Энергетическая установка эсминца

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Корабельная энергетическая установка представляет собой комплекс технических средств, предназначенных для обеспечения движения корабля с необходимой скоростью, маневрирования, выработки механической, тепловой, электрической и других видов энергий и обеспечения этими видами энергии всех потребителей с целью безопасного и эффективного выполнения боевых и повседневных задач, возложенных на данный корабль в соответствии с его типом и назначением.

В состав корабельной ЭУ входят:

· Главная энергетическая установка (ГЭУ) - комплекс технических средств, предназначенных для обеспечения поступательного движения корабля, его маневрирования, а также обеспечения различными видами энергии всех потребителей на ходу корабля;

· Вспомогательная энергетическая установка (ВЭУ) - комплекс технических средств, предназначенных для ввода ГЭУ в действие, а также обеспечения различными видами энергии всех потребителей на стоянке корабля;

· Электроэнергетическая система корабля (ЭЭС) - комплекс источников электроэнергии и распределительных устройств, обеспечивающих все потребности корабля электроэнергией.

Помимо основного оборудования, механизмов и систем в состав установки входит также дополнительное оборудование, обеспечивающее нормальную ее эксплуатацию и производство ремонта. К такому оборудованию относятся настилы, площадки, трапы, поручни и ограждения, подъемные устройства, кладовые с запчастями и материалами.

Для создания нормальных условий для личного состава, обслуживающего ЭУ, предназначены системы кондиционирования и создания микроклимата, освещения, средства жизнеобеспечения и борьбы за живучесть, средства связи, и другое оборудование. Механизмы и устройства систем (противопожарных, санитарных, балластных, водоотливных и др.), палубные механизмы (шпили, швартовные, буксирные устройства), рулевые машины, установки кондиционирования воздуха в жилых и служебных помещениях, холодильные установки и другие общесудовые потребители тепловой, электрической и других видов энергий, вырабатываемых ГЭУ и ВЭУ, в состав энергетической установки непосредственно не входят, а включаются в состав общекорабельных систем (ОКС) и устройств корабля.

Таблица 1 Тактико-технические характеристики корабля класса «Эсминец»

Главные размещения корабля
Водоизмещение	Стандартное - 6500 т Нормальное - 7220 т Полное - 7940 т
Длина	Максимальная - 156,6 м По ватерлинии - 145 м
Ширина	Максимальная - 17,2 м По ватерлинии - 16,8 м
Осадка	Ок. 5,0 м при нормальном водоизмещении
Энергетическая установка
Тип	Котлотурбинная (КТЭУ)
Кол-во линий вала	2
Мощность ГЭУ	236750 кВт (250000 л.с.) - ПБС 24400 кВт (25986 л.с.) - БЭС
Другие данные
Скорость	Экономическая (ЭС) - 14 уз. Боевая экономическая (БЭС) - 18 уз. Полная боевая (ПБС) - 32 уз.
Дальность плавания	5000 миль
Автономность	30 суток

1. Общая часть проекта «энергетическая установка»

1.1 Анализ ходовых режимов корабля класса «эсминец». Обоснование выбора типа энергетической установки

В настоящее время боевые корабли класса «эсминец» являются универсальными многоцелевыми ракетно-артиллерийскими кораблями, выполняющими широкий круг задач при несении боевой и повседневной службы:

· Обнаружение, слежение и уничтожение подводных лодок противника;

· Обнаружение и уничтожение одиночных боевых кораблей противника;

· Обнаружение и уничтожение конвоев противника;

· Обеспечение охранения конвоев и корабельных ударных групп (противовоздушная и противолодочная оборона кораблей и судов);

· Обеспечение высадки десанта;

· Огневая поддержка береговых частей и войск;

Эти задачи выполняются в различных районах мирового океана, для чего корабли класса «Эсминец» должны обладать высокой мореходностью, неограниченным районом плавания в различных климатических условиях и при любом состоянии моря, иметь способность совершать длительные переходы морем.

Основными ходовыми режимами, обеспечивающими выполнение боевых и повседневных функций для такого класса кораблей, являются:

· Малые хода (~ 5ч12 уз.), развиваемые при поиске ПЛ противника, осуществлении слежения за ними, огневой поддержке береговых частей, обеспечении высадки десанта, буксировке поврежденных кораблей, судов и подводных лодок;

· Средние хода (~ 12ч20 уз.), развиваемые как правило при сопровождении конвоев, следовании в составе корабельных ударных групп и при совершении длительных переходов морем;

· Большие хода (~ 20ч32 уз.), развиваемые как правило кратковременно при обеспечении перехвата кораблей и судов противника и их уничтожении, обеспечении спасательных операций.

Таким образом основными диапазонами ходовых режимов, развиваемых длительно (практически до 85ч90% ходового времени), являются малые и средние хода. Развитие полного хода для такого класса кораблей осуществляется достаточно редко: ~ 10ч15% от общего ходового времени.

Кроме того, длительные переходы морем, с целью обеспечения заданной дальности плавания ~ 5000 миль, должны осуществляться достаточно быстро и с максимальной экономией топлива.

Исходя из решаемых задач и основных ходовых режимов, корабль класса «эсминец» должен обладать следующими основными свойствами:

· высокой маневренностью (минимальным временем развития хода от малого до полного и наоборот, обеспечением возможности частых и глубоких режимов реверсов как на передний, так и на задний ход);

· высокой живучестью (сохранять возможность развития хода при частичном выходе из строя ЭУ при получении боевых и аварийных повреждений);

· высокими мореходными качествами и управляемостью;

· иметь возможность производить буксировку других кораблей и судов.

В соответствии с предъявляемыми требованию к свойствам корабля данного класса, примененная на нем энергетическая установка должна обладать следующими свойствами:

· мощностью, достаточной для развития кораблем водоизмещением ~8000 т скорости ~ 32 уз;

· высокой маневренностью;

· иметь возможность устойчиво и надежно работать в самом широком диапазоне мощностей для обеспечения устойчивых режимов ходов от малых до полных;

· иметь высокую степень автоматизации основных процессов и переходных режимов;

· обладать повышенной живучестью при получении аварийных и боевых повреждений;

· иметь достаточный ресурс и срок службы;

· быть простой в эксплуатации и обеспечивать проведение ремонтных и восстановительных работ не только на специализированных СРЗ, но и в местах базирования.

