором значения всех параметров соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Нарушение работоспособного состояния СЭУ называется отказом.

 

Отказы классифицируются:

- по характеру возникновения: на внезапные и постепенные;

- по причине возникновения: на конструктивные, производственные и эксплуатационные;

- по степени устойчивости: на устойчивые, сбои, перемежающиеся и самоустраняющиеся;

- по связи элементов между собой: на независимые и зависимые.

 

Основными показателями безотказности являются: вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа и на отказ, интенсивность отказов и др.

 

Долговечностью называют свойство СЭУ сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

 

Качественными показателями долговечности являются: назначенный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации СЭУ, по достижении которой применение СЭУ по назначению прекращается; и ресурс.

 

Ремонтопригодностью называется свойство СЭУ, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Ремонтопригодность СЭУ зависит от типа и расположения установки, трассировки трубопроводов и кабелей, трудоемкости обслуживания, наличия ЗИП, уровня подготовки личного состава и др. факторов.

 

Сохраняемостью называют свойство СЭУ сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования.

 

Комплексными показатели надежности являются:

коэффициент технического использования – ;

коэффициент готовности                     – .

 

Коэффициентом технического использования называется отношение времени пребывания СЭУ в работоспособном состоянии ко времени простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период эксплуатации:

где:    

– суммарное время работы за период эксплуатации;

Т_Р – время ремонта; Т_ПР – время простоя;

Т_ТО – время технического обслуживания;

 

Физический смысл  – вероятность того, что в произвольный промежуток времени механизм работает, а не ремонтируется.

 

Коэффициентом готовности называется отношение вида:

где:    

 – время ремонта;           – время до отказа;

 

Физический смысл – вероятность того, что механизм находится в работоспособном состоянии в произвольно взятый момент времени в промежутках между плановыми осмотрами и ремонтами.

Е. Маневренные показатели

 

Маневренные качества СЭУ зависят от назначения судна (корабля). К ним относятся:

- продолжительность подготовки СЭУ к пуску;

- время, необходимое для доведения мощности до полной;

- время реверса.

 

 

Ж. Показатели живучести

Живучестью СЭУ называется ее способность противостоять аварийным (и боевым – для кораблей) повреждениям, сохраняя и восстанавливая в возможной степени свою работоспособность.

 

Различают следующие показатели живучести:

 

- защищенность – проявляется в ударостойкости, брызгозащищенности и способности оборудования СЭУ работать в затопленном помещении.

- восстанавливаемость – обеспечивается конструкцией СЭУ, ее размещением в отсеках, автоматизацией аварийных переключений.

- избыточность – обеспечивается резервированием и дублированием наиболее важных механизмов и систем СЭУ.

 

 

Общие понятия термодинамики

 

Всякое тело обладает определенной внутренней энергией, зависящей только от его состояния. Внутренняя энергия тела – это сумма многих составляющих, в том числе внутриатомной и внутриядерной энергий. Но в термодинамике принимают в расчет только те виды внутренней энергии, которые изменяются в термодинамических процессах. К этим видам энергии относятся:

- внутренняя кинетическая энергия – энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул (атомов) тела;

- внутренняя потенциальная энергия – энергия, зависящая от взаимного положения частиц тела и связанная с силами межмолекулярного (межатомного) притяжения и отталкивания.

 

Внутренняя энергия тела зависит от его массы, температуры и вещества, из которого состоит тело, а для постоянной массы одного и того же вещества внутренняя энергия тела зависит только от его температуры.

Так как внутренняя энергия тела может изменяться – уменьшаться или увеличиваться, то изменение внутренней энергии тела зависит только от изменения температуры. И чем больше изменение температуры тела, тем значительнее изменение его внутренней энергии.

Для описания состояния термодинамической системы вводятся физические величины, которые называются термодинамическими параметрами или параметрами состояния системы.

 

Обычно к термодинамическим параметрам системы относят:

давление           –  ;

температуру   – ;

удельный объем – .

 

Давлением называется физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности тела по направлению внешней нормали к этой поверхности:                

                                                             , [Па]

 

Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и измеряется с помощью манометров, барометров и вакуумметров.

Удельный объем – это объем единицы массы вещества или величина, обратная плотности ( ) тела:

           , [м³/кг]

Для однородного тела удельный объем равен объему тела, масса которого равна единице.

 

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

Температура является мерой интенсивности теплового движения молекул (атомов, ионов) тела. Температуру тела можно измерять только косвенным путем, основываясь на том, что целый ряд физических свойств тела, поддающихся прямому или косвенному измерению, зависит от температуры (например, при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры и объем, плотность, электрическое сопротивление, упругие свойства и т.д.)

 

Термодинамическое состояние любого тела полностью определяется любыми двумя вышеперечисленными параметрами. Все параметры состояния связаны между собой уравнениями состояния:

 

       

 

Наиболее известным из уравнений состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона:

                                                                      

 

где:  

– масса вещества;

– молярная масса вещества (отношение массы вещества к количеству молей, которое в нем содержится);

[Дж/(моль∙К)] – универсальная газовая постоянная. Универсальность R вытекает из закона Авогадро, согласно которому моли всех идеальных газов при одинаковых давлениях и температурах занимают одинаковые объемы;

 

Для 1 кг однородного газа уравнение состояния примет вид:    

          

 

Если состояние любой термодинамической системы можно определить по любым двум вышеперечисленным параметрам (вычислив третий параметр по уравнению состояния), то вполне реально изобразить термодинамическое состояние вещества графически: виде точки на плоскости в системе координат.

Исходя из рассмотренных выше основных термодинамических параметров состояния вещества ( ), возможны следующие варианты систем координат, связанных с параметрами состояния (рис. 4):

 

Рис. 4. Системы координат, связанные с термодинамическими параметрами

состояния вещества

 

Каждой точке на диаграмме соответствует свое состояние вещества, характеризуемое значениями термодинамических параметров при проекции на оси координат, и третьим параметром, связанным с ними уравнением термодинамического состояния вещества (рис. 4).

 

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы для всех точек термодинамической системы, то такая система называется равновесной. Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то эта система является неравновесной. В неравновесной системе под действием градиентов параметров всегда существуют потоки теплоты и вещества, стремящиеся вернуть систему в состояние равновесия.

 

Еще одним важным термодинамическим параметром состояния вещества является энтропия, характеризующая количество теплоты, подведенной к телу или отведенной от него:

, [Дж/К]

Подобно любой другой функции состояния энтропия может быть представлена в виде функции любых двух других параметров состояния:

 

 

 

и с понятием «энтропия» также можно связать системы координат, отображающие термодинамическое состояние тела. Наиболее часто в термодинамике используются диаграммы  (рис. 5), в которых удобно изображать термодинамические процессы, происходящие в различного рода тепловых двигателях – газотурбинных и паросиловых установках.

 

Рис. 5. Система координат .

При рассмотрении различных термодинамических процессов представляет интерес не абсолютное значение энтропии, а ее изменение в этих процессах. Поэтому обычно пользуются относительным значением энтропии вещества, рассчитанным относительно произвольно выбранной точки отсчета.

 

В термодинамике важную роль играет сумма внутренней энергии системы –  и произведения давления системы на ее объем, называемая энтальпией:

                                             [Дж];

 

Удельная энтальпия (отнесенная к единице массы) представляет собой энтальпию системы, содержащей 1 кг вещества:

 [Дж/кг];

 

Так как входящие в энтальпию величины являются функциями состояния, то она также может быть представлена в виде функции двух любых параметров состояния:

 

         

 

и энтальпию, как и энтропию, так же можно связать с другими параметрами состояния через системы координат.

В теплотехнике наиболее часто используют систему координат   –«энтальпия – энтропия» (рис. 6).

 

При расчетах практический интерес представляет изменение энтальпии в конечном процессе.

 

Изменение энтальпии в любом процессе не зависит от характера процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями тела.

 

Разность энтальпий между начальным и конечным термодинамическими состояниями тела, вычисленная в диаграмме  называется теплоперепадом – Н _a:                     Рис. 6. Система координат i – s.

                                                            

  [Дж/кг];

 

В  диаграммах очень удобно изображать термодинамические процессы, происходящие с водой и водяным паром, поэтому такие диаграммы всегда используют для инженерных расчетов и построений термодинамических процессов при проектировании паросиловых установок.

 

Важным термодинамическим свойством вещества является его теплоемкость.

Теплоемкостью тела – С,  называется физическая величина, численно равная отношению количества теплоты , сообщаемого телу, к изменению температуры тела  в данном термодинамическом процессе:

, [Дж/К];

т. е. теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо передать телу для его нагревания на 1 К (1 ^оС).

 

Значение теплоемкости зависит от массы вещества, его химического состава, термодинамического состояния и процесса, в котором сообщается или отбирается теплота, поэтому на практике обычно рассматривается удельная теплоемкость вещества, отнесенная к единице массы:

, [Дж/кг ×К];

Так как теплоемкость вещества зависит от характера протекаемого термодинамического процесса, то в термодинамике при расчетах различают:

теплоемкость при постоянном давлении:  

равную отношению количества теплоты, сообщенной телу при постоянном давлении, к изменению температуры тела;

теплоемкость при постоянном объеме:

равную отношению количества теплоты, подведенной к телу при постоянном объеме, к изменению температуры тела.

 

Численные значения теплоемкости для каждого конкретного вещества и определенных условий можно найти в специальных таблицах.

 

 

Фазовые переходы вещества.

Термодинамические циклы

 

Термодинамическим циклом называется непрерывная последовательность периодически повторяющихся термодинамических процессов, в результате которых термодинамическое состояние рабочего тела в начале и в конце цикла совпадают.

 

Рассмотрим произвольный термодинамический цикл в различных системах координат:

В  диаграмме (рис. 11) рабочее тело при расширении от объема  до объема  (процесс ) совершает работу расширения – , численно равную площади диаграммы .

В дальнейшем, в ходе процесса , над рабочим телом производится работа, в результате которой оно сжимается от объема  до объема . Работа сжатия – , совершаемая над рабочим телом, численно равна площади диаграммы .

Разность работ расширения и сжатия (площадь фигуры ) равна полезной работе, совершенной в цикле:

 

Рис. 11. Произвольный термодинамический цикл в координатах  и .

Для того, чтобы тепловой двигатель непрерывно производил полезную работу, работа расширения должна быть больше работы сжатия. Поэтому кривая сжатия  должна лежать ниже кривой расширения .

В диаграмме  (рис. 11) аналогичный цикл выглядит следующим образом:

Весь цикл можно разбить на два участка: , на котором к рабочему телу производится подвод теплоты – , количество подведенной теплоты в цикле равно площади, описываемой фигурой ; и , на котором от рабочего тела отводится теплота , численно равная площади .

 

В точках 1 и 2 подвод и отвод теплоты отсутствуют, а поток теплоты меняет свой знак. Разность между подведенной теплотой в цикле  и отведенной теплотой  составляет полезную работу цикла. Она численно равна площади фигуры :

 

Таким образом, для непрерывной работы теплового двигателя необходим циклический процесс, в котором к рабочему телу от горячего источника подводится теплота  и отводится от него к холодному источнику теплота .

Рис. 12. Обратный термодинамический       цикл в координатах .

Помимо рассмотренных выше прямых термодинамических циклов, в теплотехнике широко используется понятие обратного цикла. В обратном цикле (рис. 12) сжатие рабочего тела происходит при более высокой температуре, чем расширение. Работа сжатия больше работы расширения на величину площади диаграммы , ограниченной контуром цикла. Работа сжатия превращается в теплоту, подводимую к циклу , и передается горячему источнику в виде теплоты . Таким образом, затратив на осуществление обратного цикла работу , можно перенести теплоту от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой. При этом работа, затраченная на осуществление цикла, будет равна разности площадей фигур  и :

 

Таким образом, для осуществления прямого термодинамического цикла к рабочему телу необходимо подвести большее количество теплоты –  при большей температуре и отвести меньшее количество теплоты –  при меньшей температуре. Для осуществления обратного термодинамического цикла к рабочему телу необходимо подвести меньшее количество теплоты –  при меньшей температуре и отвести большее количество теплоты –  при большей температуре.

Прямые циклы лежат в основе работы теплосиловых установок, в которых за счет подвода теплоты совершается полезная работа. Обратные циклы лежат в основе холодильных установок и тепловых насосов. В холодильных установках за счет затраты работы цикла  отводится теплота  из холодильной камеры (испарителя); в тепловых насосах подвод теплоты  на нужды теплофикации осуществляется за счет работы цикла .

 

Тепловой двигатель   Холодильная установка          Тепловой насос

Из рассмотренных выше прямых и обратных циклов видно, что при заданных значениях температур «горячего» –  и «холодного» –  источников, максимальная работа цикла будет равна фигуре, имеющей максимальную площадь. Такой фигурой в системе координат  является прямоугольник. Таким образом, максимальную работу в тепловом двигателе можно получить, если организовать цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 13). Этот идеальный цикл называется циклом Карно (по имени французского ученого Сади Карно, впервые описавшего его).

При осуществлении реальных прямых и обратных циклов одним из источников теплоты, как правило, является температура окружающей среды  –  (температура воздуха или забортной воды).

 

Экономичность любого цикла можно оценить коэффициентом полезного действия:

Рис. 13. Способы осуществления прямого и обратных циклов Карно.

 

· для прямых циклов теплосиловых установок это термический КПД:

       

          – в общем виде;

                 

– для идеального цикла Карно;

 

· для обратных циклов холодильных установок это холодильный коэффициент:

   – в общем виде;

    – для идеального цикла Карно;

 

· для обратных циклов тепловых насосов это отопительный коэффициент:

– в общем виде;

    – для идеального цикла Карно.

где:

 и – средние значения температур в процессах подвода и отвода теплоты.

 

Таким образом, любой термодинамический цикл, осуществляемый в заданных пределах температур горячего и холодного источников  и , можно рассматривать как вписанный внутрь идеального цикла Карно, осуществляемого в том же диапазоне температур.

 

Основные понятия теории теплообмена

 

Теплообменом называется самопроизвольный необратимый процесс распространения теплоты в пространстве, обусловленный разностью температур.

В природе существует три основных способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение.

 

Теплопроводностью называется перенос теплоты от более горячего тела к более холодному при их непосредственном контакте, или от более нагретой части тела к менее нагретой, обусловленный взаимодействием микрочастиц (атомов и молекул), имеющих различную кинетическую энергию.

