Корабельные газотурбинные энергетические установки

И.Г. Захаров, доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; Я.Д. Арефьев, доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; Н.А. Воронович, кандидат технических наук, капитан 1 ранга; О.Ю. Лейкин, кандидат технических наук, капитан 1 ранга

В настоящее время энергетические установки большинства надводных кораблей флотов развитых стран оснащены газотурбинными двигателями (ГТД). Газотурбинные двигатели входят в состав как единых газотурбинных энергетических установок (ГТЭУ), так и комбинированных дизель-газотурбинных энергетических установок (ДГТЭУ).

Основными преимуществами ГТД являются: высокая экономичность, большие агрегатные мощности при малых массе и габаритах, приспособленность к автоматизации, высокая надежность, простота конструкции и обслуживания, высокая технологичность, возможность агрегатного ремонта. Все эти качества были достигнуты в результате упорных и длительных поисков ученых и конструкторов. И только сегодня, при достаточно высоком уровне развития газотурбостроения, можно оценить, сколь высок вклад отечественных ученых и инженеров в создание высокоэффективных корабельных газотурбинных установок, не имеющих альтернативы не только в настоящее время, но и в обозримом будущем.

Первой серьезной попыткой создания корабельного газотурбинного двигателя была работа инженер-механика Российского флота П.Д.Кузьминского, который еще в 1892г. предложил и изготовил оригинальный двигатель с камерой сгорания, охлаждаемой водой, и турбиной радиального типа. Эта конструкция, называемая ныне в литературе турбиной Юнгстрема, была предложена на 14 лет раньше, чем это сделали братья Юнгстрем (Швеция, 1906г.). Двигатель П.Д.Кузьминского был двигателем с горением при постоянном давлении.

Увлечение в 20-х годах нашего столетия строительством ГТД с горением при постоянном объеме во многом может быть объяснено отсутствием возможности создания осевого или центробежного компрессора с достаточно высоким КПД при принятой степени повышения давления, в то время как использование цикла с горением при постоянном объеме позволяло добиться повышения давления за счет сгорания топлива в закрытом объеме. Уровень науки в области теории создания турбомашин, особенно компрессоров, был столь низким, что на каком-то этапе утвердилось мнение о невозможности достижения необходимого КПД турбомашин, когда двигатель с горением при постоянном давлении мог быть работоспособным.

В эти же годы В.М.Маковский утверждал, что применение прерывистого горения носит неустойчивый характер, что ГТД присущ непрерывный процесс подачи рабочего тела. Своим трудом, написанным в 1920г. и изданным в 1925г., он активизировал деятельность советских исследователей и конструкторов в решении проблемы создания ГТД, работающего с горением при постоянном давлении. И только создание научного задела в области аэродинамики и прочности турбомашин, особенно компрессоров, и исследования различных схемных решений процессов горения, выбор и разработка материалов, работоспособных при высокой температуре, позволили практически подойти к реализации идеи газотурбинного двигателя.

Выдающийся вклад в развитие корабельного газотурбостроения внес Г.И.Зотиков, сотрудник 1 -го ЦНИИ МО. Им был разработан и изложен в монографии “Проблема турбины внутреннего сгорания. Турбина равного давления” (1933г.) и ряде статей принципиально новый теоретический подход к сравнительной оценке циклов газотурбинных двигателей и обоснован вывод, что вместо ожидаемых выгод от турбины с горением при постоянном объеме можно получить одни убытки. Поэтому он настоятельно рекомендовал остановиться в настоящее время на турбине с горением при постоянном давлении. Это утверждение Г.И.Зотиков обосновал термодинамическими расчетами, а также разработкой теории расчета температуры лопаток, запасов прочности в дисках и лопатках, выбором конкретных материалов для их изготовления, обоснованием эффективных способов уменьшения потерь и достижения высокого КПД турбин. Его труды стали обоснованной программой создания первого отечественного корабельного ГТД, а правильность их основных положений подтверждена всем ходом последующего развития газотурбостроения.

В 1935-1941гг. под научно-техническим руководством Г.И.Зотикова начались работы по созданию турбины внутреннего сгорания опытной (ТВСО) - корабельного ГТД мощностью 3500 л.с. Двигатель создавался по циклу с промежуточным охлаждением и регенерацией. Степень повышения давления П_к=8, начальная температура газа 1173°К (900°С), компрессор центробежный, двухступенчатый, турбина одноступенчатая с диффузором, лопатки турбин охлаждались водой. Однако война прервала эти работы.

В период Великой Отечественной войны продолжались работы по проектированию корабельного ГТД. Это позволило сразу после окончания войны приступить к разработке ГТУ-42 мощностью 14000л.с., применительно к строящемуся в те годы сторожевому кораблю проекта 42. В 1948г. технический проект был закончен. Коллективу под руководством Г.И.Зотикова, куда входили Л.А.Маслов, В.И.Козловский, Д.М.Кудреватый, Е.И.Русанов и другие специалисты, пришлось решать целый комплекс новых научных задач. К наиболее выдающимся результатам можно отнести разработку метода расчета по данным продувок плоских решеток и создание осевого компрессора, имевшего при степени повышения давления П_к=4,5 КПД более0,9. При испытаниях компрессора были экспериментально подтверждены высокие характеристики, и в дальнейшем этот компрессор использовался как модель для создания целого ряда компрессоров, как для корабельных ГТД (М-2, М-З, Д-2, ГТУ-6), так и для ГТД народнохозяйственного назначения.

В конце 40-х годов специалистами 1-го ЦНИИ МО была обоснована перспективность применения газотурбинных двигателей на кораблях ВМФ и выполнен ряд НИР в обоснование технического задания (ТЗ) на создание корабельных газотурбинных установок. Возглавил эти работы Г.Н.Богданов-Катьков. В 1951г. было разработано ТЗ на создание первой отечественной 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 4000л.с., ресурс 100ч, расход топлива 410г/л.с.ч. В 1952г. межведомственная комиссия под председательством Л.В. Гастева по результатам стендовых испытаний в г.Казани рекомендовала УГТУ-1 к установке на опытной торпедный катер проекта 183. Государственные испытания катера показали достаточно надежную работу установки, что позволило комиссии рекомендовать ее к внедрению на большую серию катеров. В акте государственной комиссии отмечено, что газотурбинный двигатель имеет перспективу применения его на быстроходных катерах при условии получения большой мощности в одном агрегате, превосходящей мощность дизелей, при одновременном повышении экономичности и моторесурса, а также получении всережимности его работы и реверса. Практически это была программа развития корабельного газотурбостроения.

Кроме того, испытания УГТУ-1 на корабле выявили несколько серьезных проблем, таких как: использование более тяжелых, чем авиационный керосин, сортов топлива и применение материалов, коррозионно-стойких в среде морского воздуха, и продуктов сгорания топлива, обеспечение ударостойкости и др. Решение всех указанных проблем определило необходимость создания специальных корабельных двигателей.

Для разработки, испытаний и серийного производства корабельных газотурбинных двигателей и агрегатов 1-м ЦНИИ МО было обосновано создание на строящемся “Южном турбинном заводе” в г. Николаеве базы по проектированию и производству корабельных установок. Главным конструктором завода и начальником вновь организованного специального конструкторского бюро по газотурбинным установкам (СКБ ГУ), впоследствии НПП “Машпроект” им. С.Д.Колосова, был утвержден С.Д.Колосов. В дальнейшем конструкторское бюро возглавляли Я.Х.Сорока и В.И.Романов.

Отдельным направлением газотурбостроения в этот период было создание для противолодочных кораблей проектов 204 и 35 газотурбокомпрессоров (ГТК) Д-2 (1960г.) и Д-З (1964г.) мощностью 15000-18000л.с. и ресурсом 2000ч, подающих сжатый воздух от отдельно стоящих компрессоров в гидромотор.

Таким образом, за первые 10лет с момента организации базы корабельного газотурбостроения были созданы двигатели и агрегаты первого поколения как для малых, так и для больших кораблей, при этом мощность агрегатов возросла примерно в 10раз, удельный расход топлива сократился в 1,5раза, ресурс увеличен в десятки раз. Серийный выпуск газотурбинных двигателей и агрегатов позволил создать корабли различных классов. Советский ВМФ по использованию газотурбинных двигателей занял ведущее положение в мире.

Усилия конструкторов, ученых и специалистов ВМФ по созданию корабельных газотурбинных агрегатов первого поколения (М-2, Д-2, М-З) были высоко оценены государством. С.Д.Колосов, Я.Х.Сорока, Б.А.Гребнев, В.В.Ващиленко удостоены Ленинской премии. Впервые в мире газотурбинная установка М-З была поставлена на большой противолодочный корабль проекта61.

В 1965-1966гг. началось создание газотурбинных двигателей и агрегатов второго поколения. Выполненный комплекс работ по улучшению аэродинамики, повышению КПД компрессоров и турбин, снижению потерь в трактах позволили, при практически неизменных параметрах цикла, повысить экономичность (220-240г/л.с.ч.), мощность единичных двигателей (18000-20000ч). Для улучшения маневренности кораблей впервые в мире были решены проблемы газового реверса двигателей. В целях увеличения дальности плавания кораблей 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 6000л.с. и двух основных двигателей по 20000л.с. Для корабля проекта 1135 был создан агрегат М-7 в составе двух маршевых ГТД по 6000л.с. и двух форсажных ГТД по 18000л.с. С целью дальнейшего повышения экономичности в этом агрегате применена межредукторная передача, обеспечивающая работу одним маршевым двигателем на два гребных винта.

