Реферат: Корабельные газотурбинные энергетические установки
И.Г. Захаров, доктортехническихнаук, профессор, контр-адмирал; Я.Д. Арефьев, доктортехническихнаук, профессор, контр-адмирал; Н.А. Воронович, кандидаттехническихнаук, капитан 1 ранга; О.Ю. Лейкин, кандидаттехническихнаук, капитан 1 ранга
Внастоящеевремяэнергетическиеустановкибольшинстванадводныхкораблейфлотовразвитыхстраноснащеныгазотурбиннымидвигателями (ГТД). Газотурбинныедвигателивходятвсоставкакединыхгазотурбинныхэнергетическихустановок (ГТЭУ), такикомбинированныхдизель-газотурбинныхэнергетическихустановок (ДГТЭУ).
ОсновнымипреимуществамиГТДявляются: высокаяэкономичность, большиеагрегатныемощностипрималыхмассеигабаритах, приспособленностькавтоматизации, высокаянадежность, простотаконструкциииобслуживания, высокаятехнологичность, возможностьагрегатногоремонта. Всеэтикачествабылидостигнутыврезультатеупорныхидлительныхпоисковученыхиконструкторов. Итолькосегодня, придостаточновысокомуровнеразвитиягазотурбостроения, можнооценить, скольвысоквкладотечественныхученыхиинженероввсозданиевысокоэффективныхкорабельныхгазотурбинныхустановок, неимеющихальтернативынетольковнастоящеевремя, ноивобозримомбудущем.
Первойсерьезнойпопыткойсозданиякорабельногогазотурбинногодвигателябылаработаинженер-механикаРоссийскогофлотаП.Д.Кузьминского, которыйещев 1892г. предложилиизготовилоригинальныйдвигательскамеройсгорания, охлаждаемойводой, итурбинойрадиальноготипа. Этаконструкция, называемаяныневлитературетурбинойЮнгстрема, былапредложенана 14 летраньше, чемэтосделалибратьяЮнгстрем (Швеция, 1906г.). ДвигательП.Д.Кузьминскогобылдвигателемсгорениемприпостоянномдавлении.
Увлечениев 20-хгодахнашегостолетиястроительствомГТДсгорениемприпостоянномобъемевомногомможетбытьобъясненоотсутствиемвозможностисозданияосевогоилицентробежногокомпрессорасдостаточновысокимКПДприпринятойстепениповышениядавления, втовремякакиспользованиецикласгорениемприпостоянномобъемепозволялодобитьсяповышениядавлениязасчетсгораниятопливавзакрытомобъеме. Уровеньнаукивобластитеориисозданиятурбомашин, особеннокомпрессоров, былстольнизким, чтонакаком-тоэтапеутвердилосьмнениеоневозможностидостижениянеобходимогоКПДтурбомашин, когдадвигательсгорениемприпостоянномдавлениимогбытьработоспособным.
ВэтижегодыВ.М.Маковскийутверждал, чтоприменениепрерывистогогоренияноситнеустойчивыйхарактер, чтоГТДприсущнепрерывныйпроцессподачирабочеготела. Своимтрудом, написаннымв 1920г. иизданнымв 1925г., онактивизировалдеятельностьсоветскихисследователейиконструкторовврешениипроблемысозданияГТД, работающегосгорениемприпостоянномдавлении. Итолькосозданиенаучногозаделавобластиаэродинамикиипрочноститурбомашин, особеннокомпрессоров, иисследованияразличныхсхемныхрешенийпроцессовгорения, выбориразработкаматериалов, работоспособныхпривысокойтемпературе, позволилипрактическиподойтикреализацииидеигазотурбинногодвигателя.