Молекулы и атомы, из которых состоит тело, движутся со скоростями, пропорциональными их температуре. За счет взаимодействия друг с другом быстродвижущиеся микрочастицы отдают часть своей энергии более медленным, перенося таким образом теплоту из зоны с высокой температурой в зону с более низкой температурой.

 

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности вещества – , [Вт/(м ×К)], который можно найти в специальных справочниках для каждого конкретного вещества, и разностью температур между нагретой и холодной частями тела (нагретом и холодном телах при их контакте).

 

Конвекцией (конвективным теплообменом) называется перенос теплоты вследствие пространственного перемещения вещества.

 

Конвекция наблюдается в текучих средах (жидкостях и газах) и, как правило, сопровождается теплопроводностью. Однако конвективный перенос тепла в жидкостях и газах является определяющим, поскольку он значительно интенсивнее теплопроводности.

Процесс обмена теплотой между твердой поверхностью и жидкостью или газом путем и теплопроводности и конвекции одновременно называется конвективным теплообменом или теплоотдачей (рис. 14.а).

Процесс переноса теплоты от одной текучей среды к другой через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей (рис. 14.б).

Поверхность тела, через которую в процессе теплопередачи переносится теплота, называется поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Интенсивность конвективного теплообмена (теплоотдачи или теплопередачи) зависит от площади поверхности теплообмена, скорости движения среды относительно поверхности и от разности температур жидкости (газа) и стенки.

Рис. 14. К понятиям теплоотдачи (а) и теплопередачи (б).

 

Количество теплоты, переданной конвективным теплообменом:

 

                                  , [Дж]

где:

 – коэффициент теплоотдачи, зависящий от многих факторов. Коэффициент теплоотдачи либо определяется экспериментальным путем, либо вычисляется по формулам для каждого конкретного случая теплообмена (теплообмен с плоской поверхностью, с цилиндрической поверхностью, с многослойной стенкой, продольное или поперечное обтекание тела и др.);

, [м²] – площадь поверхности нагрева;

, [К] – температуры жидкости и стенки соответственно.

 

Лучистым теплообменом называется теплообмен посредством электромагнитного поля с двойным взаимным превращением энергии:  тепловой энергии в энергию поля и наоборот.

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тела в энергию электромагнитных колебаний. При попадании тепловых лучей (волн) на тело их энергия частично поглощается им, снова превращаясь во внутреннюю энергию данного тела.

Тепловой поток, излучаемый телом, зависит от природы этого тела и его температуры. Излучением теплота передается через все лучепрозрачные среды, в том числе и через вакуум. Носителями энергии при лучистом теплообмене являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами. Схема лучистого теплообмена между двумя телами приведена на рис. 15. Здесь:

 

–  – температуры 1 и 2 тела;

–  – коэффициенты поглощения

    1 и 2 тела;

–  – энергия собственного

 излучения первого тела на

 второе;

–  – энергия собственного

 излучения второго тела на

 первое.

 

Рис. 15. Схема теплообмена излучением            между двумя телами.

В большинстве случаев теплообмен происходит сочетанием всех трех способов, но часто одним или даже двумя видами теплообмена пренебрегают ввиду их относительно небольшого вклада в суммарный сложный процесс теплопереноса.

ГЛАВА 1.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

 

Топливная система

 

Топливная система обеспечивает подачу топлива в рабочие цилиндры. Топливная система дизельного двигателя состоит из топливных систем низкого и высокого давления.

 

Топливная система низкого давления предназначена для предварительной подготовки топлива и подачи его к топливной системе высокого давления. Предварительная подготовка включает в себя подогрев топлива до необходимой температуры (снижение его вязкости), фильтрацию, ввод присадок и др. необходимые операции. Топливная система низкого давления включает в себя следующие основные элементы: запасные и расходные топливные цистерны, фильтры, насосы, сепараторы, подогреватели топлива и топливопроводы низкого давления.

Топливная система высокого давления осуществляет точную дозировку топлива в зависимости от режима работы дизеля, распределение топлива по цилиндрам и впрыскивание топлива в камеру сгорания двигателя с необходимым давлением. Топливная система высокого давления включает в себя: топливный насос высокого давления – ТНВД, форсунки и топливопроводы высокого давления. Топливные системы высокого давления могут исполняться разделенного и неразделенного типов. В разделенных системах ТНВД и форсунка соединены между собой топливопроводом высокого давления, в неразделенных – объединены в общем корпусе и образуют систему насос–форсунка.

 

ТНВД в МОД и СОД обычно выполняются автономными для каждого цилиндра. Для ВОД как правило используются блочные насосы, в которых плунжерные пары, состоящие из плунжера и втулки, размещаются в общем корпусе (рядном или V-образном). Привод ТНВД судовых дизелей обычно выполняется механическим от кулачкового распределительного вала.

Форсунки предназначены для впрыскивания порции топлива в камеру сгорания двигателя в мелко распыленном виде. Обычно в дизельных двигателях применяются форсунки различных типов: открытые, нормальные закрытые, клапанно-сопловые и штифтовые. Тип используемой в дизеле форсунки определяют: способ подачи топлива в цилиндр и необходимая при сгорании форма факела.

Насос-форсунки применяют для получения высокого давления впрыска, превышающего 100 МПа. Насос-форсунка объединяет в одном агрегате насосную секцию и распылитель форсунки. Это позволяет избежать применения толстостенных топливопроводов высокого давления. Насос-форсунки устанавливаются, как правило, непосредственно на крышке цилиндра и имеют индивидуальный рычажный или штанговый привод.

Основными функциями топливоподающей аппаратуры являются:

- точная дозировка подачи топлива на цикл;

- обеспечение требуемого давления впрыска топлива на определенном участке рабочего цикла в течение короткого промежутка времени;

- возможность изменения моментов опережения впрыска топлива;

- равномерное распределение топлива по отдельным цилиндрам;

- обеспечение оптимального характера протекания процесса впрыска;

- обеспечение надежной работы аппаратуры на всех заданных режимах;

 

Схема типичной топливной системы дизельной энергетической установки, работающей на тяжелом топливе, изображена на рис. 31.

Рис. 31. Схема топливной системы ДЭУ, работающей на тяжелом топливе.

 

Изображенная на рисунке система приспособлена для работы на мало- и высоковязком топливе, а также их смеси в различных пропорциях. Перед запуском главного двигателя ГД система должна быть заполнена легким топливом, не требующим подогрева. Топливо из расходной цистерны легкого топлива  РТЦ ЛТ через расходомер Р подается в смесительную цистерну. Маловязкое топливо из смесительной цистерны поступает к топливоподкачивающим насосам ТПН и через фильтр тонкой очистки Ф1 к насосу высокого давления ТНВД и форсункам ГД, минуя ветвь подогревателя ТП. На установившемся режиме работы ГД его можно переводить на высоковязкое топливо. Для этого предварительно подогретое топливо из цистерны тяжелого топлива РТЦ ТТ через расходомер Р начинают подавать в смесительную цистерну, а подачу маловязкого топлива из цистерны легкого топлива прекращают. По мере увеличения содержания высоковязкого топлива в смесительной цистерне вязкость смеси растет, и смесь подается к двигателю через ветвь подогрева с регулятором вязкости РВ, воздействующим на расход греющей среды через подогреватель топлива. Двигатель переходит на высоковязкое топливо. Отсечное топливо от насосов высокого давления и форсунок возвращается в смесительную цистерну по трубопроводу. Через отдельный трубопровод производится подача маловязкого топлива к дизель-генераторной установке – ДГУ. Возможна подача на ДГУ подогретого тяжелого топлива через фильтр Ф2. В качестве греющей среды в подогревателе топлива могут использоваться: пар от вспомогательной котельной установки, вода системы охлаждения двигателя.

Система смазки

 

Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся поверхностям дизельного двигателя с целью уменьшения сил трения, отвода теплоты, выделяющейся при трении, очистки поверхностей трения от продуктов износа, нагара и других посторонних частиц.

 

Системы смазки, применяемые в судовых ДЭУ, можно классифицировать по следующим признакам:

 

- по способу обеспечения напора: на гравитационные, принудительные и комбинированные. В гравитационных системах необходимое давление масла обеспечивается за счет напора столба жидкости при размещении расходной масляной цистерны над двигателем. В принудительных системах необходимое давление смазки создается масляным насосом.

 

- по движению масла: на циркуляционные (замкнутые) и линейные (лубрикаторные). В циркуляционной системе масло проходит через смазываемый узел и многократно совершает замкнутый цикл; В линейной системе масло подводится к поверхности смазки один раз и обратно в систему не возвращается (сгорает в цилиндрах двигателя вместе с топливом).

 

- по количеству марок масла: на одномасляные и многомасляные. В одномасляных системах на все смазываемые узлы подается масло одной марки. В многомасляных системах для части смазываемых узлов подается масло своей марки. В мощных судовых дизелях, как правило, применяются три независимые системы смазки: 1) – для смазки подшипников коленчатого вала, шатуна, крейцкопфа, механизма привода газораспределения и топливных насосов; 2) – для смазки зеркала цилиндров и поршней; 3) – для смазки подшипников турбокомпрессора;

- по способу смазки поверхности цилиндра: на системы с принудительной подачей масла и с подачей масла разбрызгиванием. В системах с принудительной подачей смазка небольшими порциями подается на внутреннюю поверхность втулки цилиндра через отверстия от специального насоса – лубрикатора. В системах с разбрызгиванием смазка зеркала цилиндра осуществляется каплями, разбрызгиваемыми кривошипами в объеме картера.

 

- по размещению масла в системе: на системы с сухим картером, с мокрым картером и комбинированные. В системах с сухим картером масло из поддона через специальное отверстие стекает в цистерну и не скапливается в картере двигателя; в системах с мокрым картером картер служит в качестве емкости для масла; в комбинированных системах часть масла находится в картере, часть сливается в расходную цистерну.

 

В состав масляной системы обычно входят: запасные и расходные масляные цистерны, масляные фильтры, маслоохладители и маслоподогреватели, масляные насосы, регуляторы температуры масла, арматура, трубопроводы, КИП.

 

На рис. 32 изображены типичные схемы систем смазки МОД.

 

В циркуляционной системе смазки (рис. 32.а) циркуляция масла осуществляется масляными насосами МН, которые обеспечивают прокачку масла через фильтры МФ и маслоохладитель МО к узлам трения главного двигателя. Один из масляных насосов находится постоянно в работе, второй является резервным. Для поддержания необходимой температуры масла параллельно маслоохладителю включена обводная линия с терморегулирующим клапаном ТРК. После смазки узлов двигателя масло стекает в картер, откуда через фильтр забирается масляными насосами и подается снова в систему.

Рис. 32. Схемы циркуляционной (а) и лубрикаторной (б) систем смазки МОД.

В лубрикаторной системе (рис. 32.б) цилиндровое масло из расходной масляной цистерны РМЦ самотеком поступает к блоку насосов-лубрикаторов Л и затем под давлением – в цилиндры двигателя. В цилиндрах двигателя масло, осуществив смазку, полностью сгорает и обратно в систему не возвращается.

Заполнение расходной масляной цистерны РМЦ из запасной ЗМЦ производится через фильтр с помощью маслоперекачивающего насоса 1 с электроприводом или ручного масляного насоса 2.

 

 

Система охлаждения

 

Система охлаждения предназначена для охлаждения деталей, нагревающихся от трения и теплоты сгорания топлива, и для отвода теплоты от рабочих жидкостей (масла, топлива, воды) и наддувочного воздуха.

 

Системы охлаждения, применяемые в судовых ДЭУ, можно классифицировать по следующим признакам:

 

- по числу водяных контуров: на одноконтурные (проточные) – в которых для охлаждения используется забортная вода; и двухконтурные (замкнутые) – в которых имеется два контура охлаждения: внутренний (пресная вода), охлаждающий полости ГД, и внешний (забортная вода), охлаждающий через теплообменник воду внутреннего контура. Масло, топливо и наддувочный воздух охлаждаются обычно забортной водой.

 

- по температурному уровню: на низкотемпературные – температура охлаждающей воды до 50 ^оС (как правило, одноконтурные системы); умеренные – температура охлаждающей воды в пределах 70 ÷ 90 ^оС (как правило, двухконтурные); высокотемпературные с повышенным давлением (температура охлаждающей воды > 100 ^оС) и испарительные с частичным испарением (температура охлаждающей воды ~ 100 ^оС при нормальном давлении);

 

- по направлению движения охлаждающей воды в двигателе: на системы с естественным направлением движения потока – охлаждающая вода подводится в нижнюю часть полости охлаждения, поднимается вверх по мере повышения температуры и отводится из верхней части; термосифонные – вода подводится в верхней части полости охлаждения, а отводится из нижней.

 

В состав системы охлаждения обычно входит следующее оборудование:

 

- водяные насосы, обеспечивающие циркуляцию охлаждающей воды в системе; В двухконтурных системах применяются насосы забортной воды и насосы пресной воды;

- теплообменники, обеспечивающие отвод в охлаждающую воду избыточной теплоты от жидкостей (топлива, масла, воды внутреннего контура) и наддувочного воздуха;

- расширительная цистерна, предназначенная для компенсации расширения воды вследствие изменения ее температуры, восполнения потерь воды вследствие утечек и испарения, удаления из системы воздуха и водяных паров;

- терморегуляторы, обеспечивающие автоматическое поддержание температуры воды и охлаждаемых жидкостей в заданных пределах;

- трубопроводы, КИП и арматура.

 

Для улучшения охлаждения поршней мощных крейцкопфных двухтактных дизелей иногда применяется отдельная система охлаждения со своим насосом. В качестве рабочей жидкости в такой системе используется дистиллированная вода.

 

Принципиальная схема двухконтурной системы охлаждения ДЭУ изображена на рис. 33.

Рис. 33. Принципиальная схема двухконтурной системы охлаждения ДЭУ.

Главный двигатель и ДГУ охлаждаются пресной водой, подаваемой в магистраль насосом пресной воды НПВ. Через охладитель ОПВ пресная вода поступает на охлаждение ГД, а затем через деаэратор ДР и водоопреснительную установку ВОУ подается к приемному патрубку НПВ. По второй ветви пресная вода через охладитель пресной воды ДГУ – ОПВ ДГУ поступает на охлаждение дизельгенератора. Циркуляция пресной воды осуществляется по замкнутому контуру насосом пресной воды.

В систему включен расширительный бак, который служит для пополнения утечек и компенсации тепловых расширений пресной воды. В него же отводится паровоздушная смесь из полостей охлаждения двигателей и теплообменных аппаратов.

