Газотурбинная установка контейнеровоза вместимостью 800 контейнеров, со скоростью хода Vs=25 узлов

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 пределах установленного срока службы достаточно высока. Степень надежности, если ее рассматривать как отношение разности срока службы между переборками и временем, затраченным на переборку в течение этого срока, к сроку службы, для серийных машин достигает величины более 98%. Высокую надежность серийных газотурбинных двигателей подтверждает широкое их использование в транспортной авиации. Срок службы газотурбинных двигателей (ресурс) до капитального ремонта, за последние года, значительно увеличился.

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 другими  типами двигателей следует иметь  в виду, что они существуют в эксплуатации на кораблях меньше, чем паротурбинные и дизельные. Потенциальные возможности газотурбинных двигателей полностью еще далеко не использованы, но уже сегодня они позволяют увеличить скорость и дальность плавания кораблей.

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 небольшим  (до 10000 ч) ресурсом;

- 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 тепловых схем, по которым могут выполняться  судовые ГТУ, по моему мнению, в зависимости от условий использования на водоизмещающих судах найдут применение ГТУ простого цикла с регенерацией, промежуточным охлаждением воздуха, утилизацией тепла отработавших газов и т. п. Технико-экономический анализ показал, что ГТУ, выполненная по той или иной схеме, имеет свои преимущества и недостатки и может быть оптимальной в зависимости от условий применения, потребной мощности, необходимых показателей по габаритам, массе, экономичности, ресурсу и т. д. По моему мнению, ГТУ для водоизмещающих судов мощностью выше 8000 л. с. при современном состоянии газотурбостроения целесообразно выполнять по схеме с утилизацией тепла отработавших газов. Экономичность таких ГТУ примерно на 20 %, а мощность на 2 5% выше, чем ГТУ простого цикла.

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 

от относительной мощности для различных схем.

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 отработавших газов могут выполняться по различным схемам с одним или несколькими ГТД, паровыми турбинами и теплоутилизационными котлами.

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 многократнопринудительной  циркуляцией, рассматриваемой как  наиболее апробированное решение.

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 360^о. 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 No_x, So_x, CO₂.

Основной недостаток COGES заключается в том, что работа системы требует использования высококачественного топлив, затраты на которое могут превысить экономию.