Развитие электродвижения военных флотов в мире

Электрооборудование корабля

— комплекс электротехнических систем,
устройств, приборов и аппаратов для производства, распределения и использования
электрической энергии, предназначенной обеспечивать функционирование вооружения и
технических средств корабля. Электрооборудование корабля включает
источники, преобразователи, потребители
электроэнергии, системы её распределения,
измерительные устройства и приборы.
В зависимости от класса на корабле имеются
несколько (от 1 до 6) электростанций, в которых размещаются основные источники электроэнергии (паротурбогенераторы, газотурбогенераторы, дизельгенераторы), главные распределительные щиты (ГРЩ)
и пульты управления. На дизельных подводных лодках для
питания гребных электродвигателей служат
аккумуляторные батареи. Суммарная мощность основных генераторов составляет от нескольких сот
до десятков тысяч кВт. Кроме основных в каждой электростанции устанавливают один или
два резервных автономных генератора, запуск
которых осуществляется автоматически при
исчезновении напряжения в сети.
Электрооборудование корабля выполняется на постоянном и на переменном токе. С 50-х годов, ввиду ряда преимуществ (меньшие масса и габариты электрооборудования, надёжность, простота и удобство
обслуживания), на кораблях применяется
в основном переменный трёхфазный ток.
Основными потребителями электроэнергии являются системы вооружения, механизмы главной
энергетической установки, общекорабельных систем, грузовые краны, брашпили, насосы,
вентиляторы, осветительные и сигнальные устройства,
приборы управления кораблём, устройства
и системы, обеспечивающие жизнедеятельность
личного состава. Некоторые потребители имеют
двойное питание — от основных и от резервных генераторов. Потребители, требующие электроэнергию, отличающуюся по параметрам от
общекорабельной сети, могут иметь индивидуальные электромашинные или статические
преобразователи. Для передачи электроэнергии при боевых повреждениях от одной электростанции к другой ГРЩ соединяются между
собой перемычками. Управление распределением электроэнергии централизовано и автоматизировано, с возможностью местного управления. Пульты управления оборудуются
контрольно-измерительными и сигнальными приборами,
аппаратами защиты и мнемосхемой. Аппараты защиты обеспечивают селективное отключение потребителей при авариях.
Специфические условия эксплуатации — высокая влажность и резкие колебания температуры
окружающего воздуха, качка корабля, возможность попадания воды, опасность, связанная с пожаром, — обусловливают необходимость изготовления электрооборудования
в различном исполнении (каплезащищённом,
брызгозащищённом, водозащищённом, герметичном, взрывозащищённом). Это обеспечивает надёжную его эксплуатацию в течение
всего срока службы корабля.Литература: Лычковский В.Л. Электрическое
оборудование и электродвижение судов. Изд. 3-е.
М., 1974; Хайдуков О.П., Осокин Б.В.
Электрооборудование судов. М., 1974; Pянин И.А.,
Киреев Ю.Н. Надежность судовых электроэнергетических систем и судового электрооборудования.
Л., 1974; Справочник судового электротехника.
Т.1-3. Л., 1975.Д.А.Гидаспов

Применение

Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

В промышленности и народном хозяйства

ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

Основные показатели:

16,5 МВт — мощность на валу.
37% — КПД, механический привод.
36% — КПД, электрический (простой цикл).
80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
200 000 часов — полный жизненный цикл
выбросы NOx — не более 25 ppm.

Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

В транспортной сфере

Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

https://youtube.com/watch?v=J1H0UkDDjCY

Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем

Десантное судно «Зубр»

Устройство и принцип работы двигателя

Строение турбовального двигателя в общих чертах напоминает строение ТРД. Основными составляющими являются комрессор, турбина, камера сгорания и вал. В отличие от других газотурбинных двигателей ТВаД совсем не имеет реактивной тяги – вся свободная энергия расходуется на вращение вала, поэтому и сопла, как такового, у него нет, а есть только каналы (своеобразные выхлопные трубы), по которым отводятся отработанные газы. Еще одна особенность ТВаД – наличие не одной, а двух турбин, не связанных между собой механически. Одна турбина приводит в движение компрессор, а вторая – рабочий вал. Между собой они связаны газодинамически. Некоторые модели турбовинтовых двигателей также имеют схожую конструкцию, но не обязательно. В случае с ТВаД турбин всегда две.