Система забортной воды состоит из отдельных функциональных участков, соединенных между собой с целью резервирования механизмов. Из кингстонных ящиков КЯ забортная вода через фильтры ФЗВ поступает в распределительный канал. Главный циркуляционный насос забортной воды НЗВ подает забортную воду в общесудовую магистраль, откуда она идет на охлаждение теплообменников и затем сливается за борт через отливные кингстоны ОК. На ГД забортной водой прокачиваются следующие теплообменники: охладитель наддувочного воздуха ОНВ, маслоохладитель МО, охладитель пресной воды ОПВ, охладитель масла газотурбонагнетателя охл. ГТН и охладитель топлива охл. ТЛ. Также забортная вода подается на охладители масла и воздуха ДГУ(на схеме не показаны). Насос РН является резервным на случай выхода из строя насосов пресной или забортной воды.

 

Для подачи забортной воды в систему обычно используются насосы центробежного типа. На крупных судовых двигателях водяные насосы имеют автономный привод. На дизелях малой мощности насосы пресной, и часто забортной воды, приводятся в действие от коленчатого вала двигателя.

 

 

Система воздухоснабжения

 

Система воздухоснабжения предназначена для подачи воздуха, необходимого для сгорания топлива и продувки цилиндра, в определенном количестве и с заданными параметрами.

 

Системы воздухоснабжения дизельных двигателей можно классифицировать по следующим признакам:

 

- по числу ступеней сжатия воздуха: на одноступенчатые, в которых воздух сжимается однократно в одноступенчатом компрессоре; многоступенчатые, в которых воздух сжимается несколько раз, переходя из одной ступени сжатия в другую (обычно используется 2 ступени сжатия); без предварительного сжатия;

 

- по числу компрессоров: на безкомпрессорные; однокомпрессорные, в которых воздух подается во все цилиндры от одного компрессора; и многокомпрессорные;

 

- по способу поддержания параметров воздуха, поступающего в цилиндр: на нерегулируемые, в которых параметры наддувочного воздуха изменяются самопроизвольно с изменением внешних условий или режима работы двигателя); и регулируемые, в которых с помощью специальных устройств поддерживается постоянное значение какого либо параметра воздуха (температура, давление, расход) или их изменение по заданному закону в зависимости от нагрузки ГД.

 

Основными элементами системы воздухоснабжения дизеля являются:

- компрессоры, служащие для повышения плотности воздуха и перемещения сжатого воздуха;

- теплообменники, предназначенные для повышения плотности воздуха за счет снижения его температуры;

- воздуховоды, ресиверы, служащие для равномерного распределения воздуха по цилиндрам дизеля;

- глушители шума – для снижения уровня шума системы воздухоснабжения.

В нерегулируемой системе воздухоснабжения (рис. 34.а) компрессор первой ступени К1 забирает воздух из атмосферы, сжимает его и подает по воздуховоду в промежуточный охладитель ПОВ. Уплотненный воздух поступает в компрессор второй ступени сжатия К2, откуда направляется через концевой охладитель воздуха ВО в наддувочный ресивер Р, и далее в цилиндры дизельного двигателя.

В двухтактных дизелях часто предусматривают дополнительный компрессор ДК, который подает воздух через невозвратный клапан в ресивер двигателя в аварийных случаях, в период пуска двигателя и при работе на малых нагрузках, когда производительности основных компрессоров не хватает для подачи потребного количества воздуха в цилиндры.

Рис. 34. Системы воздухоснабжения дизелей:   а – двухступенчатая нерегулируемая; б – с регулированием параметров воздуха.

В системе воздухоснабжения с регулируемыми параметрами воздуха (рис. 34.б) основной компрессор ОК, работающий в режиме, зависящем от режима работы двигателя, подает воздух во вспомогательный компрессор ВК, который, благодаря автоматически регулируемому приводу, обеспечивает оптимальное значение давления воздуха. Сжатый воздух через распределитель РУ поступает в охладитель ВО, охлаждаемый забортной водой, и нагреватель НВ, в который подается горячая вода из контура охлаждения двигателя. В зависимости от внешних условий, распределитель регулирует смесеобразование холодного и горячего воздуха, чем оптимизирует его температуру перед поступлением в цилиндр.

В системах воздухоснабжения используются центробежные, поршневые и роторно-лопастные компрессоры. Их компоновка и способы привода весьма разнообразны. Центробежные компрессоры чаще всего используются в агрегатах газотурбинного наддува. Поршневые и роторно-лопастные используются в качестве продувочных компрессоров в системах двухтактных дизелей и приводятся в действие от коленчатого вала двигателя.

 

 

Система газоотвода

 

Система газоотвода предназначена для обеспечения наиболее рационального отвода отработавших газов из цилиндров двигателя.

 

Под рациональным отводом понимается такая организация газовыпуска, которая способствует максимальному использованию энергии рабочего тела как в цилиндре двигателя, так и вне его, а также качественной очистке и наполнению цилиндров.

 

Системы газоотводов дизельных двигателей можно классифицировать по следующим признакам:

 

- по глубине утилизации теплоты: без утилизации, в этих системах отработавшие газы выбрасываются в атмосферу; с умеренной утилизацией, в которых энергия газов используется в газовой турбине для осуществления турбонаддува дизеля; с глубокой утилизацией – как механическая так и тепловая энергия газов используется в специальных устройствах-утилизаторах, как правило, утилизационных паровых котлах.

 

- по особенностям движения газа в коллекторах: на изобарные, в которых давление газов в коллекторе постоянно; импульсные, в которых давление газов в коллекторе переменно и зависит от числа цилиндров двигателя; комбинированные, имеющие переменное давление газов в коллекторе, но выравнивающееся перед поступлением в газовую турбину.

 

В общем случае, в систему газоотвода может входить следующее оборудование:

 

- выпускные коллекторы, предназначенные для отвода газов из цилиндров двигателя с максимально возможным сохранением их энергии;

- глушители шума, снижающие акустическое поле при работе двигателя;

- утилизационные газовые турбины и паровые котлы, преобразующие кинетическую и тепловую энергию газов в механическую работу или тепловую энергию рабочего тела для частичного возврата ее в цикл дизельной установки;

- трубопроводы (газоходы).

Типичная схема системы газоотвода ДЭУ с глубокой степенью утилизации теплоты в импульсной газовой турбине и утилизационном паровом котле изображена на рис. 35.

 

Рис. 35. Схема системы газоотвода дизеля с глубокой степенью утилизации теплоты.

В системах с глубокой утилизацией теплоты отработавшие в цилиндрах газы поступают в коллектор малого объема, затем в утилизационную газовую турбину УГТ, преобразующую кинетическую, потенциаль-ную и тепловую энергию газов в механическую работу сжатия воздуха в компрессоре К. Из УГТ газы поступают в утилизационный паровой котел УПК, где тепловая энергия отработавших газов передается питательной воде ПВ. Из УПК охлажденные продукты сгорания попадают в глушитель шума ГШ и выбрасываются в атмосферу.

 

Утилизационные газовые турбины могут быть: наддувочными, в которых механическая энергия, полученная при расширении газов, передается компрессору наддувочного воздуха; и силовыми, передающими механическую энергию через передачу на общую линию вала или генератор.

Утилизационные паровые котлы могут вырабатывать водяной пар для использования его на судне в различных целях, либо служат для получения горячей воды или паров других жидкостей.

 

 

Система управления

 

Система управления предназначена для пуска и остановки дизельного двигателя, изменения направления и частоты вращения коленчатого вала.

 

Для запуска двигателя необходимо создать условия, обеспечивающие самовоспламенение топлива в цилиндрах. Это достигается раскруткой коленчатого вала двигателя и созданием в цилиндрах давления и температуры воздуха, при которых происходит воспламенение топлива.

 

Раскрутку коленчатого вала дизельного двигателя можно осуществить следующими способами:

- приложением крутящего момента к КШМ извне (вручную, гидро-, пневмо- или электродвигателем (стартером) или за счет использования штатного электрогенератора, работающего в режиме пускового электродвигателя (для дизельгенераторов);

 

- созданием в цилиндре усилия, которое приведет в движение КШМ (подача в цилиндры дизеля пускового воздуха).

 

Устройства воздушного пуска часто используются для торможения КШМ с целью ускорения остановки двигателя при реверсировании путем подачи в цилиндры контрвоздуха.

 

Системы управления дизельных установок можно классифицировать по следующим признакам:

 

- по схеме воздушного пуска: на полнопроточные (с автоматическими пусковыми клапанами). В таких системах управления весь пусковой воздух, направляемый к пусковым клапанам, проходит через воздухораспределитель; и частично проточные (с пневматически управляемыми пусковыми клапанами). В этих системах через воздухораспределитель проходит только та часть воздуха, которая управляет открытием и закрытием пускового воздуха;

 

- по способу реверсирования двигателя: с заменой кулачковых шайб переднего хода на кулачковые шайбы заднего хода путем перемещения кулачкового вала; и с изменением угла заклинки шайб за счет проворачивания кулачкового вала относительно коленчатого вала;

 

- по типу: на механические, гидравлические, пневматические, электрические, электронные и смешанные.

 

Система управления дизельной установкой состоит из следующего оборудования:

 

- постов управления, предназначенных для ввода команд на выполнение какой либо операции;

- пусковых устройств, предназначенных для первоначальной раскрутки КШМ с целью приведения двигателя в действие;

 

- механизма реверсирования, предназначенного для изменения вращения вала двигателя в противоположную сторону, обеспечения правильного чередования и изменения фаз распределения органов пуска, газораспределения, топливоподачи, а также реверсирования навешенных на двигатель механизмов;

 

- блокирующих устройств, предотвращающих пуск двигателя при включенном валоповоротном устройстве, отсутствии давления масла в системе смазки, закрытых захлопках газоходов и других нештатных ситуациях.

 

В основе системы управления лежит система пускового воздуха, состоящая, как правило, из следующего оборудования: пусковых баллонов, редукционного клапана, пневмостартера, пневмомотора агрегата прокачки топливом и маслом, блока электропневмоклапанов, предохранительного клапана. Схема системы пускового воздуха дизельного судна изображена на рис. 36.

Рис. 36. Система сжатого воздуха дизельного судна.

 

Системы сжатого и пускового воздуха на дизельных судах аналогичны. Баллоны пускового воздуха главного двигателя БПВ ГД и дизельгенераторов БПВ ДГ заполняются с помощью главных компрессоров ГК1 и ГК2 через водомаслоотделитель ВМО. Из баллонов часть воздуха через редуктор ВР направляется на хозяйственные нужды. По мере расходования воздуха и снижения давления в баллонах пополнение осуществляется автоматически с помощью подкачивающего компрессора небольшой производительности ПК. При больших расходах пускового воздуха, что наблюдается  при маневрировании главного двигателя, автоматически включается в работу один из главных компрессоров. Начальное или аварийное заполнение баллонов (при отсутствии электропитания) осуществляется автономным дизель-компрессором ДК с ручным пуском.

 

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ газотурбинных

 двигателей

 

Турбиной называется ротационный тепловой двигатель лопаточного типа. Действие турбины основано на непрерывном преобразовании тепловой (потенциальной) энергии рабочего тела в кинетическую энергию струи газа, с последующим преобразованием энергии движущейся струи в механическую энергию вращения ротора. Основными особенностями турбины являются: двойное преобразование энергии в направляющих и рабочих лопатках, непрерывность рабочего процесса, получение вращательного движения без использования кривошипно-шатунного механизма.

Непрерывность рабочего процесса в турбине и ротационный принцип действия облегчают конструкцию турбин и обеспечивают отсутствие трения в основных частях (за исключением трения в подшипниках вала).

 

Типичный ГТД состоит из ряда турбомашин – компрессоров и турбин, расположенных вдоль одной оси. Обычно симметрично этой оси размещаются и все остальные элементы двигателя: камеры сгорания; входное и газовыхлопное устройства; диффузорные каналы, соединяющие турбомашины между собой. Все конструкции турбомашин размещаются в корпусе. Схематичное изображение и основные узлы прямоточного судового ГТД и ГТД авиационного типа изображены на рис. 46, непрямоточного судового ГТД – на рис. 47.

 

Совокупность вращающихся частей ГТД называется ротором, совокупность неподвижных – статором. На роторе газовой турбины или осевого компрессора располагаются рабочие лопатки – РЛ, на статоре – направляющие или сопловые лопатки – НЛ.

Ступенью газовой турбины называют совокупность ряда направляющих лопаток и следующего за ним ряда рабочих лопаток.

Ступенью осевого компрессора называют совокупность ряда рабочих лопаток и следующего за ним ряда направляющих лопаток.

 

Проточной частью турбины или осевого компрессора называется объем между валом ротора и статором с располагающимися в нем рабочими и направляющими лопатками, в котором происходят рабочие процессы сжатия воздуха или расширения газов.

 

 

Компрессоры ГТД

 

Компрессором называется машина, предназначенная для преобразования механической энергии двигателя в полезную потенциальную и кинетическую энергию газа.

В судовых ГТД используются компрессоры с динамическим принципом сжатия воздуха – центробежные и осевые. Принцип действия компрессоров динамического типа противоположен принципу действия турбины. Как и в турбине, в таких компрессорах происходит двойное преобразование энергии: сначала в рабочих лопатках компрессора механическая энергия вращения ротора преобразуется в кинетическую энергию движения воздуха (газа), а затем кинетическая энергия воздуха в направляющих лопатках (при торможении потока) преобразуется в потенциальную энергию давления.

 

Центробежные компрессоры

 

Рис. 42. Устройство центробежного компрессора.   1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – входной направляющий аппарат; 4 – рабочие лопатки; 5 – безлопаточный диффузор; 6 – направляющие лопатки; 7 – улитка с концевым диффузором; 8 – уплотнения; 9 – подшипники; 10 – обтекатель; 11 – вал компрессора.

Центробежные компрессоры (рис. 42) обычно применяются во вспомогательных ГТД, в последней ступени сжатия осецентробежных компрессоров главных ГТД, и в качестве наддувочных компрессоров дизельных двигателей.

Воздух поступает во входной канал компрессора и через входной направляющий аппарат – на рабочие лопатки. При вращении рабочего колеса и воздействии рабочих лопаток воздух вовлекается во вращательное движение, и под действием центробежной силы перемещается от центра к периферии колеса. При этом повышаются его давление и кинетическая энергия, которая в значительной мере преобразуется в потенциальную в направляющих лопатках. Безлопаточный диффузор служит для выравнивания поля скоростей потока. В улиточном диффузоре поток воздуха окончательно формируется и приобретает дополнительную потенциальную энергию за счет торможения.

 

Преимуществами центробежных компрессоров являются:

- возможность создания высоких степеней сжатия –  в одной ступени (значение  может достигать 5);

- простота устройства и надежность эксплуатации;

- малые осевые размеры и масса;

- широкий диапазон устойчивой работы;

- малые изменения КПД на нерасчетных режимах.

 

К недостаткам центробежных компрессоров относятся:

- более низкий (по сравнению с осевыми) КПД на расчетных режимах;

- большие радиальные размеры;

- сложность осуществления многоступенчатого сжатия.

 

Осевые компрессоры

 

Основным типом компрессоров, применяемых в судовых ГТД, являются осевые компрессоры (рис. 43). Аэродинамический тракт осевого компрессора состоит из входного устройства, проточной части и выходного устройства.

Входное устройство, включающее воздухозаборник, передний обтекатель, силовые стойки и входной направляющий аппарат, предназначено для формирования потока воздуха с целью оптимального входа его на рабочие лопатки первой ступени. Выходное устройство, включающее спрямляющий аппарат, силовые стойки и выходной кольцевой диффузор, обеспечивает придание потоку воздуха требуемого направления движения и повышение давления воздуха за счет его торможения.

В проточной части компрессора происходит рабочий процесс преобразования механической энергии ротора в потенциальную энергию сжатого воздуха. Поток воздуха входным направляющим аппаратом направляется на первый ряд рабочих лопаток. В процессе взаимодействия вращающихся рабочих лопаток с потоком воздуха часть механической энергии расходуется на повышение давления воздуха, а часть – на увеличение его кинетической энергии. В направляющем аппарате происходит дальнейшее повышение давления воздуха за счет торможения потока и направление его под оптимальным углом на рабочие лопатки следующей ступени.

После прохождения через направляющие лопатки последней ступени компрессора, потоку воздуха придается осевое направление с помощью лопаток выходного спрямляющего аппарата и обеспечивается торможение потока (увеличение потенциальной энергии) в выходном диффузоре.

Рис. 43. Устройство осевого компрессора с ротором смешанного типа.   1 – обтекатель; 2 – воздухозаборник; 3 – передняя силовая стойка;   4 – входной направляющий аппарат; 5 – рабочая лопатка 1-й ступени;   6 – направляющая лопатка 1-й ступени; 7 – секция ротора; 8 – стяжной болт; 9 – выходной спрямляющий аппарат; 10 – задняя силовая стойка; 11 – диффузор; 12 – опорный подшипник; 13 – опорно-упорный подшипник; 14 – корпус; 15 – сечение проточной части осевого компрессора (стрелками показано направление движения рабочих лопаток).

 

Ротор осевого компрессора может выполняться барабанным, дисковым или смешанного типа. В судовых ГТД чаще всего применяются компрессоры с роторами смешанного типа, сочетающие в себе простоту конструкции, изготовления и высокую поперечную жесткость барабанного ротора и высокую прочность дискового ротора.

 

Статор компрессора представляет собой полый цилиндр или усеченный конус, внутри которого размещаются направляющие лопатки. С торцов к статору крепятся корпуса переднего и заднего подшипников. Статор может выполняться неразъемным и разъемным. В разъемный статор ротор устанавливается целиком собранным и отбалансированным. В неразъемный статор направляющие лопатки и ротор заводят с торца. Для обеспечения равномерной жесткости наружная часть статора выполняется оребренной. Подшипники крепятся к статору через радиальные связи, роль которых часто выполняют лопатки направляющего аппарата и силовые стойки.

        

Направляющие лопатки располагают внутри статора консольно или с двусторонним креплением. Обычно они соединяются в полукольца, которые крепятся винтами к корпусу статора.

 

Рабочие лопатки осевого компрессора являются одним из самых нагруженных элементов ГТД. Они выполняются с высокой степенью точности и с минимальной шероховатостью. Крепятся рабочие лопатки к ротору чаще всего трапециевидным пазом типа «ласточкин хвост», либо креплением елочного типа.

 

С целью предотвращения перетекания воздуха помимо рабочих и направляющих лопаток, зазоры между рабочей лопаткой и статором и между направляющей лопаткой и ротором делаются минимальными. Обычно радиальные зазоры в осевых компрессорах составляют от 1,35 до 2,92 мм.

 

С целью уменьшения протечек воздуха между ступенями компрессора и из пространства за последней ступенью применяются уплотнения. Уплотнения, располагаемые между ступенями компрессора, называют промежуточными (внутренними), за последней ступенью – концевыми. Наиболее часто в осевых компрессорах применяют лабиринтовые уплотнения (рис. 44).

Принцип работы лабиринтового уплотнения основан на последовательном расположении по ходу движения воздуха (или другой газообразной среды) узких щелей, в которых происходит процесс разгона потока и дросселирования (потери давления), и расширительных камер, в которых происходит завихрение потока воздуха и потеря им скорости и энергии. Чем большие перепады давлений должно удерживать уплотнение, тем большее количество уплотнительных гребней оно содержит. Для дозвуковых компрессоров в промежуточных уплотнениях размещают от 3 до 5 уплотнительных гребней, в концевых – от 10 до 12 уплотнительных гребней.

Рис. 44. Виды лабиринтовых             уплотнений осевых             компрессоров

Самым эффективным является уплотнение 44.г, но оно наиболее сложно в изготовлении и при сборке. Наихудшим по своим свойствам является уплотнение 44.а; при гладком вале хорошие уплотнительные свойства имеет уплотнение 44.б.

Подшипники компрессора предназначены для восприятия радиальных и осевых нагрузок ротора. Как правило в компрессорах ГТД применяются шарикоподшипники – для восприятия осевых и радиальных нагрузок, и роликовые – для восприятия радиальных нагрузок. Находят также применение и подшипники скольжения.

В связи с экстремальными условиями работы (частоты вращения роторов ГТД составляют от 5000 до 18000 об/мин, температура подшипников может достигать 180 ^оС), подшипники ГТД имеют увеличенные радиальные и осевые зазоры. Масляные полости подшипников изолируются от проточной части компрессора лабиринтовыми уплотнениями.

 

Антипомпажные устройства. Важной особенностью лопаточных компрессоров является наличие зоны неустойчивой работы, в которой возникает явление помпажа – срыва работы осевого компрессора, сопровождающееся обратным током воздуха через проточную часть, резкими колебаниями давлений воздуха и температур в проточной части.

При возникновении помпажа резко снижается производительность осевого компрессора, увеличиваются амплитуды колебаний лопаток (явление флаттера), усиливается вибрация всех деталей ротора.

 

Основными мероприятиями, направленными на предотвращение возникновения помпажа осевого компрессора являются:

- устранение неравномерности потока воздуха на входе в компрессор;

- уменьшение воздушных объемов после компрессора;

- расположение напорной арматуры как можно ближе к компрессору;

- снижение частоты вращения ротора при уменьшении расхода воздуха;

- использование в конструкции осевого компрессора специальных антипомпажных устройств.

 

В качестве антипомпажных устройств в судовых ГТД используются:

- поворотные лопатки входного направляющего аппарата или нескольких первых рядов направляющих лопаток. Поворот лопаток осуществляется одновременно на заданный угол с помощью специального кольца на корпусе компрессора и рычажной передачи к каждой направляющей лопатке. Привод поворотного механизма осуществляется пневматическими или гидравлическими сервомоторами;

 

- перепуск воздуха из промежуточных ступеней компрессора в атмосферу. Перепуск воздуха выполняется через специальные окна на корпусе, закрываемые лентой перепуска воздуха, или через специальный клапан. Управление закрытием или открытием органов перепуска воздуха происходит с помощью пневматических сервомоторов по сигналу от датчика оборотов компрессора.

 

К преимуществам осевых компрессоров относят:

- высокие подачи воздуха (до 300000 м³/ч);

- высокий КПД на расчетных режимах (до 86 ÷ 89 %);

- относительно небольшие радиальные размеры.

 

Недостатками осевых компрессоров являются:

- узкий диапазон устойчивой работы;

- резкое снижение КПД на нерасчетных режимах работы;

- низкая степень сжатия –   одной ступени (до 1,35) и, как следствие, необходимость использования многоступенчатых компрессоров;

- меньшая надежность по сравнению с другими типами компрессоров.

 

 

Камеры сгорания ГТД

 

Камера сгорания предназначена для создания газового потока заданной температуры за счет сжигания органического топлива в среде сжатого воздуха и является одним из основных элементов ГТД. Схематично камера сгорания представляет собой емкость, куда непрерывно поступают топливо и воздух, и из которой непрерывно отводятся продукты сгорания.

К камерам сгорания ГТД предъявляются следующие требования: высокий КПД, малое гидравлическое сопротивление, малые габариты, надежный пуск, обеспечение устойчивости горения топлива, равномерное распределение поля температур, возможно больший срок службы.

Рис. 45. Устройство и схема работы камеры сгорания ГТД.   1 – лопаточный завихритель; 2 – форсунка; 3 – запальное устройство; 4 – корпус; 5 – жаровая труба; 6 – сопловый смеситель; 7 – диффузор; – первичный воздух;  – вторичный воздух; Т – топливо.

В состав камеры сгорания входят следующие элементы: корпус, диффузор, лопаточный завихритель с размещенной в центре форсункой, жаровая труба, пусковое устройство, включающее в себя пусковую форсунку и воспламенитель.

 

Воздух, поступающий в камеру сгорания, делится на первичный, направляемый через лопаточный завихритель непосредственно в зону горения (20 ÷ 25 %), и вторичный, обтекающий жаровую трубу снаружи и подмешиваемый к продуктам сгорания (75 ÷ 80 %). Вторичный воздух, обтекая снаружи жаровую трубу, охлаждает ее стенки. Часть вторичного воздуха через мелкие отверстия или кольцевые щели поступает на внутреннюю поверхность жаровой трубы и создает заградительную пленку, остальная часть вторичного воздуха через крупные отверстия или сопла подмешивается к продуктам сгорания в зоне смешения и охлаждает газы до температуры, приемлемой для работы материалов проточной части газовой турбины. Распыливание топлива осуществляется через форсунки таким образом, чтобы конус распыла топлива примыкал к зоне обратных токов газов, поджигался, и частички топлива не попадали на стенки жаровой трубы.

 

Диффузор предназначен для понижения скорости воздуха, поступающего из компрессора, до 50 ÷ 80 м/с;

 

Завихритель подает в зону горения жаровой трубы первичный воздух и формирует закрученный поток, способствуя турбулизации потока воздуха и лучшему перемешиванию его с топливом;

 

Жаровая труба служит для ограничения пламенного пространства КС и восприятия тепловых нагрузок. Выполняется обычно многосекционной. В первых по ходу газа секциях размещаются форсунка и завихритель, последние секции могут иметь смесители и стабилизаторы, обеспечивающие формирование потока газа на выходе.

 

Форсунка предназначена для непрерывной дозированной подачи распыленного топлива в жаровую трубу КС. Форсунка выполняется в виде сопла с центробежным эффектом закручивания топливной струи для обеспечения мелкодисперсного распыла топлива. Для предохранения сопла форсунки от перегрева на нее одевается колпачок, охлаждаемый потоком первичного воздуха.

 

Запальное устройство предназначено для зажигания топлива в КС в момент пуска ГТД и представляет собой конструкцию, объединяющую пусковую форсунку и свечу зажигания. Факел пламени пусковой форсунки направлен так, чтобы обеспечить надежное зажигание топлива, подаваемого через основную форсунку камеры сгорания.

 

Все камеры сгорания, используемые в ГТД, можно классифицировать по следующим признакам:

 

· по направлению подачи топлива:

- с подачей топлива в направлении движения потока воздуха;

- с подачей топлива против направления движения воздуха;

· по конструкции:

- на индивидуальные или трубчатые – выполняются только выносными; Такие камеры сгорания просты, технологичны, удобны в эксплуатации, обладают малым гидравлическим сопротивлением. В судовых ГТД их применяют в основном во вспомогательных двигателях (газотурбогенераторах – ГТГ);

- многотрубчатые или секционные КС (рис. 46.а) – состоят из нескольких трубчатых, расположенных по окружности вокруг вала ГТД. Все камеры идентичны, имеют малые массу и габариты, взаимозаменяемы. Применение такого типа КС усложняет разборку двигателя;

- кольцевые КС (рис. 46.б) – характеризуются единым огневым пространством. Жаровая труба имеет вид кольцевой полости с многорегистровым фронтовым устройством (число форсунок 10 и более) и расположена вокруг вала двигателя между наружным и внутренним кожухами. По сравнению с многотрубчатыми КС, такая конструкция имеет меньшие габариты и меньшее гидравлическое сопротивление, создает более равномерное температурное поле, но затрудняет доступ к подшипникам ГТД. Применяются кольцевые КС в основном в ГТД малой мощности;

- трубчато-кольцевые КС (рис. 46.в) – состоят из нескольких жаровых труб, размещенных в одном общем кольцевом пространстве, по которому проходит вторичный воздух. Запальные устройства в таких КС устанавливаются только в части жаровых труб. В остальных трубах воспламенение факела осуществляется пламяперебрасывающими патрубками, соединяющими между собой жаровые трубы. Одновременно пламяперебрасывающие патрубки осуществляют выравнивание давлений между отдельными жаровыми трубами. Такие КС более ремонтопригодны и проще в настройке, чем кольцевые. Недостатком их является неравномерность температур и давлений по окружности перед газовой турбиной. Эту конструкцию КС наиболее часто используют в корабельных и судовых ГТД.

а                                           б                                  в

Рис. 46. Типы камер сгорания ГТД: а – многотрубчатая; б – кольцевая; в – трубчато-кольцевая.     1 – жаровая труба; 2 – корпус; 3 – форсунка с лопаточным завихрителем;   4 – наружный кожух; 5 – внутренний кожух; 6 – пламяперебрасывающие патрубки.

· по направлению движения основного потока воздуха:

- на прямоточные;

- противоточные;

- поворотные;

 

· по способу распыла топлива:

- на камеры сгорания с распылом топлива под высоким давлением центробежными форсунками;

- камеры сгорания с пневмоцентробежными форсунками;

- камеры сгорания с распылом топлива под низким давлением с применением испарительного устройства;

- камеры сгорания с разбрызгиванием топлива через вращающиеся каналы.

 

Чаще всего в судовых и корабельных ГТД применяются многотрубчатые и трубчато-кольцевые камеры сгорания. В установке ГТУ-20 (рис. 47) применена индивидуальная камера сгорания.

 

 

Газовые турбины

 

В настоящее время в главных судовых ГТД применяют исключительно осевые газовые турбины с одной, двумя и большим числом ступеней, с охлаждаемыми и неохлаждаемыми лопатками.

