ГАЗОТУРБОХОДЫ
Характерные черты газотурбинной установки — небольшой вес и малые габариты, простота обслуживания и безотказность в работе. Газотурбинные установки состоят из генератора газа и турбины.
Применить газовые турбины на судах впервые предложил русский офицер Назаров. В 1892 году Кузьминский создал газотурбинную установку. В СССР в 1961 году был построен газотурбоход «Павлин Виноградов». Его силовая установка состояла из четырех свободно-поршневых генераторов газа, вырабатывающих рабочий газ для турбины мощностью 3800 л. с., водоизмещение судна составляло 9080 тонн, скорость хода — 15,6 узла.
В современных газовых турбинах максимальный коэффициент полезного действия составляет около 29 процентов.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
На сегодняшний день победа, как будто бы, осталась за дизелями. Во всяком случае, свыше 50% существующего мирового тоннажа — теплоходы. Но сейчас бурными темпами растет число спущенных на воду судов-гигантов, круизных лайнеров, контейнеровозов, супертанкеров и т. д. Для сообщения этим «судам гигантам» заданной скорости нужны мощности, которые не всегда могут быть достигнуты двигателями внутреннего сгорания.
Для поршневой паровой машины был найден эквивалент в виде дизельной установки , в которой сгорание осуществляется непосредственно в рабочем цилиндре и для которого уже не нужен специальный паровой котел. Специалисты, работающие в области турбостроения, также сумели найти эквивалент паровой турбине, которая могла бы успешно функционировать без отдельного парового котла. Такой двигатель — газовая турбина — сочетает в себе достоинства дизельной силовой установки и паровой турбины: не нуждается в паровых котлах, а как турбина — не содержит элементов, совершающих возвратно-поступательного движения (поршней, штоков и т. д.).
В простейшем варианте газовая турбина — это своего рода «турбина внутреннего сгорания», в которой воздух засасывается из атмосферы посредством компрессора, сжимается давлением несколько атмосфер, и направляется в камеру сгорания, где сжигается соляровое масло, «флотский» мазут или другие виды дешевого топлива. Образующиеся при сгорании газы, нагретые до температуры 600 — 800° по Цельсию, вращают диски турбины. Отработавшие продукты сгорания топлива или удаляются в атмосферу, либо используются для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.
Газовая турбина относится к числу весьма перспективных энергетических установок, обладающих большой мощностью при малом весе. Недостаток ее, как и паровой турбины — это практическая невозможность ее реверсирования, вследствие чего на судне приходится предусматривать отдельную турбину заднего хода. Впрочем, с появлением винтов регулируемого шага и вспомогательных винтов, расположенных в носовой части судна проблема реверса и маневров заметно упростилась, так как при определенном положении лопастей винта турбина переднего хода может сообщать судну движение назад. Более серьезным недостатком газовой турбины является ее низкий КПД, порядка 30 процентов, и сравнительно большой расход топлива. Но все же есть все основания предполагать, что по мере создания более экономичных газотурбинных установок они найдут самое широкое распространение.
Принцип действия газотурбинного нагнетателя показан на рисунке 6. Принцип действия газотурбинной силовой установки показан на рисунке 7.
принцип действия газотурбинного нагнетателя
принцип действия газовой турбины
Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на кораблях военно-морского флота. На коммерческих судах они не оправдали себя — на сегодняшний день газовые турбины применяются только на небольшом количестве судов. Причинами понизившегося интереса к этому виду двигателей являются малый КПД, довольно большой расход топлива и высокая рабочая температура, требующая применения высокопрочных и дорогих материалов. К преимуществам газотурбинного двигателя относятся малые габаритные размеры по сравнению с достигаемой мощностью и небольшая собственная масса. Газовые турбины можно также использовать в качестве главных и вспомогательных двигателей на судах с подводными крыльями или суда на воздушной подушке.
ротор турбины
Другие особенности газотурбинных установок
Отличительные особенности газотурбинных установок:
- Незначительный вред, причиняемый окружающей среде. Это малый расход масла. Способность работать на отходах самого производства. Выброс в атмосферу вредных веществ составляет 25 ppm.
- Небольшие габариты и вес. Это позволяет располагать данное оборудование на небольших площадках, что экономит деньги.
- Незначительный уровень шума, а также вибрации. Данный показатель находится в пределах 80 – 85 дБА.
- Способность газотурбинного оборудования работать на различном топливе позволяет применять его практически в любом производстве. При этом предприятие сможет само выбирать экономически выгодный вид топлива, опираясь на специфику своей деятельности.
- Продолжительная работа с минимальной нагрузкой. Это касается и режима холостого хода.
- На протяжении одной минуты данное оборудование способно выдерживать превышение номинальной величины тока на 150 процентов. А в течение 2 часов – 110 %.
- При трехфазном симметричном «КЗ» система генератора способна выдержать на протяжении 10 секунд порядка 300 процентов номинального непрерывного тока.
- Отсутствие водяного охлаждения.
- Высокая надежность работы.
- Продолжительный ресурс работы (около 200 000 часов).
- Использование оборудования в любых климатических условиях.
- Умеренная цена строительства и небольшие затраты во время самой работы, ремонта и технического обслуживания.
Электрическая мощность газотурбинного оборудования находится в пределах от десятков кВт до нескольких МВт. Максимально большой КПД достигается, если газотурбинная установка функционирует в режиме одновременного производства тепловой и электрической энергии (когенерации).
Благодаря получению недорогой такой энергии, появляется возможность быстрой окупаемости такого рода оборудования. Энергоустановка и котел – утилизатор выходящих газов способствуют более эффективному использованию топлива.
С газотурбинными машинами существенно упростилась задача получения большой мощности. А при выполнении всех тепловых особенностей турбин газового типа, значение большого электрического коэффициента полезного действия отходит на второй план
Если брать во внимание большое значение температуры выпускных газов газотурбинного оборудования, то можно осуществить комбинацию применения газовой и паровой турбины
Данное инженерное решение способствует предприятиям значительно наращивать производительность от применения топлива и увеличить электрический КПД до отметки в 57 – 59 процентов. Такой метод очень хороший, но он приводит к финансовым затратам и усложнению конструкции оборудования. Поэтому его часто используют только крупные производства.
Отношение производимой электрической энергии по отношению к тепловой в газотурбинной установке составляет 1 к 2. Таким образом, к примеру, если газотурбинная установка имеет мощность в 10 Мегаватт, то она способна выработать 20 МВт тепловой энергии. Чтобы осуществить перевод Мегаватт в гигакалории, необходимо использовать специальный коэффициент, который равен 1,163.
В зависимости от того, что именно необходимо заказчику, газотурбинное оборудование может дополнительно оснащаться водонагревательными и паровыми котлами. Это позволяет получать пар с различным давлением, который будет применяться для решения различных производственных задач. Также, это позволяет получить горячую воду, которая будет иметь стандартную температуру.
Во время совмещенной эксплуатации двух типов энергии, можно получить увеличение коэффициента использования топлива (КИТ) газотурбинной тепловой электростанции до 90 процентов.
При использовании газотурбинных установок в виде оборудования силового типа для мощных ТЭС, а также мини-ТЭЦ, вы получите оправданное экономическое решение. Обусловлено это тем, что сегодня практически все электростанции работают на газе. Они имеют очень низкую для потребителя удельную стоимость, что касается строительства и небольших затрат во время последующего использования.
Лишняя, причем даже бесплатная, тепловая энергия позволяет без каких либо затрат на электроэнергию настроить вентиляцию (кондиционирование) производственных помещений. И это можно делать в любое время года. Охлажденный таким способом теплоноситель, можно использовать для разных промышленных нужд. Такой вид технологии носит название «тригенерация».
Газотурбинные двигатели в промышленности
При нефтедобыче и переработке активно используются также газотурбинные двигатели. Газотурбинный двигатель представляет собой сложную установку – это тепловое оборудование, внутри которого газ сжимается, затем нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа создает вращение турбины. Такие двигатели лучше поршневых, так как все процессы в них более эффективны благодаря тому, что они происходят в потоке движущегося газа.
Принцип действия газотурбинного двигателя сводится к тому, что из компрессора воздух подается в камеру сгорания, затем туда же подается топливо. В камере сгорания образуются газообразные продукты разного вида, находятся они под давлением. После этого в турбине двигателя энергия газообразных продуктов создает механическую работу, и турбина начинает вращаться. Полезной работой двигателя считается работа, которая выполняется приводимым агрегатом.
Преимуществом газотурбинного двигателя можно назвать то, что он обладает самой большой мощностью, она может достигать 6 кВт/час. Это наибольший показатель среди аналогов. Кроме того, такой агрегат способен работать с разными видами топлива – бензином, керосином, мазутом, природным газом, спиртом или измельченным углем. Данное оборудование широко применяется в сфере нефте- и газодобычи.
Тригенераторные электростанции
Проблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, — от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %.
Устройство газотурбинного двигателя
Если сравнивать газотурбинный двигатель с мотором, который применяют на автомобиле, устройство первого проще. Агрегат включает камеру, где происходит сгорание; присутствуют свечи, поджигающие заряд; форсунка, участвующая в смесеобразовании. На одном валу помещены турбинные колёса и нагнетатель. Присутствуют: редуктор понижения, устройство обмена теплом, трубки, коллектор впуска, сопло и концентратор.
Вращаясь на компрессорном валу, лопатки втягивают воздушную массу, используя коллектор впуска. Достигнув скорости вращения 0,5 км/с, нагнетатель затягивает воздух в концентратор. В конечной точке скоростной режим падает, однако сдавливание массы повышается. Далее воздушная масса перетекает в устройство температурного обмена для набора температуры и перехода в область горения. В пространство параллельно с воздушной массой постоянно поступает горючее, за это отвечают распылители. Перемешиваясь, масса и горючее образуют рабочую консистенцию, которая после приготовления воспламеняется свечой. Горение поднимает напор объёма, газы, вырываясь сквозь концентратор, сталкиваются с турбинными лопатками, двигая колесо. Импульс, создаваемый окружностью, передаётся посредством редуктора на движущий элемент, а газовый остаток перетекает в устройство обмена теплом, подогревая там сдавленные воздушные массы и выбрасываясь в среду окружения.
Газотурбинный мотор «ДР59Л»:
Минус установки, цена материала, способного выдержать температуру. Кроме того, чтобы исключить поломку, поступающий в агрегат воздух требует повышенной степени очистки. Несмотря на это, доработка и усовершенствование агрегата проводятся постоянно. Расширяется сфера применения, сегодня построена автомобильная, авиационная установка, и даже газотурбинный двигатель для кораблей.
Типовая схема агрегата
Стандартная газотурбинная установка представляет собой тепловую машину, где используется теплоноситель, находящийся в газообразном состоянии, нагретый до высокой температуры. В результате определенных процессов, которые будут рассмотрены ниже, его энергия превращается в механическую.
Конструкция такой электростанции состоит из следующих частей: компрессора, камеры сгорания и самой газовой турбины. Взаимодействие этих компонентов и управление ими в процессе работы обеспечивается специальными вспомогательными системами, входящими в конструкцию установки. Газотурбинная установка и электрический генератор образуют в совокупности газотурбинный агрегат. Мощностью от нескольких десятков киловатт до показателей, измеряемых в мегаваттах. Электростанция, в зависимости от целевого назначения и количества потребителей, имеет одну или несколько газотурбинных установок.
