proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2017 год
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Сроки строительства блоков АЭС в РФ выросли до 10 лет. Причины?
Спешка не требуется
Плохая организация на площадке
Слабый контроль со стороны Заказчика
Некачественный проект
Брак комплектующих в поставках
Другое

Результаты
Другие опросы
Актуальная тема
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.

[20/12/2016]     Рано списывать со счетов

Котлотурбинные энергетические установки боевых надводных кораблей океанской зоны и вспомогательных судов РФ

В.С.Никитин, гендиректор Крыловского государственного научного центра, д.т.н., проф.; В.Н.Половинкин, советник гендиректора ФГУП «КГНЦ», д.т.н.; проф. В.В.Барановский, проф. ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», д.т.н.

Без развития корабельных энергетических установок (КЭУ) формирование современного ВМФ, создание перспективных боевых кораблей и вспомогательных судов новых проектов невозможно.



В современном гражданском судостроении в основу выбора того или иного варианта главной энергетической установки (ГЭУ) положены показатели их экологической безопасности. Основными типами главных двигателей энергетических установок современных надводных кораблей ВМФ России являются паровые турбины (ПТ), газотурбинные двигатели (ГТД) и дизели. Общая направленность дальнейшего развития отечественной корабельной энергетики характеризуется увеличением агрегатной мощности, снижением массогабаритных характеристик, улучшением экономичности, повышением надежности, широким внедрением автоматизации и расширением унификации основных элементов и энергетических установок в целом. Не меньшее значение имеют проблемы обеспечения скрытности кораблей по физическим полям, решение которых напрямую зависит от совершенства корабельных энергетических установок (КЭУ).

 

Котлотурбинные энергетические установки

В современном ВМФ России котлотурбинные энергетические установки (КТЭУ) размещаются только на крупных боевых надводных кораблях проектов 956 и его модификациях (956Э, 956ЭМ), 1143.4 и 1143.5, а также на кораблях пр. 1144, где КТЭУ используется в качестве резервной энергетической установки. В качестве главных котлоагрегатов на кораблях пр. 956 применены высоконапорные котлы КВГ-3 с гидравлической системой РГ-1134, а на последних кораблях проекта 956Э и 956ЭМ - котлы КВГ-3 с электрогидравлической системой управления РГ-1134 (ОАО «СКБК» Санкт-Петербург). В качестве паротурбинной установки использован двухкорпусный ГТЗА-674 (ОАО «Кировский завод» Санкт-Петербург) мощностью 36,7 мВт (50 тыс. л. с.).

Распределение численности кораблей ВМФ и ВМС ведущих морских держав, оснащенных КТЭУ, по отношению к кораблям океанской зоны с другими типами энергетических установок в 1970-1980-х гг. выглядело следующим образом:

- среди боевых надводных кораблей - 14%;

- среди десантных кораблей - 43,2%;

- среди кораблей и судов обеспечения - 32, 6%.

За последние 20 лет интерес мирового кораблестроения к установкам указанного типа резко снизился, и распределение численности кораблей с КТЭУ на 2015 г. выглядит примерно так:

- среди боевых надводных кораблей - 2,6%;

- среди десантных кораблей - 20%;

- среди кораблей и судов обеспечения - 12,8%.

Современный уровень развития отечественных КТЭУ НК ВМФ соответствует уровню середины 1960-х и начала 1970-х гг. С тех пор корабельные КТЭУ практически не претерпели существенных изменений из-за появления энергетических установок нового типа - газотурбинных и атомных, которые начали активно внедряться на кораблях ВМФ. Строительство кораблей ВМФ РФ с котлотурбинными энергетическими установками в ближайшей перспективе не предусматривается.

Рис. 1. Тяжелый авианесущий крейсер «Адмирал Кузнецов» проекта 11435

Рис. 2. Эскадренный миноносец проекта 956

 

История зарождения КТЭУ

 Первый отечественный пароход с паросиловой установкой «Елизавета» был построен на заводе русского инженера и бизнесмена шотландского происхождения Чарльза Берда в 1815 г. Тогда же Пётр Иванович Рикорд (1776-1855) – российский адмирал, путешественник, учёный, дипломат, писатель, кораблестроитель, государственный и общественный деятель впервые назвал паровое судно «пароходом».

Рис. 3. Первый русский пароход "Елизавета"

29 (17) марта 1823 г. на Николаевской верфи был заложен первый русский паровой военный корабль - 14-пушечный пароход «Метеор». Инициатором его строительства был контр-адмирал А.С. Грейг (1775-1845). По его поручению корабельный мастер полковник Корпуса корабельных инженеров Илья Степанович Разумов (1778-1827) разработал проект первых двух военных пароходов «Метеора» и «Молнии».

Рис. 4. Первый отечественный боевой пароход «Метеор»

В качестве генераторов паровой энергии для первых КЭУ использовались огнетрубные котлы, имевшие рабочее давление пара около 1 кгс/см2 (0,1 МПа). К началу XX в. широкое применение нашли более прогрессивные водотрубные котлы с угольным отоплением. Для военных кораблей использовались два типа таких котлов: горизонтального и вертикального исполнения. Наиболее распространенной конструкцией первого типа были котлы Бельвия.

Рис. 5. Паровой котел Бельвиля

Компоновочная схема вертикальных котлов предусматривала паровой и два водяных коллектора, соединенные трубами (котлы треугольного типа). Вертикальные водотрубные котлы имели значительно меньшую массу и обеспечивали более высокую маневренность установки. Впервые такие котлы были установлены на эскадренном миноносце “Роченсальм” в 1890 г. Рабочее давление пара в котлах этого корабля было 13 кгс/см2 (1,3 МПа).

В качестве двигателя использовались паровые машины, конструкцию которых определяли условия их размещения на судах и военных кораблях. Первые двигатели были балансирного типа, подобно стационарным прототипам. На смену им пришли горизонтальные машины, а в дальнейшем - вертикально-опрокинутого типа. Развитие паровых поршневых машин шло по пути увеличения степени расширения пара, что привело к созданию двухцилиндровых двойного расширения компаунд-машин, а затем и трехцилиндровых машин тройного расширения.

Рис. 6. Паровая машина-компаунд

Рис. 7. Паровая машина тройного расширения компаунд-тандем

Рис. 8. Схема прохождения пара в поршневой паровой машине трехкратного расширения

1 — вход пара; 2 — цилиндр высокого давления; 3 — цилиндр среднего давления; 4 — цилиндр низкого давления; 5 — выход пара.

Возможности увеличения мощности паровых машин были ограничены диаметром цилиндра низкого давления, который не мог превышать 2-2,5 м по конструктивным и технологическим причинам. Предельная мощность судовой паровой машины составляла тогда не более 20000 л.с.

Период строительства военных кораблей с 1907 г. до 1914 г. (начала первой мировой войны) характеризуется значительным увеличением их водоизмещения и скоростей полного хода, для чего потребовались паровые котлы большой паропроизводительности с существенно меньшей удельной массой.

Для крупных военных кораблей потребовались и более мощные паровые двигатели. В период своего  расцвета (около 1910 г.) поршневые паровые машины развивали мощность до 14720 кВт. В это время на смену паровым поршневым машинам приходят паровые турбины, которые имели более высокий КПД и меньшие массогабаритные характеристики.

В целом к 1910 г. были реализованы основные научно-технические решения, обеспечивающие значительное увеличение паропроизводительности котлов, что позволило наращивать мощность установки с паровыми турбинами при одновременном снижении ее массы и габаритов.

Очередной этап развития отечественных котлотурбинных установок начался в середине 1920-х гг. В их разработке принимали участие отечественные ученые-энергетики и практики: В.А. Винтер, Н.В. Высоцкий, М.И. Яновский, В.П. Мадисов, А.В. Акимов, В.Л. Сурвилло, П.И. Заикин, Я.С. Солдатов, Н.И. Кюн, П.Ф. Лавров, А.В. Голынский, Г.А. Ляхов, А.И. Дымов, Н.Р. Лукашевский, В.Е. Долголенко, Н.И. Васильев, Р.Р. Грундман, А.А. Игнатьев и др. Для крупных боевых кораблей было принято решение создавать котлотурбинные энергетические установки с паровыми котлами с нефтяным отоплением и рабочим давлением пара 20 кгс/см2, температурой 313°С, с высокооборотными турбинами с зубчатой передачей. В табл. 1 представлены наиболее совершенные паровые котлы, созданные в мире в период 1912-1930 гг.

Табл. 1 Технико-экономические характеристики корабельных паровых котлов 1912-1930 гг.

В соответствии с концепцией 1920-х гг., в нашей стране до 1941 г. были разработаны и созданы паровые котлы и главные турбозубчатые агрегаты для большинства проектов крупных надводных кораблей. Создание отечественных корабельных паровых котлов последовательно возглавляли Э.Э. Папмель, М.И. Шулинский, Г.А. Гасанов и др. В 1930 г. на Северной судостроительной верфи во главе с В.А. Бжезинским было организовано специализированная организация ЦКБС-1.

В июне 1933 г. Особое КБ-11 разработало проект морского прямоточного котла для СКР типа «Ураган». Компактное расположение трубок позволило значительно уменьшить массу и габариты котла по сравнению с котлами шатрового типа. Турбины были высокооборотными: турбина высокого давления - 8400 об/мин, низкого давления - 4200 об/мин. Котлы, вырабатывающие перегретый пар, а также турбозубчатые агрегаты впервые применялись в практике отечественного кораблестроения. По сравнению с турбинами, непосредственно вращающими гребные валы (как на ранее построенных линейных кораблях, крейсерах и эскадренных миноносцах), турбозубчатый агрегат значительно выигрывал в экономичности, габаритах и массе. Этому же способствовали и более высокие параметры пара по сравнению с ранее применявшимися. Использование пара повышенных параметров и редуктора в составе установки по тем временам было новшеством не только для отечественного, но и для зарубежного турбостроения.

В декабре 1934 г. были разработаны котлы типа МПН 70/75 для экспериментального эсминца (впоследствии ЭМ проект 45). ГЭУ ЭМ имела два турбозубчатых агрегата (ТЗА) активно-реактивного типа, состоявшего каждый из турбин переднего и заднего хода, специальной (включаемой при движении экономической скоростью) турбины экономического хода, а также главных редукторов. Четыре прямоточных котла управлялись системой автоматического регулирования.

Рис.9. Проект ЭМ «Опытный»

Специфической особенностью прямоточных котлов является необходимость тщательной регулировки подачи питательной воды, топлива и воздуха в зависимости от нагрузки, что обусловлено малым объемом находящейся в котле воды (пара). В проекте котла МПН 70/75 конструктора Л.К.Рамзина (1887-1948) предполагалось обеспечить синхронизацию подачи воды, топлива и работы котельных турбовентиляторов. Проблема оказалась достаточно сложной, а отечественная промышленность – неподготовленной для работы с подобной аппаратурой, поэтому комплект нужных приборов автоматизированного управления закупался у фирмы «Термотехник» в Германии. Монтаж котельной автоматики на корабле осуществлялся специалистами опытного завода Центрального котлотурбинного института (ЦКТИ).

 

Послевоенный период создания КТЭУ

Опыт второй мировой войны показал, что КТЭУ большинства классов отечественных кораблей имели недостаточную топливную экономичность, маневренность, долговечность котельных трубок, а также большие массогабаритные показатели. Для решения этих проблем необходимо было создать принципиально новые специализированные предприятия и конструкторские бюро. В 1946 г. было создано специальное КБ котлостроения, которое возглавил Г.А. Гасанов.

В 1946-1952 гг. на «Северной судостроительной верфи» было организовано СКБТ, под руководством советского учёного в области энергетики, специалиста по турбостроению Г.А. Оглобина (1907-1995). Вскоре отечественными специалистами был создан турбозубчатый агрегат ТВ-9, состоящий из однокорпусной высокооборотной турбины реактивного типа, двухступенчатого редуктора с раздвоением мощности и конденсатора с самопроточной циркуляцией.

Для повышения экономичности котлотурбинной установки, начиная с ЭМ «Неустрашимый» проекта 41, стали устанавливаться котлы КВ-76 с начальными параметрами пара до давления 64 кгс/см2 и температурой перегрева до 470°С. Для этих кораблей также был разработан высокооборотный двухкорпусной агрегат ТВ-8 большой мощности, с гибкими связями подвижных концов турбин с фундаментом. Общие характеристики ГЭУ кораблей проектов 41 и 56 представлены в табл. 2.

Табл. 2 Общие характеристики ГЭУ кораблей проектов 41 и 56

Аналогичные котлы были установлены на эскадренных миноносцах последующих проектов, например, на ЭМ проекта 57 было 4 вертикальных водотрубных котла КВ-76-1 с нефтяным отоплением, снабженных вертикальными двухколлекторными пароперегревателями. Паропроизводительность котлов составляла по 80 т/ч, давление 64 кг/см2 при температуре 470°С.

 

Котлотурбинная энергетическая установка с высоконапорными котлами

При постройке отечественных боевых кораблей в период 1960-1970-х гг. потребовалось создание более экономичной и компактной котлотурбинной установки большой мощности. Выполненные в СКБК, ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова, 1-м ЦНИИ МО исследования показали объективную возможность улучшения характеристик котельной установки на основе компрессорного надува воздуха в топку котла с использованием тепла уходящих газов в турбонаддувочном агрегате. Одновременно коллективом Кировского завода под руководством главного конструктора В.Э. Берга был разработан турбозубчатый агрегат ТВ-12 мощностью 45000 л.с., который стал основной базовой моделью для надводных кораблей. Используя накопленный опыт проектирования, достижения науки 1950-1960-х гг., конструкторам удалось повысить (по сравнению с турбоагрегатом для кораблей проекта 56) мощность агрегата на 25% при одновременном снижении его массы на 35% и увеличении КПД на 3-4%.

В это же время в СКБК под руководством Г.А. Гасанова был спроектирован и построен высоконапорный паровой котел КВН 95/64 с высокими параметрами пара, в котором впервые было применено газоохлаждающее устройство эжекционного типа (разработанное сотрудником 1-го ЦНИИ МО Ю.А. Убранцевым), позволившее снизить температуру уходящих газов до 100°С, что обеспечило значительное уменьшение теплового поля корабля. Эти нововведения были заложены в КТЭУ ракетного крейсера “Грозный” проекта 58. Эта базовая установка прошла ряд этапов усовершенствования конструкций главных и вспомогательных механизмов, автоматизированного управления, водного режима, улучшения характеристик и др. Мощность ГТЗА-674 была увеличена до 50000 л.с.

Следующим котлом, разработанным СКБК, стал котёл КВН-98/64 — высоконапорный, вертикальный, водотрубный, двухколлекторный, с естественной циркуляцией. Паропроизводительность котла составляла 98 т/ч перегретого пара, температура пара 470°С, давление пара 64 кг/см2, удельный расход топлива 0,360 кг/л.с. в час, КПД котла 84 %. Ресурс трубной системы котла до полной замены составлял около 10 000-15 000 часов.

Особого внимания заслуживают корабли проектов 1134 и 1134А, например, БПК проекта 1134А «Беркут-А». Эти корабли имеют практически единую установку. КТЭУ кораблей пр. 1134 была скомпонована эшелонно в два машинно-котельных отделения — носовое и кормовое. Носовое машинно-котельное отделение включало два паровых котла и один ГТЗА и обеспечивало вращение правого винта. Кормовое МКО имело такой же состав и обеспечивало вращение левого винта. Четыре главных паровых котла марки КВН 98/64-2 с турбокомпрессорным наддувом имели паропроизводительность 98 т/ч (при давлении 66 кг/см2 и температуре пара 470+100С). Установка включала также два главных турбозубчатых агрегата типа ТВ-12-1. Общая мощность ГЭУ на ППХ составляла 90000 л.с. со сроком службы 20 лет (50000 часов работы). Мощность на ПЗХ — 18000 л.с. Энергетическая установка обеспечивала ходовые элементы корабля, отраженные в табл. 3.

Табл. 3 Ходовые элементы корабля с эшелонно скомпонованной КТЭУ 

Скорость хода, узл

Расход на милю, тонн

Дальность плавания, миль

Топлива

Котельной воды

Наибольшая: 31,8-32,1

0,947-0,97

51.6

1893-2016

Полная боевая: 29,8-30

0,67

39,6

2700

Боевая экономическая: 17,6-18

0,316-0,32

16,8

5200

Экономическая: 13,4-14,0

0,295-0,3

15,6

6100

Малая: 9-9,5

0,34-0,342

14,4

5000-5200

ЭЭСК корабля включала два агрегата марки ТД-1000, имевшие приводные двигатели ТД-1000 (с ресурсом 25000 часов), генераторы марки МСК 1250-1500 (мощностью 1000 кВт), один агрегат ТД-750 с приводным двигателем ТД-750 (ресурс 25000 часов) и генератором МСК-940-1500 (мощностью 750 кВт), четыре агрегата АСДГ-500/1 с приводным двигателем М-845 (моторесурс — 6000 часов) и генераторами МСК625-1500 (мощностью 1000 кВт).

Для обеспечения корабля паром на стояночных режимах и подготовки ГЭУ к походу использовался вспомогательный котел типа КВВА-12/28А, обеспечивающий паропроизводительность 12 т/ч (при давлении 28 кг/см2 и температуре пара 340+100С). В зависимости от степени готовности корабля к бою и походу расход топлива составлял от 13,2 до 24 т/сут, котельной воды — 8-12 т/сут.

Для кораблей постройки 1970-1980-х гг. (ЭМ “Современный” пр. 956, “Адмирал Флота Советского Союза Кузнецов” пр. 1143.5) были созданы высоконапорные котлы КВГ-З и КВГ-4, а для резервной котельной установки корабля “Адмирал Нахимов” пр. 1144 - котел КВГ-2. Эти корабли стали последними отечественными кораблями с КТЭУ. Дальнейшее развитие этого типа корабельных энергетических установок было признано нецелесообразным.

Рис. 10 Высоконапорный водотрубный паровой котёл КВГ-3: общий вид и принципиальная схема [www.skbk.ru]

1 – опускные трубы, 2 – топочное устройство, 3 – турбонаддувочный агрегат, 4 – газоочистное устройство, 5 – экономайзер, 6 – пароперегреватель, 7 – парообразущие трубы.

Зависимость температуры перегретого пара от нагрузки различных котлов показана на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость температуры перегретого пара от нагрузки различных котлов

В табл. 4 представлены характеристики основных котлоагрегатов отечественных боевых кораблей послевоенной постройки.

Табл. 4 Характеристики котлоагрегатов отечественных боевых кораблей послевоенной постройки

В результате проведения большого объема НИР и ОКР в послевоенный период была создана унифицированная автоматизированная котлотурбинная энергетическая установка с высоконапорными котлами, которая на тот период являлась самой мощной среди установок на органическом топливе и широко применялась на крупных надводных кораблях. Но дальнейшее развитие этого типа корабельных энергетических установок было практически приостановлено. Многолетний опыт эксплуатации КТЭУ на кораблях ВМФ выявил ряд проблем, вызванных недостатками установок этого типа, основными из которых являются:

- значительные масса и габариты КТЭУ по сравнению, например, с газотурбинными установками;

- недостаточная экономичность КТЭУ по сравнению с газотурбинными и в особенности с дизельными ЭУ;

- структурная сложность корабельных КТЭУ. Обилие вспомогательных механизмов  затрудняет автоматизацию основных рабочих процессов и техническое обслуживание установки, требует привлечения значительного числа обслуживающего персонала, повышает затраты на содержание личного состава;

- необходимость специально обученного высококвалифицированного личного состава для обслуживания КТЭУ с высокими параметрами пара. Снижение его квалификации приводит к частым авариям и возникновению разного рода неисправностей, требующим длительного заводского ремонта.

Кроме того, опыт использования отечественных КТЭУ НК ВМФ выявил массу проблем, связанных с ускоренным исчерпанием ресурса поверхностей нагрева высоконапорных котлов.

Основными показателями для энергоустановок транспортных и вспомогательных судов являются экономия топлива и других материальных и энергетических ресурсов. Специально для серии транспортных судов были созданы высокоэкономичные главные паровые котлы серий КВГ-25 и КВГ-34, а также котел шахтного типа с промежуточным перегревом пара КВГ-80, используемый в ПСУ на танкерах типа «Крым», работающий на высоких параметрах пара: давлении 9 МПа, температуре перегретого пара 515°С. Эти котлы имеют КПД до 96-97 %. Характеристики главных паровых котлов КВГ-25, КВГ-34, КВГ-80 приведены в табл. 5.

Табл. 5 Характеристики главных паровых котлов КВГ-25, КВГ-34, КВГ-80

Марка котла

КВГ 25К

КВГ 34К

КВГ 80

Паропроизводительность, кг/с:

 

 

 

номинальная

6,9

9,4

22,2

максимальная

9,0

12,5

25,0

минимальная

4,4

4,4

9,2

Давление в паровом коллекторе, МПа

4,4

4,4

9,2

Температура перегретого пара, °С

470

470

515

Температура после пароохладителя, °С:

 

 

 

вспомогательного

160

125

223

главного

2З0

230

247

Температура питательной воды, °С:

 

 

 

перед экономайзером

160

125

223

после экономайзера

2З0

230

247

КПД, %

93

93

96

Площадь поверхности нагрева, м3:

 

 

 

парообразующая

407

618

535

пароперегревателя

200

244

725 + 2000

экономайзера

263

564

985

воздухоподогревателя

684

524

2340

Объем топки, м3

20,6

29,3

103,3

Массовый расход топлива, кг/с

0.5

0,69

1,80

Масса котла, т:

 

 

 

сухого

78

96

300

с водой

88

110

318

Таким образом, современные котлотурбинные энергетические установки серьезно уступают газотурбинным и дизельным энергетическим установкам по экономичности, массогабаритным показателям, сложности автоматизации основных рабочих процессов и затратам на подготовку и содержание обслуживающего персонала. По этой причине в последние десятилетия проектирование и строительство новых КТЭУ для кораблей ВМФ ни в нашей стране, ни за рубежом не производилось.  Но такие преимущества корабельных КТЭУ, как высокая агрегатная мощность, способность использовать практически любые органические топлива, высокая живучесть и хорошая ремонтопригодность убеждают нас в определенной перспективности установок указанного типа. Особенно это касается судов вспомогательного флота. Кроме того, необходимо иметь ввиду ожидаемый рост цен на нефтяное топливо уже в ближайшем будущем, а также ограниченность мировых запасов нефти.

 

Требования к перспективной КТЭУ

На основе выполненных исследований можно сформулировать требования к перспективной КТЭУ:

1. Корабельная КТЭУ может быть спроектирована для кораблей среднего и крупного водоизмещения (более 7000 т); её мощностной ряд должен быть представлен двумя агрегатами – на 50000 л.с. (для кораблей водоизмещением до 12000-15000 т) и 75000 л.с. (для кораблей водоизмещением свыше 15000 т).

2. По показателям экономичности КТЭУ не должна уступать существующим газотурбинным двигателям 4-го поколения и перспективным корабельным газотурбинным двигателям. Установка должна обеспечивать дальность плавания корабля не менее 8000 – 10000 миль и иметь удельный расход топлива не более 200-220 г/л.с. ч. Для этой цели оптимальными параметрами пара следует считать: давление 85-100 кг/см2 (8,5-12 МПа), температуру 515-525 °С.

Более высокие параметры пара в корабельных КТЭУ, мощность которых по сравнению со стационарными установками остается относительно низкой, использовать не целесообразно из-за появления проблем, связанных с увеличением влажности на последних ступенях турбины. Этот факт исключает необходимость разработки и внедрения новых марок сталей для изготовления котельных труб.

В состав ГТЗА обязательно должна включаться маршевая турбина. Тепловая схема должна предусматривать 2-3-х ступенчатый регенеративный подогрев питательной воды и утилизацию уходящих газов.

3. Должны быть значительно снижены массогабаритные характеристики установки (не менее чем на 40%) по сравнению с существующими типами корабельных КТЭУ.

4. Должны быть существенно упрощены структурные связи энергетической установки. Среди вспомогательных механизмов с турбоприводами должно быть не более одного многофункционального механизма (ТНА, питательного, масляного и топливного насосов) с единым турбоприводом, либо все вспомогательные механизмы должны быть электрифицированы.

5. Все потенциальные вспомогательные потребители пара (хозяйственные и бытовые нужды) должны быть электрифицированы в целях более экономичного расходования тепла.

6. В перспективной установке должны быть предусмотрены повсеместная автоматизация всех рабочих процессов и широкое диагностирование установки на основе использования микропроцессорной техники.

7. Главные котлы должны быть полностью экранированы с использованием принудительной либо смешанной циркуляции; их пароперегреватель должен быть приближен к топке; они должны позволять использовать практически все виды органического низкосортного топлива.

На рубеже 2020-2030 гг. возможно появление корабельных паровых котлов с кипящим слоем. Имеющиеся на сегодняшний день научные разработки позволяют приблизить экономичность КТЭУ к экономичности газотурбинных двигателей четвертого поколения.

Современные суда имеют пароэнергетические установки, вырабатывающие пар давлением 64 кгс/см2 и температурой 470°С. В котлотурбинной установке отечественных крупнотоннажных танкеров типа «Крым» параметры пара повышены до давления 88,3 кгс/см2 и температуры 515°С. В этих КТЭУ используется тепловая схема с промежуточным перегревом пара и высокой экономичностью главных турбин и вспомогательных механизмов.

Показатели ТТС установок постоянно повышаются по мере развития науки и технологии корабельной энергетики. Совершенствование КТЭУ с целью повышения экономичности и снижения массогабаритных показателей предполагается по следующим основным направлениям:

- применение более совершенных элементов паросиловых энергетических установок: котлов, главных и вспомогательных механизмов;

- повышение начальных параметров пара;

- применение рациональных тепловых схем.

Дальнейшее развитие котлостроения должно идти по пути перехода от принципа естественной циркуляции к принудительной, что позволит значительно повысить экономичность современных установок и существенно уменьшить их габариты и массу. В настоящее время большое внимание уделяется вопросам создания надежных и экономичных котлов с большим сроком службы, простых по устройству и обслуживанию, с полной автоматизацией процессов управления и регулирования.

Повышение начальных параметров пара является действенным средством увеличения экономичности установки при одновременном снижении ее массы, так как это приводит к увеличению термического КПД цикла паросиловой установки. Сегодняшние технические возможности позволяют перейти от давления пара 64 кг/см2 и температуры 470°С к давлению пара 100-110 кг/см2 и температуре 530-540°С. Применение рациональной тепловой схемы позволяет более эффективно использовать тепловую энергию в установке. Основные направления здесь – использование регенеративных тепловых схем и схем с промежуточным перегревом пара. В регенеративных тепловых схемах подогрев питательной воды производится за счет пара в деаэраторе, отбираемого из главных паровых турбин. В установках с промежуточным перегревом пар после турбины высокого давления поступает в специальное устройство (промежуточный перегреватель) для повышения его температуры, а затем подается в турбину низкого давления.

 

Преимущества КТЭУ по сравнению с дизельными и паротурбинными двигателями

Корабельная КТЭУ имеет шанс к использованию на надводных кораблях ВМФ будущего, если основными направлениями научных исследований по ее совершенствованию станут:

- существенное повышение экономичности установки с широким использованием утилизации и регенерации тепла;

- приспособление ее для работы на любых видах органического топлива (низкосортных мазутах, отходах нефтепереработки, пылеугольно-мазутной смеси, угле);

- снижение габаритов и массы установки;

- автоматизация всех рабочих процессов установки и широкое ее диагностирование с использованием микропроцессорной техники.

Учитывая наличие явных преимуществ КТЭУ по сравнению с другими типами установок, говорить об окончательном отказе от них преждевременно. Таковыми преимуществами КТЭУ являются:

- независимость от качества: в отличие от корабельных ДЭУ и ГТЭУ КТЭУ могут работать практически на любых видах топлива;

- высокая агрегатная мощность корабельных КТЭУ, что позволяет использовать их на любых крупных кораблях;

- минимальные требования к ремонту: корабельным КТЭУ не требуется базовый комплект запасных двигателей с дорогостоящей оснасткой. Ремонты КТЭУ могут выполняться в любой точке света на предприятиях с обычными техническими возможностями;

- повышенная живучесть КТЭУ: высокая способность кораблей с КТЭУ противостоять боевым повреждениям, возможность управляться в поврежденном состоянии, проведение восстановительного ремонта без вывода установки из действия.

Вторым немаловажным фактором, обусловливающим перспективность использования КТЭУ, является ограниченность мировых запасов топлива: угля хватит на 250 лет, нефти на 40 лет, природного газа на 65 лет. Уже после 2020 г. может возникнуть напряженность с нефтью и газом, а связанное с этим беспокойство может спровоцировать рост цен на них раньше 2020 г. Атомная энергетика стоит перед дилеммой. С одной стороны – беспокойство со стороны общественности по поводу её безопасности, с другой – падение интереса к быстрым реакторам-размножителям и термоядерным установкам. В связи с этим наиболее обоснованным из перспективных энергетических технологий в стационарной энергетике является проект парогазовой установки со сжиганием угля в кипящем слое под давлением.

Развитие корабельной и судовой энергетики не ограничивается только совершенствованием КЭУ. К числу наиболее перспективных направлений дальнейшего развития энергетических установок относятся:

- комплексная автоматизация управления и обслуживания КЭУ с использованием ЭВМ;

- применение альтернативных топлив.

Совершенствование САУ установкой идет в направлении создания и внедрения в практику эксплуатации КЭУ микроэлектроники и вычислительной техники. Важную роль играют средства технической диагностики, позволяющие производить осмотры и ремонты механизмов по их фактическому состоянию и прогнозировать качество работы установки.

Потребность в применении альтернативных видов топлива (каменного угля, горючих сланцев, метанола, этанола, сжатого и сжиженного природного газа, водотопливных эмульсий) вызвана стремлением к сбережению нефтяных запасов и использованию более дешевых видов топлива, имеющих достаточные запасы.

Из всех типов КЭУ наиболее приспособлены для работы на альтернативном топливе корабельные КТЭУ. Принципиальных трудностей для перевода КТЭУ на эти виды топлива нет, учитывая их опыт работы на этом топливе в прошлом. Имеется подобный опыт работы и стационарных КТЭУ.

 

Газотурбинные двигатели

Энергетические установки большинства надводных кораблей флотов развитых стран в настоящее время оснащены газотурбинными двигателями (ГТД). Они установлены более чем на 300 крупных кораблях различных классов. По мнению зарубежных специалистов, это стало возможным благодаря наличию у ГТД многих положительных качеств:

- малого веса и габаритов;

- высокой готовности к работе;

- низкого уровня вибрации;

- большой надежности;

- лёгкости осуществления полной автоматизации;

- применению дистанционного управления.

Кроме того, по сравнению с дизельными и паротурбинными эти двигатели легче ремонтировать, условия их эксплуатации лучше, они требуют меньшее число обслуживающего персонала. В то же время ГТД не свободны от ряда существенных недостатков:

- при повышении температуры окружающего воздуха на их входе наблюдаются высокие потери мощности;

- большое потребление воздуха, в несколько раз превышающее потребление дизельными и паротурбинными установками, что приводит к увеличению размеров воздухоприёмных и газовыхлопных каналов и усложняет задачу их размещения на корабле;

- для передачи крутящего момента на гребные винты (ГТД не реверсивны) необходимы реверсивные редукторы или винты регулируемого шага.

Газотурбинные двигатели входят в состав как единых газотурбинных энергетических установок (ГТЭУ), так и комбинированных дизель-газотурбинных энергетических установок (ДГТЭУ).

Корабельные комбинированные газотурбинные энергетические установки за рубежом подразделяются на:

- дизель-газотурбинные (в режиме экономических ходов работают только дизели, а в режиме полного хода — дизели и ГТД совместно или только ГТД);

- газо-газотурбинные, в которых в режиме экономических ходов работают маршевые ГТД, а в режиме полного хода — маршевые и ускорительные ГТД совместно или только ускорительные двигатели;

- парогазотурбинные, в режиме экономических ходов которых работают паровые турбины, а в режиме полного хода — паровые турбины и ГТД совместно.

В последние годы наметилась тенденция объединения паротурбинных и газотурбинных установок общим технологическим циклом. Результатом такого решения стало создание парогазовых установок (ПГУ) с КПД, существенно превышающим КПД отдельно взятых паротурбинной и газотурбинной установок.

Так, КПД парогазовой электростанции на 17-20% больше, чем обычной паротурбинной электростанции. В варианте простейшей ГТУ с утилизацией тепла уходящих газов коэффициент использования тепла топлива достигает 82-85% и более.

В общем случае КПД ПГУ может быть определен по формуле (1):

где — Qгту количество теплоты, подведенной к рабочему телу ГТУ;

Qпсу — количество теплоты, подведенной к паровой среде в котле.

На рис. 12 представлены принципиальные схемы различных парогазовых установок.

Рис. 12 Принципиальные схемы различных парогазовых установок:

А — ПГУ с парогенератором утилизационного типа;
Б — ПГУ со сбросом газов в топку котла (НПГ);
В — ПГУ на парогазовой смеси;
1 — воздух из атмосферы; 2 — топливо; 3 — отработавшие в турбине газы; 4 — уходящие газы; 5 — вода из сети на охлаждение; 6 — отвод охлаждающей воды; 7 — свежий пар; 8 — питательная вода; 9 – промежуточный перегрев пара; 10 — регенеративные отбросы пара; 11 — пар, поступающий после турбины в камеру сгорания.
К — компрессор; Т — турбина; ПТ — паровая турбина;
ГВ, ГН — газоводяные подогреватели высокого и низкого давления;
ПВД, ПНД — регенеративные подогреватели питательной воды высокого и низкого давления; НПГ, УПГ — низконапорный, утилизационный парогенераторы; КС — камера сгорания.

Список литературы

1. Федоренко, В.М. Залётов, В.И. Руденко, И.Г. Беляев Эксплуатация судовых котельных установок: Учеб.для высш. инж. мор. уч-щ /В.М..- М.: Транспорт, 1991.- 272 с.

2. Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы: Учебное пособие.- 2-е изд. перераб. и доп. – Л.: Судостроение, 1988.-296 с.

3. Енин В.И. Судовые паровые котлы: Учебник для вузов.- 2-е изд. перераб и доп. –

М.: Транспорт, 1984.- 248 с.

4. То же.- 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1993.- 300 с.

5.Тейлор Д.А. Основы судовой техники. Пер. с англ.- М.: Транспорт, 1987 - 320 с.

6.Ларионов И.Д., Беляев И.Г. Вспомогательные турбинные и котельные установки морских судов: Учеб. для мореход. уч-щ.-3-е изд. перераб. и доп.- М.:Транспорт,1988.- 224 с.

7.Верете А.Г., Дельвиг А.К. Судовые паровые и газовые энергетические установки: Учеб. для мореход. уч-щ.-2-е изд. перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1990.- 240 с.

8.Снежко Н.А., Шерешевская А.Д., Ласточкин В.М. Английский язык для судовых механиков: Учеб. пособие.- М.: В/О «Мортехинформреклама», 1989.- 200 с.

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Альтернативные источники энергии
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Альтернативные источники энергии:
Новая ториевая энергетика: топливо, твэлы, реактор

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 4
Ответов: 3


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 5 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Рано списывать со счетов (Всего: 0)
от Гость на 20/12/2016
Дымить будет меньше, не?...


[ Ответить на это ]


Re: Рано списывать со счетов (Всего: 0)
от Гость на 20/12/2016
Жаль, что авторы, претендуя на историчность, увлеклись котельным котлостроением, упустив, что Г.Оглоблин не имеет никакого отношения к разработки ТГ ТВ-8, ТВ-12 - это всё разработки СКБ под руководством Старостенко.СКБТ под руководством Г.Оглоблина принадлежит разработка ГТУ-42, которую полностью смонтировали на стенде, но и после длительных испытаний и с модернизацией её элементов обещанные показатели не были получены.Если уже говорить о корабельном турбостроении, то нельзя не вспомнить ТЗА ТВ-4, который предназначался для линкора "Советский Союз", был спроектирован в КБ Харьковского ТГЗ,.под руководством Шубенко-Шубина. Да, уж, ладно, в ЦНИИ_45 никогда не было турбинистов, да и сейчас, наверное, их нет!    


[
Ответить на это ]


Re: Рано списывать со счетов (Всего: 0)
от Гость на 21/12/2016
Всем известно, что паровозы лучше электричек! Напилил дров - и поехал! А электрички же отменить могут. И отменяют. Вот и судостроении так же. Нужно переходить на пароходы, это же очевидно! Поздравляю авторов статьи со смелым бойцовским настроем на возврат к истинным ценностям. Кстати, и паруса рановато списали, не говоря уже о гребцах на галерах, САМ об этом героически напоминал ... типа греб, гребу и буду гребсти .. под себя


[
Ответить на это ]


Re: Рано списывать со счетов (Всего: 0)
от Гость на 21/12/2016
Сочетание картинки "котёл Бельвиля" вместе с описанием треуголоного котла (т.е. принципиально другого) оставляет ощущение, что весь материал - туфта. Кому-то из авторов срочно потребовалось нарастить число публикаций.

***

Текст о революционном внедрении ГТЗА на сторожевиках "Ураган" по старой советской традиции не снабжён сноской на то, что редукторы по-факту проектировались и изготавливались в "буржуазной Чехословакии".

***

Ну, и под конец, чисто философский вопрос: парогаз - это паровая турбина с небольшой газотурбинной надстройкой "во главе", или же газовая турбина с водогрейным утилизатором "на хвосте"???

Поскольку если честно, то парогаз - ни то, ни другое. Нечто третье. Из-за чего всю статью нужно переименовать с "Рано списывать со счетов" на "Они уже никогда не вернутся". При современных глубинах переработки нефти топочный мазут отличается по цене от авиакеросина только на величину налогов. Т.е. для гос.заказчика вообще не отличается. Что и позволяет американцам строить чисто газотурбинные корабли. Экономя и водоизмещение, и штатный состав экипажей.


[ Ответить на это ]


Re: Рано списывать со счетов (Всего: 0)
от Гость на 21/12/2016
Спасибо за  статью!Повезло учиться у упоминаемого в списке авторов Алексея Степановича Хряпченкова (Горьковский Политех)  - Профессора, Инженера с большой буквы, золотого Человека.На приведенные в статье схемы из его учебника смотрел со слезами ностальгии и умиления.Жаль, что век котлов уже прошел безвозвратно...


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.35 секунды
Рейтинг@Mail.ru