§ 45. Турбинные установки

§ 45. Турбинные установки

Судовые турбины служат для преобразования тепловой энергии пара или газа в механическую работу. Метод превращения энергии в турбине не зависит от рабочего тела, которое используется в турбине. Поэтому рабочие процессы, протекающие в паровых турбинах, не имеют существенного отличия от рабочих процессов, протекающих в газовых турбинах, а основные принципы проектирования паровых и газовых турбин одинаковы.

Свежий пар или газ, поступая в сопло, являющееся направляющим аппаратом, расширяется, потенциальная энергия превращается в кинетическую, и пар или газ приобретают значительную скорость. По выходе из сопла пар или газ попадает в каналы рабочих лопаток, насаженных на обод турбинного диска, сидящего на валу турбины. Рабочее тело давит на изогнутые поверхности рабочих лопаток, заставляя диск с валом вращаться. Совокупность рассматриваемых таких направляющих аппаратов (сопел) и рабочих лопаток на турбинном диске называется ступенью турбины. Турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми в отличие от многоступенчатых турбин.

Турбины по принципу работы рабочего тела (пара или газа) разделяют на две основные группы. Турбины, в которых расширение, пара или газа происходит только в неподвижных направляющих аппаратах, а на рабочих лопатках используется лишь их кинетическая энергия, называются активными. Турбины, в которых расширение пара или газа происходит также и при движении рабочего тела в каналах рабочих лопаток, называются реактивными. Турбины вращаются только в одну сторону и являются нереверсивными, т. е. они не могут изменять направление вращения. Поэтому на одном валу с главными турбинами переднего хода обычно предусматривают турбины заднего хода. Мощность судовых турбин заднего хода не превышает 40-50% мощности турбин переднего хода. Поскольку эти турбины не должны обеспечивать высокую экономичность в работе, число ступеней в них невелико.

Судовые паротурбинные установки, работающие при начальном давлении пара 40-50 атм и температуре пара 450-480° С, имеют экономический к. п. д. 24-27%.

Экономическим (эффективным ) к. п. д. называется отношение тепла, превращенного в полезную работу, к теплу, развивающемуся при полном сгорании затраченного топлива. Эффективный к. п. д. характеризует экономичность двигателя. При повышении давления до 70-80 атм и температуры пара до 500- 550° С экономический к. п. д. возрастает до 29-31%. Дальнейшее повышение начального давления пара и совершенствование установок позволит увеличить к. п. д. судовой паротурбинной установки примерно до 35%.

Работа над судовыми газотурбинными установками (ГТУ) по существу носит еще экспериментальный характер, так как все еще не создано их серийной конструкции.

Газовая турбина отличается от паровой тем, что рабочим телом ее является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах.

Устройство и работа газовой турбины аналогичны устройству и работе паровой турбины. Они также бывают активные или реактивные, однокорпусные, многокорпусные и т. п. Отличаются газовые турбины от паровых более высокими температурными нагрузками: температура горячих газов бывает в пределах 700-800° С. Разница в температурном режиме уменьшает ресурсы времени работы газовых турбин.

В зависимости от способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают газотурбинные установки с камерой горения и ГТУ со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ). Отрицательным качеством ГТУ является большая потеря тепла при отводе отработавших газов.

Методом повышения экономичности ГТУ является использование тепла отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, так называемая регенерация.

Применение регенерации с одновременным двухступенчатым сжатием воздуха повышает эффективный к. п. д. установки до 28-30%. Такие ГТУ находят применение в качестве судовых силовых установок.

В судовой газотурбинной установке с камерой горения (рис.69) атмосферный воздух засасывается, сжимается компрессором низкого давления 1, располагаемым на одном валу с газовой турбиной 5, и направляется в холодильник 2, охлаждаемый забортной водой. Охлажденный воздух поступает в компрессор высокого давления 3, где снова сжимается до более высокого давления, после чего подается в регенератор 4, откуда подогретый отработавшими газами идет в камеру горения 6, где сгорает подающееся туда топливо. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 5 и через регенератор, отдав в нем часть тепла воздуху, выходят в атмосферу или используются в утилизационном котле.

Рис. 69. Схема газотурбинной установки с регенерацией и двухступенчатым сжатием воздуха.

Энергия, развиваемая в газовой турбине, не полностью используется по основному назначению, а частично расходуется на привод компрессоров. Для запуска газовой турбины ее необходимо раскрутить пусковыми электромоторами.

Газотурбинная установка со свободно-поршневым генератором газа (СПГГ) представляет собой активную или реактивную турбину и дизельный цилиндр, в котором происходит сжигание топлива. Комбинированная газотурбинная установка с СПГГ показана на рис. 70.

Цилиндр СПГГ 1 имеет два рабочих поршня 2 на одних штоках с поршнями компрессоров 3. При сгорании смеси воздуха с топливом, подаваемым через форсунку 11, газы в цилиндре расширяются, раздвигая поршни. В полостях 6 компрессорных цилиндров 5 создается разряжение и через клапаны 7 атмосферный воздух засасывается. Одновременно в полости 4 компрессорных цилиндров воздух сжимается и рабочие поршни возвращаются в исходное положение.

При расхождении поршней в цилиндре открываются сначала выхлопные окна 9, а затем продуваются окна 10. Отработанные газы через выхлопные окна поступают в ресивер 8 и оттуда – в газовую турбину 12.

При обратном ходе компрессорных поршней выхлопные и продувочные окна закрываются, воздух из полости 6 нагнетается в продувочный ресивер, а воздух в рабочем цилиндре сжимается. В конце сжатия температура воздуха поднимается и впрыснутое в этот момент форсункой топливо воспламеняется. Начинается новый цикл работы свободно-поршневого генератора газа.

Эффективный к. п. д. такой комбинированной газотурбинной установки с СПГГ приближается к 40%, что делает выгодной их установку на судах. Газотурбинные установки с СПГГ перспективны и будут широко использоваться на судах в качестве главных двигателей.

Рис. 70. Схема газотурбинной установки со свободно-поршневым генератором газа (СПГГ).

Судовые ядерные установки служат для получения тепловой энергии в результате деления ядер расщепляющихся элементов, которое происходит в аппаратах, называемых ядерными реакторами. Суда с такими установками имеют практически неограниченную дальность плавания.

Энергия, выделяемая реакцией деления ядер при использовании 1 кг урана, примерно равна энергии, получаемой при сжигании 1400 т мазута. Суточный расход ядерного топлива на транспортных судах исчисляется лишь десятками граммов. Срок смены тепловыделяющих элементов в судовых реакторах равен двумтрем годам. Несмотря на большой вес ядерной установки, вызванный большим весом биологической защиты, полезная грузоподъемность судов с ядерными установками, значительно больше грузоподъемности судов равных размерений, имеющих общепринятые силовые установки. Увеличение грузоподъемности на этих судах объясняется отсутствием на них обычного топлива.

Для повышения скорости движения судов применение установок, работающих на ядерной энергии, является экономически выгодным, позволяет повысить мощность силовых установок без резкого увеличения их веса. Решающим преимуществом судовых ядерных установок является отсутствие потребности в воздухе при их работе. Эта особенность позволяет решить проблему длительного движения судов под водой. Как известно, суда, плавая под водой, в однородной среде, встречают меньшее сопротивление, чем надводные суда, и, следовательно, при равных мощностях двигателей могут развивать большие скорости. Подводные транспорты большого водоизмещения могут быть значительно выгоднее в эксплуатации, чем надводные суда того же водоизмещения.

В качестве ядерного топлива для современных судовых реакторов применяется искусственно обогащенный уран с содержанием изотопа U₂₃₅ в количестве 3-5%.

Та часть реактора, в которой совершается цепная реакция, называется активной зоной. В эту зону вводят особое вещество – замедлитель нейтронов, замедляющее движение нейтронов до скорости теплового движения. В качестве замедлителя применяется простая вода (Н₂0), тяжелая вода (D₂0), бериллий или графит.

По типу активной зоны реакторы делят на гомогенные и гетерогенные. В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель представляют собой однородную смесь. В гетерогенных реакторах ядерное топливо располагается в замедлителе в виде стержней или пластин, называемых тепловыделяющими элементами. В судовых ядерных силовых установках применяется единственный тип – гетерогенные реакторы.

При совершении ядерной реакции около 80% энергии превращается в тепло, а 20% выделяется в виде излучений (а, в и у), а- и в-излучения особенной опасности не представляют. Но вот у-излучения и нейтронные излучения, обладающие большой проникающей способностью, вызывают вторичное излучение во многих материалах. При этом излучении в организме человека возникают тяжелые заболевания. Для предотвращения такого излучения ядерные силовые установки должны иметь надежную защиту, называемую биологической. Биологическую защиту обычно выполняют из металла, воды и бетона, она имеет значительные габариты и вес.

Наиболее мощной и технически совершенной судовой ядерной силовой установкой на гражданских судах является силовая установка на ледоколе «Ленин» – самом мощном ледоколе в мире.

Мощность четырех его турбин равна 44 000 л. с.

Главная энергетическая установка ледокола «Ленин» выполнена по следующей схеме (рис. 71). На ледоколе установлены три реактора 1 со стабилизаторами давления 2 в первом контуре. Замедлителем и теплоносителем служит обычная вода под давлением около 200 атм. Вода реактора подается в парогенераторы 3 при температуре около 325° С циркуляционными электронасосами 4. В парогенераторах получается пар второго контура под давлением 29 атм и с температурой 310° С, который приводит в действие четыре паровых турбогенератора 5. Отработавший пар проходит через конденсаторы 6 в виде конденсата и используется снова, совершая работу по замкнутому циклу.

Реакторы, парогенераторы и насосы активной зоны окружены биологической защитой из слоя воды и стальных плит толщиной 300-420 мм.

Рис. 71. Схема энергетической установки ледокола «Ленин»

Судовые турбореактивные двигатели применяются на судах на подводных крыльях или на судах специального назначения. Часто встречающаяся схема турбореактивного двигателя приведена на рис. 72.

При движении двигателя влево (по стрелке А) воздух поступает в его корпус и сжимается турбокомпрессором 1. Сжатый воздух подается в камеру горения 2, в которой сгорает поступающее одновременно топливо. Из камеры 2 продукты сгорания направляются в газовую турбину 3. В турбине газы частично расширяются, совершая этим работу для привода турбокомпрессора. Дальнейшее расширение газа происходит в сопле 4, откуда он с большой скоростью вырывается в атмосферу. Реакция вытекающей струи обеспечивает движение судна.

Парогазовая турбинная установка, работающая по циклу Вальтера, была применена на немецких подводных лодках во второй мировой войне с целью увеличения их скорости в подводном положении. Лодка с такой установкой могла в течение 5-6 ч развивать большие скорости подводного хода, доходящие до 22-25 узл.

Окислителем в этом цикле служила перекись водорода высокой (80%) концентраций, которая в присутствии катализатора разлагается в специальной камере на водяной пар и кислород, выделяя значительное количество тепла. В камере горения в кислороде сжигалось жидкое топливо с одновременным впрыскиванием туда же пресной воды. Энергия получающейся парогазовой смеси с высоким давлением и высокой температурой использовалась в парогазовой турбине. Отработавшая парогазовая смесь охлаждалась в конденсаторе, где водяной пар превращался в воду и поступал опять в систему, питательной воды, а углекислота откачивалась за борт.

Основными недостатками этих установок являлась малая дальность плавания лодок максимальными ходами, повышенная пожароопасность из-за наличия на лодке большого количества перекиси водорода, зависимость их нормальной работы от глубины погружения и высокая стоимость как самой установки, так и ее эксплуатации.

В Англии в послевоенные годы была построена подводная лодка «Эксилорер» с силовой установкой такого типа. На проведенных испытаниях было определено, что стоимость ее одного ходового часа эквивалентна стоимости 12,5 кг золота.