Использование комбинированных установок с механической связью возможно при совместной или раздельной работе маршевой и форсажной частей установки. Важной характеристикой для этого типа КЭУ (комбинированная энергетическая установка) является соотношение мощностей маршевой и форсажной частей. Основной задачей форсажной части установки является обеспечение прироста мощности, необходимого для развития судном заданной скорости хода. При этом распределение мощности между форсажной и маршевой частями установки удобно характеризовать степенью форсажа – ХФ , определяемой как отношение прироста мощности от добавления мощности форсажной части установки к полной мощности КЭУ:
Возможные варианты использования маршевой и форсажной частей и распределения мощности между ними приведены на рис. 1. Совместной работе маршевой и форсажной частей на полных ходах соответствуют графики 1.а и 1.б. При этом в варианте 1.а маршевая установка работает на постоянной максимальной мощности с момента включения форсажной части установки, а в варианте 1.б мощность маршевой установки снижается до некоторого оптимального значения после включения форсажной части. В варианте 1.в маршевая часть работает только до момента включения форсажной части. Такая работа КЭУ характерна для случаев, когда относительная мощность маршевой установки мала, и ее использование на полных ходах не может существенно влиять на мощность КЭУ в целом.
Дизель-газотурбинные установки с механической связью
Дизель-газотурбинные энергетические установки получили наибольшее распространение среди КЭУ с механической связью. Это объясняется удачным сочетанием высокой экономичности дизельных двигателей в широком диапазоне частот вращения и нагрузок с высокой относительной мощностью, малыми массогабаритными показателями форсажных ГТД (газотурбинный двигатель). Такое сочетание качеств позволяет обеспечить выполнение для судна требований как по высокой скорости при работе установки на форсажном двигателе, так и по дальности плавания при работе на высокоэкономичной маршевой дизельной установке.
Как и все КЭУ с механической связью, ДГТУ (дизель-газотурбинная установка) могут использоваться в двух вариантах. Первый вариант предполагает раздельную работу маршевой и форсажной частей установки. На малых ходах работают только маршевые дизельные двигатели, а на полных – только форсажные ГТД. Этот вариант работы применим при условии
Применять отдельные винты
для маршевой и форсажной частей установки в первом варианте нецелесообразно из-за значительных потерь энергии в неработающей линии вала (винт неработающей части КЭУ застопорен или свободно вращается в потоке воды). При этом форсаж валами возможен только в трех- и четырехвальных установках. Во втором варианте КЭУ на полном ходу обе
части установки работают одновременно. Этот вариант применим при условии 
Наиболее часто встречающиеся компоновочные схемы ДГТУ с механической связью показаны на рис. 2.
Установки, выполненные по первому варианту, показаны на рис. 2 – а, б,в, д. Наиболее часто применяются схемы 2.а и 2.б, в которых используется раздельная работа маршевых и форсажных двигателей на общий ВРШ. К каждому редуктору подключены мощный форсажный ГТД авиационного типа и маршевый дизель, который отключается при работе установки на больших ходах. Отказ от параллельной работы МУ (маршевая установка) и ФУ (форсажная установка) позволяет упростить СЭУ и повысить ее экономичность на основных режимах работы.
В схеме 2.в мощность МУ и ФУ передается на редуктор – разделитель мощности. В редукторе мощность каждого двигателя разделяется на два потока и подводится к двум линиям вала с ВРШ (винт регулируемого шага). На режимах экономического хода на оба ВРШ работает нереверсивный дизель, а на режимах повышенных и полных ходов – форсажный ГТД. Выходные валы дизеля и ГТД соединяются с редукторной передачей через синхронизирующие муфты сцепления с гидравлической системой блокировки, предотвращающей одновременное включение ГТД и дизеля. При этом любой из валов может быть отключен от редуктора и застопорен.