ВыдающийсявкладвразвитиекорабельногогазотурбостроениявнесГ.И.Зотиков, сотрудник 1 -гоЦНИИМО. Имбылразработаниизложенвмонографии“Проблематурбинывнутреннегосгорания. Турбинаравногодавления” (1933г.) ирядестатейпринципиальноновыйтеоретическийподходксравнительнойоценкецикловгазотурбинныхдвигателейиобоснованвывод, чтовместоожидаемыхвыгодоттурбинысгорениемприпостоянномобъемеможнополучитьодниубытки. Поэтомуоннастоятельнорекомендовалостановитьсявнастоящеевремянатурбинесгорениемприпостоянномдавлении. ЭтоутверждениеГ.И.Зотиковобосновалтермодинамическимирасчетами, атакжеразработкойтеориирасчетатемпературылопаток, запасовпрочностивдискахилопатках, выборомконкретныхматериаловдляихизготовления, обоснованиемэффективныхспособовуменьшенияпотерьидостижениявысокогоКПДтурбин. ЕготрудысталиобоснованнойпрограммойсозданияпервогоотечественногокорабельногоГТД, аправильностьихосновныхположенийподтвержденавсемходомпоследующегоразвитиягазотурбостроения.
В 1935-1941гг. поднаучно-техническимруководствомГ.И.Зотикованачалисьработыпосозданиютурбинывнутреннегосгоранияопытной (ТВСО) - корабельногоГТДмощностью 3500 л.с. Двигательсоздавалсяпоциклуспромежуточнымохлаждениемирегенерацией. СтепеньповышениядавленияПк =8, начальнаятемпературагаза 1173°К (900°С), компрессорцентробежный, двухступенчатый, турбинаодноступенчатаясдиффузором, лопаткитурбинохлаждалисьводой. Однаковойнапрервалаэтиработы.
ВпериодВеликойОтечественнойвойныпродолжалисьработыпопроектированиюкорабельногоГТД. ЭтопозволилосразупослеокончаниявойныприступитькразработкеГТУ-42 мощностью 14000л.с., применительнокстроящемусявтегодысторожевомукораблюпроекта 42. В 1948г. техническийпроектбылзакончен. КоллективуподруководствомГ.И.Зотикова, кудавходилиЛ.А.Маслов, В.И.Козловский, Д.М.Кудреватый, Е.И.Русановидругиеспециалисты, пришлосьрешатьцелыйкомплексновыхнаучныхзадач. Кнаиболеевыдающимсярезультатамможноотнестиразработкуметодарасчетаподаннымпродувокплоскихрешетокисозданиеосевогокомпрессора, имевшегопристепениповышениядавленияПк =4,5 КПДболее0,9. Прииспытанияхкомпрессорабылиэкспериментальноподтвержденывысокиехарактеристики, ивдальнейшемэтоткомпрессориспользовалсякакмодельдлясозданияцелогорядакомпрессоров, какдлякорабельныхГТД (М-2, М-З, Д-2, ГТУ-6), такидляГТДнароднохозяйственногоназначения.
Вконце 40-хгодовспециалистами 1-гоЦНИИМОбылаобоснованаперспективностьприменениягазотурбинныхдвигателейнакорабляхВМФивыполненрядНИРвобоснованиетехническогозадания (ТЗ) насозданиекорабельныхгазотурбинныхустановок. ВозглавилэтиработыГ.Н.Богданов-Катьков. В 1951г. былоразработаноТЗнасозданиепервойотечественнойгазотурбиннойустановкиУГТУ-1. ДлясокращениясроковразработкиипостройкиэтойустановкивкачествепрототипабылвыбранавиационныйтурбовинтовойдвигательконструкцииС.А.Колосова. УГТУ-1 имеламощность 4000л.с., ресурс 100ч, расходтоплива 410г/л.с.ч. В 1952г. межведомственнаякомиссияподпредседательствомЛ.В. Гастевапорезультатамстендовыхиспытанийвг.КазанирекомендовалаУГТУ-1 кустановкенаопытнойторпедныйкатерпроекта 183. Государственныеиспытаниякатерапоказалидостаточнонадежнуюработуустановки, чтопозволилокомиссиирекомендоватьееквнедрениюнабольшуюсериюкатеров. Вактегосударственнойкомиссииотмечено, чтогазотурбинныйдвигательимеетперспективупримененияегонабыстроходныхкатерахприусловииполучениябольшоймощностиводномагрегате, превосходящеймощностьдизелей, приодновременномповышенииэкономичностиимоторесурса, атакжеполучениивсережимностиегоработыиреверса. Практическиэтобылапрограммаразвитиякорабельногогазотурбостроения.
