Судовые газотурбинные установки


ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ


серия основана в 2017 г.



ЧЕРНОМОРСКОЕ ВЫСШЕЕ
ВОЕННО-МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ
ИМЕНИ П.С. НАХИМОВА



А.Л. КИРЮХИН





                СУДОВЫЕ
                ГАЗОТУРБИННЫЕ
                УСТАНОВКИ





УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


Допущено Ученым советом
               Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова в качестве учебного пособия для студентов факультета судовождения и энергетики судов по дисциплинам «Судовые турбомашины», «Судовые пропульсивные комплексы» и «Эксплуатация СЭУ»


znanium.com

Москва
ИНФРА-М
2023

УДК 621.438(075.8)
ББК 39.455.3я73
     К43



      Автор:
         Кирюхин А.Л., доктор технических наук, профессор

      Рецензент:
         Матвеенко В.Т., доктор технических наук, профессор


      Кирюхин А.Л.

К43 Судовые газотурбинные установки : учебное пособие / А.Л. Кирюхин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 256 с. — (Военное образование).
         ISBN 978-5-16-015858-7 (print)
         ISBN 978-5-16-108457-1 (online)
         В учебном пособии обобщены и систематизированы сведения о газотурбинных установках транспортных судов, рассмотрены принципиальное устройство, конструкция и основные направления совершенствования судовых газотурбинных двигателей, описаны системы, обслуживающие газотурбинные агрегаты, приведены основы технической эксплуатации судовых газотурбинных установок.
         Пособие учитывает действующие национальные и международные нормативные документы по технической эксплуатации судовых газотурбинных установок и разработано на основе опыта подготовки судовых инженеров-механиков в Черноморском высшем военно-морском училище имени П.С. Нахимова.
         Предназначено для студентов специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок» уровня управления, стандарт компетентности A-III/2.
УДК 621.438(075.8)
ББК 39.455.3я73







                                           Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе Znanium


ISBN 978-5-16-015858-7 (print)
ISBN 978-5-16-108457-1 (online)

© Черноморское высшее военно-морское училище имени П.С. Нахимова, 2018, 2020

ВВЕДЕНИЕ


     Первые изобретения в области газотурбинных установок появились в XVIII веке. В 1791 году англичанин Дж. Барбер впервые предложил идею создания газотурбинного двигателя (ГТД), состоящего из поршневого компрессора, камеры сгорания и газовой турбины активного типа, которая через механическую передачу из цепей и балансиров приводила компрессор и потребитель мощности. Однако упорный и продолжительный труд над созданием таких двигателей долгие годы не давал значительных результатов из-за недостаточного общего уровня развития науки и техники. Кроме того, начавшееся на рубеже XIX и XX вв. успешное развитие паротурбинных установок и двигателей внутреннего сгорания в известной степени отодвинуло проблему создания газотурбинных установок на второй план.
     Достаточно широкое развитие газотурбинные установки получили лишь в послевоенный период, когда благодаря успехам, достигнутым в металлургии, были созданы жаропрочные металлы, способные выдерживать температуру газа, равную 1100 - 1300 К (827 - 1027°С), и когда в результате настойчивых работ в области аэродинамики были созданы высокоэкономичные турбины и компрессоры, являющиеся основными составными частями газотурбинной установки. Сейчас газотурбинные установки успешно применяются в авиации, где они почти полностью вытеснили поршневые двигатели, в стационарной энергетике, а также на торговых судах и военных кораблях.
     Большой вклад в развитие газотурбостроения внесен отечественной наукой и техникой. Первая в мире газотурбинная установка, предназначенная для использования на катере, была построена и частично испытана инженер-механиком русского флота П.Д. Кузьминским в 1892 - 1897 гг. В СССР была построена одна из первых наиболее крупных судовых газотурбинных установок ГТУ-20 мощностью 9600 кВт (13000 л.с.), которая с 1967 г. успешно использовалась на судне "Парижская коммуна" водоизмещением около 22000 т.
     Выдающимся достижением отечественного газотурбостроения стало создание НПО “Машпроект” (г. Николаев) комбинированной газопаротурбинной установки с агрегатом М25 мощностью 18 МВт для транспортных судов с горизонтальным способом грузообработ-

3

ки. Для этих агрегатов характерно использование теплоты отходящих газов ГТД в утилизационном паровом котле. Котёл обеспечивает работу паровой турбины!, развивающей дополнительную мощность для привода гребного винта, и работу паротурбогенератора.
     Головное судно "Капитан Смирнов", главная энергетическая установка которого включала два газотурбинных агрегата (ГТА) М25 с реверсивными ГТД, редукторами, утилизационными котлами, паровыми турбинами и конденсаторами, установленными побортно, было построено Черноморским судостроительным заводом (г. Николаев) в 1978 году. Опыт эксплуатации четырех судов этой серии, построенных до 1987 года, продемонстрировал высокую надежность, ремонтопригодность и экономичность отечественных ГТУ.
     Портфель мировых заказов ГТД для энергетических, транспортных и газоперекачивающих установок к 2016 году превысил 41200 агрегатов, 3920 (9,5%) из которых приходится на пропульсивные установки кораблей и судов, а около 940 (2,2%) - на морские газотурбогенераторы. Основными поставщиками морских ГТД являются международные концерны! General Electric, Rolls-Royce, MTU, Pratt & Whitney, Siemens, а также Научно-производственный комплекс газотурбостроения “Зоря” - “Машпроект” (г. Николаев, Украина). Газотурбинными установками комплекса “Зоря” -“Машпроект” оснащены! более 500 водоизмещающих кораблей и судов с динамическими принципами поддержания различного назначения в 20 странах мира [10], а обыем поставок составляет 18% от общего рынка продукции этого типа (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Обыемы поставок морских ГТД концернами газотурбостроения

4

     В сегментах наибольшего спроса на морские транспортные газотурбинные двигатели (10 ...12 МВт - до 36% заказов, 15...16 МВт - до 20%, 22 ... 28,7 МВт - до 15% портфеля заказов) комплексом “Зоря” - “Машпроект” созданы трехвальные ГТД четвертого поколения UGT 10000 (рисунок 1.2), UGT 15000, UGT 25000 с температурой газа перед турбинами высокого давления до 1270 °C и КПД до 37%. Эти двигатели специально разработаны для морских условий, что позволило на стадии проектирования обеспечить их всережимность в составе пропульсивных комплексов кораблей и судов, экономичность при номинальных и долевых нагрузках, маневренность, реверсивность, приспособленность к длительной устойчивой работе в условиях воздействия морской среды, значительный ресурс (до 100000 часов).
     В то же время следствием специфики производства ведущих концернов газотурбостроения и динамики рынка заказов транспортных ГТД различных типов становится создание судовых двигателей путём конвертирования авиационных прототипов.

       Рисунок 1.2 - Общее устройство двигателя UGT 10000 (DH70):
1 - входной направляющий аппарат; 2, 3 - компрессоры низкого и высокого давления; 4 - камера сгорания; 5, 6 - турбины высокого и низкого давления;
7 - силовая турбина; 8 - коробка приводов; 9 - электростартер; 10 - рама

8 9

5

      В марте 2002 года фирма “Rolls-Royce” предложила морской отрасли новый ГТД МТ30, предназначенный для использования в качестве привода гребного винта или генератора, конвертированный из авиационного двигателя Trent 800, который был установлен на авиалайнере “Boeing 777” (рисунок 1.3). Двигатель МТ30 выполнен двухкаскадным, со свободной силовой турбиной. Камера сгорания -трубчато-кольцевая, компрессор низкого давления (КНД) - восьмиступенчатый, компрессор высокого давления (КВД) - шестиступенчатый, турбины высокого и низкого давления - одноступенчатые, силовая турбина - четырехступенчатая.

а

б

Рисунок 1.3 - Схема конвертирования (а) и общий вид судового ГТД МТ30 (б)

6

      Двигатель МТЗО является одним из самых легких ГТД в своем мощностном ряду: сухая масса его 62ОО кг, масса ГТД с контейнером (рисунок 1.З, б) - 22ООО кг. Мощность МТЗО - З6 МВт, топливная эффективность - 21О г/(кВт-ч), что соответствует КПД выше 4О%.
      В 1997 году лидером производства газовых турбин фирмой “General Electric Marine ” создан наиболее мощный ГТД для морского транспорта LM6000 (рисунок 1.4). В зависимости от компоновки агрегата энергопотребления отбор мощности в этом двигателе может осуществляться как со стороны входа воздуха в компрессор, так и со стороны выхода газов из ГТД. В морских условиях ГТД LM6000PG мощностью 52,4 МВт обеспечивает электрической энергией нефтегазодобывающие платформы и может применяться в составе энергетических установок кораблей и судов с электродвижением.

а                                       б

Рисунок 1.4 - Общий вид (а) и размещение в морском модуле ГТД РМ6ООО (б)

      Все описанные двигатели, так же как и наиболее современный морской ГТД FT8 фирмы “Pratt & Whitney Power Systems” (рисунок 1.5), выполнены на основе газогенераторов со сжатием воздуха в последовательно установленных компрессорах низкого и высокого давления, сгоранием органического топлива при постоянном давлении в трубчато-кольцевых камерах сгорания и расширением газа в турбинах высокого и низкого давления. Функцией газогенераторов ГТД является формирование потока смеси продуктов сгорания топлива и воздуха заданных параметров перед силовой турбиной. Применение двухкаскадных газогенераторов (каскад - совокупность компрессора и турбины, приводящей его в действие) в ГТД мощностью свыше 15 МВт обеспечивает их высокую маневренность и всережимность при работе по винтовой характеристике, облегчает приспособление конвертированных двигателей к работе в морских условиях и перевод на дизельное топливо.

7

Рисунок 1.5 - Разрез газотурбинного двигателя FT8 фирмы “Pratt & Whitney”: а - газогенератор; б - силовая турбина и приводной вал

      По однокаскадной схеме со свободной силовой турбиной выполнены ГТД LM1600, LM2500, MS1000, MS3000, MS5000, MS7000 фирмы “General Electric”; SGT400 (рисунок 1.6), SGT600, SGT800 фирмы “Siemens”; TF40, TF50 фирмы “Vericor” и другие. В 2006 году для разработки и производства первых российских морских ГТД М75РУ и М70ФРУ, максимальной мощностью до 5,2 и 10,4 МВт соответственно, НПО “Сатурн” (г. Рыбинск) также использовало однокаскадный унифицированный авиационный газогенератор собственной разработки типа 77 (рисунок 1.7). В 2011 году предприятием разработан ГТД Е70/8РД - морской двухвальный двухтопливный двигатель для применения в составе силовых установок транспортных и нефтедобывающих судов и морских платформ с воз-

а

Рисунок 1.6 - Расположение основного энергетического оборудования на буровой платформе (а) и конструктивная схема газотурбинного двигателя
SGT400 фирмы “Siemens Industrial Turbomachinery” (б) мощностью 13 МВт

б

8

9-ступенчатый компрессор высокого давления

2-ступенчатая турбина высокого давления








Кольцевая камера сгорания газогенератор типа 77



М75РУ

М70ФРУ

Рисунок 1.7 - Семейство морских ГТД НПО “Сатурн”

можностью переключения с дизельного топлива на природный газ без остановки двигателя. Камера сгорания ГТД Е70/8РД - кольцевая, компрессор высокого давления - десятиступенчатый, турбина высокого давления - двухступенчатая, силовая турбина - трехступенчатая. Мощность ГТД на номинальном режиме - 8,48 МВт, расход дизельного топлива (газа) - 1750 (2100) кг/ч, КПД - 34,2%. Масса двигателя на раме - 5 т. При длине морского контейнера в 4 м его ширина и высота не превышают 2 м (рисунок 1.8).
     В рамках “Стратегии развития энергомашиностроения Российской Федерации на 2010 - 2020 годы и на перспективу до 2030 года” ОАО НПО “Сатурн” прорабатывает проекты применения Е70/8РД в

судовых системах

                                      электродвижения; на судах и платформах разведочного буре-ния, добычи, переработки и хранения углеводо-йродов; в составе береговых ^и плавучих комплексов по переработке, погрузке, перекачке углеводородов,

Рисунок 1.8 - ГТД Е70/8РД производства НПО “Сатурн”

сжижению природного или попутного газа (рис. 1.9).



9

Рисунок 1.9 - Потенциальные объекты применения ГТД Е70/8РД

      Полувековой опыт эксплуатации ГТД на кораблях и судах отечественного флота показал, что для обеспечения надежной работы газотурбинной техники требуются специалисты высокой квалификации. Грамотная эксплуатация газотурбинного энергетического оборудования основывается на чётком понимании тепловых, механических и химических процессов, технологической взаимосвязи механизмов и систем турбинной установки на различных режимах работы, что позволяет быстро обнаруживать и предупреждать отклонения от нормальной работы, устранять неполадки и выявлять их причины. Глубокие специальные знания судовыми инженерами-механиками достигаются постоянным повышением профессионального мастерства, чему будет способствовать изучение содержания предложенного учебного пособия.
      Приведенные в учебном пособии материалы являются важными для закрепления и развития инженерной эрудиции, оказания помощи студентам судомеханической специальности в выполнении курсовых работ и дипломных проектов, и повышения квалификации специалистами в области транспортной энергетики.

10