В трехвальной установке (рис. 2.д) вращение бортовых валов с ВРШ обеспечивается маршевыми дизелями, а среднего гребного вала с ВФШ (винт фиксированного шага) – дизелем или форсажным ГТД. Бортовые МУ работают на всех ходовых режимах судна. На повышенных и полных ходах на среднюю линию вала работает форсажный ГТД (средний дизель при этом отключен). На малых и средних ходах ГТД отключается и вместо него вступает в работу средний дизель, продолжая создавать упор и исключая потери, вызываемые сопротивлением неработающего винта.
В установках, выполненных по второму варианту (рис. 2.ж), используется совместная работа МУ и ФУ на полных ходах. Оптимальным решением в случае совместной работы считается использование двухскоростного суммирующего редуктора для дизелей и отдельного промежуточного редуктора для ГТД. Предыдущие рассмотренные схемы в этом случае менее подходят, поскольку из-за существенного различия мощностей МУ и ФУ, а также использования ВФШ на режиме полного хода, винты становятся «легкими». Это приводит к недопустимому повышению частоты вращения дизелей или к неполному использованию их мощности на малых ходах.
Схемы, изображенные на рис. 2.г и 2.е, часто используются на больших катерах. Здесь бортовые валы работают постоянно на всех ходовых режимах судна, а средний вал (средние валы) подключаются на полных ходах. Большие возможности для рационализации общего расположения КЭУ дает применение электрической передачи. Схема, изображенная на рис. 2.з, используется в ДГТУ на ледоколах. На малых ходах судна и при движении в сплошных льдах небольшой толщины маршевые дизельгенераторы вырабатывают электроэнергию и передают ее на гребные электродвигатели, установленные на каждой линии вала. При этом возможна парциальная работа дизельгенераторов, когда на все ГЭД (гребной электродвигатель) работают один, два или три дизельгенератора. При необходимости развития большей мощности ГЭУ в работу включаются форсажные ГТД, подключающиеся к линии вала через редуктор, и передающие вращающий момент каждый на свою линию вала. При этом маршевые дизельгенераторы и ГЭД выводятся из действия.
Особую группу ДГТУ образуют КЭУ с одним форсажным ГТД и единой передачей, разделяющей суммарную мощность на два ВРШ (рис. 3). Такая установка состоит из двух маршевых дизелей и одного форсажного ГТД. Параллельная работа МУ и ФУ не предусматривается. На основных ходах каждый дизель через фрикционные и самосинхронизирующиеся муфты работает на свой ВРШ (муфты МФД, соединяющие форсажный двигатель с редуктором, разобщены). На больших скоростях муфты ММД автоматически разобщают дизели от редукторов и включаются муфты МФД, подсоединяющие к редукторам форсажный ГТД, передающий свою мощность на обе линии вала.
Практически во всех механически-комбинированных установках используются ВРШ, которые одновременно являются средством реверса и средством ограничения диапазона изменения частоты вращения и крутящего момента двигателей маршевой части. Отказ от ВРШ может быть обусловлен высокой мощностью КЭУ, особыми условиями ее эксплуатации (например, на ледоколе) либо экономическими соображениями. Необходимость в ВРШ отпадает в случае использования электрических или гидравлических передач.
На крупных СПК (судно на подводных крыльях) и СВП (судно на воздушной подушке) иногда применяют КЭУ, в которых предусмотрена обратная схема: ГТД обеспечивает основной (наиболее скоростной и длительный) режим движения на крыльях и воздушной подушке, а дизельные двигатели – кратковременные ходовые режимы с малыми скоростями при движении судна в водоизмещающем положении.
Паро-газотурбинные установки с механической связью
Успешная эксплуатация ДГТУ и ограниченные значения агрегатной мощности маршевых дизельных двигателей послужили в свое время причиной разработки комбинированных СЭУ с маршевой паротурбинной частью. Работы по созданию такого типа установок проводились в ВМФ США и Великобритании.
Установка размещается в четырех отделениях: котельном, паровых турбин, редукторов и форсажных ГТД (рис. 4). На режимах малых ходов работает только маршевая паротурбинная часть установки. На промежуточных режимах маршевая и форсажная части установки работают параллельно, при этом мощность форсажных ГТД поддерживается постоянной (примерно 70 % от номинальной), а необходимое изменение скорости хода судна осуществляется за счет регулирования мощности паротурбинной части установки.
Отличительной особенностью такой КЭУ является использование разного типа топлива для маршевой и форсажной частей, что значительно усложняет ее эксплуатацию и снижает автономность судна по запасам топлива. Но при этом выигрыш в массе установки по сравнению с серийной ПТУ аналогичной мощности составил около 13 %.
В дальнейшем, в конце 70-х годов прошлого века, в связи с усовершенствованием газотурбинных установок и развитием ядерной энергетики создание механически комбинированных ПГТУ практически прекратилось. Последней ПГТУ (паро-газотурбинная установка) с механической связью был оборудован легкий английский крейсер «Бристоль» (1973).
Газо-газотурбинные установки с механической связью
Газотурбинные двигатели являются основой современных комбинированных установок с механической связью, а их дальнейшее совершенствование практически определяет перспективы развития КЭУ. Для всех ГТД, используемых в КЭУ, характерна простота термодинамического цикла, прямоточность движения воздуха и газа, применение высоких начальных параметров газа. Практически все ГТД являются результатом конвертирования хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации типов авиационных двигателей.
Разнотипность главных двигателей, характерная для ДГТУ и ПГТУ, усложняет эксплуатацию комбинированной установки и часто приводит к необходимости применения различных сортов топлива для маршевой и форсажной частей установки. Стремление упростить КЭУ, улучшить ее эксплуатационные свойства, применять единое топливо для маршевой и форсажной частей, а также постоянное совершенствование газотурбинных двигателей стимулировало развитие и создание газо-газотурбинных комбинированных установок (ГГТУ), в составе маршевой и форсажной частей которых используются газотурбинные двигатели.
Использование маршевых ГТД взамен дизельных двигателей не дает заметного выигрыша в массогабаритных показателях КЭУ, поскольку ВОД (высокооборотный дизель) (в основном применяемые в комбинированных установках) относительно мало уступают по этим показателям агрегатированным ГТД, имеют меньшие диаметры воздухоприемных и газовыхлопных систем и требуют меньших запасов топлива. Но применение в качестве маршевой установки ГТД значительно улучшает виброакустические характеристики КЭУ. При этом возможно сокращение численности обслуживающего персонала из-за применения однородных типов двигателей.
Компоновочные схемы ГГТУ схожи с компоновкой паро-газотурбинных КЭУ, с той разницей, что более мощные и громоздкие форсажные ГТД целесообразно размещать в нос от редуктора, а более компактные и легкие маршевые ГТД – в корме, между гребными валами. Часто используется совместное размещение маршевых и форсажных ГТД в одном машинном отделении. Такое размещение уменьшает длину машинных отделений и позволяет обеспечить лучшую компоновку воздухоприемных и газовыхлопных шахт, имеющих значительные диаметры, и трубопроводов маршевых и форсажных ГТД.
В комбинированных ГГТУ с механической связью маршевая и форсажная части установки могут работать как на общий движитель через передачу, так и на различные движители. При этом возможна совместная или раздельная работа маршевых и форсажных частей, а также применение различного числа линий валов.
На рис. 5 показаны наиболее часто встречающиеся компоновочные схемы механически комбинированных ГГТУ (форсажные ГТД изображены бóльшими по величине, маршевые – меньшими).
В установках типа ГИГР, выполненных по схемам рис. 5.а и 5.б, на режиме маршевого хода форсажная установка не работает. Если при этом пропульсивная турбина форсажного двигателя не отключается от редуктора разобщительной муфтой, то при ее холостом вращении на режиме маршевого хода возникает дополнительная потеря мощности из-за вентиляционного сопротивления лопаток неработающего ГТД. Эту потерю можно устранить, если разобщить форсажный ГТД от линии вала. Разобщительная муфта между маршевым ГТД и редуктором может отсутствовать, так как маршевая часть установки в схеме ГИГР работает на всех режимах хода.
В установках типа ГГР, выполненных по схемам рис. 5.а и 5.б, на режимах уменьшенных ходов работает только маршевая часть установки, на режимах повышенных ходов вплоть до полного – только форсажная часть. В этом случае, во избежание потери мощности на холостое вращение неработающего двигателя, должна быть предусмотрена возможность отключения неработающих турбин от редукторов при помощи разобщительных муфт.
В комбинированных установках, выполненных по схемам ГИГВ и ГГВ каждая часть установки – маршевая и форсажная – работает на свою линию вала. Варианты установок для трехвального судна показаны на рис. 5.в и 5.г. Варианты установок для четырехвального судна – на рис. 5.д и 5.е.
В установках типа ГИГВ на режимах уменьшенных ходов работает только маршевая часть установки, на режимах повышенных ходов – и маршевая и форсажная части одновременно. Если на маршевом режиме пропульсивные турбины форсажных ГТД не отключаются от линий валов при помощи разобщительных муфт, то при холостом вращении этих турбин возникает дополнительное сопротивление движению судна, обусловленное сопротивлением буксируемых винтов и вентиляционными потерями в неработающих ГТД. Это дополнительное сопротивление может быть уменьшено, если на режиме маршевого хода пропульсивные турбины форсажных ГТД будут отключены от редукторов, а линии вала неработающей части установки будут свободно вращаться от воздействия набегающего потока воды. Разобщительные муфты между маршевыми ГТД и редукторами могут отсутствовать, так как маршевая часть установки в схеме ГИГВ работает на всех режимах хода судна.
Установки, выполненные по схеме ГГВ, полностью идентичны установкам ГИГВ, но на режимах уменьшенных ходов в них работают только маршевые двигатели, на режимах повышенных ходов вплоть до полного – только форсажные. При этом обязательно предусматривается отключение неработающих двигателей как маршевой так и форсажной частей от линий валов при помощи разобщительных муфт.
Изображенные на рис. 5 компоновочные схемы не охватывают все возможные варианты компоновки ГГТУ. Так, вместо одного форсажного двигателя возможно применение двух, работающих на общую линию вала через суммирующий редуктор.
Газо-газотурбинные установки с отключаемым наддувом
Кроме рассмотренных выше типов ГГТУ с механической связью, представляет интерес еще одна схема газо-газотурбинной установки – ГГТУ с отключаемым наддувом (схема ГГН). Схема установки показана на рис 6.
Энергетическая установка состоит из двух ГТД: маршевого или основного (маршевая часть) и наддувочного (форсажная часть). На режимах уменьшенных ходов работает только маршевый двигатель, компрессор которого забирает воздух непосредственно из атмосферы. Мощность маршевого двигателя при этом соответствует заданной скорости маршевого хода судна и представляет собой номинальную проектную мощность. Маршевый двигатель может проектироваться как с регенерацией тепла в цикле, так и прямоточным (на рис. 6 показан вариант ГТД с регенерацией). На режимах повышенных ходов вступает в работу наддувочный ГТД. Его силовая турбина приводит в действие наддувочный компрессор, забирающий воздух из атмосферы, и подающий его в сжатом виде через промежуточный воздухоохладитель на всасывание компрессора основного двигателя. При этом увеличиваются плотность воздуха перед маршевым двигателем, массовый расход воздуха через его проточную часть, возрастают степень повышения давления воздуха и степень расширения газов в турбине, что в итоге приводит к увеличению мощности пропульсивной турбины основного двигателя.
Таким образом, в комбинированной установке типа ГГН на всех режимах работает одна и та же пропульсивная турбина, мощность которой изменяется за счет изменения расхода воздуха и степени повышения давления. При этом отпадает необходимость использования разобщительных муфт между двигателем и линией вала, что значительно упрощает передачу мощности от двигателя к движителю и систему управления установкой.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