 

Конструкция элементов газовой турбины вытекает из условий и особенностей ее работы:

- высокие начальные температуры газа на входе в ГТ обусловливают применение специальных жаростойких материалов и различных способов интенсивного охлаждения лопаток и дисков турбин;

- относительно малые начальные давления газа и незначительное увеличение его объема при расширении приводят к незначительной разнице в высотах лопаток первой и последней ступеней;

- незначительные срабатываемые теплоперепады (в 3 ÷ 5 раз меньше, чем у паровых турбин) сокращают число ступеней и длину проточной части газовой турбины;

- для получения высокого КПД газовые турбины требуют более тщательного исполнения проточной части и профилирования лопаток, чем паровые турбины;

- при разработке конструкции корпусов особое внимание уделяют достижению аэродинамического совершенства входного и выпускного патрубков компрессора и турбины.

 

Основными элементами газовых турбин являются: ротор, рабочие лопатки, направляющие (сопловые) лопатки, корпус, уплотнения и подшипники.

 

Ротор газовой турбины может выполняться дискового, барабанного или смешанного типов. Дисковые роторы получили наибольшее распространение и состоят из вала и дисков, с закрепленными на них рабочими лопатками (рис. 47). Соединение дисков с валом в многоступенчатых турбинах может быть разъемным и неразъемным. При неразъемном способе диски напрессованы на вал. Разъемное соединение выполняют в виде шлицевой муфты, стянутой болтами или одним стяжным болтом внутри вала.

Рис. 47. Роторы газовых турбин. а – ротор с консольным диском, откованным заодно с валом; б – цельнокованый барабанный ротор; в – консольный ротор с закрепленным на валу диском; г – сборный ротор с дисками, соединенными стяжными болтами.

При работе газовой турбины все элементы ротора испытывают значительные термические и механические напряжения, вызванные: центробежными силами массы диска и рабочих лопаток; силами газового потока, направленными вдоль оси ГТ; неравномерным распределением температур по радиусу и толщине дисков ГТ. Наибольшие механические напряжения возникают при работе ГТД на номинальном режиме. Термические напряжения достигают максимума при динамических режимах: пуск, остановка, неудавшийся запуск ГТД или изменение режимов его работы.

 

Рабочие лопатки ГТ (рис. 48) состоят из двух частей: пера и замка. В целях усиления вибропрочности часто применяют рабочие лопатки с бандажными полками, на верхней стороне которых выполняют гребни лабиринтового уплотнения. Лабиринтовое уплотнение снижает протечки газа между ступенями газовой турбины, повышая КПД турбоагрегата. Для обеспечения равнопрочности толщина рабочих лопаток уменьшается от корня к периферии.

Замковая часть рабочей лопатки является самым нагруженным элементом в газовой турбине и выполняется обычно елочного типа. В термодинамических циклах с высокими параметрами газа применяют газоохлаждаемые лопатки.

 

Рис. 48. Рабочие лопатки газовых турбин. а, б – газоохлаждаемые лопатки; в – лопатка с бандажной полкой; г – крепление рабочих лопаток в диске газовой турбины.   1 – замок лопатки; 2 – перо; 3 – бандажная полка с уплотнительными гребнями.

Сопловые лопатки и корпус ГТ образуют составную конструкцию в виде цилиндра или усеченного конуса. К передней части корпуса с помощью фланца присоединяется корпус камеры сгорания или корпус предыдущей турбины, к заднему фланцу корпуса – корпус следующей турбины или диффузор газовыхлопного устройства.

К внутренней части корпуса турбины прикреплены наружные корпуса сопловых аппаратов. Сопловые лопатки шире рабочих и их число выбирается равным или кратным числу рабочих лопаток, чтобы исключить возможные резонансные колебания рабочих лопаток турбины.

 

Корпус газовой турбины представляет собой цилиндрическую или коническую конструкцию и имеет оребрение для повышения жесткости при неравномерном нагреве и исключения коробления. При работе ГТД внутренняя часть корпуса нагревается до 700 ÷ 800 ^оС, а наружная обдувается охлаждающим воздухом, поэтому в корпусе возникают большие термические напряжения. Часто с целью удобства монтажа и выполнения работ с элементами проточной части корпуса выполняются разъемными.

 

Уплотнения в газовых турбинах служат для уменьшения перетекания газа через радиальные зазоры направляющих и рабочих лопаток а также снижения утечки газа из проточной части и охлаждающего воздуха из каналов охлаждения. Обычно в газовых турбинах применяются лабиринтовые и сотовые уплотнения. Лабиринтовые уплотнения турбин по строению и принципу действия аналогичны уплотнениям компрессоров.

Рис. 49. Сотовые уплотнения газовых турбин.      1 – направляющий аппарат;    2 – рабочая лопатка; 3 – сотовые    уплотнения; 4 – уплотнительные    гребни ротора.

Сотовые уплотнения (рис. 49) представляют собой ячеистую конструкцию, выполненную из тонких пластин. Такая конструкция уплотнений имеет высокий уплотняющий эффект и позволяет выполнять беззазорную сборку турбин. Благодаря тонким стенкам ячеек, рабочие лопатки при вращении очень легко прирабатываются к уплотнениям. При этом между ячейками уплотнения и рабочими лопатками обеспечивается зазор ок. 0,2 мм. Часто для повышения качества уплотнения применяется подпор уплотнений воздухом, подводимым от одной из ступеней компрессора и отвод (отсос) газов, прошедших первую группу уплотнений в полость ресивера за газовой турбиной.

Подшипники ГТ работают в очень тяжелых условиях при температуре до 250 ^оС, что требует подвода значительного количества масла для их охлаждения. Как правило, в ГТД применяются роликовые или шариковые опорные и опорно-упорные подшипники.  Для защиты масляных полостей и подшипников от горячих газов применяются несколько рядов лабиринтовых уплотнений.

 

 

Теплообменные аппараты

 

Теплообменные аппараты применяются в газотурбинных установках, использующих в своей работе сложные циклы: с регенерацией тепла и промежуточным охлаждением воздуха. Как правило, такие циклы ГТУ используются в высокоэкономичных непрямоточных судовых ГТД. Наиболее часто в сложных циклах ГТУ используются регенераторы и воздухоохладители.

 

Регенератором называется теплообменный аппарат, предназначенный для подогрева сжатого воздуха перед поступлением его в камеру сгорания за счет теплоты уходящих газов. Применение в ГТУ регенераторов значительно повышает экономичность установки в целом.

В судовых ГТУ используются регенераторы поверхностного (рекуперативного) и аккумулирующего (регенеративного) типов.

 

В рекуперативных регенераторах тепло передается от газа воздуху через разделяющую их стенку. Поверхностные регенераторы исполняются в виде трубчатых и пластинчатых теплообменников.

 

В трубчатых регенераторах, как правило, внутри трубок протекает воздух, имеющий большее давление, а между трубок – продукты сгорания (отработавшие в газовой турбине газы), имеющие меньшее давление.

 

Рис. 50. Схема работы пластинчатого регенератора

Пластинчатыми (рис. 50) называют регенераторы, поверхность теплообмена которых составлена из листов (пластин), разделяющих воздушные и газовые потоки. Поток газа в таких регенераторах направлен перпендикулярно потоку воздуха. Пластинчатые регенераторы более технологичны в изготовлении, компактны и обеспечивают хорошую теплопередачу от газов к воздуху.

 

Рис. 51. Схемы вращающихся регенераторов с дисковым (а) и барабанным (б) ротором.   1 – пористая матрица; 2 – уплотнение по окружности; 3 – разделяющая стенка; 4 – электродвигатель с редуктором; 5 – продольное уплотнение; 6 – радиальные стенки в матрице.

В теплоаккумулирующих регенераторах (рис. 51) передача тепла от газа к воздуху происходит на поверхностях, которые периодически омываются горячим газом и холодным воздухом. Обычно используются регенераторы вращающегося и статического типов.

Ротор теплоаккумулирующего регенератора представляет собой полый барабан (диск), заполненный набивкой, в качестве которой могут служить тонкая гофрированная стальная лента, проволочная сетка и другой пористый теплопроводящий материал. Такая набивка образует множество каналов, что позволяет создать огромную поверхность теплообмена при сравнительно небольших размерах самого регенератора. Ротор устанавливается на подшипниках и вращается через редуктор электродвигателем с частотой от 2 до 100 об/мин. При вращении поверхность теплообмена поочередно омывается то горячими газами, то холодным воздухом. В результате этого теплота сначала аккумулируется набивкой, а затем передается нагреваемой среде. Потоки воздуха и газа отделены друг от друга стенкой. Не смотря на специальные уплотнения, при работе вращающихся регенераторов, в них всегда имеют место протечки воздуха в газовый тракт.

 

Воздухоохладители ГТД (рис. 52), как правило, выполняются в виде трубчатых теплообменников с круглыми или овальными трубками. Причем с овальными трубками они получаются более компактными и легкими. Расположение трубок может быть как шахматным, так и коридорным. В качестве охлаждающей среды используется забортная вода системы охлаждения, которая протекает внутри трубок. Снаружи трубки обдуваются охлаждаемым воздухом, направляемым (в случае применения овальных трубок) вдоль большой оси эллипса.

Рис. 52. Схема трубчатого                 воздухоохладителя

 

Топливная система

 

Топливная система ГТД предназначена для подачи топлива к форсункам камер сгорания в количестве, обеспечивающем заданную мощность двигателя, а также для предварительной подготовки топлива в ГТУ, работающих на тяжелых сортах топлива.

 

В судовых ГТУ могут использоваться те же марки топлива, что и в дизельных энергетических установках:

- дизельные топлива по ГОСТ 305-82 марок Л ­− летнее, З − зимнее, А − арктическое;  

- дизельные топлива по ГОСТ 4749-73 марок ДС и ДЛ;

- моторные топлива по ГОСТ 1667-68 марок ДТ (обычной и высшей категории качества) и  ДМ;

- газотурбинные топлива по ГОСТ 10433-75 марок ТГ – обычной категории качества и ТГВК – высшей категории качества;

- флотские мазуты по ГОСТ 10585-99 марок Ф-5 и Ф-12.

 

В топливных системах легких прямоточных двигателей применяют исключительно легкие дистиллятные сорта топлив. Применение же дешевых низкосортных топлив заставляет учитывать последствия, связанные с их повышенной зольностью и содержанием примесей, которые могут вызывать коррозионные процессы в проточных частях ГТ, заносы деталей проточной части золой и смолистыми веществами. Поэтому ГТД, работающие на тяжелых сортах топлив, имеют в составе топливной системы отдельную систему предварительной подготовки топлива и ввода присадок. Работа же ГТУ на сравнительно дорогих дистиллятных топливах не сопряжена с какими либо трудностями и не требует специальных мероприятий, обеспечивающих их сжигание в КС.

 

Топливные системы судовых ГТУ должны обеспечивать следующие условия для работы двигателя:

- необходимое давление топлива для качественного его распыла в форсунках камер сгорания;

- вязкость топлива перед форсунками не более 1,2 – 1,5 ^оЕ (градусов вязкости) для получения надлежащего качества распыла;

- отсутствие содержания воды, снижающей теплотворную способность топлива, вызывающей коррозию топливной аппаратуры и приводящей к срыву факела пламени в КС;

- отсутствие механических примесей, засоряющих и изнашивающих форсунки, топливные насосы и фильтры;

- прием топлива в цистерны основного запаса с береговых и плавучих нефтебаз.

 

Топливные системы ГТУ, работающих на тяжелых сортах топлива, дополнительно к перечисленному должны обеспечивать:

- возможность проведения на судне предварительной обработки топлива;

- предварительный подогрев тяжелого топлива до температуры 120 ÷ 130 ^оС для снижения его вязкости;

- тщательную многоступенчатую фильтрацию топлива и обеспечение надежного приема топлива главным топливным насосом;

- возможность использования пускового легкого топлива для облегчения пуска ГТУ;

- промывку форсунок легким топливом при плановых остановках или продувку их сжатым воздухом при экстренных остановках для предотвращения застывания тяжелого топлива в форсунках и обеспечения надежных последующих пусков ГТУ.

Рис. 67. Схема и состав топливной системы ГТУ, работающей на тяжелом топливе.                      основная топливная система                пресная промывочная вода                    пусковая топливная система                 система подготовки топлива   БД – бак с деэмульгатором (полигликолевый эфир фенола ОП-7); СЦ – смесительная цистерна; ДН – дозирующий насос; НПВ – насос промывочной воды; ЗТЦ – запасная топливная цистерна; ТПН – топливоперекачивающий насос; ПТ – подогреватель топлива; П – подогреватель моющего раствора;  – бак с раствором сернокислого магния; СМ – смеситель; ОБ – отстойные баки; Сеп – сепараторы; ЩФ – щелевые фильтры; СФ – сетчатые фильтры; РЦТТ – расходная цистерна тяжелого топлива; РЦЛТ – расходная цистерна легкого топлива; НЛТ – насос легкого топлива;   В – баллон со сжатым воздухом; ОФ – основные форсунки;   ПФ – пусковая форсунка; БН – бустерный (подкачивающий) насос; ГТН – главный топливный насос; БК – байпасный клапан; К1, К2 – краны; СК – стоп-кран; АРТ – автоматический распределитель топлива; ДК – дроссельный кран.

Схема топливной системы ГТУ, работающей на тяжелом топливе, показана на рис. 67.  ГТД, работающие на тяжелых сортах топлива, имеют две параллельные топливные системы: пусковую и основную.

 

Из бака БД деэмульгатор направляется в смесительную цистерну СЦ, куда подается пресная вода. Из смесительной цистерны вода, смешанная с деэмульгатором (50 % раствор ОП-7), дозирующим насосом ДН1 направляется на всасывание насоса промывочной воды НПВ в количестве 0,4 ÷ 0,5 % от расхода топлива. После подогрева промывочной воды с деэмульгатором в подогревателе П вода в количестве 5 ÷ 8 % от расхода топлива подается в смесительное устройство СМ, где перемешивается с топливом, подаваемым топливоперекачивающим насосом ТПН из цистерны запасного топлива через подогреватель топлива. Часть воды направляется в бак, куда загружают кристаллический сернокислый магний MgSO ₄, растворяемый до 25 % концентрации. Добавка раствора MgSO ₄ в топливо повышает температуру плавления пятиокиси ванадия V ₂ O ₅ примерно до 1100 ^оС (V ₂ O ₅ содержится в тяжелых фракциях нефти и вызывает в расплавленном состоянии сильнейшую коррозию, называемую высокотемпературной ванадиевой коррозией). Полученный в баке раствор сернокислого магния подается дозирующим насосом ДН2 в расходную цистерну тяжелого топлива, либо в топливную магистраль перед форсунками. Перемешанное с промывочной водой в смесителе СМ топливо направляется в отстойные баки ОБ, где происходит отделение очищенного топлива от воды с растворенными в ней солями. Из баков топливо поступает в сепараторы, где окончательно отделяется от оставшейся воды.

Отсепарированное топливо поступает в расходную цистерну РЦТТ, емкость которой определяется запасом топлива примерно на 8 часов работы ГТУ (две вахты). Из РЦТТ промытое и содержащее присадки топливо через щелевые фильтры забирается бустерным насосом БН и через сетчатые фильтры направляется на всасывание к главному топливному насосу ГТН. ГТН направляет топливо через следующую ступень фильтров в подогреватель топлива, в котором температура подогрева изменяется регулятором, управляющим байпасным клапаном БК. Расход топлива на форсунки регулируется дроссельным краном ДК, управляемым с пульта управления и сливающим часть топлива обратно в РЦТТ. Подогретое топливо после фильтрации направляется в автоматический распределитель топлива АРТ с автоматом запуска, управляющий подачей топлива к основным форсункам двигателя ОФ.

При плановых остановках топливная система промывается легким дистиллятным топливом, подаваемым насосом легкого топлива из цистерны легкого топлива через сетчатые фильтры. При промывке с помощью крана К2 отсекается подача основного топлива, которое полностью направляется на слив в РЦТТ через дроссельный кран ДК. В топливную магистраль за краном К2 поступает легкое топливо, на котором ГТУ, предварительно переведенная в режим холостого хода, работает 3–5 мин., после чего подача топлива полностью прекращается, и топливная магистраль от крана К2 до форсунок остается заполненной легким топливом. При этом обеспечивается легкий и надежный последующий пуск ГТУ.

При экстренных остановках подача топлива к форсункам отсекается стоп-краном СК, к которому подведены импульсы от системы РУЗ ГТД. При этом топливо из напорной магистрали перепускается на слив в РЦТТ, а участок топливной магистрали после стоп-крана СК, включая АРТ и форсунки ОФ, продувается сжатым воздухом из баллона В.

Топливная система легкого топлива используется также при пуске, когда топливо из РЦЛТ топливным насосом через кран К1 подается к пусковой форсунке ПФ. В период, предшествующий пуску, топливная система прогревается при работающих насосах БН и ГТН и подогревателе топлива. При этом дроссельный кран ДК полностью закрыт и все топливо при помощи стоп-крана направляется на сброс в цистерну РЦТТ.

 

Для ГТД, использующих для работы только легкое дистиллятное топливо, система значительно упрощается. В этом случае полностью исключается часть топливной системы, предназначенная для промывки и ввода присадок, а также часть системы легкого топлива. Для таких двигателей топливная система содержит: расходную цистерну, фильтры перед и за ГТН, стоп-кран, АРТ и форсунки. Топливоперекачивающий насос в этом случае подает топливо из запасной цистерны непосредственно в расходную цистерну.

 

 

Система пуска

 

Система пуска ГТУ предназначена для ввода установки в действие. Эта операция требует наличия внешнего источника энергии (пускового двигателя), который представляет собой основной элемент системы пуска.

 

В общем случае система пуска ГТУ содержит следующие компоненты:

- пусковой двигатель;

- запальное устройство;

- обгонную муфту.

 

Пусковой двигатель предназначен для первоначальной раскрутки турбокомпрессорного агрегата и в момент пуска присоединен к ротору турбокомпрессора. Вращая ротор турбокомпрессора, пусковой двигатель заменяет собой еще неработающую газовую турбину, обеспечивая подачу воздуха в камеры сгорания.

 

В качестве пусковых двигателей в ГТД могут использоваться:

- электродвигатели постоянного и переменного тока (электростартеры);

- турбостартеры, представляющие собой автономные ГТД малой мощности со свободной силовой турбиной. В этом случае пуск ГТД производится в два этапа: на первом пускается турбостартер своим пусковым электродвигателем (обычно постоянного тока с запиткой от аккумуляторной батареи), а на втором – турбокомпрессор главной установки. Такая схема пуска обычно используется для турбореактивных и турбовинтовых авиационных двигателей;

- паровые турбины (турбодетандеры), обычно применяемые на судах, в составе вспомогательной установки которых имеются вспомогательные паровые котлы;

- пневмотурбины, работающие от системы пускового сжатого воздуха.

 

Запальное устройство предназначено для обеспечения зажигания факела в камерах сгорания и представляет собой пусковую топливную форсунку и электрическую свечу зажигания.

Высоковольтная свеча дает постоянный искровой разряд весь период работы пускового блока и воспламеняет топливо пусковой форсунки. Факел пламени пусковой форсунки направлен таким образом, чтобы обеспечить устойчивое зажигание топлива основной форсунки. После зажигания топлива основной форсунки через пламяперебрасывающие патрубки происходит зажигание топлива в форсунках остальных камер сгорания. Пусковое запальное устройство, выполнив свою функцию, автоматически отключается вместе с пусковой топливной системой.

Обгонная муфта используется для присоединения пускового двигателя к турбокомпрессору, обеспечения его раскрутки и автоматического отключения пускового двигателя от вала ГТД при наборе турбокомпрессором заданной частоты вращения.

 

Процесс пуска ГТД состоит из следующих периодов (рис. 68):

1 период – холодный разгон. Пусковой двигатель с помощью обгонной муфты присоединяется к ротору того турбокомпрессорного агрегата, в составе которого имеется пусковая камера сгорания с запальным устройством. Вращаемый пусковым двигателем компрессор начинает нагнетать воздух в газовоздушный тракт установки, вследствие чего создается ток воздуха от ком­прессора через камеры сгорания, проточные части турбин, теплообменные аппа­раты в выпускной газоотвод, и выброс его в атмосферу. После того как расход воздуха, подаваемый компрессором в КС, окажется достаточным для окисления мини­мального количества топлива, в камеру сгорания через пусковую форсунку начинают подавать топливо от пусковой топливной системы, которое воспламеняется запальным устройством.

2 период – режим сопровождения. После воспламенения топлива в камерах сгорания в газовую турбину начинает поступать горячий воздух, смешанный с продуктами сгорания, что приводит к появлению на валу турбины увеличенного вращающего момента, суммирующегося с вращающим моментом пускового двигателя. С этого момента разгон ротора турбокомпрессора становится более интенсивным за счет совместной работы пускового двигателя и газовой турбины, увеличивая расход воздуха в КС. При этом одновременном увеличивается расход топлива, подаваемого в камеры сгорания. При дальнейшем увеличении частоты вращения турбокомпрессора турбина принимает на себя всю нагрузку компрессора, обусловленную сжатием воздуха и потерями энергии на трение в подшипниках. При частоте вращения компрессора, превышающей частоту вращения пускового двигателя, обгонная муфта отключает пусковой двигатель от ротора турбокомпрессора.

3 период – горячий разгон. После отключения пускового двигателя дальнейший разгон ротора тур­бокомпрессора осуществляется за счет разности вращающих моментов, созда­ваемых газом на валу турбины и воздухом на валу компрессора (с учетом тре­ния в подшипниках). Разгон продолжается до тех пор, пока упомянутая раз­ность вращающих моментов не станет равной нулю, что соответствует дости­жению равновесного установившегося режима работы турбокомпрессора. Равновесие может наступить при любом расходе подаваемого в камеру горе­ния топлива, превышающем некоторое минимальное значение, ниже которого не может быть получен установившийся режим работы турбокомпрессора.

Рис. 68. Периоды пуска ГТД.   ПД – пусковой двигатель; М – обгонная муфта; Тл – подача топлива; МПД – крутящий момент пускового двигателя; МГТ – крутящий момент газовой турбины.

Обычно на систему пуска судовой ГТУ возлагается задача выведения установки на такой режим, при котором турбокомпрессор работает при некоторой установившейся частоте вращения, а мощность, развиваемая установ­кой на валу пропульсивной турбины, близка к нулю. Такой режим называется режимом холостого хода – ХХ.

 

Управление пуском турбокомпрессора обычно сводится к следующим операциям:

1. Включению обгонной муфты;

2. Включению пускового двигателя;

3. Включению запального устройства;

4. Подаче топлива в камеру сгорания.

 

Обычно включение пускового двигателя и запального устройства осуществляется одновременно. Момент начала подачи топлива в камеру сгорания определяется давлением топлива, необходимым для получения надлежащего распыливания, и расходом воздуха, подаваемого компрессором, при котором температура газа перед газовой турбиной не превысит предельного значения, и будет исключена возможность возникновения явления помпажа осевого компрессора.

Система смазки

 

Система смазки ГТД предназначена для подачи масла на подшипники турбин и компрессоров, зубчатого зацепления и отвода тепла от них.

 

К маслам, применяемым в судовых ГТУ предъявляются следующие требования:

- высокая устойчивость к образованию осадков и лаковых отложений;

- высокая температура вспышки (рабочая температура подшипников компрессоров и газовых турбин может достигать 150 ÷ 250 ^оС);

- низкая испаряемость (температура кипения должна быть на ~ 50 ^оС выше его максимальной рабочей температуры);

- масла ГТУ должны служить защитной средой при бездействии установки и не вызывать образования коррозии в масляной системе.

 

Для смазки и охлаждения подшипников качения ГТД применяют маловязкое термостабильное масло для судовых газовых турбин – ГОСТ 10289-79; а для смазки зубчатых передач – масло турбинное 46 и турбинное с присадкой – Тп-46 ГОСТ 9972-74.

В ГТУ, где система автоматического регулирования, управления и защиты (РУЗ ГТД) имеет гидравлические приводы исполнительных механизмов, в качестве рабочей среды используют маловязкое масло из системы смазки ГТД.

 

Используемые схемы систем смазки судовых и корабельных ГТД могут быть разделены на две группы:

 

- напорные системы, характеризующиеся струйной подачей масла к подшипникам под давлением через специальные каналы во вкладышах или через масляные форсунки. Эти системы применяются в ГТД с подшипниками качения и скольжения.

 

- системы смазки масляным туманом.

 

В свою очередь напорные системы можно разделить:

- на системы форсированной смазки, в которых смазка подается ко всем узлам от масляного насоса (масляный насос часто навешен на ГТД и получает вращение от ротора компрессора через коробку приводов);

 

- системы гравитационной смазки, в которых смазка подается из цистерны, расположенной на уровне 10 ÷ 12 м над ГТД для обеспечения необходимого напора масла. Масляный насос в этом случае только возвращает масло из сточно-расходной цистерны в гравитационную цистерну. Эта схема приемлема только для судов транспортного флота, где размеры машинных отделений позволяют разместить элементы гравитационной системы смазки. Гравитационные системы смазки также используются в качестве резервных систем смазки. Объем гравитационных цистерн выбирают из учета 10 ÷ 15 минутной работы ГТД, в течение которых могут быть устранены неисправности в работе основной системы смазки, либо дана команда на отключение подачи топлива в камеры сгорания для экстренной остановки ГТД на выбеге.

 

Система смазки судовой ГТУ состоит из следующих основных элементов (рис. 69): основного и резервного масляных насосов; фильтров; подогревателей и охладителей масла; масляных цистерн (расходной, запасной, грязного масла, гравитационной для гравитационных систем смазки); масляных сепараторов; маслоперекачивающего насоса; КИП и трубопроводов.

Рис. 69. Схема масляной системы ГТУ (форсированная и гравитационная системы).        трубопроводы форсированной смазки;        трубопроводы, относящиеся к гравитационной системе;        сливные трубопроводы.   РМЦ – расходная масляная цистерна; Гр.Ц – гравитационная цистерна;   ЦЗМ – цистерна запасного масла; ЦГМ – цистерна отработавшего (грязного) масла; ОМН – основной масляный насос; РМН – резервный масляный насос;  МФ – магнитный фильтр; ГМФ – главные масляные фильтры; МО – маслоохладитель; ЗФ – защитные фильтры; МПН – маслоперекачивающий насос; МСеп. – сепаратор.

В системах смазки ГТД обязательно предусматривается защита от падения давления масла. При падении давления масла должен автоматически включиться в работу резервный масляный насос, либо система должна перейти на смазку по гравитационной линии. Если давление в системе смазки продолжает падать (что может свидетельствовать о разрыве напорного масляного трубопровода), из системы выдается сигнал на стоп-кран топливной системы, отключающий подачу топлива на форсунки двигателя.

Маслоперекачивающий насос предназначен для перекачки отработавшего масла из РМЦ в цистерну отработавшего масла, для пополнения убыли масла в системе, либо полной замены масла путем его перекачки из ЦЗМ в РМЦ.

Сепаратор масла используется для удаления из масла воды и механических примесей. В холодное время года возможна прокачка масла сепаратором через маслоподогреватель (на схеме не показан). Обогрев масла в РМЦ может производиться и от системы змеевиков, по которым пропускается пар от вспомогательного парового котла.

 

 

 Система суфлирования

 

Система суфлирования предназначена для отбора масловоздушной смеси из масляных полостей подшипников ГТД, отделения масла от воздуха и последующего возвращения масла в систему смазки ГТД.

 

В состав системы суфлирования входят:

- трубопроводы, соединяющие масляные полости подшипников с осадительной емкостью;

- осадительная емкость (бак), где происходит выделение капель масла и осаждение их на стенках; Часто роль осадительного бака играет сточно-расходная цистерна масляной системы;

- маслоотделительные сепараторы (центрифуги), завершающие процесс разделения масловоздушной смеси на составные части; они приводятся в действие, от коробки приводов, соединенной с валом турбокомпрессора ГТД посредством редукторной передачи.

 

 

Система реверса

 

Система реверса ГТД предназначена для изменения направления вращения вала движителя на противоположное. На судах и кораблях с ГТУ могут применяться следующие средства для обеспечения реверса:

 

· специальные двигатели заднего хода. Такой способ реверса часто применяется на судах на подводных крыльях – СПК. В этом случае двигатели заднего хода имеют свои независимые движители, находящиеся в неводоизмещающем положении СПК над поверхностью воды, и погружающиеся в воду при движении судна в водоизмещающем положении;

· электрическая передача. Этот способ реверса применим на тех судах, где используется электродвижение (ГТД работает на электрогенератор, передающий электроэнергию на гребной электродвигатель);

· реверсивная передача. В этом случае ГТД передает вращение на передачу, конструкция которой позволяет менять направление вращения выходного вала, соединенного с движителем, без изменения направления вращения вала самого ГТД. Наиболее часто используются гидрореверсивные передачи, включающие в себя гидромуфту и гидротрансформатор, и механические передачи (реверсивные редукторы);

· реверсивные движители (как правило, винты регулируемого шага).  Реверс осуществляется за счет перекладки поворотных лопастей винта из положения переднего хода в положение заднего хода. В этом случае смены направления вращения вала движителя на противоположное не происходит;

· реверсивные ГТД, способные изменять направление вращения вала пропульсивной газовой турбины.