Сама газотурбинная установка разделяется на две части, размещенные в общем корпусе: газогенератор и силовая турбина. Газогенератор состоит из камеры сгорания и турбокомпрессора. Именно здесь создается газовый поток с высокой температурой, оказывающий воздействие на лопатки турбины. Выхлопные газы утилизируются в теплообменнике, и одновременно производят нагрев паровых или водогрейных котлов. Газотурбинные установки могут работать на жидком или газообразном топливе. В стандартном рабочем режиме используется газ, а в критических ситуациях установка автоматически переходит на жидкое топливо.
В нормальных условиях ГТЭС осуществляет комбинированное производство электричества и тепловой энергии. Как правило, они работают в базовом режиме, но при необходимости успешно перекрывают пиковые нагрузки. Вырабатываемое тепло, в количественном отношении существенно выше, чем производимое обычными поршневыми устройствами.
Эсминец Казак
Эскадренный миноносец Cossack был кораблем значительно меньшего класса, его экипаж составлял 219 человек. Здесь наш героически спасшийся кот прекрасно приживается и получает новое имя – “Оскар”. В международном своде сигналов символ “О” и слово “Oscar”, сопровождающиеся разделенным по диагонали красно-желтым флагом, означают “Человек за бортом!”. Так из-за отпущенной кем-то шутки у кота появилось быстро запоминающееся имя, а вместе с ним и новая зона ответственности.
“Казак” постоянно ходил в составе конвоев, поэтому служба у Оскара началась бурная. Эсминец отправлялся то в Северную Атлантику, то к югу на Гибралтар. В беспокойных походах прошло несколько месяцев, пока “Казак” 24 октября не был атакован подводной лодкой “U-563”. В этот момент он как раз шел в Ливерпуль из Гибралтара в составе охранения транспортных судов. Взрывом немецкой торпеды кораблю оторвало нос, 158 членов его экипажа погибло. “Казак” пытались взять на буксир и доставить обратно на заморскую территорию Великобритании, но безуспешно. Погода испортилась, и 27 октября эсминец затонул.
Коту повезло больше – он оказался в гибралтарском порту. Его непростая история впечатлила моряков, и они дали животному новое имя. Так, наконец, появился Непотопляемый Сэм.
«Ключевой элемент импортозамещения»
По данным ОДК, силовыми установками М55Р будут укомплектованы шесть фрегатов: «Адмирал Головко», «Адмирал флота Советского Союза Исаков», «Адмирал Амелько», «Адмирал Чичагов», «Адмирал Юмашев» и «Адмирал Спиридонов».
На сегодняшний день в составе ВМФ два таких сторожевых корабля: «Адмирал флота Советского Союза Горшков» и «Адмирал флота Касатонов». Оба несут службу на Северном флоте.
Также по теме
Морской компонент: как передача ВМФ 40 кораблей укрепит обороноспособность России
В этом году ВМФ России получит около 40 кораблей и судов обеспечения. Об этом рассказал член коллегии Военно-промышленной комиссии и…
Фрегаты проекта 22350 предназначены для выполнения широкого круга задач: борьбы с кораблями и подлодками противника, уничтожения наземных целей, обеспечения противолодочной и противоракетной обороны, поддержки высадки десанта, охраны государственных границ и защиты гражданских судов.
Эти корабли могут вести стрельбу ракетами 3М-14 «Калибр», 3М55 «Оникс» и гиперзвуковыми боеприпасами «Циркон». Также в арсенал фрегатов входят зенитные комплексы 3К96-2 «Полимент-Редут», противолодочные системы 91Р2 и противоторпедные изделия «Пакет-НК».
Первые серийные корабли проекта 22350 оснащены 16 ячейками для вертикального пуска крылатых и зенитных ракет. Теперь же «Адмирал Юмашев» и «Адмирал Спиридонов», заложенные в 2020 году, получат 24 шахты, что, по словам экспертов, существенно увеличит их боевую мощь по сравнению с предшественниками.
«Эти фрегаты категорически нужны флоту, особенно с учётом постепенного вывода из эксплуатации советских крейсеров, эсминцев и больших противолодочных кораблей. Фрегаты проекта 22350 в перспективе составят основу надводного флота, способного действовать в дальней морской зоне и на просторах Мирового океана», — сказал RT основатель портала Military Russia Дмитрий Корнев.
