Комбинированной называется такая энергетическая установка, в которой энергия для движения судна и работы других судовых потребителей (или только для движения судна) вырабатывается в двух и более различных тепловых двигателях.
Все комбинированные энергетические установки можно разделить на два больших класса:
- комбинированные установки с механической связью;
- комбинированные установки с термодинамической связью;
Комбинированными установками с механической связью называются такие КЭУ, в которых все составные части независимы одна от другой в термодинамическом отношении, и передают крутящий момент на общий движитель через общую передачу, либо независимо друг от друга каждая на свой движитель.
В этом случае всю энергетическую установку судна разбивают на две части: маршевую часть, используемую для работы на режимах уменьшенных (экономических) ходов, и форсажную или ускорительную часть, работающую на режимах повышенных ходов вплоть до полного. При этом на режимах повышенных ходов маршевая часть установки может работать как совместно с форсажной, так и полностью выключаться из работы. В качестве маршевой части КЭУ могут использоваться любые типы двигателей: дизельный, газотурбинный двигатели или паровые турбины. В качестве форсажной части установки целесообразно применять газотурбинные двигатели.
Механически комбинированные установки удобно обозначать условными буквенными индексами, характеризующими типы маршевой и форсажной частей, режим их использования на полных ходах (совместное или раздельное), и способы передачи мощности на движители (маршевая и форсажная части работают на один общий движитель, или каждая – на свой отдельный движитель).
Первый буквенный индекс указывает на тип маршевой части установки:
- П – паровая турбина;
- Д – дизельный двигатель;
- Г – газотурбинный двигатель (установка).
Второй буквенный индекс указывает на тип форсажной части установки: обычно это буква Г – газотурбинный двигатель.
Если между первым и вторым индексами стоит буква «И», значит на режимах повышенных ходов работают совместно обе части комбинированной установки: и маршевая и форсажная. Если буква «И» отсутствует – на режимах повышенных ходов в работе находится только форсажная часть установки.
Третий буквенный индекс указывает на наличие связи между маршевой и форсажной частями установки:
- Р – жесткая связь через редуктор (маршевая и форсажная части работают на один общий движитель через редукторную передачу);
- В – отсутствие жесткой связи (маршевая и форсажная части работают каждая на свой отдельный движитель (винт).
В соответствии с зарубежной классификацией механически комбинированные установки имеют следующие условные обозначения:
- CO – означает слово «Combined» – комбинированная;
- Следующая буква указывает на тип маршевой части установки:
- D – «Diesel» – дизельный двигатель;
- S – «Steam turbine» – паровая турбина;
- G – «Gas turbine» – газовая турбина.
- Следующая буква обозначает режим работы маршевой и форсажной частей на повышенных ходах:
- A – «And» – совместная работа;
- O – «Or» – раздельная работа.
- Последняя буква указывает тип форсажной части: G – «Gas turbine».
Возможные варианты комбинированных установок с механической связью и их обозначения в соответствии с отечественной и зарубежной классификацией сведены в таблицу:
Зарубежная классификация не учитывает работу маршевой и форсажной частей КЭУ на общий или отдельные движители. Иногда в обозначении КЭУ после буквы, указывающей тип маршевой части, ставится буква L (например, CODLAG). Это означает, что в составе установки используется главная электрическая передача (для данного примера – дизельная и газотурбинная части установки работают на электрогенераторы, а привод движителя осуществляется гребным электродвигателем).
В дополнение к рассмотренному обозначению комбинированных установок с механической связью, могут применяться подстрочные цифровые индексы, указывающие количество маршевых и форсажных двигателей в одном эшелоне. Например: Д1Г2Р – комбинированная дизель-газотурбинная установка, с одним маршевым дизелем и двумя форсажными газовыми турбинами, работающими раздельно на один винт; Д1ИГ2В – комбинированная дизель-газотурбинная установка с работающими совместно одним маршевым дизелем на средний винт и двумя форсажными газовыми турбинами на бортовые винты.
Комбинированными установками с термодинамической связью называются такие КЭУ, составные части которых работают по единому термодинамическому циклу. В таких КЭУ доминирующая часть установки обязательно работает на гребной винт, а вторая часть может работать:
- на выработку механической энергии (гребной винт отдельный, или связанный с доминирующей установкой через передачу);
- на обеспечение каких-либо термодинамических процессов в общем цикле комбинированной установки (например, турбонаддувочные агрегаты дизелей и главных котлов);
- на выработку электроэнергии (в утилизационных генераторах);
- на выработку тепловой энергии (в котлах-утилизаторах или различного рода теплообменниках).
Комбинированные установки с термодинамической связью можно разделить на следующие группы:
- газо-паротурбинные установки (ГПТУ) – в которых доминирующим двигателем является газовая турбина, а паротурбинная часть формируется как приставка для утилизации теплоты выхлопных газов ГТД (теплоутилизационный контур) с целью получения дополнительной мощности для обеспечения движения судна за счет расширения пара в пропульсивной утилизационной паровой турбине, либо для выработки электроэнергии в утилизационном турбогенераторе – УТГ;
- газо-паровые установки (ГПУ) – в которых доминирующим двигателем является газовая турбина, а паровая часть формируется как приставка для утилизации теплоты выхлопных газов ГТД с целью выработки пара на общесудовые нужды в утилизационном паровом котле;
- паро-газотурбинные установки (ПГТУ) – в которых доминирующим двигателем является паротурбинная установка, а газотурбинная часть используется для привода турбокомпрессора высоконапорного парового котла, а иногда – получения некоторой добавочной мощности для движения судна или выработки электроэнергии;
- дизель-газотурбинные установки (ДГТУ) – в которых доминирующим типом установки является дизельный двигатель, а газовая турбина используется для привода наддувочного агрегата дизеля, а иногда – получения небольшой избыточной мощности для движения судна или выработки электроэнергии;
- дизель-паровые установки (ДПУ) – в которых доминирующим типом установки является дизельный двигатель, а теплоутилизационный контур используется для получения пара на различные общесудовые нужды;
- дизель-паротурбинные установки (ДПТУ) – в которых доминирующим типом установки является дизельный двигатель, а паротурбинная часть формируется как приставка для утилизации теплоты выхлопных газов дизеля в теплоутилизационном контуре, выработки пара заданных параметров и получения дополнительной мощности в утилизационной паровой турбине для движения судна или выработки электроэнергии в утилизационных турбогенераторах.
Существуют также комбинированные энергетические установки, в которых термодинамические циклы или конструктивные элементы настолько синтезированы друг в друга, что их можно считать переходными или промежуточными типами установок. К таким установкам можно отнести:
- ГТУ с парогазовым рабочим телом – синтез газотурбинной и паротурбинной установок;
- ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (ГТУ СПГГ) – синтез дизельной и газотурбинной установок;
- магнитогидродинамические установки (МГД-установки).
В связи с тем, что КЭУ в большинстве случаев является сочетанием разнородных двигателей или установок, связанных термодинамически или механически, она, по сути, относительно сложнее любой однородной СЭУ равной мощности и того же назначения. Поэтому помимо общих требований, предъявляемых ко всем СЭУ: надежности, живучести, обеспечения необходимых маневренных качеств судна, тепловой и экономической эффективности, массогабаритных и виброакустических показателей, удобства эксплуатации и других, к комбинированным установкам предъявляется ряд специфических требований, вытекающих из особенностей их конструкции. Важно, чтобы разнородные установки, входящие в состав КЭУ, были просты по конструкции и термодинамическому циклу. Желательно, чтобы КЭУ комплектовались из проверенного в эксплуатации и серийно выпускаемого оборудования. Для упрощения эксплуатации все части КЭУ должны работать на едином топливе – это значительно упрощает системы КЭУ, увеличивает фактическую автономность судна, снимает многие эксплуатационные трудности, связанные с применением нескольких сортов топлива. Конструкция КЭУ должна допускать раздельную работу составляющих ее типов установок без ограничений по времени и при обеспечении судну необходимых маневренных качеств. Возможность раздельной работы двигателей повышает надежность и гибкость управления КЭУ. Важна также возможность экстренного ввода в действие любой из составляющих частей КЭУ. Переход от раздельной работы КЭУ к совместной и наоборот, или от одной составляющей КЭУ к другой должен быть достаточно простым и осуществляться при дистанционном управлении.
Основные операции по управлению КЭУ должны быть автоматизированы. В комбинированных установках предпочтительно применение внешних средств реверса: ВРШ, реверсивных редукторов, электрических передач. В этом случае значительно упрощается схема КЭУ, управление ее работой и осуществление переключений.
Учитывая относительную сложность КЭУ, ее применение на судне должно быть оправдано достаточным выигрышем в одном или нескольких решающих показателях (КПД, массе, габаритах, надежности, живучести или экономической эффективности).
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
