Газотурбинная установка контейнеровоза вместимостью 800 контейнеров, со скоростью хода Vs=25 узлов
Одним из основных условий нормальной эксплуатации судна является надежная работа энергетической установки (ЭУ), которая в свою очередь зависит от прочности и долговечности ее элементов. Поэтому, рассматривая перспективы развития судостроения, следует подробнее остановиться на вопросах обеспечения этих качеств.
Указанная проблема является
комплексной и включает в себя
следующие связанные между
- оптимальное конструирование оборудования;
- создание новых материалов, разработка более совершенной технологии изготовления конструкций и новых методов неразрушающего контроля;
- разработка более
точных методов расчета
- создание более совершенных
методов и средств
- разработка средств и методов контроля за техническим состоянием оборудования в процессе эксплуатации энергетической установки (техническая диагностика).
Решение проблемы должно начинаться разработкой оптимальных схем и конструкций, созданием материалов с заданными свойствами и заканчиваться поставкой на суда оборудования, соответствующего определенным требованиям; впоследствии его работоспособность контролируется при эксплуатации, что дает возможность назначать сроки ремонта и заменять оборудование по фактическому состоянию. Однако до настоящего времени как прямые, так и обратные связи между указанными звеньями проблемы развиты недостаточно. Поэтому одной из главных перспективных задач является создание единой комплексной системы, обеспечивающей выпуск энергетического оборудования с высокими показателями прочности и долговечности. Создание такой системы будет способствовать повышению качества ЭУ и эффективности их использования.
На протяжении последних десятилетий происходит существенное совершенствование судовой энергетики, улучшаются рабочие параметры, интенсифицируется использование ЭУ. Применяются металлы с улучшенными прочностными характеристиками, шире используются неметаллические материалы внедряется более прогрессивная технология и методы контроля качества конструкций. Одновременно совершенствуются расчеты элементов ЭУ на прочность с использованием теорий пластичности и ползучести, методов линейной механики разрушения, сопровождающиеся широким использованием вычислительной техники; разрабатываются методы расчета оборудования на долговечность.
Наряду с этим происходит
совершенствование техники
Необходимость повышения рабочих параметров ЭУ ведет к увеличению напряженности конструкций или к их утяжелению при сохранении требуемых запасов прочности. В связи с этим весьма актуальной становится задача оптимального конструирования деталей и узлов оборудования. Она состоит в создании равнопрочной конструкции с минимальными напряжениями при заданной массе или в обеспечении минимальной массы при заданных напряжениях (или коэффициентах запаса).
Постоянно возрастающая сложность конструкций элементов ЭУ, технологии их изготовления и условий эксплуатации требуют дальнейшего совершенствования методов расчета на прочность и долговечность. Их развитие идет, с одной стороны, по пути все более полного учета различных факторов, а с другой - повышения точности расчетов и быстроты получения результатов. В связи с этим те методы, которые до последнего времени еще считались приемлемыми, в будущем уже не смогут решать поставленных задач.
Несмотря на успешное
развитие расчетных методов оценки
прочности и долговечности
Периодически проводимые профилактические осмотры оборудования, своевременная замена поврежденных деталей и другие мероприятия повышают работоспособность и надежность ЭУ. Однако применяемый до сих пор метод профилактической замены оборудования после отработки назначенного ресурса в ряде случаев недостаточно эффективен и приводит к экономическим потерям, вызванным недоиспользованием фактического ресурса. В связи с этим более оправдана замена оборудования, основанная на оценке фактического состояния, которое определяется методами технической диагностики. Оценка фактического состояния ЭУ позволяет существенно увеличить срок службы оборудования при одновременном повышении его эксплуатационной надежности.
Таким образом, процесс повышения прочности и долговечности ЭУ будет носить скорее эволюционный, чем революционный характер, и будет осуществляться за счет создания новых высокопрочных и пластичных сталей и сплавов с оптимальным сочетанием механических характеристик, в том числе с заданными свойствами, использования бездефектных и композитных материалов. Значительную роль сыграют совершенствование существующих и применение новых расчетных и экспериментальных методов оценки напряженно-деформированного состояния конструкций. Внедрение средств технической диагностики будет способствовать точному контролю израсходованного и остаточного ресурса оборудования и позволит производить замену элементов машин на основе их фактического состояния [1].
В течение последнего десятилетия не затихают дискуссии по поводу концепции судов будущего (СБ). Одним из основных принципов, закладываемых в конструкцию таких судов, является сокращенный до 10-16 человек штат команды и управление судном в море одним человеком. Германия и Япония и некоторые другие страны уже построили такие суда.
При проектировании СБ одним из центральных вопросов является выбор типа энергетической установки (ЭУ) и ее комплектации оборудованием. ЭУ любого судна, в том числе и СБ, - основной компонент, в значительной мере определяющий технико-эксплуатационные характеристики судна [2]. ЭУ таких судов должна решать следующие главные задачи: быть высокоэкономичной, простой и надежной в эксплуатации, обладать хорошей ремонтопригодностью, обеспечивать защиту окружающей среды от загрязнения и быть приспособленной к автоматизации достаточно простыми средствами. В результате должны снижаться стоимость расходуемого топлива и трудозатраты экипажа, упрощаться контроль и управление установкой, уменьшаться негативное влияние ее на окружающую среду.
Перспективный тип ЭУ
для СБ транспортного флота
- требуемым типажем и характеристиками судов перспективной постройки;
- состоянием топливно-
- общим уровнем развития
В связи с этим особое значение приобретают судовые газотурбинные установки (ГТУ). Применение газовой турбины в качестве корабельного двигателя дает большие выгоды. Оно позволяет значительно уменьшить вес установки (0,2—2,0 кг/л.с.) [указывается только вес газотурбинной установки со всеми вспомогательными механизмами, обслуживающими ее], значительно повысить маневренность корабля (пуск с холодного состояния до приема полной мощности занимает 1-3 мин.), уменьшить габариты установки на 20-25% по сравнению с паротурбинными, значительно повысить КПД (выше 35 %) и иметь его достаточно устойчивым в широком диапазоне изменения мощности.
Тенденция развития и применения газотурбинных установок можно проследить из таблиц 1 и 2.
Таблица 1
Класс двигателя |
Тип двигателя |
Начало эксплуатации |
Мощность л.с |
Количество двигателей |
Тип силовой установки | |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 | |
М1 |
М1 |
1955 |
4000 |
34 |
М1 | |
М2 |
ДА53 |
1960 |
15000 |
106 |
М2 | |
Д2 |
Д072 |
1960 |
1500, 18000 |
156 |
Д2, Д3 | |
Д075 |
1970 |
18000 |
38 |
ДТ4 | ||
Д050 |
1975 |
16000 |
5 |
М10, М10А, М10Б | ||
ДД50 |
1988 |
20000 |
6 |
М10Д | ||
М3 |
Д054 |
1962 |
18000 |
54 |
М3, М5, М7 | |
Д59 |
Д059 |
1968 |
18000 |
9 |
М8 | |
ДК59 |
1974 |
20000 |
60 |
М7К, М12 | ||
ДЕ59 |
1974 |
22500 |
151 |
М3Е, М5Е, М8Г, М8НЛ, М8М, Т-1 | ||
ДИ59 |
1979 |
19500 |
8 |
М25 | ||
Класс двигателя |
Тип двигателя |
Начало эксплуатации |
Мощность л.с |
Количество двигателей |
Тип силовой установки | |
Д59 |
ДТ59 |
1980 |
21500 |
70 |
М12А, М9, М9Б, М7Н, М21, М21А, М36 | |
ДН59 |
1983 |
22500 |
42 |
М8В, М3Н | ||
М60 |
Д061 |
1971 |
6000 |
18 |
М7, М5 | |
М62 |
Д063 |
1972 |
9000 |
68 |
М7К, М5Е | |
M70 |
ДМ71 |
1972 |
10000 |
60 |
МТ70,М34 | |
ДН77, ДС77 ДР77 |
1978 |
10000 |
184 |
М15, М15А, М15Б, М15В, М20А | ||
ДН71, ДС71 |
1982 |
8000 |
25 |
М21, М21А, М7Н, М16, М27 | ||
ДП71 |
1987 |
10000 |
55 |
М35 | ||
Д037 |
1988 |
8000 |
1 |
М37 | ||
М75 (UGT3000) |
ДС76 ДМ76 ДР76 |
1978 |
4000 |
106 |
М15, М15Б, М15В | |
М90 (UGT15000) |
Д090 |
1988 |
20000 |
6 |
М27, М9Б, М44 | |
ДА91 |
2002 |
27500 |
1 |
М56 | ||
M80 |
ДА80 |
1997 |
40000 |
4 |
80 | |
- |
MГ-2Д |
1985 |
М100 kW |
34 |
ГТГ100, ГТГ100K | |
Таблица 2
Применение |
Общая мощность, л.с. |
Общая наработка, ч |
Водоизмещающие корабли ВМФ |
15235000 |
2730000 |
Корабли на подводных крыльях и воздушной подушке ВМФ |
1678000 |
86000 |
Контейнеровозы |
156700 |
410 000 |
Пассажирские суда на подводных крыльях |
8000 |
8000 |
Морское применение газотурбинных установок
Морское применение газотурбинных установок
Ниже представлены некоторые двигатели (из таблицы 1) и их характеристики.
1.Трехвальный ГТД. UGT 3000
Компрессоры |
осевые, КНД - 8 ступеней, КВД - 9 ступеней |
Степень сжатия - |
13,5:1. |
Камера сгорания |
трубчато - кольцевая, противоточная, 9 трубная, t3 = 1020 оС |
Турбины газогенератора |
одноступенчатые. |
Силовая турбина |
3 ступенчатая |
частота вращения |
9700 мин-1. |
Запуск |
электростартерный U- 380 В, N-70 кВт (60 В, 60 кВт) |
Габаритные размеры |
2,5х1,3х1,25 м |
Масса |
2,5 т |
Номинальная мощность (ISO), кВт |
3360 |
КПД (ISO), % |
31,0 |
Удельный расход газа, м3/кВт.ч |
0,316 |
Расход выхлопных газов, кг/сек |
15,5 |
Температура выхлопа, оС |
420 |
2. Трехвальный ГТД UGT6000
Компрессоры |
осевые, КНД - 8 ступеней, КВД - 9 ступеней | |
Степень сжатия - |
16,6:1. | |
Камера сгорания |
трубчато - кольцевая, противоточная, 10 трубная, t3=1015-1100оC. | |
Турбины газогенератора |
одноступенчатые. | |
Силовая турбина |
6-, 4-, 3- или 2- ступенчатая, | |
частота вращения |
3000-3600, 5300, 7000, 9300 мин-1. | |
|
Запуск |
электростартерный U-380В, N-70 кВт | |
Габаритные размеры |
не более 4,6х1,8х1,8 м | |
Масса |
не более 4,5 т | |
UGT6000 |
UGT6000+ | |
Номинальная мощность (ISO), кВт |
6700 |
8200 |
КПД (ISO), % |
31,5 |
33 |
Удельный расход газа, м3/кВт.ч |
0,318 |
0,304 |
Расход выхлопных газов, кг/сек |
31 |
33,4 |
Температура выхлопа, оС |
420 |
442 |
3. Трехвальный ГТД UGT 10000
Компрессоры |
осевые. КНД -9 ступеней, КВД - 9 ступеней |
Степень сжатия - |
19,5:1.. |
Камера сгорания |
трубчато - кольцевая, противоточная, 10 трубная, t3=1180oC. |
Турбины газогенератора |
одноступенчатые. |
Силовая турбина |
6, 4 и 3 ступенчатая |
частота вращения |
3000, 4800, 6500 об/мин |
Запуск |
электростартерный U-380 В, N-70 кВт |
Габаритные размеры |
4,5х1,8х1,7 м |
Масса |
5 т |
Номинальная мощность (ISO), кВт |
10700 |
КПД (ISO), % |
36 |
Удельный расход газа, м3/кВт.ч |
0,280 |
Расход выхлопных газов, кг/сек |
37,2 |
Температура выхлопа, оС |
460 |
4. Трехвальный ГТД UGT15000
Компрессоры |
осевые. КНД -9 ступеней, КВД - 10 ступеней | |
Степень сжатия - |
19,6:1. | |
Камера сгорания |
трубчато - кольцевая, противоточная, 16 трубная, t3=1075 -1165оC. | |
Турбины газогенератора |
одноступенчатые. | |
Силовая турбина |
4 или 3 ступенчатая, - | |
частота вращения |
3000-3600, 5300 об/мин | |
Запуск |
электростартерный U-380 В, N - 2 х 70 кВт | |
Габаритные размеры |
не более, 6,1 х 2, 2 х 2,5 м | |
Масса |
не более, 11,5 т | |
UGT15000 |
UGT15000+ | |
Номинальная мощность (ISO), кВт |
17500 |
20000 |
КПД (ISO), % |
35 |
36 |
Удельный расход газа, м3/кВт.ч |
0,287 |
0,287 |
Расход выхлопных газов, кг/сек |
72 |
74 |
Температура выхлопа, оС |
414 |
454 |
5. Трехвальный ГТД UGT 25000
Компрессоры |
осевые. КНД -9 ступеней, КВД - 9 ступеней |
Степень сжатия - |
21,6 - 23,6 : 1 |
Камера сгорания |
трубчато - кольцевая, противоточная, 16 трубная, t3=1245оC. |
Турбины газогенератора |
одноступенчатые. |
Силовая турбина |
4 ступенчатая |
частота вращения |
- 3000-3600, 4700 об/мин |
Запуск |
электростартерный U- 380 В, N - 210 (70 х 3) кВт |
Габаритные размеры |
6,4х2,5х2,7 м |
Масса |
16 т |
Номинальная мощность (ISO), кВт |
26700 |
КПД (ISO), % |
36,5 |
Удельный расход газа, м3/кВт.ч |
0,274 |
Расход выхлопных газов, кг/сек |
90 |
Температура выхлопа, оС |
465 |
При использовании атомной энергии для движения кораблей наиболее рациональным двигателем также может оказаться газовая турбина, использующая в качестве рабочего тела тот или иной газ.
Кроме указанных преимуществ, следует отметить, что в газотурбинных установках можно использовать более дешевые сорта топлива, чем в ДВС, они обладают значительно меньшим расходом смазочного масла, не требуют охлаждающей воды или потребляют ее в небольшом количестве, имеют меньшую начальную стоимость и меньшие эксплуатационные расходы.
Надежность и живучесть
газотурбинных установок в
Газотурбинные двигатели наиболее приспособлены для полной автоматизации, что позволяет значительно сократить штаты для их обслуживания. Полная автономность, малые веса и габариты, простота конструктивных форм делают газотурбинный двигатель наиболее ремонтопригодным. Ремонт обычно осуществляется на специальных заводах, а на корабле производится замена агрегата в целом. Смена газотурбинных двигателей даже большой мощности может производиться в течение нескольких суток, даже часов.
При сравнительной оценке
газотурбинных установок с
Хочу сказать еще об одном весьма перспективном, но еще не достаточно отработанном способе повышения экономичности и увеличения полезной мощности ГТУ. Это ГТУ с комбинированным рабочим телом, работающем на смеси продуктов сгорания с водяным паром (ГТУ-КРТ).
Имеющиеся результаты отечественных и зарубежных исследований и опытные данные, а также схемные и конструктивные проработки по ГТУ-КРТ позволяют приблизить их экономичность к экономичности ДВС и увеличить полезную мощность на 15 % и больше без повышения начальных параметров газа. Этот путь позволяет повысить надежность ее работы и срок службы турбины, не усложняя ее конструкцию (элементов проточной части турбины). ГТУ-КРТ могут быть выполнены для работы с непосредственным использованием морской воды при подготовке комбинированного рабочего тела.
Анализ ГТУ-КРТ показывает, что это наиболее перспективный тип двигателя для судов. У этих установок мала удельная масса, простая конструкция, они надежны в работе, удобны для обслуживания ремонта, экономичны, имеют небольшие капитальные вложения, у них отсутствует вибрация, шум (в пределах допустимых норм), возможна автоматизация и др.
