Газотурбинный двигатель для кораблей принцип работы

РРБ54 ДДН59

ях, магистральные: газоперекачиваю­щих станциях и в качестве главных газотурбинных установок на судах морского флота. Это позволило полу­чить опережающую наработку базо­вых ГТД более 70000 часов на газопе­рекачивающих агрегатах и 27000 ча­сов на морских судах без капитально­го ремонта. Всего для промышленнос­ти и флота изготовлено и поставлено свыше 2600 двигателей общей мощно­стью около 22 млн. кВт и общей нара­боткой более 26 млн. часов. Эксплуатация первых газотурбинных установок на флоте показала необхо­димость разработки специальные ко­рабельных двигателей, устойчиво и

Схема ГТУМЗ[37]

За 45 лет своего существования НПП «Машпроект» создало более 30 глав­ных и ускорительных корабельных и судовых газотурбинных установок.

Се­рийное производство этих установок осуществляется на Производственном объединении «Зоря» (г. Николаев).

Газотурбинными установками «НПП «Машпроект» оснащены более 60% ко­раблей ВМФ бывшего СССР, что со­ставляет 29% газотурбинные кораб­лей мирового флота и 33% суммарной мощности ГТУ.

ГТУ М2 [37]

ГТУ МЗ [37]

Начиная с 70-х гг., ГТД и ГТУ, разрабо­танные для ВМФ, начали применять­ся в качестве приводов на передвиж­ных и стационарных электростанци-

ПЛК «Проект 159» [37]

БПЛК «Проект 61» [37]

экономично работающих от холостого хода до максимальной нагрузки, при­способленных к длительной работе на дизельном топливе в морской атмо­сфере.

Двигатель М1, использовавшийся на торпедном катере («Проект 183ТК» 1955 г., водоизмещение 750 т, постро­ено 15 катеров для СССР) в качестве ускорительного, имел мощность 4000 л.с., расход топлива 410 г/л.с.ч и ре­сурс 100 часов.

Одновременно с производством М1 спроектирован всережимный двига­тель Д053 для установки М2 мощнос­тью 15000 л.с. и расходом топлива 260 г/л.с.ч.

Этот двигатель имел двухкаскадный турбокомпрессор, трубчато-кольцевую камеру сгорания, свободную силовую турбину, усовершенствованную топ­ливную аппаратуру, улучшенную теп­лоизоляцию. Применение новых мате­риалов увеличило ресурс двигателя до 1000 часов.

В 1957 г. ускорительная газотурбин­ная установка М2 была поставлена на противолодочныш корабль («Проект 159», водоизмещение 1150 т, построено 50 кораблей для СССР, Эфиопии, Индии и Сирии).

Для патрульные катеров «Проект 35» и «Проект 204» (водоизмещение 840 т, построено 76 кораблей для СССР, Бол­гарии и Румынии) с улучшенными акустическими характеристиками бы­ли разработаны газотурбокомпрессо­ры ГТК Д2 (1960 г.) и ГТК Д3 (1964 г.) мощностью 18000 л.с.

, подающие воз­дух отдельно стоящих компрессоров в гидромоторное устройство.

Редуктор, разработанный конструкто­рами СПБ «Машпроект», обеспечивал суммирование мощности двух ГТД и реверс гребного винта, подключение и отключение каждого двигателя с по­мощью специальных кулачково-фрик- ционныш и гидравлических муфт.

БПЛК «Проект «Беркут» [37]

БПЛК «Проект «Буревестник» [37]

«МАШПРОЕКТ»

Схема ГТУ М5 [37]

В 1958 г. разработан первый в мире главный газотурбинный агрегат М3 для большого противолодочного ко­рабля «Проект 61» водоизмещением 4000 т (построено 25 кораблей для ВМФ СССР, Индии и Польши). Характеристики ГТУ М3Н: Полная мощность установки 2х36000 л.с.

Удельный расход топлива основного двигателя 220 г/л.с.ч Удельный расход топлива маршевого двигателя 360 г/л.с.ч Полная скорость 34 узла Маршевая скорость 24 узла Расход топлива на полной скорости 466 г/милю

Расход топлива на маршевой скорости 351 кг/милю

Масса установки 2 х 86000 кг Ресурс 5000 часов

В 1965-66 гг. началась разработка двигателей и установок второго поко­ления с повышенной экономичностью (200-240 г/л.с.ч), маневренностью, улучшенными акустическими харак­теристиками, ресурсом не менее 10000 часов.

В 1970 г. для фрегата «Проект «Альба­трос» водоизмещением 1000 т (постро­ен 101 корабль для СССР, Алжира, Болгарии, Кубы, ГДР, Ливии и Югосла­вии) разработана ГТУ М8. Созданы высокоэкономичные кора­бельные установки М7 (1971 г.) и М5 (1972 г.

), в состав которых входили не­зависимые маршевые и форсажные двигатели различной мощности.

Ре- дукторные передачи обеспечивали ко­личественное регулирование мощнос­ти установки: работу одного двигателя на два гребных винта и совместную работу маршевых и форсажных двига­телей, что дало высокую экономич­ность установки на любых ходовых ре­жимах.

ОРР058 ОДДТ59 МГРА28 МД Д090

М8К [37]

Схема ГТУ М9 [37]

Ракетный катер «Проект «Молния-1″[27]

«ПРОЕКТ»

ОДДДС77 РР077 MP ДД

ОДДР77 ОРР077 МРР076 МДДР76 Схема ГТУ М15-2 [37]

Схема ГТУ М21 [37]

В установках М5 и М7, не имеющих аналогов в мировой практике, впер­вые были внедрены реверсивные си­ловые турбины, быстродействующие шинно-пневматические муфты, двух- скоростные редукторы и ряд других технических решений. ГТУ М5 создан для применения в со­ставе большого противолодочного ко­рабля «Проект «Беркут» водоизмеще­нием 7500 т (с 1972 г. построено 7 ко­раблей для России). Полная мощность установки 2 х 46000 л.с. Маршевая мощность установки 2х6400 л.с. Удельный расход топлива основного двигателя 220 г/л.с.ч Удельный расход топлива маршевого двигателя 250 г/л.с.ч Полная скорость 32,6 узла Маршевая скорость 19,5 узла Расход топлива на полной скорости 628 г/милю Расход топлива на маршевой скорости 153 кг/милю

Схема ГТУ М15-1 [37]

Масса установки 2 х 112000 кг ГТУ М7 использовался на с 1971 г. на сторожевых кораблях «Проект «Буре­вестник» (водоизмещение 3550 т, пост­роено 44 корабля для СССР) Полная мощность установки 2 х 28000 л.с.

Маршевая мощность установки 2 х 6000 л.с.

Удельный расход топлива основного двигателя 235 г/л.с.ч Удельный расход топлива маршевого двигателя 240 г/л.с.ч Полная скорость 32,7 узла Маршевая скорость 18 узлов Расход топлива на полной скорости 404 г/милю

Расход топлива на маршевой скорости 160 кг/милю

Масса установки 143000 кг ГТУ М9 устанавливалась на эсминце «Проект «Фрегат» (водоизмещение 600 т с 1980 г. на вооружение СССР поступи­ло 13 кораблей).

Применение ГТУ М15 — ракетные кате­ра «Проект «Молния-1» и «Проект «Мол-

Ракетный катер «Проект «Молния-2″[37]

ния-2″ водоизмещением 450 т (с 1980 г. построено 53 катера проекта «Молния-2» для СССР, Болгарии, ГДР, Индии, Поль­ши, Румынии и Йемена; с 1981 г 27 ка­теров «Проект «Молния-1» поступили в ВМФ СССР).

Полная мощность установки 2х16000 л.с.

Маршевая мощность установки 2 х 4000 л.с.

Удельный расход топлива основного двигателя 190 г/л.с.ч Удельный расход топлива маршевого двигателя 220 г/л.с.ч Полная скорость 43 узла Маршевая скорость 20 узлов Расход топлива на полной скорости 147 г/милю

Расход топлива на маршевой скорости 88 кг/милю

Масса установки 26400 кг М21 устанавливается на крейсере «Проект «Атлант» («Слава») водоизме­щением 11400 т (с 1982 г. 4 корабля построены для СССР/СНГ). Полная мощность установки 2 х 55000 л.с.

Маршевая мощность установки 2 х 11000 л.с.

Удельный расход топлива основного двигателя 225 г/л.с.ч Удельный расход топлива маршевого двигателя 195 г/л.с.ч Полная скорость 32,6 узла Маршевая скорость 19,5 узла Расход топлива на полной скорости 741 г/милю

Расход топлива на маршевой скорости 200 кг/милю

Масса установки 2 х 131000 кг ГТУ М36 создан в 1997 г. для установ­ки на эсминец «Проект «Дели» (водоиз­мещение 6500 т; три корабля построе­ны для Индии).

ГТУ М80 (1997 г.) разработан для крейсера ВМФ Китая. Одна из последних разработок НПП «Машпроект» — установка М44 (1999 г.) для российского фрегата («Проект 12441») водоизмещением 2100 т.

Ракетный крейсер «Проект «Атлант» [37]

Р РГ54 Д ДТ59

Эскадренный миноносец «Проект «Дели»[37]

Схема ГТУ М36 [37]

• Основные принципы построения газо­турбинных установок для водоизме- щающих кораблей:
• • возможность совместной работы с дизелями и паровыми турбинами;
• • сохранение экономичности в широ­ком диапазоне нагрузок путем вклю­чения в работу оптимального числа двигателей для получения необходи­мых в данный момент мощности и применения двухскоростных марше­вых редукторов, оптимизирующих обороты силовой турбины двигателя. Система перекидки мощности между маршевыми редукторами позволяет работать одним двигателем на два гребных вала
• • применение системы реверсирова­ния во всем диапазоне мощностей ГТУ с помощью реверсивных редукто­ров или силовых турбин
• • повышение экономичности и мощ­ности ГТУ применением парового теп- лоутилизирующего контура

Газотурбинный двигатель: Устройство и принцип работы

Сегодня среднестатистический обыватель знаком с устройством и принципом работы мотора внутреннего сгорания, а вот газотурбинный двигатель, приводит пользователя в тупик. Тем не менее принцип действия турбинного агрегата намного проще поршневого мотора. Из-за особенностей эксплуатации, первый нашёл применение в авиации, второй установлен на 90% штатных автомобилей.

По классификации, силовая установка относится к тепловым устройствам, поскольку трансформирует выделившийся напор от горения в работу механики.

В противовес агрегату с поршнями, проходящее преобразование течёт в непрерывной газовой струе, а это влияет на конструкцию и эксплуатацию.

Попытки установить газотурбинный мотор на машины предпринимаются постоянно, однако массового развития идея не получила.

Газотурбинный двигатель:

Отличительные черты

Как уже говорилось раньше, предпринимались попытки использовать газотурбинный двигатель для автомобиля, однако дальше испытаний дело не пошло. Единственная отрасль, в которой агрегат нашёл применение — авиация.

Если сравнивать газотурбинный мотор с иными силовыми установками, то у первого изделия значение вырабатываемой мощи по отношению к массе больше. Так же плюс в используемом топливе, доведённый до мелкодисперсного состояния, ассортимент воображает, главный вид — керосин и дизель. Но возможно применение: бензина, газа, спирта, мазута, угольной пыли и т.п.

Агрегат с поршнями и газотурбинная установка, это моторы, работающие на основе тепла, преобразующие энергию, выделившуюся при горении в работу механики. Разница между устройствами заключается в течение процесса. В обоих моторах происходит забор и воздушное сдавливание, после чего подаётся порция горючего, затем субстанция горит, увеличивается и сбрасывается атмосферную среду.

В поршневых установках описанные действия происходят в одной точке — камере сгорания, при этом соблюдается очерёдность действий. Для газотурбинного двигателя характерно протекание действий в нескольких частях механизма одновременно.

Что бы понять, как работает газотурбинный двигатель, разделяют этапы протекания процессов, которые в сумме составляют преобразование топлива в работу:

• Подведение горючего и образование смеси.

За счёт прохождения атмосферного воздуха через компрессорное колесо, смесь сжимается в объёме, увеличивая напор, до сорока раз. После происходит перетекание воздуха в горящий объём, куда подаётся и топливо. Перемешиваясь с воздушной массой и сгорая, смесь энергетически преобразуется.

• Энергетическое рабочее преобразование.

  Двигатель А41 — Характеристики и неисправности

Выделившуюся силу переформатируют в работу механики. Для этого используют специальные лопатки, которые вращаются в газовой струе, выходящей с напором.

Распределяя полученную работу, задействуют её кусок в сдавливании очередной воздушной порции, оставшаяся мощь отводится для привода механизма.

Таким образом, видно, что действие газотурбинного устройства сопровождается оборачиванием и это единственное перемещение в установке. Тогда как для других видов силовых агрегатов действию сопутствует перемещение вытеснителя.

Учитывая, что габариты и масса газотурбинного агрегата меньше поршневого собрата, а полезный коэффициент и мощь выше, превосходство первого очевидно. Однако увеличенный аппетит и сложность эксплуатации нивелируют преимущества.

С целью экономии горючего, установки применяют устройство обмена теплом.

Схема включения в процесс турбины:

Газотурбинный двигатель принцип работы

Смысл двигателестроения, достижение повышенного значения полезного коэффициента. В нашем случае, требуемые результаты, напрямую связаны с горением смеси и при этом обширном выделении тепла. Это не так просто, как кажется, основополагающее препятствие — материал изделия, которому сложно выдержать температуру и напор.

По этой причине, проведено много расчётов, направленных на снятие тепла с турбины и применение в ином русле. Усилия не пропали даром, повторное использование энергии стало возможным и нагревало сжатые воздушные массы перед горением, а не терялось зря.

Без таких устройств «теплообменников» достичь значений полезного действия было бы не возможно.

Для достижения повышенных показателей мощи, турбинные лопатки раскручивают до как можно больших показателей. Скорость вращения обусловлена напором выходящих газов. Чем меньше размер установки, тем выше частота оборотов, поскольку только так достигается стабильность работы.

Газотурбинный двигатель Т 80:

Устройство газотурбинного двигателя

Если сравнивать газотурбинный двигатель с мотором, который применяют на автомобиле, устройство первого проще.

Агрегат включает камеру, где происходит сгорание; присутствуют свечи, поджигающие заряд; форсунка, участвующая в смесеобразовании. На одном валу помещены турбинные колёса и нагнетатель.

Присутствуют: редуктор понижения, устройство обмена теплом, трубки, коллектор впуска, сопло и концентратор.

Вращаясь на компрессорном валу, лопатки втягивают воздушную массу, используя коллектор впуска. Достигнув скорости вращения 0,5 км/с, нагнетатель затягивает воздух в концентратор. В конечной точке скоростной режим падает, однако сдавливание массы повышается.

Далее воздушная масса перетекает в устройство температурного обмена для набора температуры и перехода в область горения. В пространство параллельно с воздушной массой постоянно поступает горючее, за это отвечают распылители.

Перемешиваясь, масса и горючее образуют рабочую консистенцию, которая после приготовления воспламеняется свечой. Горение поднимает напор объёма, газы, вырываясь сквозь концентратор, сталкиваются с турбинными лопатками, двигая колесо.

Импульс, создаваемый окружностью, передаётся посредством редуктора на движущий элемент, а газовый остаток перетекает в устройство обмена теплом, подогревая там сдавленные воздушные массы и выбрасываясь в среду окружения.

Газотурбинный мотор «ДР59Л»:

Минус установки, цена материала, способного выдержать температуру. Кроме того, чтобы исключить поломку, поступающий в агрегат воздух требует повышенной степени очистки. Несмотря на это, доработка и усовершенствование агрегата проводятся постоянно. Расширяется сфера применения, сегодня построена автомобильная, авиационная установка, и даже газотурбинный двигатель для кораблей.

«Минус» и «плюс» мотора

Газотурбинный агрегат способен вырабатывать большой момент, а значит повышенные показатели мощности. Для охлаждения сопутствующих элементов нет каких-либо устройств, поскольку соприкасающихся поверхностей мало. В то же время, подшипников используется не много, а качество деталей свидетельствует о надёжности и безотказности агрегата.

Отрицательный аспект, это дороговизна используемых материалов при изготовлении деталей и, как следствие, немалые вложения в починку механизма. Несмотря на недостатки, конструкция постоянно дорабатывается и совершенствуется.

Газотурбинный двигатель используют в авиации, на автомобилях установку применяют как эксперимент. Это произошло по причине постоянной потребности в охлаждении газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает полезное действие агрегата, увеличивая потребление горючего.

Главные преимущества мотора:

• Пониженная степень загрязнения выхлопных газов;
• Починка простая и лёгкая (не содержит расходных материалов);
• Отсутствие вибрации;
• Пониженный шум при эксплуатации агрегата;
• Повышенные характеристики импульса;
• Включение и отклик на педаль акселератора без задержек;
• Повышено соотношение мощности и веса.

  Двигатель 4g63: Тюнинг и технические характеристики

Танковая установка «ГТД-1500»:

Виды газотурбинных двигателей

Конструктивно газотурбинные силовые установки делят на четыре типа

• Турбореактивные установки.

Двигатель этого типа используют в авиационной промышленности, когда важен показатель скорости передвижения (например, военные самолёты). Работа происходит за счет выхода газов из сопла самолёта на повышенной скорости. Газы толкают транспорт и таким образом двигают изделие вперёд.

Конструктивным отличием с предшественником считается дополнительная турбинная секция. Устройство вращает винт, забирая энергию у газов, прошедших компрессорную турбину.

Визуально, механизм представлен рядом лопаток, размещают деталь в передней или задней части. Для отвода выхлопа применяют отводящие патрубки.

Аппарат предназначен для установки на летательных аппаратах, используемых на малых высотах и скоростях, может оснащаться биротативным воздушным винтом.

Турбовентиляторный двигатель «Д-27»:

• Турбовентиляторная установка.

Конструктивно, турбина похожа на предыдущую установку, различие во второй турбинной секции. Элемент отнимает энергию газов частично, как следствие, используются отводные выхлопные патрубки. Особенность агрегата, вентилятор активируется турбиной пониженного напора.

По этой причине, второе название двигателя – «двухконтурный». Здесь внутренний контур образован воздушным потоком, идущим через агрегат, внешний контур создаёт направление, чтобы повысить эффект толчка вперёд.

Последние выпуски летательных аппаратов применяют турбовентиляторные двигатели, поскольку механизмы надёжны и экономичны на больших высотах.

Конструктивно, установка похожа на предыдущий агрегат. Разница в том, что вал механизма приводит в действие многочисленные возможные элементы. Мотор получил распространение на вертолётах, танках, кораблях. Например, М90ФР, корабельный газотурбинный двигатель, устанавливаемый на фрегатах Российского флота. К таковым относятся: «Адмирал Горшков», «Дерзкий» и др.

Газотурбинный »:

• Вспомогательный двигатель

Случается, что газотурбинная силовая установка применяется, как вспомогательное оборудование, например, автономный источник питания на борту. Простые агрегаты сжимают воздушные массы, отбираемые у турбинного компрессора, который запускает главные двигатели. Сложные установки вырабатывают электрическую энергию для нужд бортовой сети.

Газотурбинный двигатель(ГТД)

Как работает газотурбинный двигатель? Если рассматривать, более подробно процесс работы газотурбинного двигателя, то можно выделить несколько этапов, которые в соединении описывают сложный процесс преобразования энергии сжатого газа в механическую работу. Какие это этапы?

• Подача и смесь. Атмосферный воздух в сжатом виде поступает из компрессора в камеру сгорания. Туда же поступает и топливо, в результате чего получается топливная смесь, которая в процессе сгорания выделяет очень много энергии.
• Преобразование. После того, как топливная смесь в процессе сгорания преобразуется в энергию, необходимо преобразовать ее в механическую работу. Это происходит благодаря вращению специальных «лопаток» струей газа под большим давлением.
• Разделение работы. Часть полученной механической работы от энергии топливной смеси, уходит на сжатия воздуха для следующей подачи, в компрессоре, а остальная энергия передается на приводимый агрегат.

Принцип работы газотурбинных двигателей. Чтобы добиться высокого КПД в тепловом двигателе, необходимо добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, но не всегда это можно достичь. Препятствиями можно назвать не способность материалов, из которых построен двигатель (никель, сталь, керамика и прочие) выдерживать большие температуры и давление.

Очень большое количество трудов инженеров было направлено на то, чтобы успешно отводить тепло от турбины и использовать его там, где это необходимо. Смело можно сказать, что их работа была проведена не зря, ведь в настоящее время, благодаря подобным разработкам, было достигнута эта цель путем перенаправления тепла выхлопных газов, сжатому воздуху.

Такой процесс называется рекуперирование. Это очень успешных подход, ведь в противном случае тепло выхлопных газов было бы просто утеряно, а так, оно способно служить источником нагрева сжатого воздуха, перед процессом дальнейшего сгорания.

Таким образом, можно смело утверждать, что без этого процесса и специальных теплообменников (рекуператоров) не удалось бы достигнуть столь высокого КПД.

Максимальная скорость вращения турбинных лопаток, определяет максимальное давление, которое нужно достигнуть для получения наивысшей мощности двигателя. При этом, как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала, для поддержания максимальной скорость турбинных лопаток.

Устройство газотурбинного двигателя. Что касается устройства, тут все не так и сложно, как можно себе представить.

Газотурбинный двигатель состоит из камеры сгорания, где также установлены свечи зажигания и форсунка, для подачи топлива и получения искры в камере сгорания. Турбинное колесо со специальными лопатками установлено на одном валу с компрессором.

К устройство двигателя также относятся: понижающий редуктор, теплообменник, выпускной трубопровод, впускной канал, а также диффузор и сопла.

При вращении вала компрессора, его лопасти захватывают воздух, который поступает через впускной канал. После того, как компрессор увеличивает скорость движения до 500 метров в секунду, он нагнетает его в диффузор. На выходе диффузора, скорость воздуха уменьшается, но с тем же повышается его давление.

После диффузора, воздух попадает в теплообменник, где нагревается теплом отработанных газов и переходит в камеру сгорания. Помимо подогретого и сжатого воздуха, в камеру сгорания постоянно подается топливо в распыленном виде, через форсунку.

Топливо смешивается с воздухом, образуя топливную смесь, далее эта смесь воспламеняется, с помощью искры, которую производит свеча. В результате сгорания, давление в камере повышается, нагретые газы проходят через сопло и попадают на лопатки турбинного колеса, которые приводятся в движение.

Крутящий момент турбинного колеса передается через понижающий редуктор на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы подходят в теплообменник, где подогревают поступивший сжатый воздух и выходят в атмосферу.

Типы газотурбинных двигателей. Касательно типов, их очень большое количество, при этом суть работы одна и та же, но выполнение – немного различно.

В зависимости от типов, газотурбинный двигатель имеет широкое применение на морских судах, железнодорожных составах, автомобилях, самолетах, вертолетах и даже в танках.К слову на сегодняшний день лишь американский танк Абрамс М1А1 оснащен газотурбинным двигателем.

У советских инженеров тоже были попытки применить ГТД на танках,было даже несколько прототипов на базе Т-80,но почему то дальнейшие разработки были свёрнуты.

Перспективы развития корабельных газотурбинных двигателей в России

В номере 8 за 2021 год журнала Министерства обороны Российской Федерации «Военная мысль» опубликована статья «Основные направления развития энергетических установок надводных кораблей Военно-Морского Флота» авторства вице-адмирала И.Т. Мухаметшина, капитана 1 ранга М.В.

Максимова и капитана 1 ранга С.А. Горбунова. Наш блог приводит первую часть этой статьи, посвященную перспективам развития корабельных газотурбинных двигателей в России.

Оснащенные газотурбинными главными энергетическими установками фрегат «Адмирал Григорович» проекта 11356 и ракетный крейсер «Москва» проекта 1164 Черноморского флота на репетиции Военно-морского парада в Севастополе, 23.07.2021 (с) Alexey Pavlishak / Reuters

Концептуальным документом, определяющим направления развития Военно-Морского Флота (ВМФ), является «Программа кораблестроения до 2050 года», принятая в 2014 году и утвержденная Президентом Российской Федерации.

Тенденции развития отечественного и зарубежного кораблестроения, а также заданные программой требования к перспективным кораблям ВМФ определяют основные направления совершенствования их энергетики.

В настоящее время корабли оснащаются всережимными комбинированными энергетическими установками различных типов.

При выборе варианта главной энергетической установки (ГЭУ), основным назначением которой является обеспечение заданной скорости хода корабля, исходят из показателей ее надежности (безотказность, ремонтопригодность, долговечность,

сохраняемость) и экономичности, а также массогабаритных характеристик, уровней экологической безопасности и автоматизации.

Анализ конструктивно-компоновочных схем энергетических установок иностранных фрегатов и эсминцев показывает основную тенденцию использования газотурбинных двигателей (ГТД) в их составе.

Так, серия эсминцев военно-морских сил (ВМС) США Arleigh Burke IIA и перспективный эсминец ВМФ КНР проекта 055 являются полностью газотурбинными. Это объясняется рядом преимуществ газотурбинных энергетических установок (ГТЭУ) перед установками других типов:

• лучшие удельные масса (1,5—3 кг/кВт) и объем (порядка 1 м3/МВт) ГТД по сравнению с дизельными двигателями (ДД);• большая агрегатная мощность (до 30—40 МВт) одного ГТД;• высокие маневренные и динамические характеристики ГТЭУ;

• существенно меньшие по сравнению с дизельными энергетическими установками (ДЭУ) выбросы вредных веществ.

Недостатками ГТЭУ являются:• низкая топливная экономичность ГТД: по удельному расходу топлива на полной (номинальной) мощности современные отечественные ГТД уступают ДД в 1,2—1,9 раза, на нагрузках до 50 % от номинальной мощности экономичность ГТД резко ухудшается (в 2—2,5 раза);• высокая чувствительность к изменению температуры атмосферного воздуха — при ее значении более 15 °С на входе в ГТД значительно падают его мощность и коэффициент полезного действия (КПД);• большой удельный расход воздуха (у ДД меньше в 4,5—5 раз), что требует размещения габаритных воздухоприемных шахт и дымовых труб.Основа сегодняшних сил ВМФ океанской зоны — корабли советской постройки проектов 1155, 1155.1, 1164, 11540, а также корабли нового поколения (фрегаты проектов 11356 и 22350) оснащены ГТД. Большинство последних произведено украинским предприятием «ЗоряМашпроект». В целях выполнения требований по экономичности ГТЭУ на данных кораблях используют раздельную работу маршевых и форсажных двигателей.

Исключение составляет фрегат проекта 22350, на котором применена дизель-газотурбинная энергетическая установка (ДГТЭУ) на базе ДД типа 10Д49 и ГТД типа ДА91 российского и украинского производства соответственно.

Проблема создания отечественных ГТД была решена ПАО «ОДК-Сатурн» в 2018 году в рамках выполнения подпрограммы «Ускоренное развитие оборонно-промышленного комплекса» государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности».

Освоено производство двигателя типа М90ФР мощностью 20 МВт для применения в составе дизель-газотурбинного а грегата М55Р фрегата проекта 22350 и ГТД типа М70ФРУ-2 мощностью 10 МВт и агрегатов на его основе для кораблей проектов 12322 «Зубр» и 12061 «Мурена».

Также для замены украинских реверсивных двигателей был создан отечественный реверсивный ГТД типа М70ФРУ-Р мощностью 8 МВт, который планируется устанавливать на корабли проектов 1155, 1155.1, 1164, 11540, 11356 при модернизации их газотурбинных агрегатов.

В настоящее время на базе ГТД М90ФР разрабатывается главный газотурбинный агрегат МА3 для перспективных кораблей, а также в ходе модернизации фрегата проекта 22350 планируется создание ГТЭУ в составе двигателей типа М90ФР и М70ФРУ.

С инженерной точки зрения ГТД является сложнейшим изделием машиностроения как по числу технических решений и инноваций, закладываемых в его конструкции и производстве, так и по комплексу конструкторско-технологических задач, требующих решения с применением последних достижений науки и техники.

В то время пока Россия занималась импортозамещением украинских ГТД простого цикла четвертого поколения, ведущими

зарубежными предприятиями были созданы образцы ГТД пятого поколения. В частности, США, Великобритания и Франция совместно разработали ГТД типа WR-21 мощностью 25,9 МВт и КПД 43,7 %. Временные затраты на его создание составили

порядка 15 лет, а финансовые — более 2 млрд долларов, что свидетельствует о сложности и трудоемкости проведенных работ. ГТД используется в составе энергетической установки эсминцев типа 45 Daring ВМС Великобритании.

Двигатель типа WR-21 имеет сложный термодинамический цикл с промежуточным охлаждением рабочего тела и регенерацией тепла уходящих газов, что обеспечивает 30-процентную экономию топлива на корабле.

За счет применения регулируемого соплового аппарата силовой турбины достигнуто минимальное снижение КПД на долевых режимах работы, в частности на 30-процентной нагрузке его значение составляет порядка 43 %, что сопоставимо с ДД с самой высокой термодинамической эффективностью.

К пятому поколению относится и ГТД типа МТ-30 мощностью 36 МВт и КПД более 40 % производства холдинга Rolls-Royce.

Он имеет простой цикл и представляет собой вариант авиационного двигателя Trent-800 (также разработки Rolls-Royce), который в инициативном порядке был доведен до морских требований, что позволило существенно сократить финансовые и временные затраты по сравнению с ГТД WR-21.

Достижение высоких значений КПД у двигателя простого цикла стало возможным благодаря увеличению как температуры газов перед турбиной высокого давления до 1350 °С и более, так и степени сжатия рабочего тела (свыше 28), одновременно с совершенствованием аэродинамических характеристик проточных частей компрессора и газовой турбины.

ГТД МТ-30 входит в состав энергетических установок эсминцев проекта DDG-1000 Zumwalt, кораблей прибрежной зоны LCS-1 Freedom ВМС США, авианосцев типа Queen Elizabeth и рассматривается для установки на перспективные фрегаты типа 26 Glasgow ВМС Великобритании, строящихся по программе Global Combat Ship.

С учетом отмеченных тенденций внедрения на кораблях ВМС зарубежных стран ГТД пятого поколения научно-исследовательскими организациями Министерства обороны Российской Федерации и организациями промышленности ведутся исследования по обоснованию о блика перспективного отечественного ГТД пятого поколения.

Предполагается качественное улучшение наиболее значимых параметров двигателя: снижение удельной массы на 20—30 % и удельного расхода топлива на 15—20 %, увеличение показателей надежности, снижение трудоемкости технического обслуживания в 2—3 раза и стоимости жизненного цикла ориентировочно в 1,3 раза.

Для этого предлагаются следующие варианты:

• продолжение серии морских ГТД типа М90ФР или М70ФРУ;• разработка принципиально нового ГТД с использованием отдельных серийно изготавливаемых узлов и опробованных технологий;• конвертация и доработка авиационного двигателя пятого поколения (по аналогии с ГТД МТ-30).

Первый вариант может быть реализован путем добавления базовому двигателю типа М90ФР одной или двух ступеней компрессора низкого давления (КНД), форсированием параметров рабочего тела, внедрением малоэмиссионной камеры сгорания и новых жаропрочных сплавов, обеспечивающих повышение температуры газа перед турбиной до 1230—1320 °С. В результате предполагается создать линейку двигателей мощностью 25 и 31,5 МВт.

Предлагаемый ПАО «ОДК-Сатурн» вариант создания перспективных двигателей на основе базовой модели носит эволюционный характер, при котором не наблюдается существенного улучшения их основных значимых параметров. В частности, максимальное снижение удельного расхода топлива по сравнению с базовыми образцами ожидается на 8 %

вместо требуемых 15—20 %. Таким образом, этот путь приведет к созданию двигателя поколения 4+.

При реализации второго варианта используются отдельные опробованные и зарекомендовавшие себя технологии по двигателям производства ПАО «ОДК-Сатурн», авиационному двигателю для истребителя пятого поколения Су-57 и ГТД-110М промышленного назначения.

Снижение массы и габаритов разрабатываемого изделия может быть достигнуто практически в 2 раза по сравнению с двигателем М90ФР за счет уменьшения числа ступеней компрессоров низкого и высокого давления, а также числа ступеней силовой турбины.

Повышение КПД может быть достигнуто за счет форсирования параметров рабочего тела по температуре. Данный вариант потребует существенно больших финансовых и временных затрат, чем разработка ГТД на основе базовых моделей.

В качестве третьего варианта за основу принимается авиационный двигатель, например, созданный АО «ОДК-Авиадвигатель» ГТД типа ПД-14 и (или) разрабатываемый ПД-35.

В двигателе ПД-14 были достигнуты высокие параметры рабочего тела: температура газа перед турбиной 1700 °С и степень сжатия воздуха в компрессоре 41, что позволило сделать качественный рывок в улучшении основных параметров по сравнению с современными серийными авиационными образцами.

Использование унифицированного газогенератора от ПД-14 может позволить создать корабельный ГТД пятого поколения, не прибегая к дорогостоящим и длительным по времени опытно-конструкторским работам. Но из-за наличия в воздухе аэрозолей морской воды потребуется заменить материалы основных деталей компрессоров и турбин.

Поэтому с целью обеспечения требуемых показателей долговечности температуру рабочего тела необходимо понизить, что приведет к некоторому снижению КПД относительно авиационного аналога.

Окончательный вариант будет определен Главным командованием ВМФ на этапе разработки тактико-технического задания на выполнение опытно-конструкторской работы по созданию ГТД пятого поколения для перспективных проектов кораблей океанской и дальней морской зон.

Газотурбинные силовые установки на кораблях

Погожим весенним днем 1947 года от причала одного из британских портов вышел в море неприметный катер. Он не имел даже названия-лишь обозначение MGB2009.

Ходовые испытания этого катерка ознаменовали начало применения на флоте принципиально нового типа силовых установок — газовых турбин. На MGB2009 один из трех бензиновых моторов мощностью 1250 л. с.

был заменен газотурбинным двигателем «Метрополитен-Виккерс» («Метровик») G2 мощностью 2500 л. с. Это позволило повысить скорость катера водоизмещением 100 т с 30 до 35 узлов.

С учетом положительных результатов эксплуатации MGB2009 английское Адмиралтейство приняло решение о постройке двух патрульных катеров типа «Болд» водоизмещением 150 т со скоростью полного хода 43 узлов.

Комбинированная четырехвальная энергетическая установка кораблей суммарной мощностью 13 000 л. с. состояла из двух дизелей мощностью по 2500 л. с, вращавших два средних гребных вала, и двух ускорительных газотурбинных двигателей мощностью по 4000 л. с, работавших на два бортовых вала.

ПРЕДЫСТОРИЯ

Первой серьезной попыткой создания корабельного газотурбинного двигателя была работа инженер-механика Российского флота П. Д.

Кузьминского, который еще в 1892 году предложил и изготовил оригинальный двигатель с камерой сгорания, охлаждаемой водой, и турбиной радиального типа. В 1935-1941 годах под научно-техническим руководством Г. И.

Зотикова велись работы по созданию турбины внутреннего сгорания опытной (ТВСО) — корабельного ГТД мощностью 3500 л. с. Однако в то время эти работы не увенчались успехом.

СОВЕТСКИЕ КОРАБЕЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

В 1951 году было разработано техзадание на создание первой советской газотурбинной установки УГТУ-1. Для сокращения сроков разработки и постройки этой установки в качестве прототипа был выбран авиационный турбовинтовой двигатель конструкции С. А. Колосова.

УГТУ-1 имела мощность 4000 л. с . ресурс составлял всего 100 ч. В 1952 году УГТУ-1 была установлена на опытной торпедный катер проекта 183. Испытания прошли в целом успешно, показав целесообразность дальнейшего развития корабельных газотурбинных установок.

Для их производства было решено передать строящийся в Николаеве Южный турбинный завод (изначально предназначавшийся для производства паровых турбин).

В 1954 году на предприятии создали конструкторское бюро по разработке ГТД, а в следующем году в Николаеве выпустили первую серийную газовую турбину М1, предназначавшуюся для торпедных катеров.

Отдельным направлением газотурбостроения в раннем периоде было создание для противолодочных кораблей проектов 204 и 35 газотурбокомпрессоров Д-2 (1960 г.) и Д-3 (1964 г.) мощностью 15 000 — 18 000 л. с, подающих сжатый воздух от отдельно стоящих компрессоров в гидромотор.

Такие силовые установки оказались неэффективными, и николаевские машиностроители сосредоточились на более традиционных установках, приводящих гребные винты. Крупным успехом стало создание первой в мире всережимной газотурбинной установки для больших противолодочных кораблей проекта 61 (головной «Комсомолец Украины» вошел в строй в 1962 году).

Такая установка состояла из четырех ГТД МЗ мощностью по 18 000 л. с. и нетребовала каких-либо дополнительных двигателей для экономического хода. За рубежом подобные силовые установки появились лишь в следующем десятилетии (на американских эсминцах типа «Спрюенс»).

В целях увеличения дальности плавания кораблей в Николаеве были созданы газотурбинные установки с применением в агрегатах маршевых двигателей для обеспечения экономичного режима на малых и боевом экономических ходах и основных (ускорительных) двигателей для полных ходов.

Агрегат М-5 для корабля проекта 1134Б состоял из одного маршевого ГТД мощностью 6000 л. с. и двух основных двигателей по 20 000 л. с. Для корабля проекта 1135 был создан агрегат М-7 в составе двух маршевых ГТД по 6000 л. с. и двух форсажных ГТД по 18 000 л.с.

В 1981-1982 годах завершилось создание первых двух унифицированных ГТД третьего поколения М-70 мощностью 10 000 — 12 000 л. с и М-75 мощностью 5000 л. с. Экономичность двигателей была повышена за счет увеличения температуры газа перед турбиной, степени сжатия в компрессоре, улучшения аэродинамики и повышения КПД компрессоров и турбин.

БРИТАНСКИЙ ПУТЬ

За рубежом ведущую роль в создании корабельных газотурбинных установок до середины 1970-х годов сохраняла за собой Великобритания. Ее конструкторы пошли своеобразным путем, применив на крупных кораблях комбинированную силовую установку схемы COSAG (Combined Steam And Gas).

Она включала паровые и газовые турбины, а также редукторы, обеспечивающие совместную или раздельную работу обоих турбин. На эсминцах типа «Каунти» установили по две паровые турбины (по 15 000 л. с.) и четыре газовые «Метровик» G6 (по 7500 л. с), на фрегатах типа «Трайбл» — по одной турбине каждого типа.

За пределами Великобритании силовые установки COSAG распространения не получили.

КОРАБЕЛЬНЫЕ ГТД

Совместное применение паровых и газовых турбин оказалось неэффективным. А вот с дизелями получилось лучше. Несмотря на сравнительно большую удельную массу дизельных двигателей, они отличаются низким расходом топлива.

Поэтому в военных флотах получили распространение дизель-газотурбинные силовые установки. В них дизеля применяются для экономического хода, а ГТД включаются лишь на полном ходу.

Существуют две возможные конфигурации таких установок: CODAG (Combined Diesel And Gas) и CODOG (Combined Diesel Or Gas).

В первом случае на полном ходу совместно работают дизеля и ГТД, во втором — только газовые турбины. Силовая установка CODAG применялась, например, на уже упоминавшийся катерах типа «Болд», а из крупных кораблей впервые использовалась на немецких фрегатах типа «Кельн» (четыре дизеля MAN по 3000 л. с. и две газовые турбины «Браун-Бовери» по 12 000 л. с).

Из современных кораблей она используется на немецких фрегатах «Заксен», норвежских «Фритьоф Нансен», российских проекта 22350.

Силовые установки CODOG проще CODAG, поскольку не требуют сложных редукторов, обеспечивающих одновременную работу на один вал дизелей и ГТД. Однако при этом требуется применение газовых турбин сравнительно большей мощности.

Схема CODOG широко применяется на фрегатах немецкой постройки («Бремен», «Бранденбург» и экспортных проекта МЕКО200), а также индийских фрегатах «Шивалик», южнокорейских корветах «Поханг» и целом ряде других кораблей.

Например, на новых шведских корветах типа «Висбю» применена силовая установка в составе четырех ГТД TF50A (по 5440 п. с.) и двух дизелей MTU (по 1770 л. с.)

ТОЛЬКО НА ТУРБИНАХ

Применение на кораблях с дизель-газотурбинными силовыми установками двигателей двух разных типов создает определенные трудности с их техническим обслуживанием. С эксплуатационной точки зрения предпочтительней применение однотипных двигателей.

Поэтому в 1970-е годы начали появляться корабли с газо-газотурбинным силовыми установками, в которых используются ГТД малой мощности для экономического хода и большой — для полного. В зависимости от того, работают ли эти ГТД на полном ходу раздельно или совместно, различают варианта конфигурации газо-газотурбинных установок: COGOG и COGAG.

Первый вариант применен, например, на ракетных крейсерах типа «Слава» (проект 1164), британских эсминцах типа «Шеффилд», канадских «Ирокез», голландских фрегатах «Кортенар». Силовые установки COGAG применены на российских сторожевых кораблях типа «Неустрашимый» (проект 11540) и ряде других. Интересным примером являются английские фрегаты типа «Бродсуорд».

На первых двух сериях этих кораблей применялись силовые установки COGOG в составе двух турбин экономического хода «Тайн» (суммарной мощностью 9700 л. с.) и двух полного хода «Олимпус» (54 000 л. с). На фрегатах третьей серии установлены более совершенные, но менее мощные турбины полного хода «Спей» (37 540 л. с), поэтому на них перешли к схеме COGAG.

Разновидностью чисто газотурбинных силовых установок являются всережимные, в которых нет разделения на ГТД полного и экономического хода, а применяются однотипные газовые турбины. Мы уже упоминали о «Комсомольце Украины» — первом в мире корабле с такой установкой. Начиная с 1970-х годов всережимные установки получили наибольшее распространение в ВМС США.

На серии эсминцев типа «Спрюенс» установили по четыре ГТУ LM2500, созданных фирмой «Дженерал Электрик» на базе самолетного двигателя TF39 (применяется на тяжелом транспортном самолете С-5 «Гэлакси»). Помимо 31 корабля типа «Спрюенс» такие силовые установки применили на четырех эсминцах типа «Кидд», 27 крейсерах «Тикондерога».

В настоящее время всережимные установки с четырьмя турбинами LM2500 устанавливаются на эсминцах типа «Арли Берк» (в строю 62 корабля, а всего в серии планируется 76). На меньших по размеру фрегатах типа «Оливер X. Перри» (построено с учетом зарубежных «клонов» 71 корабль) применялась всережимная силовая установка из двух турбин LM2500.

НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

В 1980-е годы в Великобритании была разработана силовая установка CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas), в которой для экономического хода используются электродвигатели, питаемые от дизель-генераторов, а на полном ходу на вал подключались дополнительно газовые турбины. Такие установки применили на фрегатах типа «Норфолк», а также кораблях франко-итальянского проекта FREMM. Преимуществом CODLAG является малошумность на экономической скорости, что необходимо для борьбы с подлодками.

На ряде наиболее современных кораблей (английских эсминцах типа «Дэринг» и американских «Зумвольт») применены ГТУ с полным электродвижением.

То есть в них не предусмотрена работа ГТД непосредственно на вал: на вал работают электродвигатели, а ГТД приводят в действие генераторы.

Например, на «Дэрингах» установлены две ГТУ «Роллс-Ройс» WR-21 (по 28 800 л. с.) и два гребных электродвигателя (по 27 000 л. с).