 

Использование реверсивных судовых ГТД связано с применением в их конструкции отдельных турбин (ступеней) заднего хода – ТЗХ, или специальных реверсивных центростремительных турбин.

 

Реверсивные осевые турбины выполняются в двух возможных вариантах (рис. 70):

- в виде отдельной турбины заднего хода, находящейся на отдельном диске, жестко связанном с ротором пропульсивной турбины переднего хода (рис. 70.а);

- в виде совмещенного расположения на одном диске ступеней переднего и заднего хода (использование двухъярусных лопаток – рис. 70.б).

 

Важным элементом системы реверса в реверсивных осевых турбинах является газораспределительный орган, с помощью которого газ после турбины компрессора может быть направлен либо в проточную часть турбины переднего хода, либо в проточную часть турбины заднего хода.

При реверсе сначала происходит торможение ротора пропульсивной турбины газом, подаваемым в проточную часть турбины обратного хода, которая вращается кромками рабочих лопаток вперед. Этот режим работы двигателя называется «режимом контргаза». После полной остановки ротора пропульсивной турбины газораспределительный орган направляет весь поток газа на турбину обратного хода.

Рис. 70. Схемы взаимного расположения проточных частей ТПХ и ТЗХ а – с ТЗХ, выполненной на отдельном диске; б – с ТЗХ, выполненной в виде второго яруса лопаток.   1 – турбина компрессора; 2 – турбина переднего хода; 3 – турбина заднего хода; 4 – газораспределительный орган; 5 – второй ярус лопаток ТЗХ.

 

Перемещения газораспределительного органа должны быть взаимосвязаны с подачей топлива на форсунки. При осуществлении реверса ГТД должна соблюдаться следующая последовательность операций:

1. Уменьшение подачи топлива на форсунки до расхода холостого хода;

2. Одновременная перекладка газораспределительного органа, осуществляющего перепуск газа в ТЗХ, при постепенном уменьшении расхода газа до нуля, подаваемого в проточную часть ТПХ;

3. Увеличение подачи топлива на форсунки до величины, соответствующей заданному режиму обратного хода, после полной перекладки газораспределительного органа.

 

Главным недостатком описанных выше способов реверса является наличие больших вентиляционных потерь из-за холостого вращения неработающих ступеней (на переднем ходу вхолостую вращаются ступени ТЗХ, на заднем ходу – ТПХ). На холостое вращение ступеней турбины в плотной воздушной или газовой среде затрачивается значительная часть энергии двигателя. Эти потери для газотурбинных установок могут достигать 3 ÷ 4 % от мощности ГТД для неработающей ТЗХ, и еще большей величины для неработающей ТПХ. Кроме того, при холостом вращении турбины происходит сильный нагрев ее элементов, что влечет за собой дополнительные затраты на ее охлаждение. В случае использования двухъярусных лопаток дополнительной проблемой является обеспечение прочности высоких лопаток при высоких частотах вращения роторов турбин.

 

Реверсивные центростремительные турбины

 

Этот способ реверса характерен тем, что при его использовании отсутствуют вентиляционные потери как на переднем, так и на заднем ходу судна. Это обусловлено тем, что при радиальном расположении лопастей одно и то же рабочее колесо может быть использовано для работы и на переднем, и на заднем ходу. Реверс при этом осуществляется поворотом направляющих лопаток соплового венца (рис. 71).

Рис. 71. Схема реверсивной центростремительной турбины.   1 − сопловый венец с поворотными лопатками; 2 − рабочее колесо с радиальными лопастями;   3 ­− лопатки в положении ПХ; 4 − лопатки в положении ЗХ.

Несмотря на положительные свойства реверсивные центростремительные турбины пока не получили широкого распространения в судовых ГТУ из-за трудности компоновки проточных частей, состоящих из нескольких последовательно расположенных центро-стремительных турбин и сложности сочетания в одном корпусе центро-стремительных и осевых ступеней. Вместе с тем рациональное использование ревер-сивных центростремительных турбин предполагает сочетание осевых турбин в качестве приводных для компрессоров с центростремительными пропульсивными турбинами.

 

 

Основные характеристики гту

 

Рабочий процесс судового ГТД характеризуется нагрузкой (мощностью), частотами вращения роторов, температурой рабочего тела, давлением воздуха и газа в проточной части, расходами топлива и воздуха. Зависимости этих параметров от основных факторов внешней среды, которые определяют режимы использования ГТУ на судне, называются характеристиками ГТУ.

В качестве факторов внешней среды обычно рассматривают:

- заданную мощность двигателя или частоту вращения выходного вала;

- время набора или сброса заданной мощности;

- параметры воздуха на входе в компрессор;

- гидрометеорологические факторы (давление, влажность и температура забортного воздуха, волнение и др).

 

Параметры, по которым осуществляют регулирование работы ГТД, называют основными. Чаще всего такими параметрами являются частота вращения турбокомпрессора и мощность ГТД.

В связи с тем, что частота вращения турбокомпрессора однозначно связана с подачей топливного насоса (топливный насос получает привод от вала компрессора), расход топлива, поступающего в камеры сгорания ГТД, можно устанавливать по частоте вращения компрессора. В то же время частота вращения компрессора определяет расход и давление воздуха, поступающего в камеры сгорания. Следовательно теплоперепад, срабатываемый в турбинах, и мощность ГТД однозначно связаны с частотой вращения турбокомпрессора – .

 

Обычно характеристики рабочего процесса ГТД представляют как зависимости следующего вида:

- эффективной мощности от частоты вращения компрессора: ;

- часового расхода топлива от частоты вращения компрессора: ;

- удельного расхода топлива  от частоты вращения компрессора: ;

- температуры газа за КС  от частоты вращения компрессора: ;

- расхода воздуха  от частоты вращения компрессора: .

 

Для анализа рабочего процесса ГТД используют универсальную характеристику компрессора с нанесенными на нее дополнительными зависимостями. Характеристика компрессора показывает зависимость между степенью повышения давления  и расходом воздуха  при различных частотах вращения ротора (рис. 77). Линия помпажа делит все поле характеристик компрессора на области устойчивых и неустойчивых режимов работы (область помпажа).

 

линия помпажа;     линия статических режимов работы ГТД; линии постоянных оборотов (изодромы); линии постоянных КПД; изотермы Т3; линии постоянных расходов топлива;    – расход топлива на холостом ходу;  – расход топлива на полном ходу;  – обороты холостого хода; – обороты полного хода;

Рис. 77. Универсальная характеристика судового ГТД.

На диаграмму наносят:

- линии постоянных оборотов (изодромы) – ;

- линии постоянных КПД – ;

 

Для получения универсальной характеристики ГТД дополнительно на характеристику компрессора наносят:

- изотермы – ;

- линии постоянных расходов топлива – ;

- линию статических режимов работы двигателя – , показывающую связь мощности двигателя и частоты вращения винта.

 

По универсальной характеристике легко можно определить основные параметры работы двигателя в зависимости от одного из выбранных параметров (частоты вращения компрессора, расхода топлива и т.д.).

 

Болдырев Олег Николаевич

                                          Судовые энергетические установки

                                          Часть I . Дизельные

И газотурбинные установки

                                          Учебное пособие

 

 

                                          Издано в авторской редакции

                                          Компьютерный набор и верстка автора

                                          Подготовка к печати М.М. Давыдов

 

Сдано в производство 25.06.2003. Подписано в печать 16.12.2003 г.

Уч.-изд. л. 9,5.  Усл. печ. л. 5,25

Изд. № 453. Заказ № 394

 

 

Редакционно-издательский отдел СевмашВТУЗа

164500, г. Северодвинск, ул. Воронина, 6

 

Болдырев О.Н. Судовые энергетические установки.

Часть I. Дизельные и газотурбинные установки. Учебное пособие.

Северодвинск: Севмашвтуз, 2003. – 168 с.

 

 

Ответственный редактор Пшеницын А.А., доцент каф. № 7 Севмашвтуза

 

 

Рецензенты: Лычаков А.И., к.т.н., профессор, зав. кафедрой № 7 Сев-

машвтуза;

Хвиюзов С.М., нач. 9 отдела ФГУП «ПО «Севмаш»

 

Учебное пособие представляет собой развернутый конспект лекций по курсу «Судовые энергетические установки» для студентов неэнергетических специальностей. В соответствии с программой курса рассмотрены различные типы энергетических установок, а также вспомогательные и электроэнергетические установки.

Пособие можно рекомендовать студентам энергетических специальностей с целью систематизации знаний и расширения кругозора в области энергетических установок.

 

 

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД. №01734 от 11 мая 2000 г.

 

ISBN 5-7723-0403-8                                         © Севмашвтуз, 2003 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

В курсе «Судовые энергетические установки» в общей форме, доступной для понимания, изложены основные сведения из области энергетических установок, которые могут быть полезны студентам неэнергетических специальностей при написании дипломного проекта. Данный курс также можно рекомендовать студентам энергетических специальностей с целью расширения кругозора и систематизации знаний в области энергетических установок.

Во вводной части пособия рассмотрены классификация энергетических установок, состав и назначение основных составных частей СЭУ, основные показатели СЭУ, характеризующие ее работу. Для облегчения восприятия дальнейшего материала студентами, не изучавшими курс теплотехники, приведены основные понятия и законы термодинамики и теории тепловых двигателей.

Дальнейший курс состоит из глав, в каждой из которых рассматриваются различные типы энергетических установок. Глава 1 посвящена дизельным, глава 2 – газотурбинным, глава 3 – котлотурбинным энергетическим установкам. В каждой главе рассмотрены назначение, классификация, принцип действия и устройство основных составных частей данного типа установки; основы теории рабочих процессов, тепловые балансы и характеристики потерь энергии, способы уменьшения потерь энергии и повышения КПД, наиболее часто встречающиеся компоновочные схемы, принципы построения систем, обслуживающих работу данного типа СЭУ. В главе 4, основываясь на полученных ранее знаниях об основных типах СЭУ, рассмотрены комбинированные энергетические установки, получившие широкое применение в гражданском и военно-морском флоте. Глава 5 посвящена ядерным энергетическим установкам. С целью лучшего восприятия материала по данной теме, кратко изложены физические основы работы ядерных реакторов, рассмотрены назначение и устройство основных составных частей ядерных реакторов и парогенераторов, принципы построения схем ядерных энергетических установок с различными типами реакторов и теплоносителей.

В последней главе рассмотрены электроэнергетические системы, вспомогательные энергетические установки, способы передачи мощности от главных двигателей на движитель судна, экологические аспекты применения энергетических установок.

 

 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

 

АРТ      – автоматический распределитель топлива

ВГ         – валогенератор

ВГТ       – воздушно-газовый тракт

ВМ        – вспомогательные механизмы

ВМТ     – верхняя (внутренняя) мертвая точка

ВМФ     – военно-морской флот

ВОД      – высокооборотный двигатель

ВОУ      – водоопреснительная установка

ВППУ   – вспомогательная паропроизводящая установка

ВРШ     – винт регулируемого шага

ВТГР              – высокотемпературный газоохлаждаемый реактор

ВЭУ      – вспомогательная энергетическая установка

ГВУ      – газовыхлопные устройства

ГД         – главный двигатель

ГОСТ    – государственный стандарт

ГПК      – главный паровой котел

ГТ         – газовая турбина

ГТГ       – газотурбогенератор

ГТД       – газотурбинный двигатель

ГТН     – главный топливный насос

ГТУ       – газотурбинная установка

ГЭД      – гребной электродвигатель

ГЭУ      – главная энергетическая установка

ДАУ      – дистанционное автоматическое управление

ДВС      – двигатель внутреннего сгорания

ДГУ      – дизель-генераторная установка

ДРА     – дизель-редукторный агрегат

ДЭУ      – дизельная энергетическая установка

ЗИП      – запасной инструмент и приспособления

ЗМЦ      – запасная масляная цистерна

ЗХ         – задний ход

КВД      – компрессор высокого давления

КИП      – контрольно-измерительные приборы

КНД      – компрессор низкого давления

КПД      – коэффициент полезного действия

КС         – камера сгорания

КСВД   – камера сгорания высокого давления

КСД      – компрессор среднего давления

КСНД   – камера сгорания низкого давления

КССД   – камера сгорания среднего давления

КШМ    – кривошипно-шатунный механизм

л.с.        – лошадиная сила

МКО     – машинно-котельное отделение

МН        – масляный насос

МО        – машинное отделение

МОД     – малооборотный двигатель

МС        – максимальная скорость

МФ       – масляный фильтр

НЛ        – направляющие лопатки

НМТ     – нижняя (наружная) мертвая точка

ПБС      – полная боевая скорость

ПДП      – противоположно движущиеся поршни

ПКВ      – поворот коленчатого вала

ПОВ      – промежуточное (ый) охлаждение (охладитель) воздуха

ППГ      – промежуточный подогрев газа

ПТК      – подключенный турбокомпрессор

ПУ        – пост (пульт) управления

ПХ        – передний ход

РЛ         – рабочие лопатки

РМЦ     – расходная масляная цистерна

РТЦ      – расходная топливная цистерна

РУЗ ГТД – регулирование, управление и защита газотурбинного двигателя

СВП      – судно на воздушной подушке

СОД      – среднеоборотный двигатель

СПГГ    – свободнопоршневые генераторы газа

СПК      – судно на подводных крыльях

СТК      – свободный турбокомпрессор

СЭУ      – судовая энергетическая установка

ТВД      – турбина высокого давления

ТЗХ       – турбина заднего хода

ТНД      – турбина низкого давления

ТНВД   – топливный насос высокого давления

ТПХ      – турбина переднего хода

ТРК       – терморегулирующий клапан

ТСД      – турбина среднего давления

ЦЗМ      – цистерна запасного масла

ЦПУ      – центральный пост (пульт) управления

ЭБС      – экономическая боевая скорость

ЭС         – экономическая скорость

ЭУ         – энергетическая установка

ЭЭС      – электроэнергетическая система

ЯГТУ    – ядерная газотурбинная установка

ЯППУ   – ядерная паропроизводящая установка

 

ВВЕДЕНИЕ

 

1. краткая историческая справка возникновения и

 развития судовых энергетических установок

 

В течение многих тысячелетий огонь был для человека только источником тепла и служил для приготовления пищи. Затем человек научился использовать его для выплавки и обработки металла. И только к концу XVII века люди поняли, что пользуются лишь ничтожной частью того, что может дать им огонь, поняли, что огонь можно заставить двигать экипажи, корабли, забивать сваи. И все это под силу устройствам, преобразующим тепло в работу – тепловым двигателям.