Всем перечисленным требованиям наиболее полно соответствует котлотурбинная энергетическая установка (КТЭУ).

Из анализа свойств и особенностей различных типов энергетических установок видно:

Дизельные энергетические установки при имеемых преимуществах: высоком КПД, быстром запуске, высокой степени автоматизации, имеют следующие отрицательные свойства: ограниченную мощность в одном агрегате (до 25000ч30000 л.с., за редкими исключениями - до 50000 л.с.), работают на дорогих легких сортах топлива (для работы на тяжелых и дешевых сортах топлива необходимо наличие сложных топливных систем, включающих системы предварительной подготовки топлива); имеют повышенную вибрацию и шум при работе; имеют относительно небольшой диапазон регулирования мощности; агрегаты большой мощности имеют повышенные массогабаритные показатели;

Газотурбинные энергетические установки при имеемых положительных свойствах: быстром запуске, достаточно высоком КПД, достаточной мощности в одном агрегате, малых массогабаритных показателях, отсутствии вибраций при работе; обладают пониженными ресурсными показателями (20000ч25000 часов), допускают только агрегатную замену при ремонте, имеют сложные системы предварительной топливоподготовки при работе на тяжелых сортах топлива; имеют относительно небольшой диапазон регулирования мощности, возможность возникновения явления помпажа осевого компрессора при работе на нерасчетных режимах; имеются относительные трудности при проектировании реверсивных двигателей;

Котлотурбинная установка обладает следующими свойствами:

· Практически неограниченной мощностью в одном агрегате, определяемой только начальными и конечными параметрами пара и расходом пара, подаваемого на турбину;

· высокой маневренностью (небольшой продолжительностью подготовки к вводу и ввода в действие ~ 15 ч 45 мин, возможностью быстрых переходов с режима на режим, осуществления глубоких и быстрых реверсов);

· не имеет проблем с автоматизацией основных процессов, устойчиво работает в широких диапазонах мощностей без возникновения режимов помпажа и срывов работы;

· обладает повышенной живучестью за счет дублирования основных и вспомогательных механизмов и наиболее важных систем и трубопроводов;

· обладает высокими ресурсными показателями и большим сроком службы (~ 100000 ч), сопоставимым со сроком службы самого корабля;

· способна работать на самых дешевых низкосортных топливах без проведения специальных мероприятий по предварительной подготовке топлива;

· имеет большие межремонтные периоды и возможность осуществления ремонта в условиях базирования;

· Обладает пониженными показателями шумности по сравнению с ДЭУ и ГТУ, низкими тепловыми полями, создаваемыми вокруг корабля;

· Имеет достаточно низкую стоимость изготовления и ремонта;

· Имеет относительно низкий КПД;

· В паросиловых установках используются достаточно сложные и разветвленные тепловые схемы с большим количеством вспомогательных механизмов.

Исходя из проведенного анализа, для главной энергетической установки корабля класса «Эсминец» выбираем котлотурбинную энергетическую установку.

Современная корабельная КТЭУ представляет собой по сути термодинамически-комбинированную энергетическую установку, выполненную по газопаровому циклу, в которой газотурбинная часть комбинированной установки используется для осуществления части рабочего процесса в общем цикле паросиловой установки.

Необходимо отметить, что для КТЭУ имеется возможность совершенствования ряда параметров и дальнейшего повышения КПД термодинамического цикла за счет осуществления следующих мероприятий:

· Применения более рациональных и совершенных тепловых схем;

· Увеличения начальных параметров пара (повышение начального давления пара уменьшает удельный расход топлива на 3ч8%, повышение температуры - на 2.5ч5%);

· Увеличения числа ступеней регенеративного подогрева питательной воды (повышает КПД цикла КТЭУ на 3,5 - 8,0%);

· Увеличения КПД котлов до 93 - 96% (достигается совершенствованием топочных процессов, снижением потерь с уходящими газами);

· Увеличения КПД ГТЗА (достигается путем совершенствования проточной части турбин, увеличением частоты вращения ротора, применением более совершенных передач, совершенствованием аэродинамических характеристик проточной части);

· Исключения маломощных турбоприводов вспомогательных механизмов с низким КПД и замены их на групповые турбоприводы; перевод ВМ на электроприводы; применение навешенных на ТГ и ГТЗА приводов маломощных ВМ (повышает КПД на 2,4%);

· Применения самопроточной циркуляции в главном конденсаторе на передних ходах корабля за счет динамического напора набегающего потока воды (повышает КПД на 0,9%);

· Уменьшения потерь теплоты с забортной водой - прокачивание маслоохладителя, эжекторов и других теплообменных аппаратов конденсатом (повышает КПД на 0,5%);

· Замены эжекторов вакуумными насосами (повышает КПД на 0,2%).

Таким образом, применяя одно из перечисленных мероприятий или комбинируя некоторые из них можно существенно повысить экономичность и КПД КТЭУ в целом.

1.2 Выбор количества линий вала

Выбор количества валопроводов производится исходя из следующих критериев:

· Обеспечение высокой маневренности корабля и простоты управления;

· Резервирование установки в случае возникновения аварий и получении боевых повреждений.

Для КТЭУ эсминца принимаем 2-х вальную установку, обладающую следующими преимуществами:

· Высокой маневренностью и лучшей управляемостью по сравнению с одновальной установкой;

· Обеспечением высокой устойчивостью корабля на курсе;

· Возможностью управления движением и маневрированием при выходе из строя рулевого управления;

· Высокой степенью живучести, возможности осуществления парциальной работы (под одной линией вала при выходе из строя другой линии вала или одного борта установки);

· Меньшей вибрацией по сравнению с одновальной установкой;

· Лучшей технологичностью и ремонтопригодностью (в 2-х вальных установках руль не препятствует выемке наружу гребного или дейдвудного вала).

Направление вращения винтов выбираем исходя из условий обеспечения надежности их работы, маневренности и управляемости корабля. Целесообразно выбрать винты фиксированного шага. Гребные винты на переднем ходу должны вращаться наружу - т.е. от бортов вниз и внутрь.

1.3 Выбор схемы общего размещения КТЭУ на корабле

При размещении механизмов и оборудования КТЭУ на корабле должны быть учтены следующие основные требования:

· Компактность размещения и обеспечение минимальной длины энергетических помещений;

· Обеспечение минимальной протяженности паропроводов, трубопроводов и газоходов;

· Обеспечение живучести установки и ее действия при получении боевых и других повреждений;

· Обеспечение резервирования главных и вспомогательных механизмов;

Проанализируем возможные схемы размещения КТЭУ:

Линейное размещение:

Этот способ размещения подразумевает наличие котельного (или котельных) и следующего непосредственно за ним машинного (машинных) отделений.

Схема 3.1.а обеспечивает достаточную компактность размещения главных механизмов, небольшую протяженность главных паропроводов и систем, но обладает пониженной живучестью в случае получения боевых повреждений из-за размещения всех котлов в одном котельном отделении и всех ГТЗА в одном машинном отделении.

Схема 3.1.б обладает повышенной живучестью за счет размещения турбин и котлов в своем индивидуальном отсеке, но имеет весьма протяженные системы и паропроводы и большую относительную длину энергетических помещений.

Эшелонное размещение:

Этот способ размещения КТЭУ подразумевает расположение одного или нескольких котлов в котельных отделениях и следующего за ними турбинного отделения, образующих вместе 1 эшелон установки. Количество эшелонов КТЭУ соответствует числу линий валов корабля.

Особенностями эшелонного размещения КТЭУ являются:

· Повышенная живучесть установки за счет размещения главных механизмов в отдельных отсеках;

· Большая протяженность паропроводов и систем;

· Большая длина линий валов (особенно ГТЗА носового эшелона);

· Большая протяженность энергетических отсеков по длине корабля;

Совмещенно - эшелонное размещение:

Особенностью размещения является расположение главных механизмов одного эшелона (два главных котла и ГТЗА) в одном отсеке - машинно - котельном отделении. Количество МКО определяется числом линий валов. В каждом МКО побортно размещаются два главных котла и один ГТЗА. Размещение котлов и ГТЗА в одном отсеке значительно сокращает длину паропроводов и основных систем ГЭУ, сокращает общую длину МКО и энергетических отсеков. Между носовым и кормовым МКО размещают отсек вспомогательных механизмов со вспомогательной котельной и конденсационной установками, турбогенератором, пароэжекторными холодильными машинами, опреснительной установкой и обслуживающими их системами и механизмами.

Совмещенно-эшелонное размещение обеспечивает максимальную живучесть ЭУ за счет сокращения длины систем, включения промежуточного отсека между НМКО и КМКО и размещения вспомогательной установки в дополнительном отсеке.

ОВМ и УК размещается на мидель-шпангоуте, т.к. в этом помещении расположены системы, механизмы и рули активных успокоителей качки. НМКО и КМКО расположены через переборки от ОВМ и УК.

Для размещения КТЭУ на корабле класса «эсминец» выбираем совмещенно-эшелонную схему, обеспечивающую повышенную живучесть ЭУ и максимальную компактность.

Для обеспечения гарантированного спасения личного состава при авариях и боевых повреждениях в каждом МКО предусматриваются два выхода на первую непроницаемую палубу, один главный и один запасной. Аварийный и запасной выходы целесообразно располагать в противоположных частях отсека и с разных бортов. Все выходы и площадки обслуживания снабжаются системой водяных завес для обеспечения безопасного выхода экипажа из энергетических помещений при авариях и боевых повреждениях.

1.4 Выбор тепловой схемы КТЭУ

Род тепловой схемы КТЭУ выбираем исходя из основных режимов работы установки, обеспечения необходимой маневренности, надежности работы на различных нагрузках, степени резервирования основных механизмов и экономичности энергетической установки.

Для КТЭУ корабля класса «эсминец» выбираем регенеративную тепловую схему, обеспечивающую подогрев питательной воды и, соответственно, больший КПД и экономичность по сравнению с нерегенеративными тепловыми схемами.

Проанализируем особенности регенеративных тепловых схем 1, 2 и 3 рода.

Регенеративные тепловые схемы 1-го рода:

Областью применения сложных тепловых схем первого рода с промежуточным отбором пара из главных турбин является ПСУ транспортных судов, у которых до 90% и более ходового времени - полный ход. Для ПСУ таких судов на первое место выходят вопросы экономичности установки и обеспечение ее стабильной работы на основном ходовом режиме. Автоматизировать такую установку сложно, но учитывая, что она работает практически все время в одном режиме, от средств автоматики в основном требуется обеспечение стабильной работы установки на расчетном режиме хода. В установках, длительное время работающих на средних и малых ходах (что характерно для установки корабля класса «эсминец»), применение схем первого рода крайне затруднительно.

Регенеративные тепловые схемы 2-го рода:

Как правило на военных кораблях недостаточно места в МКО для размещения сложных регенеративных схем с отборами пара, а на первое место вместо экономичности энергетической установки выходят такие качества как надежность работы, высокая маневренность, малые массогабаритные показатели, способность работать в различных динамических режимах, в том числе при резких сменах ходовых режимов и осуществлении частых и глубоких реверсов. На таких кораблях используют тепловые схемы второго рода, в которых регенерация тепла осуществляется отработавшим паром вспомогательных механизмов. Одним из достоинств такой тепловой схемы является то, что параметры отработавшего пара, которым осуществляется регенерация тепла, постоянны и не зависят от ходовых режимов.

Регенеративные тепловые схемы 3-го рода:

В таких тепловых схемах регенерация тепла в цикле осуществляется как за счет промежуточного отбора пара из турбины, так и за счет теплоты отработавшего пара вспомогательных механизмов. Такие схемы сложны, трудно поддаются автоматизации, и применение их на военном корабле нецелесообразно.

Исходя из изложенного для КТЭУ корабля класса «Эсминец» выбираем регенеративную тепловую схему 2-го рода с регенерацией тепла отработавшего пара вспомогательных механизмов.

В свою очередь в регенеративных тепловых схемах второго рода для предварительного подогрева питательной воды могут применятся водоподогреватели поверхностного и смесительного типов. Выбираем регенеративную тепловую схему 2-го рода с водоподогревателем смесительного типа (деаэратором), как обеспечивающую более высокий КПД и более высокое качество питательной воды за счет дополнительной ступени деаэрации.

1.5 Выбор состава, типа и количества главных и вспомогательных механизмов КТЭУ

Главные механизмы

Состав, тип и количество главных механизмов выбираем исходя из основных требований, предъявляемых к энергетической установке:

· Обеспечения заданной скорости корабля ~ 32 уз;

· Высокой маневренности;

· Высокой живучести;

· Резервирования главных механизмов для обеспечения работы установки при получении боевых и аварийных повреждений;

· Надежности работы главной и вспомогательной энергетических установок на всех ходовых и стояночных режимах;

· Способности работы в широком диапазоне мощностей;

· Достаточной экономичности при работе на различных режимах;

· Компактности размещения КТЭУ;

· Минимальной протяженности паропроводов и систем.

Главные котлы

В качестве главных котлов выбраны высоконапорные автоматизированные водотрубные котлы с естественной циркуляцией.

Учитывая некоторые недостатки, присущие водотрубным котлам с естественной циркуляцией, а именно:

· Ограниченные возможности экранирования топок;

· Предельно допустимое давление пара 8,59,0 МПа;

· Изменение температуры перегретого пара при изменении нагрузки;

водотрубные котлы с естественной циркуляцией обладают следующими преимуществами перед другими типами котлов:

· Высокой маневренностью (время разводки котлов до начала отбора пара составляет от 8 до 30 минут, переход с режима на режим - в течение 1 минуты);

· Стабильностью в работе в широком диапазоне нагрузок и на переходных режимах;

· Малыми массогабаритными показателями (особенно у высоконапорных котлов);

· Возможностью одновременного отбора перегретого и насыщенного пара;

· Обеспечением проведения внутрикотловой обработки воды, из-за чего отпадает необходимость питания котла водой очень высокого качества;

· Легкой автоматизацией процессов, происходящих в котле;

· Более простой технологией изготовления и ремонта.

Исходя из условий резервирования основных механизмов и обеспечения необходимой мощности ГЭУ в составе энергетической установки выбраны 4 главных высоконапорных (с газотурбинным наддувом) водотрубных автоматизированных котла с естественной циркуляцией типа КВГ-3, установленных попарно в каждом эшелоне (носовое и кормовое МКО) и работающих параллельно на один ГТЗА своего эшелона.

Применение газотурбинного наддува и повышенного давления в топке значительно интенсифицирует процессы перемешивания топлива с воздухом и сгорания смеси в топке котла, значительно улучшает процессы теплопередачи в трубных поверхностях нагрева котла, увеличивает теплонапряженность топочного объема и позволяет сократить массогабаритные показатели высоконапорного котла по сравнению с котлами с вентиляторным дутьем (при аналогичных параметрах пара и паропроизводительности) в 58 раз.

Подробное описание характеристик котла и обоснование выбора компоновочной схемы и основных элементов главного котла будут даны в специальной (третьей) части проекта.

Главные турбозубчатые агрегаты (ГТЗА)

ГТЗА корабля класса «эсминец» должны обеспечивать:

· Достаточную мощность для развития полной боевой скорости ~ 32 уз;

· Высокую маневренность корабля;

· Высокую экономичность в широком диапазоне изменения скоростей хода для обеспечения установленной дальности плавания;

· Достаточную мощность для развития заднего хода и осуществления реверса;

· Продолжительные режимы задних ходов и буксировки;

· Высокую живучесть энергетической установки;

· Минимальные массогабаритные показатели;

· Удобство проведения осмотров, обслуживания, регламентных и ремонтных работ.

В качестве главных турбин выбраны 2-х корпусные активные турбины, включающие в себя ступени малых ходов и турбину заднего хода.

Активные турбины, несмотря на некоторые недостатки (возможность теплового погиба ротора, несколько меньший КПД активной ступени), по сравнению с реактивными турбинами обладают следующими преимуществами:

· Меньшей массой ротора дискового типа, обеспечивающей лучшие условия прогрева и, соответственно, повышенные маневренные характеристики по сравнению с ротором барабанного типа;

· При одинаковом срабатываемом теплоперепаде число ступеней активной турбины примерно в два раза меньше числа ступеней реактивной турбины, что обеспечивает уменьшение длины и массы ротора и турбоагрегата в целом;

· Обеспечивается простой способ регулирования мощности (сопловое регулирование);

· При прочих равных условиях величина температурных и суммарных напряжений в дисковом роторе меньше, чем в барабанном, что повышает маневренные характеристики ГТЗА;

· Обладают лучшей технологичностью конструкции (более простая термообработка, контроль однородности металла ротора и т.д.)

Выбор двухкорпусной турбины и разбиение проточной части на турбины высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления обоснованы сокращением общей длины турбоагрегата и длины МКО, обеспечением жесткости ротора.

В состав каждого ГТЗА входят: турбина высокого давления (ТВД), турбина низкого давления (ТНД), турбина заднего хода (ТЗХ), редуктор, главный конденсатор, звукоизолирующая муфта (ЗИМ), вспомогательный упорный подшипник (ВУП), валоповоротное устройство (ВПУ), тормоз, органы регулирования мощности (маневровое устройство).

Турбина высокого давления (ТВД) - однопоточная, активная, конструктивно включает в себя:

· Регулировочную ступень;

· 6 ступеней малых ходов;

· 3 ступени полных ходов.

Регулировочная ступень выполнена в виде двухвенечной ступени скорости. Двухвенечные ступени способны срабатывать значительные теплоперепады в довольно широком диапазоне начальных параметров и расходов пара с достаточно высоким КПД. Применение двухвенечной регулировочной ступени позволяет сократить общее количество ступеней турбины и уменьшить длину ротора.

Ступени малых ходов представляют собой турбину экономического хода, конструктивно расположенную в одном корпусе с ТВД. Применение ступеней экономического хода, специально рассчитанных под малые расходы и пониженные начальные параметры пара, обосновано повышением экономичности работы ГТЗА на малых оборотах для обеспечения значительных по продолжительности (до 80% общего времени) ходовых режимов корабля класса «эсминец» с поисковой и экономической скоростью.

Ступени полных ходов расположены за ступенями малых ходов по ходу пара. Ступени малых и полных ходов выполнены в виде одновенечных ступеней давления.

Корпус ТВД собран на раме. Кормовая часть корпуса связана с рамой гибкой опорой, позволяющей корпусу расширяться в осевом направлении. Носовая часть корпуса ТВД зафиксирована установочными болтами.

Турбина низкого давления (ТНД) - активная, двухпоточная, со сходящимися потоками пара, конструктивно включает в себя:

· 5 ступеней передних ходов - 2 сходящихся потока;

· турбину заднего хода (ТЗХ) - 2 расходящихся потока.

Выбор разделения потоков пара в ТНД вызван стремлением снизить длину рабочих лопаток последних ступеней турбины, облегчить условия работы и снизить нагрузку на рабочие лопатки последних ступеней, уменьшить радиальные размеры ТНД, обеспечить разгрузку ротора ТНД и упорного подшипника от осевых усилий.

Турбина заднего хода (ТЗХ) конструктивно выполнена двухпоточной с расходящимися потоками пара в виде 2-х двухвенечных регулировочных ступеней, расположенных между потоками пара ступеней переднего хода (в центральной части ротора ТНД). Двухвенечные ступени ТЗХ способны сработать значительные теплоперепады с достаточно высоким КПД и обеспечить требуемую мощность установки на заднем ходу порядка 25% от полной мощности переднего хода. Разделение потоков пара в ТЗХ обеспечивает разгрузку ротора ТНД, где конструктивно расположена ТЗХ, от осевых усилий.

Корпус ТНД опирается носовым концом на гибкую опору, а кормовым - на корпус редуктора. При нагревании корпус ТНД расширяется в сторону носа.

Гибкие опоры ТВД и ТНД устанавливаются с предварительным натягом, который при нагревании корпусов выбирается и стойки гибких опор разгружаются.

Редуктор предназначен для снижения частоты вращения турбин до частоты вращения, оптимальной для работы движителя. В качестве редуктора выбран цилиндрический зубчатый двухступенчатый редуктор с раздвоением мощности, с расположением 1-й ступени за 2-й. В нише под 1-й ступенью расположен вспомогательный упорный подшипник.

К шестерни 1-й ступени ТНД подключается тормоз, к шестерни 1-й ступени ТВД - валоповоротное устройство.

Валоповоротное устройство предназначено для медленного вращения роторы турбины при ее прогревании или при охлаждении после вывода из действия, во избежание возникновения тепловых погибов. Выбрано ВПУ с реверсивным электроприводом и 2-х ступенчатой червячной передачей. Сообщение передачи ВПУ с зацепление редуктора производится вручную. С целью предотвращения поломки ВПУ при пуске турбины, в систему защиты ГТЗА введен сигнал о включении-выключении ВПУ.

Вспомогательный упорный подшипник - предназначен для восприятия осевых усилий, возникающих при работе зубчатой передачи, и осевых усилий со стороны линии вала.

Главный конденсатор - предназначен для конденсации отработавшего в главной турбине пара, сбора этого конденсата, проведения первой ступени деаэрации, создания вакуума за последней ступенью турбины. В качестве главного конденсатора выбран конденсатор поверхностного типа, одноходовой по забортной воде, регенеративный, 2-х пучковый, с принудительной циркуляцией забортной воды на скоростях хода до 1012 уз и самопроточный на скоростях переднего хода более 10 12 уз, поперечного расположения.

Между пучками трубных систем образовано пространство, по которому часть пара поступает, не конденсируясь, до поверхности конденсата и осуществляет его регенерацию (предварительный подогрев). За счет нагрева конденсата практически до температуры насыщения (с небольшим недогревом) происходит процесс выделения растворенных в конденсате газов (первая ступень деаэрации).

Поперечное расположение главного конденсатора выбрано исходя из условий уменьшения длины МКО. Забор охлаждающей воды осуществляется через приемное устройство, расположенное около диаметральной плоскости корпуса корабля, слив - через отливные патрубки, расположенные в борту корабля в подводной части корпуса. Для улучшения условий слива отливные патрубки со стороны носовой части корпуса снабжены козырьками.

Органы регулирования мощности ГТЗА.

Для обеспечения регулирования мощности главной турбины в широком диапазоне ходовых режимов применена следующая схема:

· на малых оборотах регулирование мощности ГТЗА производится дроссельно-сопловым способом с блокированными сопловыми клапанами - при пониженных начальных параметрах пара, выдаваемых главными котлами;

· на повышенных оборотах для изменения мощности осуществляется сочетание дроссельно-соплового регулирования с обводным регулированием ступеней малых ходов с помощью байпасных клапанов, перепускающих часть потока пара помимо ступеней экономического хода на ступени полного хода (схема с внутренним обводом пара ступеней экономического хода) - при пониженных начальных параметрах пара, выдаваемых главными котлами;

· на оборотах от повышенных до максимально возможных (после практически полного открытия сопловых и байпасных клапанов) развитие хода осуществляется плавным повышением параметров пара в главных котлах (схема регулирования со скользящими параметрами пара).

Таким образом, для осуществления данной схемы регулирования мощности, в состав органов регулирования входят:

· 3 группы сопел - каждая со своим индивидуальным сопловым клапаном:

? 1 группа - 8 сопел, сопловый клапан 105 мм;

? 2 группа - 8 сопел, сопловый клапан 105 мм;

? 3 группа - 19 сопел, сопловый клапан 165 мм;

· 2 байпасных клапана;

· маневровый клапан заднего хода (МКЗХ) - для осуществления режимов задних ходов.

Соответствие положения органов регулирования мощности ГТЗА различным ходовым режимам приведено в таблице 2:

Таблица 2. Соответствие положения органов регулирования мощности ГТЗА развиваемым ходам

Ход	Открытие
	Групп сопел	Сопловых и байпасных клапанов
Малый	1 гр	1-й СК (частично)
Боевой экономический	1 гр	1-й СК (полностью)
I крейсерский	1 гр + 2 гр	1-й СК (полностью) + 2-й СК (частично)
Максимально возможный при пониженных параметрах пара	1 гр + 2 гр + 3 гр	1-й СК (полностью) + 2-й СК (полностью) + 3-й СК (частично) + 2 байпасных клапана (частично)
Полный	1 гр + 2 гр + 3 гр	1-й СК + 2-й СК + 3-й СК + 2 байпасных клапана (полностью)

На малых ходах пар через открытые сопловые клапаны поступает к группам сопл и проходит последовательно через регулировочную ступень, ступени экономического хода и ступени полного хода. При дальнейшем развитии хода, по мере открытия байпасных клапанов, часть пара обводится вокруг ступеней экономического хода, и при полностью открытых байпасных клапанах практически весь пар проходит через проточную часть ступеней полного хода. На больших ходах некоторая часть пара (до 10% от общего расхода через турбину) продолжает поступать на ступени малых ходов с целью охлаждения ступеней экономического хода при их холостом вращении (нагрев из-за вентиляционных потерь).

Исходя из условий резервирования главных механизмов и обеспечения необходимой мощности, в состав энергетической установки выбраны 2 двухкорпусных ГТЗА типа ТВ12-4 (ГТЗА-674), установленных по одному в каждом эшелоне (носовое и кормовое МКО) и получающих перегретый пар от двух главных параллельно работающих котлов своего эшелона.

Вспомогательные механизмы и теплообменные аппараты

Состав, тип и количество вспомогательных механизмов и теплообменных аппаратов выбираем исходя из состава систем, обслуживающих работу главных механизмов и энергетической установки в целом.

Состав основных систем и вспомогательных механизмов котельной установки

Для обеспечения работы котельной установки на различных режимах и проведения всех положенных регламентных работ в ее состав входят следующие системы, механизмы и теплообменные аппараты:

А) Топливная система - предназначена для непрерывной подачи топлива в котлы в количестве, обеспечивающем поддержание заданного давления пара, с температурой, обеспечивающей качественное распыливание и сгорание топлива.

Топливная система включает в себя следующее оборудование:

· топливный турбонасос (ТНН) - 1 на эшелон;

· топливный электронасос (ЭНН) - 1 на эшелон;

· подогреватель топлива паровой - 1 на эшелон;

· подогреватель топлива электрический - 1 на эшелон;

· фильтры холодного и горячего топлива - по 1 на эшелон;

· расходную топливную цистерну;

· систему регулирования горения, регуляторы, арматуру, КИП, трубопроводы.

Топливная система является единой для двух котлов одного эшелона. На малых нагрузках в работе находится топливный турбонасос, обороты которого регулируются в зависимости от нагрузки котла. Электронасос ЭНН пускается автоматически при увеличении нагрузки или падении давления топлива ниже допустимого (аварии ТНН). Предусмотрены также запуск и остановка ЭНН вручную (дистанционно из ПДУ). Паровой подогреватель топлива совместно с регулятором температуры обеспечивают подогрев топлива, поступающего к форсункам главных котлов, до температуры, обеспечивающий качественный распыл и сгорание. Электроподогреватель используется для ввода в действие котлов при отсутствии пара на корабле (без участия вспомогательной котельной установки). Схема топливной системы показана в приложении к дипломному проекту совместно с системой регулирования горения.

Б) Система подачи воздуха и отвода дымовых газов - предназначена для подачи в топки котлов воздуха в количестве, обеспечивающем качественное сгорание топлива с необходимым коэффициентом избытка воздуха, а также отвод продуктов сгорания в дымовую трубу.

Система включает в себя следующее оборудование:

· турбонаддувочный агрегат (ТНА) - 1 на котел;

· приемные решетки, фильтры и воздуховоды;

· воздухонаправляющие устройства (ВНУ) главных котлов (по количеству форсунок на котле);

· газоочистное устройство и газоходы;

· газоохлаждающее устройство эжекционного типа, расположенное в дымовой трубе;

· Регуляторы, арматуру, приборы теплоконтроля, газовые и воздушные заслонки.

При работе главных котлов воздух забирается из атмосферы через приемные устройства, сжимается в осевом компрессоре ТНА до давления ~ 0,2 МПа, подается под повышенным давлением в кожух котла (межобшивочное пространство), проходит регистры ВНУ и поступает в топку в количестве, необходимом для полного и качественного сгорания топлива. Дымовые газы, отдав тепло поверхностям нагрева котла, поступают в газоочистное устройство, где очищаются от сажистых частиц и механических примесей, и из него - в газовую турбину ТНА. Мощность, вырабатываемая газовой турбиной, используется для привода турбокомпрессора ТНА. На малых нагрузках котла небаланс мощностей газовой турбины и турбокомпрессора восполняется мощностью добавительной паровой турбины, включающейся в работу автоматически. После газовой турбины ТНА дымовые газы поступают в газоохлаждающее устройство, понижающее их температуру на срезе дымовой трубы до ~ 100 ^оС с целью снижения теплового поля корабля.

В) Питательная система - предназначена для непрерывной подачи в котел питательной воды заданной температуры в количестве, обеспечивающем поддержание уровня воды в паровом коллекторе котла в допустимых пределах.

Питательная система включает в себя следующее оборудование:

· Питательный насос - 2 на 1 эшелон;

· Бустерный насос - 2 на 1 эшелон;

· Деаэратор - 1 на эшелон;

· Расходные цистерны питательной воды (РЦПВ) - 2 на 1 эшелон;

· Регулирующую, запорную и защитную арматуру, трубопроводы, КИП;

Конструктивно питательный и бустерный насосы (совместно с конденсатным насосом) объединены в один механизм с общим турбоприводом - питательный конденсатно-бустерный турбоагрегат (ПКБТ). Объединение трех насосов в один турбоагрегат (групповой привод) снижает количество маломощных турбоприводов с низким КПД, заменяя их одним турбоприводом большой мощности с высоким КПД. За счет применения группового привода уменьшаются массогабаритные показатели установки и увеличивается общий КПД тепловой схемы. Нормально в работе каждого эшелона (2 главных котла + 1 ГТЗА) находится 1 ПКБТ. Второй ПКБТ находится в резерве и готов к немедленному пуску в случае выхода из строя работающего (100% резервирование).

В деаэраторе происходит подогрев конденсата, поступающего от конденсатного насоса, до температуры ~ 100 ^оС за счет тепла отработавшего пара в турбомеханизмах (регенеративная схема 2-го рода с водоподогревателем смесительного типа). Дополнительно в деаэраторе осуществляется удаление растворенных в питательной воде газов, улучшая показатели питательной воды по содержанию в ней кислорода (2-я ступень деаэрации).

Бустерный насос забирает подогретую и обескислороженную питательную воду из деаэратора и подает ее на всасывание питательного насоса, облегчая условия его работы. С напора питательного насоса через регулятор питания вода поступает в экономайзер котла, где подогревается до температуры 150-250 ^оС (в зависимости от нагрузки котла), и далее - в паровой коллектор котла. Протечки конденсата и питательной воды восполняются из РЦПВ непосредственно в главный конденсатор.

Состав основных систем и вспомогательных механизмов турбинной установки

А) Циркуляционная система - предназначена для прокачки главного конденсатора заборной водой и подачи забортной воды на потребители энергетической установки.

Циркуляционная система включает в себя следующее оборудование:

· Циркуляционный турбонасос (ТЦН) - 1 на эшелон;

· Приемные и отливные устройства;

· Главный конденсатор;

· Арматуру, трубопроводы.

Забортная вода через приемный патрубок поступает на всасывание ТЦН осевого типа, и далее - во входные камеры главного конденсатора. Во входных камерах вода распределяется по трубкам трубной системы, отбирает тепло у отработавшего пара, поступает в сливные камеры главного конденсатора и сливается за борт. Для отсечения главного конденсатора по забортной воде перед ТЦН и за сливной водяной камерой устанавливаются клинкетные задвижки.

Помимо главного конденсатора забортная вода с напора ТЦН направляется на маслоохладитель системы смазки ГТЗА, воздухоохладители МКО и на охлаждение цистерны грязных конденсатов (ЦГК). Слив воды из этих элементов КТЭУ производится за сливной камерой главного конденсатора.

Производительность ТЦН регулируется системой РУЗ ГТЗА и зависит от скорости хода корабля. При скорости переднего хода 10-12 уз и выше циркуляционная система работает в режиме самопротока.

Б) Конденсатная система - предназначена для забора образовавшегося в главном конденсаторе конденсата и подачи его в ионообменный фильтр (докотловая обработка воды) и далее в деаэратор.

Конденсатная система включает в себя следующее оборудование:

· Конденсатный турбонасос (конструктивно входит в состав ПКБТ) - 2 на 1 эшелон;

· Ионообменный фильтр - 1 на эшелон;

· Конденсатор выпара деаэратора;

· Трубопроводы, регуляторы, КИП, арматуру.

В конденсатной системе осуществляется предварительная деаэрация конденсата в главном конденсаторе, предварительная регенерация тепла цикла в холодильниках ГЭЖ и ВЭЖ, конденсаторе выпара деаэратора, механическая фильтрация, химическое обессоливание и умягчение конденсата в ионообменном фильтре, окончательные деаэрация и регенеративный подогрев в деаэраторе.

В) Система создания вакуума в главном конденсаторе - предназначена для создания и поддержания вакуума за последней ступенью турбины и в главном конденсаторе и отсоса паровоздушной смеси из главного конденсатора.

Система создания вакуума в главном конденсаторе включает в себя следующее оборудование:

· Главный двухступенчатый пароструйный эжектор (ГЭЖ);

· Конденсатоотводчики, гидрозатворы, трубопроводы.

Г) Система уплотнений главной турбины - предназначена для предотвращения протечек пара из корпуса турбины в МКО при давлении в корпусе выше атмосферного и предотвращения подсоса воздуха из МКО в корпус турбины при давлении в нем ниже атмосферного.

Система уплотнений включает в себя следующее оборудование:

· Уравнительный коллектор системы уплотнений;

· Регулятор системы уплотнений турбин;

· Вспомогательный эжектор системы уплотнений (ВЭЖ);

· Конденсатоотводчики, масляные фильтры, трубопроводы, арматуру.

Паровые камеры концевых уплотнений турбин соединены с уравнительным коллектором, в котором автоматически, с помощью регулятора системы уплотнений, поддерживается постоянное избыточное давление, превышающее атмосферное на 0,004 0,02 МПа. Пар в систему уплотнений подается от системы отработавшего пара вспомогательных механизмов. Вторые камеры уплотнений соединены с эжектором системы уплотнений, который поддерживает в них разрежение 20-30 мм. рт. ст. Паровоздушная смесь отсасывается эжектором и охлаждается в конденсаторе ВЭЖ, прокачиваемом конденсатом.

Д) Система смазки ГТЗА и вспомогательных механизмов - предназначена для обеспечения смазкой опорных и упорных подшипников турбины, зубчатой передачи ГТЗА, подшипников наиболее мощных вспомогательных механизмов (ТНА, ПКБТ) и обеспечения отвода тепла от подшипников ГТЗА, редуктора и вспомогательных механизмов.

Система смазки включает в себя следующее оборудование:

· Масляный турбонасос (ТМН) - 1 на эшелон;

· Масляный электронасос (ЭМН) - 1 на эшелон;

· Маслоохладитель - 1 на эшелон;

· Главные масляные фильтры - 2 на эшелон;

· Маслоподогреватели (паровой и электрический) - по 1 на эшелон;

· Масляный сепаратор - 1 на эшелон;

· Маслоперекачивающий электронасос - 1 на эшелон;

· Трубопроводы, КИП, арматуру.

Нормально в работе находится масляный турбонасос ТМН. Число оборотов ТМН регулируется программно системой РУЗ ГТЗА в зависимости от заданного числа оборотов линии вала. Электромасляный насос включается автоматически при падении давления в системе смазки (выходе из строя ТМН), либо пускается вручную в необходимых случаях (100% резервирование). В режимах проворачивания турбин при прогревании и остывании ротора отвод тепла осуществляется сначала работой ЭМН, а затем маслоперекачивающего электронасоса. Маслоперекачивающий насос также включается автоматически в работу при падении давления в системе смазки ГТЗА и неисправном ЭМН. От системы смазки с напора ТМН и ЭМН имеется перемычка на систему маслоснабжения РУЗ ГТЗА.

Сепаратор масла и маслоподогреватели предназначены для предварительного подогрева масла перед пуском установки в холодное время года и удаления из масла отстоя воды.

