Корабельные газотурбинные энергетические установки

| Категория реферата: Рефераты по истории техники
| Теги реферата: quality assurance design patterns системный анализ, контроль реферат
| Добавил(а) на сайт: Рязанцев.

В конце 60-х годов 1-м ЦНИИ МО совместно с Военно-морской академией и НПП “Машпро-ект”, а также ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова выполнен комплекс научно-исследовательских работ по определению путей дальнейшего совершенствования ГТД и установок. Было доказано, что основным направлением улучшения всех основных характеристик является повышение параметров цикла и создание ряда унифицированных (для водоизмещающих кораблей и кораблей с динамическим поддержанием) ГТД третьего поколения. Предусматривалось разработать три унифицированных двигателя мощностью 4000-5000, 10000-12000 и 20000-24000л.с., при этом температура газа должна составлять 1100-1200°С, степень повышения давления 17-22, удельный расход топлива 170-180г/л.с.ч.

Выполнение подобной задачи требовало решения целого ряда сложных инженерно-технических проблем. В частности: создание жаропрочных коррозионно-стойких для морских условий сплавов и покрытий, высокоэффективных систем охлаждения деталей двигателей и в первую очередь рабочих лопаток, разработки методов и средств глубокой очистки воздуха от солей морской воды. НПП “Машпроект”, ЦНИИКМ “Прометей” совместно с институтами АНУССР в начале 70-х годов был создан коррозионно-стойкий жаропрочный сплав, послуживший основой для получения сплавов с повышенными прочностными характеристиками. Созданы уникальные установки и отработана технология нанесения покрытий, в частности, электронно-лучевое напыление четырехкомпонентного коррозионно-стойкого покрытия и теплозащитного керамического. Внедрены электронно-лучевая сварка и пайка сплавов, применяемых в двигателях. Работа по созданию материалов и покрытий для газотурбинных двигателей удостоена Государственной премии СССР. Лауреатами премии стали В.И.Романов, О.Г.Жирицкий, А.М.Симонов, О.С.Костырко, Н.И.Матюшенко, Г.Ф.Мяльница и другие.

Одновременно выполнялся большой комплекс работ по совершенствованию систем охлаждения лопаток. Была отработана и внедрена “вихревая” система охлаждения рабочих лопаток, обеспечивающая перепад температур между газом и металлом более 200°С.

Для разработки эффективных средств защиты двигателей от солей морской воды были созданы измерительные средства и начаты систематические измерения водности воздуха, поступающего в ГТД, на всех классах кораблей. Полученная информации послужила основой для разработки требований к чистоте воздуха и средств очистки. Первоначально требования к очистке воздуха от солей морской воды были направлены на обеспечение стабильности характеристик двигателей и необходимого времени непрерывной работы между промывками проточной части. Выполнение этих требований достигалось применением в основном одноступенчатых жалюзийных сепараторов, улавливающих крупнодисперсную влагу. Однако для двигателей третьего поколения, имевших температуру более 1000°С, необходимо было ужесточить требования по солесодержанию до 0,07-0,03мг соли на килограмм воздуха на входе в двигатель. При этих условиях и при использовании указанных сплавов и покрытий в значительной мере исключались высокотемпературная и низкотемпературная горячая коррозия лопаток турбин и обеспечивался ресурс. Столь высокие требования могли быть обеспечены путем применения специальных высокоэффективных многоступенчатых устройств с использованием не только жалюзийных сепараторов, но и фильтров, и вихревых сепараторов. Такие системы были созданы и показали высокую эффективность в период испытаний и последующей эксплуатации кораблей. Особый вклад в разработку и внедрение систем очистки воздуха внесли И.Г.Утянский, Ю.К.Пятанов, Г.П.Панасюк, В.И.Голованов и другие.

В 1981-1982гг. завершилось создание первых двух унифицированных ГТД третьего поколения М-70 мощностью 10000-12000л.с. и М-75 мощностью 5000л.с. Экономичность двигателей была повышена за счет увеличения температуры газа перед турбиной, степени сжатия в компрессоре, улучшения аэродинамики и повышения КПД компрессоров и турбин, удельный расход топлива составил 170-190г/л.с.ч. Удельная масса ГТД составила 0,2-0,3кг/л.с. за счет применения высоконагруженных одноступенчатых турбин, двухопорного ротора турбокомпрессора высокого давления (вместо трехопорного), противоточной камеры сгорания, новых технологий и т.д. Двигатель М-70 при практически одинаковой мощности с ГТД М-62 имел на 15% большую экономичность, в 4 раза меньшую массу и в 1,5 раза меньшие габариты.

Серийный выпуск М-70 и М-75 обеспечил строительство новых кораблей проектов 1206, 1209, 12061, 12322, 1241.1, 11451. 1164 и др.

Наиболее весомый вклад в создание ГТД третьего поколения внесли главные конструкторы В.И.Игнатенко, А.М.Агранович, Л.М.Тройнич, специалисты 1-го ЦНИИМО и ВМФ В.С.Князев, Н.А.Клименко, В.М.Лапшин, С.П.Кактыш, И.А.Сорокин, В.Н.Бараш, Л.В.Гандзиошин, сотрудник ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова В.В.Гартвиг.

Особым направлением повышения экономичности ГТД является утилизация тепла уходящих газов. Исследования, выполненные в 1-м ЦНИИ МО совместно с ЦНИИим.академикаА.Н.Крылова и НПП “Машпроект”, показали, что применение утилизации тепла отработавших в ГТД газов в паровом теплоутилизационном контуре (ТУК) позволяет при заданной мощности установки увеличить ее экономичность на 20-30%. Первый опыт применения ТУК был получен при создании агрегата Т-1 для корабля комплексного снабжения “Березина”. Эксплуатация корабля показала, что в такой установке сохраняются все преимущества газотурбинной установки, однако резко увеличиваются масса и габариты из-за неудовлетворительных массогабаритных характеристик утилизационного котла. Поэтому в дальнейшем усилия были направлены на отработку высокоэффективных оребренных поверхностей нагрева, что позволило в 1980г. впервые в мире создать компактную, высокоэкономичную установку для боевого корабля проекта 1164. Утилизация тепла в паровом контуре была применена и в газотурбогенераторе ГТГ-1250У. При этом пар использовался на бытовые нужды корабля. Непосредственное участие в обосновании эффективности применения ТУК, отработке на стендах и внедрении на кораблях принимали специалисты 1-го ЦНИИМО и ЦНИИим.академикаА.Н.Крылова.

Одновременно с началом создания ГТД первого поколения на заводе “Экономайзер” было организованно новое для корабельной энергетики направление по созданию газотурбогенераторов (ГТГ) для электроэнергетических систем кораблей среднего и большого водоизмещения.

В 1-м ЦНИИ МО на основе исследований динамических характеристик была обоснована целесообразность применения для газотурбогенераторов блокированных одновальных схем, когда одна и та же турбина приводит во вращение и компрессор и, через редуктор, генератор. Несмотря на то, что эта рекомендация шла в разрез с устоявшимся мнением и опытом ряда зарубежных фирм, время подтвердило ее справедливость. Ныне все корабельные ГТГ в нашей стране и за рубежом создаются по одновальной схеме.

Первый газотурбогенератор ГТУ-З мощностью 300кВт был установлен для проверки в натуральных условиях на корабле проекта 41. Результаты испытаний позволили рекомендовать газотурбогенераторы для установки на надводные корабли. В 1966г. начат серийный выпуск ГТУ-6А. В дальнейшем в результате большого объема опытно-конструкторских работ, с учетом опыта эксплуатации, были созданы унифицированные ГТГ мощностью 1250, 1500, 1600кВт. ГТГ отличаются простотой конструкции, ресурс до капитального ремонта составляет 50000ч, качество электроэнергии соответствует самым жестким требованиям корабельного оружия. Унифицированными ГТГ оснащены корабли проектов 61, 1134Б, 1155, 1144, 1164. Наиболее весомый вклад в создание ГТГ внесли главные конструкторы С.Я.Ошеров, В.П.Борисов, Г.М.Левин, Б.Г.Викторов, Л.М.Ронкин, а также специалисты ВМФ.

Таким образом, к концу 80-х - началу 90-х годов были созданы три поколения газотурбинных двигателей и установок, что обеспечило строительство более 30 проектов кораблей от малых КВП “Скат” массой 27 т до ударных крейсеров типа “Слава” водоизмещением 10000 т.

В 1934-1941гг. в СССР велись работы по созданию корабельного ГТД ТВСО, но Англия первой установила авианосный ГТД на катер в 1947г., а СССР - в 1952г. Однако Англия и США отстали от Советского Союза: с началом серийного производства кораблей с ГТУ; с постройкой кораблей полностью с газотурбинными установками (“Комсомолец Украины” с установкой М-З принят в 1962г., в Англии фрегат “Амазон” проекта 21 - в 1974г., в США только в 1975г. сдан первый корабль типа “Спрюенс” проекта 00-963); с отработкой и внедрением газового реверса (в СССР внедрен в 1971-1972гг., в США работы окончились безрезультатно); с созданием установок с утилизацией тепла в паровом цикле для боевых кораблей (в СССР установка М-21 принята в 1980г., в США программа “RASER” для кораблей типа “Arligh Durke” окончилась испытанием трех образцов).

Таким образом, СССР первым начал создавать серийные корабли с газотурбинными установками и к началу 90-х годов превосходил США по количеству кораблей и суммарной мощности ГТУ.

Высокое качество корабельных ГТД позволило широко использовать их в народном хозяйстве на газоперекачивающих станциях, электростанциях, судах морского флота, компенсировав в большой степени затраты государства на научное обеспечение и их создание.