Две основные схемы устройства ТВаД с описание расположенных механизмов. Картинки кликабельны.

Принцип работы турбовального двигателя тоже не сильно отличается от ТРД или ТВД. Компрессор, приводимый в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания, где он перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом. Топливный заряд воспламеняется и сгорает, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Расширяясь, они вращают турбины, приводя в движение компрессор и вал, а отработанные газы выводятся наружу.

Компрессор турбовального двигателя имеет несколько ступеней и может быть центробежным, осевым или комбинированным. Комбинированные компрессоры сочетают в себе и центробежные, и осевые ступени.

Обязательным конструктивным элементом ТВаД, как, впрочем, и турбовинтового двигателя, является редуктор, установленный между турбиной и валом. Сама турбина вращается с угловой скоростью, достигающей 20 000 об/мин. Понятно, что винт, закрепленный на валу и создающий тягу, не сможет работать при такой скорости и выполнять свои функции, ведь тогда ему придется вращаться со сверхзвуковой скоростью. Редуктор, установленный перед валом, понижает обороты и увеличивает крутящий момент, так что скорость вращения лопастей винта вертолета значительно меньше скорости вращения турбины.

Если турбовинтовые двигатели, которые используются на самолетах, должны иметь компактные размеры, а вал турбины и вал винта у них устанавливаются параллельно в одном корпусе, то к габаритам турбовальных двигателей таких жестких требований нет. Рабочий вал у них может находиться впереди турбины или за ней, в одном корпусе с ней или отдельно. Это объясняется тем, что мотор спрятан в конструкции кабины, где его можно расположить в любом удобном положении. Различают цельные моторы и модульные, состоящие из отдельных модулей, связанных между собой механически. Часто в одном модуле расположены компрессор и турбины, а в другом – рабочий вал, связанный с валом турбины редуктором.

Легкий американский вертолет AH-6j Little Bird

Паровая турбина

В наше время широкое распространение получил другой тип теплового двигателя, называемый турбиной.

ПАРОВАЯ ТУРБИНА

Паровая турбина представляет собой насаженный на вал массивный диск. По ободу диска закреплены лопасти. Около лопастей расположены трубы — сопла, в которые поступает пар из котла.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

В паровом котле под большим давлением получается пар, температура которого достигает 600 °С. Он направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара его внутренняя энергия превращается в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Эти струи поступают из сопла на лопасти турбины, вследствие чего диск турбины вращается с достаточно высокой скоростью. Вал и диск с лопастями образуют ротор турбины, который находится в специальном корпусе. По всей поверхности корпуса помещаются сопла. В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар, последовательно проходя через лопасти всех дисков, отдаёт каждому из них часть своей энергии.

https://youtube.com/watch?v=e_gB2JpEiSA

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРОВЫХ ТУРБИН

Паровые турбины широко применяют на современных тепловых и атомных электростанциях, где паровую турбину соединяют с генератором электрического тока.

Тепловые электростанции работают по следующему принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло приводит к испарению воды, циркулирующей внутри расположенных в котле труб, и подогревает образовавшийся пар.

Пар, расширяясь, вращает ротор турбины, а тот, в свою очередь, вал электрического генератора. Затем отработанный пар конденсируется, вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котёл.

НЕДОСТАТКИ ПАРОВЫХ ТУРБИН:

высокая инерционность паровых установок (долгое время пуска и остановки);
низкое количество производимой электроэнергии в соотношении к затраченной тепловой энергии;
дорогостоящий ремонт;
снижение экологических показателей при использовании тяжёлых мазутов и твёрдого топлива.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПАРОВЫХ ТУРБИН

По сравнению с другими тепловыми двигателями турбины обладают рядом преимуществ.

Рабочим телом турбины является водяной пар, для получения которого подходит практически любое, даже самое дешёвое, топливо. Кроме того, турбины позволяют получать довольно большие мощности, а их КПД составляет 30—40 % .

Паровые турбинные двигатели нашли широкое применение на водном транспорте. Их применение на сухопутном транспорте и тем более в авиации ограничено необходимостью иметь топку и котёл для получения пара, а также большое количество воды для использования в качестве рабочего тела.

Существуют паровые турбины специального назначения, работающие на отбросном тепле — воде, нагревающейся в процессах охлаждения на металлургических, машиностроительных и химических предприятиях.

К достоинствам паровых турбин обычно относят: