Реверсивная турбинная установка судового типа
SHIP TYPE REVERSIBLE TURBINE PLANT

Изобретение относится к судостроению, в частности к реверсивным турбинным установкам судового типа, включающим в свой состав биротативную турбину, планетарно-дифференциальный механизм и винт фиксированного шага.
Газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение в силовых установках надводных судов. Главным преимуществом газотурбинных установок является их относительная компактность, простота конструкции и малый вес. Однако существенным недостатком двигателей такого типа является конструктивная сложность в осуществлении реверса. Применяемый в паровых турбинах способ реверсирования с помощью турбины заднего хода или специальных ступеней заднего хода, встроенных в главную турбину, в ГТД трудно осуществим из-за возникающей при этом необходимости в дополнительных газопроводах и переключающих клапанах большого диаметра, работающих в условиях высоких температур.
Известна реверсивная турбинная установка судового типа, включающая силовой агрегат, выполненный в виде установленной в корпусе биротативной турбины, содержащей ротор рабочих аппаратов и соосно расположенный с последним ротор направляющих аппаратов, которые кинематически связаны при помощи фрикционно-кулачковых муфт с выходным валом, и устройство для реверсирования турбины (авторское свидетельство SU №1716173, кл. F01D 1/30, 1992 г.).
В известном техническом решении режим реверса турбины осуществляется путем соединения соответствующих роторов с выходным валом при помощи фрикционно-кулачковых муфт с минимальными тормозными моментами и ударными нагрузками и без снижения работы газотурбинного двигателя, а торможение роторов осуществляется при помощи системы перепуска рабочего тела и запорных устройств, установленных в системе перепуска. Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, связанная с необходимостью использования системы перепуска в режиме управления реверсом.
Известна реверсивная турбинная установка судового типа, содержащая силовой агрегат, включающий две свободные силовые турбины переднего и заднего хода, причем последняя содержит второй ярус рабочих лопаток переднего хода, связанные с турбинами коаксиально расположенные входные валы планетарно-дифференциального механизма, внешний из которых связан с турбиной обратного хода, а внутренний - с турбиной прямого хода, зубчатую передачу, включающую основной редуктор, соединенный на выходе с валом гребного винта, а на входе - с выходным валом планетарно-дифференциального механизма, и тормозное устройство, установленное на валу заднего хода (авторское свидетельство RU №1471455, кл. F02C 7/36, 1999 г.). В известном техническом решении режим реверса осуществляется при помощи системы перепуска рабочего тела, включающей ряд перепускных каналов и полостей с размещенными в них запорными клапанами.
Реверсирование осуществляется последовательным снижением мощности установки до режима холостого хода, растормаживанием турбины заднего хода и подачей рабочего тела через систему перепуска на рабочие лопатки обеих турбин. В результате используется мощность обеих турбин при неизменном направлении вращения турбины переднего хода. Недостатком известного технического решения является наличие в конструкции установки сложной системы перепуска рабочего тела для управления режимом реверса.
Известна реверсивная турбинная установка судового типа, включающая силовой агрегат, включающий биротативную турбину, роторы которой связаны с коаксиально расположенными валами, кинематически связанными с валом редуктора гребного винта, внутренний из которых является валом прямого хода, а внешний - обратного хода, и тормозные устройства, установленные на соответствующих роторах турбины (авторское свидетельство RU №80162, кл. F01D 1/24, 1949 г.).
В известном техническом решении кинематическая связь валов роторов турбины с валом гребного винта выполнена в виде электромагнитных муфт. Режим реверса осуществляется путем поочередного затормаживания или включения одного из противоположно вращающихся роторов при помощи соответствующего тормозного устройства и электромагнитной муфты. Недостатком известного технического решения является инерционность установки, связанная со сложностью обеспечения соединения валов и передачи больших крутящих моментов без ударных нагрузок при использовании электромагнитных муфт.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является реверсивная турбинная установка судового типа, включающая установленный в корпусе силовой агрегат с последовательно расположенными и противоположно вращающимися роторами, валы которых соединены с коаксиально расположенными входными валами планетарно-дифференциального механизма, содержащего солнечное колесо, связанное с внутренним входным валом, эпицикл, связанный с внешним входным валом, водило, связанное с выходным валом планетарно-дифференциального механизма, и блок сателлитов, каждый из которых выполнен в виде основной зубчатой шестерни, установленной на водиле и находящейся в зацеплении с солнечным колесом, зубчатую передачу, включающую редуктор, соединенный на выходе с валом гребного винта, а на входе - с выходным валом планетарно-дифференциального механизма, и тормозные устройства, установленные на входных валах планетарно-дифференциального механизма (патент GB №2127491, кл. F02C 7/36, 1984 г.).
В известном техническом решении силовой агрегат представляет собой две турбины без сопловых аппаратов, вращающиеся в противоположных направлениях, а прямой ход осуществляется путем затормаживания переднего ротора турбины при вращающемся заднем роторе. Таким образом, силовой агрегат превращается в одноступенчатую турбину с неподвижным сопловым аппаратом и рабочим колесом. При этом солнечное колесо неподвижно, эпицикл приводится во вращение задним ротором, а водило и выходной вал редуктора вращаются в направлении вращения заднего ротора. На обратном ходу затормаживается задний ротор турбины, а передний растормаживается, начинает вращаться в противоположном направлении и приводит во вращение солнечное колесо. При этом эпицикл неподвижен, а водило и выходной вал редуктора вращаются в направлении вращения переднего ротора, т.е. осуществляется реверс гребного винта, водило и выходной вал редуктора вращаются. При крейсерском режиме работы на силовом агрегате необходимо сработать большой располагаемый теплоперепад. В этом случае использование в качестве силового агрегата двух последовательно расположенных противоположно вращающихся роторов не обеспечивает достаточной термодинамической эффективности в связи с низким значением кпд. Кроме того, значения передаточного отношения планетарно-дифференциального механизма, различные на прямом и обратном ходу, также приводят к ухудшению согласования режимов работы турбины и гребного винта на обратном ходу и соответственно к снижению эффективности установки на этом режиме. Таким образом, недостатком известного технического решения является низкая эффективность установки.
В основу предлагаемого технического решения положена задача повышения кпд установки.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в использовании высокоэффективной биротативной турбины, исключении паразитных потерь рабочего тела на прямом ходу и обеспечении возможности изменения передаточного отношения планетарно-дифференциального механизма на прямом и обратном ходу.
Результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что реверсивная турбинная установка судового типа включает установленный в корпусе силовой агрегат с противоположно вращающимися роторами, валы которых соединены с коаксиально расположенными входными валами планетарно-дифференциального механизма, содержащего солнечное колесо, связанное с внутренним входным валом, эпицикл, связанный с внешним входным валом, водило, связанное с выходным валом планетарно-дифференциального механизма, и блок сателлитов, каждый из которых выполнен в виде основной зубчатой шестерни, установленной на водиле и находящейся в зацеплении с солнечным колесом, зубчатую передачу, включающую редуктор, соединенный на выходе с валом гребного винта, а на входе - с выходным валом планетарно-дифференциального механизма, и тормозные устройства, установленные на входных валах планетарно-дифференциального механизма.
Согласно изобретению силовой агрегат выполнен в виде многоступенчатой биротативной турбины, состоящей из наружного ротора, вал которого соединен с внешним валом планетарно-дифференциального механизма и является валом обратного хода, и внутреннего ротора, вал которого соединен с внутренним валом планетарно-дифференциального механизма и является валом прямого хода, блок сателлитов снабжен дополнительными зубчатыми шестернями по числу основных шестерен, каждая из которых жестко соединена с соответствующей основной шестерней и введена в зацепление с эпициклом, причем диаметр дополнительных шестерен выбран из условия неравенства диаметру основных шестерен, а установка снабжена торцевым контактным уплотнением с приводом его перемещения, установленным на корпусе силового агрегата перед наружным ротором биротативной турбины с возможностью перекрытия утечек газа через имеющийся между корпусом и наружным ротором зазор.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы, поскольку:
- выполнение силового агрегата в виде многоступенчатой биротативной турбины, состоящей из наружного ротора, вал которого соединен с внешним валом планетарно-дифференциального механизма и является валом обратного хода, и внутреннего ротора, вал которого соединен с внутренним валом планетарно-дифференциального механизма и является валом прямого хода, обеспечивает возможность сработать большой располагаемый теплоперепад, что обеспечивает повышение кпд установки;
- снабжение установки торцевым контактным уплотнением с приводом его перемещения, установленным на корпусе силового агрегата перед наружным ротором биротативной турбины с возможностью перекрытия имеющегося зазора между корпусом и наружным ротором, исключает возможность паразитных утечек газа на режиме прямого хода, что обеспечивает повышение эффективности установки за счет повышения кпд;
- снабжение блока сателлитов дополнительными зубчатыми шестернями по числу основных шестерен, каждая из которых жестко соединена с соответствующей основной шестерней и введена в зацепление с эпициклом, и выбор диаметра дополнительных шестерен из условия неравенства диаметру основных шестерен обеспечивает возможность изменения передаточного отношения планетарно-дифференциального механизма на режимах прямого и обратного хода путем изменения числа зубьев в зубчатых колесах сателлитов, что обеспечивает повышение эффективности установки на режиме обратного хода за счет улучшения согласования режимов работы турбины и гребного винта.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрацию, представленную на чертеже, где изображена схема предложенной установки.