Крометого, испытанияУГТУ-1 накораблевыявилинесколькосерьезныхпроблем, такихкак: использованиеболеетяжелых, чемавиационныйкеросин, сортовтопливаиприменениематериалов, коррозионно-стойкихвсредеморскоговоздуха, ипродуктовсгораниятоплива, обеспечениеударостойкостиидр. Решениевсехуказанныхпроблемопределилонеобходимостьсозданияспециальныхкорабельныхдвигателей.
Дляразработки, испытанийисерийногопроизводствакорабельныхгазотурбинныхдвигателейиагрегатов 1-мЦНИИМОбылообоснованосозданиенастроящемся“Южномтурбинномзаводе”вг. Николаевебазыпопроектированиюипроизводствукорабельныхустановок. Главнымконструкторомзаводаиначальникомвновьорганизованногоспециальногоконструкторскогобюропогазотурбиннымустановкам (СКБГУ), впоследствииНПП“Машпроект”им. С.Д.Колосова, былутвержденС.Д.Колосов. ВдальнейшемконструкторскоебюровозглавлялиЯ.Х.СорокаиВ.И.Романов.
Отдельнымнаправлениемгазотурбостроениявэтотпериодбылосозданиедляпротиволодочныхкораблейпроектов 204 и 35 газотурбокомпрессоров (ГТК) Д-2 (1960г.) иД-З (1964г.) мощностью 15000-18000л.с. иресурсом 2000ч, подающихсжатыйвоздухототдельностоящихкомпрессороввгидромотор.
Такимобразом, запервые 10летсмоментаорганизациибазыкорабельногогазотурбостроениябылисозданыдвигателииагрегатыпервогопоколениякакдлямалых, такидлябольшихкораблей, приэтоммощностьагрегатоввозрослапримернов 10раз, удельныйрасходтопливасократилсяв 1,5раза, ресурсувеличенвдесяткираз. Серийныйвыпускгазотурбинныхдвигателейиагрегатовпозволилсоздатькораблиразличныхклассов. СоветскийВМФпоиспользованиюгазотурбинныхдвигателейзанялведущееположениевмире.
Усилияконструкторов, ученыхиспециалистовВМФпосозданиюкорабельныхгазотурбинныхагрегатовпервогопоколения (М-2, Д-2, М-З) быливысокооцененыгосударством. С.Д.Колосов, Я.Х.Сорока, Б.А.Гребнев, В.В.ВащиленкоудостоеныЛенинскойпремии. ВпервыевмирегазотурбиннаяустановкаМ-Збылапоставленанабольшойпротиволодочныйкорабльпроекта61.
В 1965-1966гг. началосьсозданиегазотурбинныхдвигателейиагрегатоввторогопоколения. Выполненныйкомплексработпоулучшениюаэродинамики, повышениюКПДкомпрессоровитурбин, снижениюпотерьвтрактахпозволили, припрактическинеизменныхпараметрахцикла, повыситьэкономичность (220-240г/л.с.ч.), мощностьединичныхдвигателей (18000-20000ч). Дляулучшенияманевренностикораблейвпервыевмиребылирешеныпроблемыгазовогореверсадвигателей. Вцеляхувеличениядальностиплаваниякораблейсозданыгазотурбинныеустановкисприменениемвагрегатахмаршевыхдвигателейдляобеспеченияэкономичногорежиманамалыхибоевомэкономическихходахиосновных (ускорительных) двигателейдляполныхходов. АгрегатМ-5 длякорабляпроекта 1134БсостоялизодногомаршевогоГТДмощностью 6000л.с. идвухосновныхдвигателейпо 20000л.с. Длякорабляпроекта 1135 былсозданагрегатМ-7 всоставедвухмаршевыхГТДпо 6000л.с. идвухфорсажныхГТДпо 18000л.с. Сцельюдальнейшегоповышенияэкономичностивэтомагрегатепримененамежредукторнаяпередача, обеспечивающаяработуодниммаршевымдвигателемнадвагребныхвинта.
АгрегатыМ-5 иМ-7 неимеютаналоговвмировойпрактике, внихвпервыебыливнедреныреверсныесиловыетурбины, двухскоростныередукторы, межредукторнаяпередача, быстродействующиешинно-пневманическиемуфтыиряддругихпрогрессивныхтехническихрешений. ЗасозданиегазотурбинныхдвигателейиагрегатоввторогопоколенияМ-5 иМ-7 большаягруппаспециалистовсудостроительнойпромышленностииВМФв 1974г. былаудостоенаГосударственнойпремииСССР. ЛауреатамипремиисталиВ.И.Романов, А.М.Агранович, Л.У.Батырев, Ф.Ф.Беляев, В.Я.Григоренко, В.В.Гартвиг, В.П.Коновалов, Б.Ю.Тлехас, Е.В.Петров, К.М.Василец, Н.А.Клименко, В.Ф.Урусов.
Период 60-хгодовхарактеренвозросшимвниманиемккораблямсдинамическимипринципамиподдержания: наподводныхкрыльяхивоздушнойподушке. СпецификауказанныхкораблейпотребоваласозданиядлянихспециальныхГТДиагрегатов, близкихпомассогабаритнымхарактеристикамкавиационным, ноотвечающихвсемтребованиям, вытекающимизтяжелыхусловийприменениянабыстроходныхкораблях. Достигнутыйкэтомувремениуровенькорабельногогазотурбостроенияпозволилприступитькрешениюпроблемысозданияэтогоновогоклассакораблей. В 1970г. былсозданкорабльнавоздушнойподушкепроекта 1232 суникальнымагрегатомДТ-4. Этотагрегатсостоитиздвухлегких, мощностьюпо 18000л.с., двигателейитрансмиссии, состоящейиз 18 планетарныхиугловыхредуктороввосьмитипов, обеспечивающейпередачумощностиодновременноначетыренагнетателяиначетыревоздушныхвинта, атакжемеханическуюсвязьнагнетателейивинтовправогоилевогобортов.
НеменееуникальнойявляетсясозданнаявэтотжепериодустановкаМ-10 длякораблейнаподводныхкрыльяхпроектов 1141 и 1240, состоящаяизгазотурбинногодвигателямощностью 20000л.с. иугловойредукторнойпередачитипа“колонка”дляприводавинтов. Исследования 1-гоЦНИИМОиЦНИИим.академикаА.Н.Крыловапоказалиреальнуювозможностьунификацииугловыхредукторныхпередачдлятрехразныхтиповкораблей.
Опытнаяэксплуатацияпервыхкораблейнавоздушнойподушкеиподводныхкрыльяхпоказаланеобходимостьрешенияцелогорядаспецифическихвопросов, аименно: обеспечениеработоспособностиГТДистабильностиегохарактеристиквусловияхинтенсивногозабрызгиванияморскойводойвоздухоприемныхустройств, вусловияхнизкихивысокихтемпературнаружноговоздухаот -40°Сдо +40°С, обеспечениеработоспособностиразветвленнойтрансмиссииприволнениивусловияхнедостаточно“жесткого”корпуса, повышениянадежности, пожаробезопасностиидр.
БольшойвкладврешениепроблемысозданияивнедрениядвигателейиагрегатоввторогопоколениявнеслиспециалистыВМФиМСП: И.А.Потапочкин, В.И.Николаев, Г.Г.Жаров, И.А.Сорокин, М.А.Богун, Б.В.Захаренко, В.П.Зимин, А.И.Айол, Л.З.Колтун, Г.А.Федяковидругие. ГлавныйконструкторагрегатовдлякораблейнавоздушнойподушкеЛ.М.ТройничудостоенГосударственнойпремии.
Такимобразом, кначалу 70-хгодовзавершилсяпериодсозданияиосвоениягазотурбинныхдвигателейиустановокпервогоивторогопоколений, характерныйдостижениемтемпературыгаза 870°С, степениповышениядавления 12, удельногорасходатоплива 220г/л.с.ч.
Вначале 60-хгодовнабазебольшогообъемапроектныхиэкспериментальныхработ, выполненныхЦКБподруководствомР.Е.Алексееваи 1-гоЦНИИМО, былаподтвержденавозможностьсозданиякораблей-экранопланов (КЭП) достаточнобольшоговодоизмещения. ОднойизосновныхпроблемсозданияКЭПявляетсявыбортипаипараметровдвигателейглавнойэнергетическойустановки, т.к. эффективностьГЭУвзначительнойстепениопределяетэффективностькорабля-экраноплана. ВцеломГЭУдолжнаобеспечиватькакрежимыдлительногооколоэкранногодвижениясмаксимальнойэкономичностью, такикратковременныестартовыережимы, требующиесуммарнуюмощностьв 3-4 разавыше. ЭнерговооруженностьКЭПвомногоразпревосходитэнерговооруженностьводоизмещающихкораблейидостигаетнавзлетныхрежимахоколо 600-650 л.с. наоднутоннувесакорабля, чтоприводиткнеобходимостисозданиялегкихдвигателейсбольшойагрегатноймощностью (до 15-17ттяги). Впротивномслучае, накораблепотребуетсяустановитьбольшоечислодвигателей, чтоприводитктрудностямихразмещенияиувеличениюаэродинамическогосопротивления. Этимусловиямотвечалитолькоавиационныедвигатели, нопотребовалсякомплексработпоихконвертации, разработкемероприятий, позволяющихнадежноэксплуатироватьавиационныедвигателивморскихусловияхиисключающихвзаимноевлияниеблизкорасположенныхсиловыхустановок. Такимобразом, вэнергетическихустановкахэтихтиповкораблейдолжныгармоничносочетатьсявесьмапротиворечивыетребования, присущиеодновременноэнергетическимустановкамкораблейисамолетов.
Следуетотметить, чтоуказанныепроблемыизадачибылирешеныотечественнымиспециалистамивдостаточнокороткийсрок. Так, ужев 1965г. экранопланКМ (корабль-макет), получившийназападеназвание“Каспийскиймонстр”, былпредъявленнавсесторонниеиспытания. Последующийтщательныйанализпоказал, чтоизчисласерийныхавиационныхдвигателейнаиболееприемлемыехарактеристикиипараметрыГЭУКЭПимеютдвухконтурныетурбореактивныедвигателидляобеспечениястартовыхрежимовитурбовинтовыедвигателидляобеспеченияоколоэкранногодвижения. ДляглавнойэнергетическойустановкипервогоКЭП“Орленок”былипринятывкачествестартовыхдвигателейдвухконтурныеТРДДНК-8-4 идляоколоэкранныхрежимов -турбовинтовойдвигательНК-12МА. Обадвигатели - конструкцииН.Д. Кузнецова. ПоследующимиработамибыларешеназадачанаиболееполногоудовлетворенияпротиворечивыхтребованийпоэкономичностиприусловиипримененияединогодвигателявсоставеГЭУКЭП. Так, наКЭП“Лунь”ГЭУсостоитиз 8турбореактивныхдвухконтурныхдвигателейПК-87.
Наиболеевесомыйвкладвисследования, разработкуидоводкуэнергетическихустановокдлякораблей-экраноплановвнеслиР.Е.Алексеев, Н.Д.Кузнецов, П.А.Булыгин, А.П.Петров, В.М.Лапшин, Г.С.Перевозкин.
Вконце 60-хгодов 1-мЦНИИМОсовместносВоенно-морскойакадемиейиНПП“Машпро-ект”, атакжеЦНИИим.академикаА.Н.Крыловавыполненкомплекснаучно-исследовательскихработпоопределениюпутейдальнейшегосовершенствованияГТДиустановок. Былодоказано, чтоосновнымнаправлениемулучшениявсехосновныххарактеристикявляетсяповышениепараметровциклаисозданиерядаунифицированных (дляводоизмещающихкораблейикораблейсдинамическимподдержанием) ГТДтретьегопоколения. Предусматривалосьразработатьтриунифицированныхдвигателямощностью 4000-5000, 10000-12000 и 20000-24000л.с., приэтомтемпературагазадолжнасоставлять 1100-1200°С, степеньповышениядавления 17-22, удельныйрасходтоплива 170-180г/л.с.ч.
Выполнениеподобнойзадачитребовалорешенияцелогорядасложныхинженерно-техническихпроблем. Вчастности: созданиежаропрочныхкоррозионно-стойкихдляморскихусловийсплавовипокрытий, высокоэффективныхсистемохлаждениядеталейдвигателейивпервуюочередьрабочихлопаток, разработкиметодовисредствглубокойочисткивоздухаотсолейморскойводы. НПП“Машпроект”, ЦНИИКМ“Прометей”совместносинститутамиАНУССРвначале 70-хгодовбылсозданкоррозионно-стойкийжаропрочныйсплав, послужившийосновойдляполучениясплавовсповышеннымипрочностнымихарактеристиками. Созданыуникальныеустановкииотработанатехнологиянанесенияпокрытий, вчастности, электронно-лучевоенапылениечетырехкомпонентногокоррозионно-стойкогопокрытияитеплозащитногокерамического. Внедреныэлектронно-лучеваясваркаипайкасплавов, применяемыхвдвигателях. РаботапосозданиюматериаловипокрытийдлягазотурбинныхдвигателейудостоенаГосударственнойпремииСССР. ЛауреатамипремиисталиВ.И.Романов, О.Г.Жирицкий, А.М.Симонов, О.С.Костырко, Н.И.Матюшенко, Г.Ф.Мяльницаидругие.
Одновременновыполнялсябольшойкомплексработпосовершенствованиюсистемохлаждениялопаток. Былаотработанаивнедрена“вихревая”системаохлаждениярабочихлопаток, обеспечивающаяперепадтемпературмеждугазомиметалломболее 200°С.
Дляразработкиэффективныхсредствзащитыдвигателейотсолейморскойводыбылисозданыизмерительныесредстваиначатысистематическиеизмеренияводностивоздуха, поступающеговГТД, навсехклассахкораблей. Полученнаяинформациипослужилаосновойдляразработкитребованийкчистотевоздухаисредствочистки. Первоначальнотребованиякочисткевоздухаотсолейморскойводыбылинаправленынаобеспечениестабильностихарактеристикдвигателейинеобходимоговременинепрерывнойработымеждупромывкамипроточнойчасти. Выполнениеэтихтребованийдостигалосьприменениемвосновномодноступенчатыхжалюзийныхсепараторов, улавливающихкрупнодисперснуювлагу. Однакодлядвигателейтретьегопоколения, имевшихтемпературуболее 1000°С, необходимобылоужесточитьтребованияпосолесодержаниюдо 0,07-0,03мгсолинакилограммвоздуханавходевдвигатель. Приэтихусловияхиприиспользованииуказанныхсплавовипокрытийвзначительноймереисключалисьвысокотемпературнаяинизкотемпературнаягорячаякоррозиялопатоктурбиниобеспечивалсяресурс. Стольвысокиетребованиямоглибытьобеспеченыпутемпримененияспециальныхвысокоэффективныхмногоступенчатыхустройствсиспользованиемнетолькожалюзийныхсепараторов, ноифильтров, ивихревыхсепараторов. Такиесистемыбылисозданыипоказаливысокуюэффективностьвпериодиспытанийипоследующейэксплуатациикораблей. ОсобыйвкладвразработкуивнедрениесистемочисткивоздухавнеслиИ.Г.Утянский, Ю.К.Пятанов, Г.П.Панасюк, В.И.Головановидругие.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--