Вокруг вопроса о том, кому принадлежит приоритет создания первого теплового двигателя, спорят до сих пор. Прообразом теплового двигателя считается созданный в I веке до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый Эолипил. Он представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими изогнутыми трубками и сообщался с расположенным под ним сосудом с водой. Конечно, это была только игрушка, а не тепловой двигатель, но идея использования энергии пара путем разгона его и подачи струй в окружном направлении была позднее использована при создании паровых турбин.

В 1630 году в Англии был выдан патент Дэвиду Рамсею на изобретение, цель которого – «поднимать воду из глубоких колодцев посредством огня». Более подробных объяснений в патенте не имеется. К концу 17 века было изобретено много устройств для осушения угольных шахт. Но только в 1683 году англичанин Сэмюэль Морленд издал сочинение, в котором впервые четко изложил мысль, что для подъема воды путем использования теплоты горения, нужно сначала воду превратить в пар.

Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае Ползуновым. Его машина приводила в движение кузнечные меха. Патента на свое изобретение Ползунов не испрашивал, и первый патент на универсальный тепловой двигатель был выдан 5 января 1769 года в Англии Джеймсу Уатту. Вклад Уатта в развитие паровых машин очень велик. Он первым предложил вынести процесс конденсации пара за стенки цилиндра, понял, что мощность машины можно увеличить, если использовать не атмосферное давление, а давление пара. Затратив на изготовление своей машины все имеющиеся у него средства, Уатт в конце 1765 года смог продемонстрировать работу своей паровой машины.

Но патенты Уатта, полученные на его паровые машины, довольно долгое время сдерживали дальнейшее развитие паровых машин. Уатт даже пытался провести через парламент закон о запрещении использования пара высокого давления, мотивируя это соображениями общественной безопасности. Около 1800 года Уатт удаляется от дел, истекает срок действия его патента, и паровые машины начинают выпускать многие заводы, а их совершенствование ускоряется.

На предприятиях, где паровая машина использовалась нерегулярно, возникла необходимость в двигателе принципиально нового типа: без котла, с малым временем запуска и сравнительно невысокой мощностью. Рабочим телом такого двигателя не мог быть пар. Начались попытки создания двигателей, работающих на иных рабочих телах.

Первый патент на двигатель, использующий нагретый воздух, был выдан в Великобритании в 1816 году пастору Роберту Стирлингу. Изготовление двигателей Стирлинга началось в 1818 году, и изобретение Стирлинга намного опередило свое время. Стирлинг не знал термодинамики, но интуитивно реализовал в своей машине самый экономичный замкнутый цикл, а термодинамические процессы, образующие этот цикл, были описаны лишь десять лет спустя.

В 1824 году появляется книга Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В своих рассуждениях Карно исходил из неправильной трактовки теплоты, свойственной тому времени. Но исходя из неверной аналогии, Карно делает абсолютно правильный вывод: «… недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы, нужно еще добыть холод – без него теплота была бы бесполезна… Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы».

Огромная заслуга Карно в том, что он был основателем теории циклов. К достоинствам водяного пара Карно относит простоту его сжатия (для этого требуется всего лишь простейший насос) и конденсации. Полученные результаты позволили Карно сформулировать три условия достижения максимальной эффективной тепловой машины:

1. температура газа должна быть первоначально как можно выше;

2. охлаждение должно быть как можно больше;

3. «… переход упругой жидкости (газа или пара) от наиболее высокой температуры к наиболее низкой должен происходить от увеличения объема, т.е. охлаждение газа должно происходить самостоятельно от его расширения».

 

Казалось бы ясно, что пользоваться теплом огня непосредственно для производства работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а затем использовать тепло пара. Но с первых же опытов в создании двигателей, работающих без пара, возникли большие препятствия. На всемирной выставке в Париже 1867 года немецкий коммерсант Отто представил новый газовый двигатель, созданный в содружестве с инженером Лангеном. Благодаря высокой экономичности двигатели Отто-Лангена сразу стали пользоваться большим спросом, и их было выпущено более 5000 общей мощностью около 6000 л .с. Но работа двигателя сопровождалась шумом, его сравнивали с кузницей. Устрашал вид взлетающей зубчатой рейки и дребезжащий грохот передачи.

 

Новым принципиальным типом двигателя был двигатель Рудольфа Дизеля. Первый одноцилиндровый двигатель Дизеля был изготовлен в рекордные сроки, почти за один год в июле 1893 года. Однако при первой же попытке запуска произошел взрыв, едва не покалечивший изобретателя. На втором двигателе Дизель снизил давление конца сжатия и температуру. Этот мотор после серии опытов смог работать самостоятельно на холостом ходу с частотой 80 об/мин.

 

Частота вращения вала единственного вида существовавших тогда двигателей – поршневых – была ограничена из-за инерционных сил, действующих на поршень. Выход был только один – отказ от поршня. Впервые идея безпоршневого двигателя – реактивной паровой турбины, подобной Геронову эолипилу, возникла у Лаваля при испытании пескоструйных аппаратов. Английский патент на «Турбину, работающую паром и водой» был выдан в 1883 году. Вскоре турбина была изготовлена. Ее ротор представлял собой отлитую из бронзы S-образную обтекаемую трубку с соплами на концах. Испытания показали, что турбина надежно работает на частотах вращения до 42000 об/мин. Попытки усовершенствовать турбину результатов не принесли. Лаваль нашел другой путь – активную турбину. Мысль о ней зародилась у него в 1888 году, а в 1889 году активная турбина с расширяющимся соплом была запатентована. Важнейшая особенность турбины – это форма сопла. Сужающе-расширяющиеся сопла, которые получили название сопел Лаваля, позволяют разогнать пар или газ до сверхзвуковых скоростей с очень малыми потерями. Но необходимая для получения хорошего КПД высокая частота вращения турбин Лаваля оказалась не благом, а проклятием. Лавалю пришлось разработать механическую передачу – редуктор – от турбины к приводному агрегату. Причем сама турбина представлялась карликом по сравнению с редуктором.

Дойти до вершины суждено было Чарльзу Альджерону Парсонсу. Парсонс с самого начала выбрал правильное направление, в основе которого лежала простая идея: всю располагаемую энергию пара следует разделить на несколько порций и срабатывать не всю в одной ступени, как это делал Лаваль, а последовательно, каждую порцию энергии в отдельной ступени. Воплощением этой идеи стала многоступенчатая турбина. Турбины, созданные Парсонсом и выпускаемые фирмой «Кларк и Чапмен», господствовали на быстро расширяющемся рынке турбогенераторов.

 

В середине XIX века был впервые определен КПД паровых машин, и его незначительная величина вызвала настоящий шок среди специалистов. Паровая машина была очень быстро вытеснена турбиной в зоне больших мощностей и двигателями внутреннего сгорания в области малых, но долго удерживала свои позиции в промежутке между ними.

Однажды в 1902 году профессор Джемсон задал Парсонсу шутливый вопрос: «Можно ли парсонизировать газовую машину?». «Я думаю, что газовую турбину никогда создать не удастся» – последовал быстрый и решительный ответ. Сегодня мы знаем, что Парсонс был не прав, но в его словах был глубокий смысл: они выражали мнение человека, ясно представляющего огромные трудности на пути создания газовой турбины.

В 1837 году француз Брессон запатентовал газотурбинный двигатель, в котором для сжатия воздуха использовался вентилятор. В 1872 году немецким инженером Штольце была запатентована «огненная турбина», очень похожая на современные газотурбинные двигатели. Испытания ее состоялись только в 1900 – 1904 годах и не дали благоприятных результатов. До 40-х годов прошлого века газовая турбина как самостоятельный двигатель не могла составить конкуренции ни паровой турбине, ни ДВС, и широко использовалась только как помощница своих конкурентов, например для наддува двигателей внутреннего сгорания. И только в 40-х годах прошлого века положение газовой турбины начало быстро меняться.

 

Стремление найти применение созданным тепловым двигателям на воде было естественно, и результат не заставил себя долго ждать. Уже в 1802 году шотландский инженер Уильям Саймингтон построил первое пригодное к эксплуатации паровое судно с лопастным колесом на корме, названное «Шарлотта Дункан». В 1809 году американец Джон Стефенс построил колесный пароход «Феникс». Через 13 дней пароход прибыл из Нью-Йорка в Филадельфию, став первым судном с паровой машиной, плававшим в открытом море. У пароходов того времени было множество недостатков, и они нередко становились объектами насмешек. Котлы топились дровами, из труб вырывалось пламя и снопы искр, шипел выходивший пар, а паровые машины производили невероятный шум.

Событием, ставшим вехой, стало плавание парусного судна «Саванна», отправившегося в мае 1819 года из США к берегам Европы. Через 29 суток судно бросило якорь в порту Ливерпуль. За время плавания паровая машина «Саванны» работала в общей сложности 80 часов – на большее 70 тонн угля и 90 кубометров дров не хватило. «Саванна» стала первым в истории судном, которое пересекая Атлантический океан, частично использовало паровой двигатель. В 1838 году пароход «Сириус» впервые пересек Атлантический океан из Европы в Америку только на энергии парового двигателя. С этого момента началась эпоха царствования пара на море.

 

Естественно, что все достижения изобретателей, все передовые технологии получали свое воплощение именно в военно-морских флотах государств. Военные корабли всегда воплощали в себе новейшие достижения технического прогресса.

В начале прошлого века произошли большие научно-технические сдвиги в корабельной технике. На кораблях стали применять турбинные механизмы, ДВС – дизели и бензомоторы, паровые водотрубные котлы усовершенствованной конструкции на смешанном угольно-нефтяном и чисто нефтяном отоплении. Резко возросли мощности энергетических установок при одновременном повышении их экономичности, результатом чего явились более высокие скорости кораблей и дальность плавания. Были сделаны первые шаги по применению на кораблях переменного электрического тока, что дало новый толчок развитию корабельных энергетических установок.

 

В течение 20 века происходило дальнейшее совершенствование судовых энергетических установок. Корабельная энергетика совершенствовалась по следующим направлениям:

- увеличение агрегатной мощности;

- повышение энергонапряженности с целью снижения массогабаритных показателей;

- снижение удельных расходов используемого топлива;

- повышение ресурса;

- снижение виброактивности;

- создание новых перспективных и экспериментальных видов корабельных установок.

 

К 1970 году завершился период освоения ГТУ первого и второго поколений. Была освоена температура газа в пределах 820 ÷ 870 ^оС, степень повышения давления – 12. В 1971 – 1973 годах осуществлен переход на новые параметры в цикле: по температуре газа до 1000 ÷ 1100 ^оС, степени повышения давления до 17. Был обоснован и принят унифицированный мощностной ряд высокотемпературных газотурбинных двигателей:

- мощностью 10000 л .с. и мощностью 12000 л .с.;

- мощностью 5000 л .с.;

- мощностью 20000 л .с. и мощностью 24000 л .с.

 

С появлением высокотемпературных двигателей возникла идея утилизации тепла отработавших газов для повышения экономичности установки путем применения утилизационного контура.

 

Отечественные дизельные установки обеспечивались дизелями унифицированного ряда:

- средней удельной массы 5 ÷ 7 кг/л.с. в диапазоне мощностей от 1500 до 8000 л .с. на базе машин Коломенского завода и завода «Русский дизель»;

- легких быстроходных дизелей мощностью от 1000 до 10000 л .с. на базе машин завода «Звезда»;

- легких быстроходных дизелей в маломагнитном исполнении мощностью от 600 до 2500 л .с.

 

Была создана и испытана дизель-газотурбинная установка, в которой осуществлен общий привод на гребной винт газовой турбины номинальной мощности 10000 л .с. и дизель-редукторного агрегата с гидротрансфор-маторами мощностью 5000 л .с. Создание такой установки определило новое направление в отечественной корабельной энергетике.

 

Проводились работы и в области совершенствования корабельных КТЭУ. Были созданы высоконапорные котлы с газотурбинным наддувом, позволяющие существенно снизить массогабаритные показатели и улучшить маневренные качества КТЭУ. Эти котлы изготавливались большой серией и в настоящее время применяются на всех кораблях Российского военно-морского флота с котлотурбинной энергетической установкой. В начале 70-х годов была возрождена идея создания прямоточных паровых котлов.

 

К концу 40-х – началу 50-х годов прошлого века в Советском Союзе специально созданными НИИ и лабораториями были завершены фундаментальные научные исследования в области ядерной физики. Результаты исследований позволили перейти к решению научно-технических проблем, обеспечивающих, в свою очередь, начало разработок и реализацию конкретных проектов атомных энергетических установок. Общее руководство всеми работами по атомной энергетике осуществляли академики И.В. Курчатов и А.П. Александров. Всё в области корабельной атомной энергетики было настолько новым, что потребовало решения целого комплекса принципиальных научно-технических задач. В частности, было необходимо: выбрать тип и количество ядерных реакторов; определить материалы, форму тепловыделяющих элементов, тип теплоносителей для съема тепла в активной зоне и конструктивные решения, обеспечивающие его подвод и отвод; определить оптимальные параметры рабочего тела контуров и способы циркуляции теплоносителя; разработать принципы и системы управления и защиты реактора; компоновочные схемы биологической защиты, а также решить множество других задач по разработке первой корабельной АЭУ. В результате проработок были созданы установки с различными типами теплоносителей, парогенераторов, реакторов и их наземные экспериментальные прототипы. Отечественная атомная наука и техника развивались совершенно самостоятельно и во многом опередила уровень зарубежных разработок, что послужило становлению и развитию корабельной атомной энергетики и полностью обеспечило потребности кораблестроения в разработке, создании и поставках на корабли атомных энергетических установок, соответствующих предъявленным им высоким требованиям.

К концу 20 века были созданы надежные ядерные энергетические установки, был произведен переход на блочную компоновку ППУ и ПТУ. В результате проведенных исследований были увеличены энергозапасы активных зон, совершенствовалась биологическая защита реакторов. Были проведены работы по использованию новых высокотемпературных теплоносителей.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: