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 собой  вопросы:

- оптимальное конструирование  оборудования;

- создание новых материалов, разработка более совершенной технологии изготовления конструкций и новых методов неразрушающего контроля;

- разработка более  точных методов расчета деталей  и узлов;

- создание более совершенных  методов и средств экспериментального  исследования;

- 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 эксперимента. На судостроительных предприятиях и  в смежных отраслях создаются  испытательные стенды, позволяющие  приблизить условия испытаний к  эксплуатационным. Одновременно разрабатываются  правила стендовых испытаний элементов ЭУ на прочность и работоспособность, а также методы ускоренных ресурсных испытаний. Комплекс перечисленных мероприятий позволил существенно повысить надежность и ресурс ЭУ и в основном решить проблему надежности валопроводов, зубчатых передач, теплообменных трубок, трубопроводов забортной воды и др. Однако вопросы обеспечения прочности и долговечности оборудования по-прежнему стоят весьма остро. Это объясняется тем, что во многих случаях фактический ресурс конструкций в несколько раз меньше, чем запланированный. Выход ЭУ из строя чаще всего имеет место вследствие повреждений трубок котлов, лопаток паровых и газовых турбин, поломок коленчатых валов дизелей, зубчатых передач и т. п.

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 элементов  ЭУ, наиболее достоверной проверкой  соответствия действительного срока службы оборудования проектному являются ресурсные испытания опытного образца машины. Особенно остро в последние годы, в связи с необходимостью повышения срока службы ЭУ, стоит вопрос об экспериментальном подтверждении назначенного ресурса оборудования. Однако, поскольку ресурс современных установок достигает десятков тысяч часов, испытания в полном объеме невозможны. В связи с этим разрабатываются и применяются методы ускоренных испытаний. Одновременно с разработкой теории ускоренных испытаний должно создаваться стендовое оборудование, имитирующее эксплуатационные условия, а также измерительные комплексы с автоматической обработкой результатов испытаний.

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 определяется следующим:

- требуемым типажем  и характеристиками судов перспективной постройки;

- состоянием топливно-энергетического  баланса в мире и стране;

- общим уровнем развития судовых  двигателей различных типов и  достигнутыми значениями их эксплуатационных  характеристик.

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   (UGT16000)	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   (UGT16000)	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  (UGT6000)	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  (UGT25000)	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