Реверсивная турбинная установка судового типа выполнена следующим образом. Установка содержит силовой агрегат, выполненный в виде установленной в корпусе 1 многоступенчатой биротативной турбины с противоположно вращающимися наружным ротором 2, вал 3 которого является валом обратного хода, и внутренним ротором 4, вал 5 которого является валом прямого хода. Особенностью биротативной турбины является наличие зазоров 6 между корпусом 1 и наружным ротором 2. На входе и выходе из последнего установлены соответствующие газовые уплотнения 7 и 8. Поскольку давление газа максимально на входе в турбину, на корпусе 1 установлено торцевое контактное уплотнение 9 с приводом перемещения последнего (на чертеже не показан) с возможностью перекрытия утечек газа через передний зазор 6. Валы 3 и 5 роторов соединены с коаксиально расположенными входными валами 10 и 11 планетарно-дифференциального механизма 12, причем вал 3 ротора 2 соединен с внешним валом 10, а вал 5 ротора 4 - соответственно с внутренним валом 11.
Планетарно-дифференциальный механизм 12 содержит солнечное колесо 13, связанное с внутренним валом 11, эпицикл 14, связанный с внешним валом 10, водило 15, связанное с выходным валом 16 механизма 12, и блок сателлитов. Каждый из сателлитов выполнен в виде установленной на водиле 15 основной зубчатой шестерни 17, жестко связанной с соответствующей дополнительной шестерней 18. При этом основные шестерни 17 введены в зацепление с солнечным колесом 13, а дополнительные шестерни 18 введены в зацепление с эпициклом 14, причем диаметр дополнительных шестерен 18 выбран из условия неравенства диаметру основных шестерен 17. Установка содержит зубчатую передачу, включающую редуктор 19, соединенный на входе с выходным валом 16 механизма 12, а на выходе - с валом 20 гребного винта 21. На роторах 2 и 4 установлены тормозные устройства 22 и 23 соответственно.
Установка работает следующим образом. На режиме прямого хода наружный ротор 2 биротативной турбины полностью заторможен тормозным устройством 22, а внутренний ротор 4 биротативной турбины свободно вращается при выключенном тормозном устройстве 23. Таким образом, биротативная турбина превращается в традиционную газовую турбину с неподвижными сопловыми аппаратами. Эффективность турбины повышается за счет использования многоступечатой схемы силового агрегата и исключения утечек газа путем перекрытия контактным торцевым уплотнением 9 переднего зазора 6. На режиме прямого хода внутренний ротор 4 через вал 5 вращает внутренний вал 11 планетарно-дифференциального механизма 12 при неподвижном наружном валу 10. При этом солнечное колесо 13, связанное с валом 11 и находящееся в зацеплении с основными зубчатыми шестернями 17, приводит во вращение блок сателлитов, который, обкатываясь дополнительными шестернями 18 по неподвижному эпициклу 14, в свою очередь приводит во вращение водило 15. В этом случае водило 15 и выходной вал 16 планетарно-дифференциального механизма 12 вращается в том же направлении, что и внутренний ротор 4 турбины. При реализации режима обратного хода открывается торцевое уплотнение 9, внутренний ротор 4 биротативной турбины заторможен соответствующим тормозным устройством 23, а тормозное устройство 22 наружного ротора 2 выключено и наружный ротор 2 свободно вращается.
Таким образом, биротативная турбина вновь превращается в традиционную газовую турбину с неподвижными сопловыми аппаратами, но при этом расторможенный ротор 2 вращается в противоположном направлении. На режиме обратного хода наружный ротор 2 биротативной турбины через вал 3 вращает внешний вал 10 планетарно-дифференциального механизма 12 при неподвижном внутреннем валу 11. При этом эпицикл 14, связанный с валом 10 и находящийся в зацеплении с дополнительными зубчатыми шестернями 18, приводит во вращение блок сателлитов, который обкатывается основными шестернями 17 по неподвижному солнечному колесу 13 и приводит во вращение водило 15. В этом случае последнее, и соответственно, выходной вал 16 планетарно-дифференциального механизма 12 вращается в том же направлении, что и наружный ротор 2 биротативной турбины, т.е. осуществляется реверс хода. Поскольку на режиме обратного хода применение торцевого уплотнения 9 при вращении наружного ротора 2 невозможно, исключить утечки газа через передний ротор 6 также невозможно, поэтому кпд турбины несколько ниже, в том числе из-за ухудшения работы первой и последней ступеней турбины. Однако некоторое снижение эффективности силового агрегата на режиме обратного хода допустимо, поскольку на этом режиме требуются мощности порядка 20-40% от мощности прямого хода, при этом время работы установки невелико. При одновременном затормаживании роторов 2 и 4 биротативной турбины соответствующими тормозными устройствами 22 и 23 обеспечивается режим «стоп-винт». В этом случае при работающем газотурбинном двигателе мощность на планетарно-дифференциальный механизм 12 не передается, торцевое уплотнение 9 открыто, а входящий в турбину газ с высокой температурой и давлением, не совершая полезной работы, дросселируется через ряд неподвижных рабочих лопаток обоих роторов и поступает в выхлопное устройство (на чертеже не показано).
Таким образом, использование многоступенчатой схемы силового агрегата, применение контактного уплотнения в зазоре между корпусом и наружным ротором, возможность изменения передаточного числа планетарно-дифференциального механизма и улучшение согласования режимов работы турбины и гребного винта позволяют повысить кпд установки.