Аналогичной точки зрения придерживается и главный редактор журнала «Арсенал Отечества» Виктор Мураховский. В беседе с RT он отметил, что эксплуатация фрегатов «Адмирал флота Советского Союза Горшков» и «Адмирал флота Касатонов» подтвердила высокие качества, заложенные в корабли проекта 22350.
«Они обладают мощным ракетным вооружением, в том числе зенитным. К тому же идёт модернизация: новые серийные корабли будут иметь несколько большее водоизмещение, улучшенный состав радиоэлектронного оборудования и ракетного вооружения. Без таких фрегатов не получится успешно выполнять задачи не только вблизи своих берегов, но и в океанской зоне», — пояснил Мураховский.
Как подчёркивают эксперты, реализация уникальной для ВМФ программы строительства фрегатов дальней морской зоны была бы невозможна без успешного завершения работ и испытаний установки М55Р.
Запуск его производства был продиктован потребностями импортозамещения. До 2014—2015 годов российская промышленность закупала продукцию украинской двигателестроительной индустрии. Разработчиком ДГТА является «ОДК-Сатурн» (Рыбинск, Ярославская область).
- Проектирование цифрового двойника морского газотурбинного двигателя нового поколения
«Испытания агрегата в сборе с редуктором, дизелем и локальными системами управления проводились в сборочно-испытательном комплексе корабельных газотурбинных двигателей и газотурбинных агрегатов ПАО «ОДК-Сатурн» — уникальном для России объекте, введённом в строй в 2017 году, ставшим ключевым элементом импортозамещения», — говорится в материалах «ОДК-Сатурн».
технология
Два модуля GT поднимаются в машинное отделение USS Bunker Hill .
Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами привода
Газовые турбины ценятся как двигательные установки для судов в первую очередь из-за их высокой удельной мощности (соотношение мощности к занимаемой площади и весу). Поэтому они в основном используются там, где требуется высокая производительность в минимальном пространстве, где используются высокие скорости и где относительно высокие инвестиционные затраты на газовую турбину менее важны, например, в военном секторе. На более просторных судах и в гражданских судах по экономическим причинам обычно предпочтительнее более дешевый дизельный двигатель .
В тесноте машинных отделений высокопроизводительных кораблей высокая удельная мощность представляет собой значительное преимущество перед дизельными двигателями большого объема или даже паровыми котлами с паровыми турбинами. Соответственно, большинство судовых газовых турбин являются производными от особо компактных и мощных авиационных двигателей. .
Газовая турбина может развить свои сильные стороны прежде всего при высокой, по возможности постоянной скорости, то есть при длительном движении и на максимальной скорости. При частичной нагрузке и в более низком диапазоне скорости / скорости другие типы привода, в частности дизельные двигатели, более гибкие и экономичные.
Недостатком по сравнению с дизельными двигателями или паросиловыми приводами является то, что используемые в авиации высокопроизводительные турбины предъявляют значительно более высокие требования к качеству топлива . Их нелегко сжигать на обычном судовом дизельном топливе или даже на дешевом мазуте («мазуте»).
Еще одна проблема для чувствительных газовых турбин — это соленый влажный морской воздух, который может вызвать коррозию и отложения в турбине. Двигатели внутреннего сгорания здесь менее восприимчивы.
В качестве привода для подводных лодок, газовая турбина принципиально не целесообразна из — за их свойства . В подводном положении GT не может использоваться из-за огромных требований к воздуху, а преимущества высоких характеристик и скорости на подводных лодках практически не играют роли на поверхности воды. Такие эксперименты, как турбина Уолтера, работающая с перекисью водорода в качестве двигателя подводной лодки или торпеды, не зарекомендовали себя.
