Файл: Смирнов, О. Р. Надежность судовых энергетических установок.pdf

ГТУ с развитой регенерацией* Типичной ГТУ с развитой реге­ нерацией является отечественная установка ГТУ-20 мощностью ~9000 кВт, установленная на универсальном сухогрузе «Париж­ ская коммуна». ГТУ-20 состоит из двух одинаковых установок ГТУ-10, работающих через общий редуктор на один ВРШ.

Принципиальная и функциональная схемы ГТУ-20 показаны на рис. 23, а и б. Турбина низкого давления (ТНД) 3 является пропульсивной и одновременно приводит компрессор низкого давления КНД) 2. Турбина высокого давления (ТВД) 4 всю развиваемую

Рис. 23. Схемы установки ГТУ-20: а — п р и н ц и п и а л ь н а я ; — функ­ циональная.

мощность затрачивает на привод компрессора высокого давления (КВД) 7. Для уменьшения работы, затрачиваемой на сжатие, воздух, сжатый в КНД, охлаждается забортной водой в охладителе 10, а затем поступает в КВД. Перед камерой сгорания 5 воздух подогре­ вается отработавшими газами в регенераторе 6. После регенератора теплота отработавших газов используется, в утилизационном котле 8. Пуск установки осуществляется пусковым электродвигателем 9. Степень регенерации в рассматриваемой установке —0,8.

От пропульсивных турбин 3 двух ГТУ-10 мощность передается через двухступенчатую зубчатую передачу 1 движителю, в качестве которого используется ВРШ. Как видно из функциональной схемы (рис. 23, б), каждая из ГТУ-10 соединена с движителем параллельно. В случае отказа одной из ГТУ-10 другая ГТУ-10 может работать независимо и эксплуатация судна может быть продолжена с умень­ шенной скоростью хода. Установка работает на газотурбинном топливе марок ДТ и ДМ.

84

Одним из основных параметров ГТУ, определяющих ее ресурс, является температура газа в цикле (в ГТУ-20 температура газа перед ТВД ~750° С). Так как разные элементы ГТУ подвержены действию газа различной температуры, то их ресурс не одинаков. Ниже указано примерное значение ресурса некоторых элементов ГТУ-20 до их замены.

По мере совершенствования материалов, применяемых для изго­ товления элементов, работающих в области высоких температур, и улучшения конструкции (воздушное охлаждение и др.) элементов ресурс ГТУ непрерывно возрастает. Так, за 15 лет (1955— 1970 гг.) средний ресурс судовых ГТУ возрос с 5000 до 20 000 ч. В ближай­ шие годы также можно ожидать значительного повышения ресурса ГТУ.

Опыт эксплуатации ГТУ-20 при работе судна в различных кли­ матических условиях при изменении температуры воды от 0 до 31° С и воздуха от — 12 до +34° С показал в основном хорошую надеж­ ность этой установки. Однако в течение первого года эксплуатации был выявлен ряд недостатков, приводящих к некоторой потере мощ­ ности (отказы класса I второй группы).

. К основным типичным недостаткам ГТУ морских судов следует отнести занос с воздухом морской воды в КНД и отложение солей на лопатках компрессора.

Толщина отложений на кромках некоторых направляющих лопа­ ток достигала 1,5 мм. Анализ отложений показал, что в них преоб­ ладают соли постоянной жесткости. Частично соли проникают в КВД. В этом компрессоре отложения в основном состоят из мельчайших морских аэрозолей, не осевших в КНД. Кроме того,, в КНД были обнаружены маслянистые отложения, образующиеся в результате подсоса выпускных газов вспомогательного котла и выпаров, рас­ положенных вблизи приема воздуха КНД, и проникновения инду­ стриальных загрязнений воздуха вблизи портов и побережий.

Для устранения указанных недостатков был осуществлен ряд конструктивных и эксплуатационно-технологических мероприятий

после 2000 ч работы. Была увеличена высота дымовой трубы. Эти мероприятия значительно снизили занос морских солей, механиче­ ских загрязнений и маслянистых веществ в компрессорах. Для уда­ ления отложений, которые все же накапливаются в компрессорах, выявилась небходимость в ежедневной промывке КНД паром (давле­ ние 0,5 МПа) и в периодической очистке КВД посредством твердого органического очистителя — косточковой крошки. Очистка отложе­ ний на лопатках ТВД посредством абразивных порошков (корунд и кремнезем мелких фракций), вводимых посредством воздушного

85

эжектора, оказалась эффективной. Очистка компрессоров и турбин абразивными порошками и органической кромкой одновременно приводит к очистке поверхностей нагрева утилизационного котла. Очистка элементов ГТУ от накапливающихся отложений проводится без вывода установки из эксплуатации во время хода судна.

Сравнение газотурбинной установки с дизельной и паротурбин­ ной по трудоемкости обслуживания в процессе эксплуатации (ре­ монт и профилактические осмотры) показывает, что трудовые затраты на одинаковых судах при ГТУ на 30% меньше, чем у ДУ и на 35% меньше, чем у ПТУ.

Штат машинной команды на «Парижской коммуне» на четыре человека меньше, чем на сухогрузах типа «Ленинский комсомол» с паротурбинной установкой. При соответствующей модернизации системы автоматики установка ГТУ-20 может быть переведена на безвахтенное обслуживание.

Следует также отметить лучшие условия обитаемости в МО. Уровень шума при частоте 1000 Гц около двигателя равен прибли­ зительно 85 дБ, а у поста управления 65 дБ, температура воздуха в МО при плавании в тропиках не превышает 38° С; что ниже чем в ПТУ.

Опыт эксплуатации ГТУ-20 и зарубежных ГТУ с регенерацией (например, М-3000, М-5000 и др. фирмы Дженерал Электрик) пока­ зывает, что по показателям надежности: безотказности, долговеч­ ности и ремонтопригодности установки такого типа могут отвечать современным требованиям.

ГТУ авиационного типа* Судовые ГТУ авиационного типа и авиа­ ционные ГТУ конвертированные для использования на судах ра­ ботают по простому термодинамическому циклу без регенерации. Принципиальная и функциональная схемы конвертированной авиа­ ционной ГТУ марки ZM-2500 номинальной мощностью 18 000 кВт, установленной на трейлеровозе «Адмирал Каллаган» (США), пока­ заны ria рис. 24, а и б [93].

Установка состоит из 16-ступенчатого осевого компрессора 6, который приводится двухступенчатой ТВД 4\ шестиступенчатая ТНД 3 является пропульсивной и через реверс-редуктор 2 приводит гребной винт фиксированного шага 1. Установка работает на ди­ зельном дистиллятном топливе, которое сжигается в камере сгора­ ния 5. Пуск установки осуществляется электродвигателем 7. Как видно из функциональной схемы (рис. 24, б), все перечисленные элементы соединены последовательно и отказ любого из элементов является отказом соответствующей группы и класса для установки.

Судно имеет два движителя, каждый из которых приводится своей ГТУ. В смысле надежности обе установки соединены параллельно и при отказе одной из установок судно идет с уменьшенной ско­ ростью хода при одной работающей установке.

Рассматриваемые ГТУ авиационного типа имеют сравнительно высокую температуру перед ТВД (—1100° С) и общую степень повы­ шения давления (~17); при таких параметрах ресурс облопатывания ТВД, охлаждаемой воздухом, оценивается в 12— 15 тыс. ч,

86

а ресурс облопатывания ТНД — 30 тыс. ч. Такие установки имеют ряд преимуществ в отношении ремонтопригодности: сокращается трудоемкость технического обслуживания и увеличивается эксплу­ атационный период судов. Например, на скоростных контейнеровозах с ГТУ авиационного типа агрегатная замена главного двигателя осуществляется за 24 ч, что по сравнению с судами, имеющими установки других типов, позволяет совершить один дополнительный рейс в год. Несколько увеличенные расходы топлива компенсируются уменьшением объема МО и увеличением провозоспособности судов.

Рис. 24. Принципиальная схема ГТУ со^свободной пропульсивной турбиной (а); 'функциональная схема двухвальной уста­ новки на судне с двумя независимыми ГТУ (б).

Авиационные ГТУ^получают все более широкое применение на судах с новыми принципами поддержания. Это объясняется возмож­ ностью сосредоточить большую мощность в установке, имеющей малые габариты и небольшую массу, что позволяет обеспечить высо­ кие скорости хода судов. Быстрому развитию установок этого типа способствуют их высокая безотказность в пределах гарантирован­ ного ресурса, хорошая приспособленность к автоматическому управ­ лению и быстрому восстановлению после отказа или выработки ре­ сурса путем агрегатной замены.

На судах отечественной постройки в настоящее время можно при­ менять авиационные ГТУ, конвертированные для работы в морских условиях в широком диапазоне мощностей от 500 до 10 000 кВт [9 ]. На СПК «Буревестник» авиационная одновальная ГТУ типа АИ-20 показала устойчивую работу в сочетании с водометным движителем на режимах от самого малого хода до полного, на котором судно достигло скорости хода 95— 100 км/ч при мощности установки 2000 кВт. Указанная ГТУ имеет минимально необходимое число элементов и с этой точки зрения является наиболее надежной. Прин­ ципиальная и функциональная схема такой установки показана на рис. 25. Открывается также возможность использования одновальных ГТУ для привода воздушных винтов.

87

Весьма перспективным является использование для СПК двухвальных авиационных ГТУ, например, Д-25В, ТВД-10, ТВ2-117 со свободной пропульсивной турбиной. В таких установках можно использовать угловые и колонковые передачи от пропульсивной турбины, к движителю, схемы которых показаны на рис. 22, б, в; передаточное отношение в таких редукторах находится обычно в пре­ делах 4—6. Основное достоинство двухвальных ГТУ со свободной турбиной заключается в том, что компрессор может работать на постоянном режиме при заторможенной пропульсивной турбине, что упрощает установку, так как отпадает необходимость в синхро-

9

Рис. 25. Упрощенные схемы газотурбинной установки: а — прин­ ципиальная; б — функциональная.

/ — гребной винт; 2 — валопровод; 3 — передача; 4 — турбина; 5 — камера сгорания; 6 — компрессор; 7 — пусковой электропривод.

низирующих устройствах; облегчается также пуск установки и ре­ жимы маневрирования. Все это способствует повышению надежности двухвальных ГТУ со свободной пропульсивной турбиной,

Как уже отмечалось, целый ряд отказов ГТУ на морских судах связан с попаданием в компрессоры влаги и отложением солей на проточной части. Проблема защиты ГТУ от проникновения в ком­ прессоры воды особенно остро стоит при использовании этих уста­ новок на катерах и СПК в связи с небольшими размерениями этих судов и трудностью защиты воздухоприемных устройств от проник­ новения воды, что особенно сложно в штормовую погоду. На неко­ торых судах этого типа было отмечено снижение мощности установки, которое достигало 10%, из-за солевых отложений. Были отмечены также случаи коррозионных разрушений деталей проточной части ГТУ.

В результате попадания морской воды в камеру сгорания про­ исходит взаимодействие хлористого натрия с серой, которая содер­ жится в топливе, и образование налета в основном из Na2S04 и NaCl, который при температуре газа 800—850° С приводит к корро­ зии лопаток [58]. Применение кобальтовых сплавов и легированных

6 8

сталей с высоким содержанием кобальта способствует уменьшению вероятности коррозионных разрушений при температуре выше

850° С.

Повышение надежности ГТУ на судах с новыми принципами под­ держания в отношении указанных отказов достигается, как и на судах других типов, установкой на всасывании воздуха влагоотделителей и фильтров и систематической промывкой проточной части. Эффективными являются также следующие мероприятия:

—уменьшение количества принимаемого воздуха за счет сни­ жения коэффициента избытка;

—нанесение на детали проточной части различных защитных покрытий (эмалевых, керамических, фенолформальдегидных на основе стекловолокна и др.);

—применение комбинированных установок, состоящих из неза­ висимой дизельной установки небольшой мощности со своим дви­ жителем для работы судна в водоизменяющем режиме и ГТУ для работы на крыльях на режимах полного хода.

Применение комбинированных установок особенно эффективно с точки зрения повышения надежности, так как режимы маневриро­ вания и малых ходов осуществляются дизельной установкой, что существенно сокращает время работы ГТУ, вследствие чего возра­ стает календарный срок службы установки. Комбинированная уста­ новка такого типа применена на морском СПК «Тайфун» с автомати­ чески управляемыми подводными крыльями. Установка состоит из двух ГТУ типа АИ-23С-1 мощностью 2x1300 кВт, работающих через угловую колонковую передачу (рис. 22, в) на трехлопастные гребные винты фиксированного шага, которые обеспечивают скорость хода на крыльях 44 уз и дизеля 6ЧСП 13/14 мощностью 120 кВт, работающего на гребные винты, установленные в подъемно-поворот­ ной колонке. ДУ обеспечивает маневрирование, швартовку и малый ход в водоизменяющем режиме при скорости до 5 уз.

Отечественные ГТУ крупносерийной постройки типа АИ, Д-25В и др. по уровню надежности не уступают лучшим зарубежным уста­ новкам [9]. Повышение их безотказности и ресурса в судовых усло­ виях может быть обеспечено высоким качеством изготовления и монтажа всех систем, обслуживающих ГТУ. При этом необходимо учесть ряд особенностей морской эксплуатации. Например, цен­ тровка двигателя с валопроводом должна проводиться с учетом дефор­ мации корпуса СПК во время хода на крыльях. Биение, излом и вибрация валовой линии должны быть наименьшими при крейсер­ ской скорости хода судна; воздухоприемные и газовыпускные устройства должны иметь независимые от двигателя крепления к корпусу, чтобы ударные нагрузки, тепловые расширения и вибра­ ция не передавались от одних элементов другим. Весьма важным для эксплуатации является правильная организация воздушного и во­ дяного охлаждения турбины и газовыпускного устройства. На неко­ торых режимах температура газа в выпускных устройствах, напри­ мер при запуске ГТУ СПК «Буревестник», достигает высоких зна­ чений (до 850—900° С), а во время хода судна она снижается почти

89