Агрегаты М-5 и М-7 не имеют аналогов в мировой практике, в них впервые были внедрены реверсные силовые турбины, двухскоростные редукторы, межредукторная передача, быстродействующие шинно-пневманические муфты и ряд других прогрессивных технических решений. За создание газотурбинных двигателей и агрегатов второго поколения М-5 и М-7 большая группа специалистов судостроительной промышленности и ВМФ в 1974г. была удостоена Государственной премии СССР. Лауреатами премии стали В.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-х годов характерен возросшим вниманием к кораблям с динамическими принципами поддержания: на подводных крыльях и воздушной подушке. Специфика указанных кораблей потребовала создания для них специальных ГТД и агрегатов, близких по массогабаритным характеристикам к авиационным, но отвечающих всем требованиям, вытекающим из тяжелых условий применения на быстроходных кораблях. Достигнутый к этому времени уровень корабельного газотурбостроения позволил приступить к решению проблемы создания этого нового класса кораблей. В 1970г. был создан корабль на воздушной подушке проекта 1232 с уникальным агрегатом ДТ-4. Этот агрегат состоит из двух легких, мощностью по 18000л.с., двигателей и трансмиссии, состоящей из 18 планетарных и угловых редукторов восьми типов, обеспечивающей передачу мощности одновременно на четыре нагнетателя и на четыре воздушных винта, а также механическую связь нагнетателей и винтов правого и левого бортов.

Не менее уникальной является созданная в этот же период установка М-10 для кораблей на подводных крыльях проектов 1141 и 1240, состоящая из газотурбинного двигателя мощностью 20000л.с. и угловой редукторной передачи типа “колонка” для привода винтов. Исследования 1-го ЦНИИ МО и ЦНИИ им.академикаА.Н.Крылова показали реальную возможность унификации угловых редукторных передач для трех разных типов кораблей.

Опытная эксплуатация первых кораблей на воздушной подушке и подводных крыльях показала необходимость решения целого ряда специфических вопросов, а именно: обеспечение работоспособности ГТД и стабильности его характеристик в условиях интенсивного забрызгивания морской водой воздухоприемных устройств, в условиях низких и высоких температур наружного воздуха от -40°С до +40°С, обеспечение работоспособности разветвленной трансмиссии при волнении в условиях недостаточно “жесткого” корпуса, повышения надежности, пожаробезопасности и др.

Большой вклад в решение проблемы создания и внедрения двигателей и агрегатов второго поколения внесли специалисты ВМФ и МСП: 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.Федяков и другие. Главный конструктор агрегатов для кораблей на воздушной подушке Л.М.Тройнич удостоен Государственной премии.

Таким образом, к началу 70-х годов завершился период создания и освоения газотурбинных двигателей и установок первого и второго поколений, характерный достижением температуры газа 870°С, степени повышения давления 12, удельного расхода топлива 220г/л.с.ч.

В начале 60-х годов на базе большого объема проектных и экспериментальных работ, выполненных ЦКБ под руководством Р.Е.Алексеева и 1-го ЦНИИ МО, была подтверждена возможность создания кораблей-экранопланов (КЭП) достаточно большого водоизмещения. Одной из основных проблем создания КЭП является выбор типа и параметров двигателей главной энергетической установки, т.к. эффективность ГЭУ в значительной степени определяет эффективность корабля-экраноплана. В целом ГЭУ должна обеспечивать как режимы длительного околоэкранного движения с максимальной экономичностью, так и кратковременные стартовые режимы, требующие суммарную мощность в 3-4 раза выше. Энерговооруженность КЭП во много раз превосходит энерговооруженность водоизмещающих кораблей и достигает на взлетных режимах около 600-650 л.с. на одну тонну веса корабля, что приводит к необходимости создания легких двигателей с большой агрегатной мощностью (до 15-17т тяги). В противном случае, на корабле потребуется установить большое число двигателей, что приводит к трудностям их размещения и увеличению аэродинамического сопротивления. Этим условиям отвечали только авиационные двигатели, но потребовался комплекс работ по их конвертации, разработке мероприятий, позволяющих надежно эксплуатировать авиационные двигатели в морских условиях и исключающих взаимное влияние близко расположенных силовых установок. Таким образом, в энергетических установках этих типов кораблей должны гармонично сочетаться весьма противоречивые требования, присущие одновременно энергетическим установкам кораблей и самолетов.

Следует отметить, что указанные проблемы и задачи были решены отечественными специалистами в достаточно короткий срок. Так, уже в 1965г. экраноплан КМ (корабль-макет), получивший на западе название “Каспийский монстр”, был предъявлен на всесторонние испытания. Последующий тщательный анализ показал, что из числа серийных авиационных двигателей наиболее приемлемые характеристики и параметры ГЭУ КЭП имеют двухконтурные турбореактивные двигатели для обеспечения стартовых режимов и турбовинтовые двигатели для обеспечения околоэкранного движения. Для главной энергетической установки первого КЭП “Орленок” были приняты в качестве стартовых двигателей двухконтурные ТРДД НК-8-4 и для околоэкранных режимов -турбовинтовой двигатель НК-12МА. Оба двигатели - конструкции Н.Д. Кузнецова. Последующими работами была решена задача наиболее полного удовлетворения противоречивых требований по экономичности при условии применения единого двигателя в составе ГЭУ КЭП. Так, на КЭП “Лунь” ГЭУ состоит из 8турбореактивных двухконтурных двигателей ПК-87.