Концепции привода
Пример конфигурации CODAG ; часто выбираемый привод с газовой турбиной
Поскольку сильные стороны газовой турбины проявляются только в верхнем диапазоне скоростей, ГТ редко используется в качестве единственного привода. Обычно GT для максимальной скорости сочетается с одним или несколькими другими приводами для медленного движения и для маневрирования. Обычно это дизельный двигатель (« CODAG » / « CODOG » / « CODLAG »), реже газовая турбина меньшего размера (« COGAG » / « COGOG ») или паровая турбина (« COSAG » / « COGAS »).
В случае комбинации с паровой турбиной, она может либо снабжаться паром от отдельного парогенератора, либо использовать энергию выхлопных газов газовой турбины через котел-утилизатор (принцип работы такой же, как в электростанции с комбинированным циклом. ).
Если газовая турбина используется в качестве прямого привода, ее можно комбинировать с водометным приводом, так как это наиболее эффективно на высоких скоростях и скоростях, особенно там, где газовая турбина имеет свои сильные стороны.
Часто GT используется не как прямой привод, а как турбо-электрический привод, т.е. ЧАС. через промежуточную ступень электрической энергии. Это имеет то преимущество, что приводная машина и привод могут быть пространственно разделены; очень компактные электродвигатели для привода гребного винта могут быть даже интегрированы в гондолу гребного винта, которую в морской технике часто называют гондой.
Создание и производство газотурбовоза
Газотурбовоз с обозначенной ранее силовой установкой, и электрической передачей мощности (вообще на отечественных газотурбовозах применяется электрическая передача мощности от вала турбины к колесным парам, однако были попытки установки и механической передачи) был построен в 1960 году на Луганском (Ворошиловградском) тепловозостроительном заводе в односекционном варианте и получил обозначение: ГТ101-001.
Газотурбинная установка на всех типах экспериментальных (а серийно они и не строились) запускалась непосредственно при движении с поездом, для маневровых передвижений требовалась установка дополнительно дизель-генераторной установки. Разработкой и постройкой газотурбовозов занимались конструкторы локомотивостроительных заводов в тесном сотрудничестве с Центральным научно-исследовательским институтом МПС (ЦНИИ МПС) и Московским высшим техническим училищем им. Баумана (МВТУ). Главным инициатором разработок и постройки газотурбовозов являлся уже известный нам по паровозам, главный конструктор Коломенского тепловозостроительного завода, Лев Сергеевич Лебедянский.
В итоге всей этой большой работы было построено несколько единичных экземпляров газотурбовозов:
в 1960 году Луганский завод построил уже известный нам, опытный газотурбовоз ГТ101-001 с СПГГ, мощностью 3000 л.с., шестиосный с электрической передачей;
в 1959 году, Коломенский завод построил одну секцию шестиосного опытного газотурбовоза Г1-01, мощностью 4500 л.с., с электрической передачей;
в 1964 году Коломенский завод построил два экспериментальных пассажирских шестиосных газотурбовоза с электрической передачей ГП1, мощностью по 3500 л.с.
Эти машины построены на базе серийно выпускающегося пассажирского тепловоза ТЭП60.
Работы по газотурбовозам начались и проводились совместно с проектированием и постройкой тепловозов. Конструкторы предполагали, что эти машины будут превосходить технические и экономические характеристики тепловозов, но этого не получилось. Все созданные опытные локомотивы во всех отношениях уступали уже эксплуатирующимся тепловозам. Поэтому было принято решение о дальнейшем прекращении работ по ним.
Решение это было правильным, газотурбовоз – тяжелый и сложный в устройстве и эксплуатации локомотив, а в мощности преимуществ перед тепловозами он не имел. Содержать парк таких локомотивов экономически было естественно невыгодно.
Американцы тоже очень увлеклись этой идеей, но больших успехов в строительстве и применении газотурбовозов не достигли, хотя на их дорогах отдельные экземпляры трудились. Еще в некоторых американских компаниях пробовали сцеплять их с тепловозом, который разгонял состав, ну а дальше за дело брался газотурбовоз. Но конечно, такой способ экономически выгодным никак не назовешь.