Устранение некоторых недостатков ГТУ значительно расширит их возможности, повысит их конкурентоспособность [3]. Работы в этом направлении ведутся как в нашей стране, так и за рубежом. Крупные зарубежные и российские, в частности Научно-производственное предприятие «Машпроект» имени С.Д. Колосова (создано в 1954 году как специальное конструкторское бюро по разработке газотурбинных двигателей и установок для Военно-Морского флота СССР на Южном турбинном заводе «Зоря» (Украина, г. Николаев), турбостроительные фирмы интенсивно исследуют возможности совершенствования существующих и создания новых ГТУ для судов морского флота. В частности, установлено, что для судов разных типов, даже в условиях роста цен на топливо, ГТД могут быть конкурентоспособными по сравнению с двигателями других типов, так как применение ГТУ позволяет увеличить грузовместимость судна и уменьшить численность команды.
В настоящее время основные области применения судовых ГТУ:
- для водоизмещающих судов, которым, как правило, требуются высокоэкономичные ЭУ со сложным циклом и большим (свыше 25 000 ч) ресурсом;
- для СПК, СВП, полупогружных
судов - легкие ГТУ с простым
циклом и относительно
- для привода вспомогательных механизмов (грузовых насосов на танкерах, судовых генераторов, подруливающих устройств и т. п.).
По-видимому, наиболее важной задачей является оснащение транспортных водоизмещающих судов газотурбинными установками.
Из возможных вариантов
На рис. 1 показана зависимость удельных расходов топлива от мощности , полученная расчетным путем для различных схем. Некоторое усложнение ГТУ с утилизацией тепла отработавших газов за счет введения теплоутилизирующего контура (ТУК) компенсируется возможностью создания указанных ЭУ на базе отработанных, серийно выпускаемых элементов ЭУ (ГТД, паровой турбины с конденсатором, котла и редуктора). Наличие ТУК не усложняет управление установкой, так как оно производится путем регулирования расхода топлива в ГТД. Работа котла и паровой турбины зависит от параметров поступающего из ГТД в котел газа, поэтому самостоятельной системы управления ТУК не требуется. Возможна эксплуатация ГТУ при отключенном по воде ТУК, так как обтекание трубок утилизационного котла отработавшими газами ГТД ввиду относительно низкой их температуры не приводит к нарушению работоспособности котла.
Рис. 1. Зависимость относительных
удельных расходов топлива
1 - простой цикл; 2 - схема с регенерацией; 3 - схема с промежуточным охлаждением; 4 - схема с промежуточным охлаждением и регенерацией; 5 - схема с утилизацией.
Газотурбинные установки
с утилизацией тепла отработавш
Несомненным преимуществом ГТУ с ТУК является возможность отбора пара для турбогенератора и на судовые нужды, что приводит к значительному упрощению тепловой схемы ЭУ судна.
В зависимости от мощности судовых ГТД и ПТ, которые выпускаются или будут освоены промышленностью, могут быть созданы ГТУ с ТУК на ряд различных мощностей и по разным схемам. Возможности дальнейшего улучшения технико-экономических показателей ГТУ с ТУК связаны с повышением температуры газов перед турбиной, что значительно снижает удельный расход топлива.
Для успешного применения дешевых топлив в судовых ГТД должен быть решен ряд проблемных вопросов по системе подготовки топлива, фильтрации, вводу присадок, защите проточной части турбин от агрессивного влияния ряда солей (ванадия, натрия, калия), по системе удаления отложений из проточной части и т. п.
Реверсирование судов, оборудованных ГТУ, обычно осуществляется при помощи ВРШ или реверсивного редуктора. Однако в последнее время все большее распространение получает способ реверса с помощью турбины заднего хода (ТЗХ), который обладает существенными преимуществами перед другими способами реверсирования по быстродействию, массогабаритным показателям и стоимости. ТЗХ обеспечивает достаточно высокую экономичность ЭУ, благодаря быстродействию уменьшается выбег судна при реверсировании.
Полученный за рубежом положительный опыт эксплуатации паровых утилизационных контуров газотурбогенераторов и дизель генераторов способствовал дальнейшему развитию идеи использования тепла отработавших газов ГТД и реализации ее в разработках маршевого ГТД LM2500 с ТУК, паровая турбина которого работает на общий с ГТД редуктор [4].
Проведенные исследования ГТУ с ТУК показывают перспективность их применения на кораблях как направление энергетики, обеспечивающего высокую тепловую экономичность ЭУ практически без усложнения условий обслуживания при сохранении надежности и высоких динамических качеств чисто газотурбинной установки.
Зарубежные разработки ГТУ с
ТУК ведутся применительно к
простой тепловой схеме с умеренными
параметрами пара, утилизационными
котлами с
Стремление к всемирному упрощению ТУК находит свое выражение в отдельных предложениях предельно упрощенных схем ГТУ с ТУК на базе применения прогрессивной технологии, прямоточных котлов и до котловой обработки питательной воды.
Примером судна, на котором установлен ГТУ с ТУК, может служить 12-ти палубный круизный лайнер «MILLENNIUM» [5], который вошел в эксплуатацию 1 июля 2000 года. Судно построено во Франции на верфи de’l’Atlantique. Сумма заказа составила 350 млн. долларов.
Характеристики судна представлены в таблице 3.
Таблица 3
Характеристики судна
Длина наибольшая |
290,4 м |
Ширина |
32,2 м |
Осадка проектная |
8,0 м |
Обмерная вместимость |
91000 рег.т |
Дедвейт |
7887 т |
Скорость |
24 узлов |
Максимальное число членов экипажа |
997 человек |
В качестве двигателя установлена, принципиально новая, судовая энергетическая установка, состоящая из двух газовых турбин марки GELM 2500, разработанных на базе авиационных. Каждая турбина способна развивать мощность 25 МВт.
Вся установка представляет собой комбинированную Газо- и Паротурбинную интегрированную электрическую систему (Combined Gas turbine and steam turbine integrted Electric drive System (COGES)), благодаря которой стола возможным значительно уменьшить шумность и вибрацию механизмов, а также сократить размеры машинного отделения.
COGES – эффективная энергетическая система. Отработанное тепло, которое было потеряно при выпуске из газотурбинных установок, захватывается и используется при производстве пара для паровых турбин. Каждая газовая турбина оснащена парогенераторами питающими 9 МВт электрическую паровую турбину.
Силовая установка снабжает электрической энергией 2*19,5 МВт винторулевые гондолы, которые оснащены 2*5,75 м винтами и способны поворачиваться на 360о. При работе двух турбин обеспечивается эксплуатационная скорость 24 узла, а при использовании одной из них скорость лайнера достигает 18 узлов.
COGES полностью обеспечивает энергией все бортовые системы, включая вентиляцию, освещение и т.д. Газовые турбины были установлены на «MILLENNIUM» в январе 2000 года. Проведенные в апреле ходовые испытания показали их безупречную работу.
Компания “Celebrity Cruises” провела ряд независимых исследований, основанных на сравнении судов, укомплектованных дизель-электрической установкой и COGES. Они показали, что последняя может обеспечивать энергетически на 50 кают больше, чем дизель-электрическая СЭУ. За цикл расход топлива снижается на 2 %. При этом существенно уменьшается объем выбросов в атмосферу выхлопных газов Nox, Sox, CO2.
Основной недостаток COGES заключается в том, что работа системы требует использования высококачественного топлив, затраты на которое могут превысить экономию.

- Газ өндіру техникасы мен технологиясы
- Гамма-функція Ейлера
- Гарантии и компенсации для лиц, работающих и проживающих в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях
- Гарантии и компенсации работникам по Российскому трудовому законодательству
- Гарантии и проблемы практической реализации личных прав и свобод человека и гражданина в РФ
- Гарантии по оплате труда
- Гарантии прав кредиторов при реорганизации и ликвидации юридических лиц
- Газовая сварка
- Газовая сварка меди, латуни, бронзы
- Газовые, нефтяные, водяные выбросы, их проявления и предотвращения
- Газораспределительный механизм
- Газосмесительная станция
- Газоснабжение города и котельной
- Газоснабжение рабочего поселка на 8,5 тыс. жителей