Система смазки ГТЗА и ВМ выполнена автономной для каждого эшелона, имеет перемычку для перекачки масла между эшелонами. В качестве масла применено масло турбинное Т-46 или турбинное с присадкой 0,2% олеиновой кислоты Тп-46 по ГОСТ 9972-74.

1.6 Тепловая схема КТЭУ

Построение принципиальной тепловой схемы КТЭУ корабля класса «эсминец» для одного эшелона производим, основываясь на составе систем и основных механизмов и теплообменных аппаратов, обслуживающих работу установки.

Состав основных турбомеханизмов и теплообменных аппаратов КТЭУ для одного эшелона сведен в таблицу 3.

Таблица 3. Состав основных ВМ и ТОА для одного эшелона

Основные механизмы	Основные теплообменные аппараты
Наименование	Кол-во	Наименование	Кол-во
ГТЗА	1	Главный конденсатор	1
Главные котлы	2	ГЭЖ	1
ПКБТ	2	ВЭЖ	1
ТНА	2	Деаэратор	1
ТНН	1	Маслоохладитель	1
Турбогенератор	1	Паровой маслоподогреватель	1
ТЦН	1	Паровой нефтеподогреватель	1
ТМН	1	ЦГК	1

Разбивка турбоприводов вспомогательных механизмов на группы

Учитывая большое количество турбомеханизмов и различную потребную мощность для обеспечения работы каждого из них, а также с целью облегчения проектирования малогабаритных и высокоэкономичных турбоприводов, целесообразно все вспомогательные механизмы КТЭУ разбить на группы по начальным и конечным параметрам пара. Значение срабатываемого теплоперепада в каждом турбоприводе ВМ определяется начальными и конечными параметрами пара. Мощность турбопривода определяется величинами срабатываемого теплоперепада, расхода пара и КПД турбопривода.

Разбивка турбоприводов вспомогательных механизмов на группы по начальным параметрам пара

Наиболее мощные турбомеханизмы, для увеличения срабатываемого в турбоприводах теплоперепада, должны работать на полных параметрах пара, вырабатываемых главными котлами. Наименее мощные турбоприводы вспомогательных механизмов целесообразно проектировать с пониженными начальными параметрами пара. Таким образом, в тепловой схеме установки используется два значения начальных параметров пара для турбоприводов вспомогательных механизмов:

· Полные параметры пара - соответствующие параметрам пара в главном паропроводе;

· Пониженные параметры пара - поддерживаемые автоматически в системе слабоперегретого пара за счет дросселирования насыщенного пара из паровых коллекторов главных котлов с добавлением части перегретого пара. Давление в системе слабоперегретого пара поддерживается постоянным с помощью регулятора давления системы вспомогательного пара.

Разбивка турбоприводов вспомогательных механизмов на группы по конечным параметрам пара

Исходя из мощности, необходимой для каждого вспомогательного механизма, возможны два варианта конечных параметров пара:

· Параметры, соответствующие давлению и температуре в главном конденсаторе - конденсационная группа механизмов;

· Параметры, соответствующие давлению и температуре в системе отработавшего пара - противодавленческая группа механизмов.

Группы вспомогательных механизмов

Таким образом, исходя из начальных и конечных параметров пара, получаем 4 группы турбомеханизмов, которые сведены в таблицу 4:

Таблица 4. Группы вспомогательных турбомеханизмов

Группы вспомогательных турбомеханизмов
	А	Б
	Полные параметры	Пониженные параметры
1	Система отрабо-тавшего пара	ПКБТ ТНА	ТМН ТНН
2	Главный конденсатор	ТГ	ТЦН

· Группа 1А: ВМ, работающие на полных параметрах пара и сбрасывающие отработавший пар в систему отработавшего пара;

· Группа 2А: ВМ, работающие на полных параметрах пара и сбрасывающие отработавший пара на главный конденсатор;

· Группа 1Б: ВМ, работающие на пониженных параметрах пара и сбрасывающие отработавший пар в систему отработавшего пара;

· Группа 2Б: ВМ, работающие на пониженных параметрах пара и сбрасывающие отработавший пар на главный конденсатор.

Учитывая разбиение вспомогательных турбомеханизмов на группы, состав вспомогательных механизмов и теплообменных аппаратов, наличие систем главного пара, вспомогательного слабоперегретого пара, отработавшего пара, принципиальная регенеративная тепловая схема 2-го рода с водоподогревателем смесительного типа для энергетической установки корабля примет вид, изображенный на рис. 7.

Развернутая тепловая схема для КТЭУ одного эшелона совместно с тепловой схемой вспомогательной ЭУ и связями с другим эшелоном изображена в приложении к дипломному проекту.

Описание тепловой схемы КТЭУ

В КТЭУ корабля класса «эсминец» применена регенеративная тепловая схема 2-го рода с одноступенчатым подогревом питательной воды в водоподогревателе смесительного типа (деаэраторе) за счет тепла отработавшего пара вспомогательных механизмов 1-й группы. Предусмотрена регенерация тепла в деаэраторе, главном и вспомогательном эжекторах, конденсаторе выпара деаэратора, водоподогревателе вспомогательного котла.

Главный цикл КТЭУ

Перегретый пар от главных стопорных клапанов главных котлов эшелона направляется по системе главного пара к маневровым устройствам и сопловым клапанам ТВД или маневровому клапану заднего хода ГТЗА. Из ТВД пар по ресиверам поступает к первой ступени ТНД. Отработавший в главной турбине пар конденсируется в главном конденсаторе. Конденсат забирается конденсатным насосом ПКБТ и подается в деаэратор, проходя последовательно через холодильники ГЭЖ и ВЭЖ, ионообменный фильтр, конденсатор выпара деаэратора. В эжекторах ГЭЖ и ВЭЖ, конденсаторе выпара деаэратора и в самом деаэраторе происходит регенерация тепла цикла, в ионообменном фильтре - умягчение и обессоливание конденсата и удаление из него растворенных газов. Для устойчивой работы эжекторов на малых нагрузках предусмотрена система рециркуляции конденсата, обеспечивающая прокачку конденсата через холодильники эжекторов расходом не менее 40 т/ч. Избыток воды через клапан рециркуляции, совмещенный с регулятором уровня в главном конденсаторе (РУК), поступает обратно в главный конденсатор.