Судовые энергетические установки

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Судовая энергетическая установка — это комплекс механизмов, аппаратов, устройств и трубопроводов, предназначенных для обеспечения движения судна с заданной скоростью, а также для снабжения энергией различных механизмов, систем, устройств и др.

Основная часть энергии расходуется на приведение судна в движение; для этой цели на судне имеется главный двигатель, который вырабатывает механическую энергию, потребляемую судовым движителем. Механическая энергия в главном двигателе почти всегда получается в результате преобразования тепловой энергии, образующейся при сжигании топлива. Такие двигатели называются тепловыми и подразделяются на две основные группы — двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и паровые. ДВС используют энергию газов, образующихся при сжигании топлива в двигателе или в специальном генераторе газа; к ним относятся дизели и газовые турбины. Паровые двигатели используют энергию пара, который образуется в паровых котлах при сжигании в них топлива; к ним принадлежат паровые машины, широко применявшиеся раньше, но в настоящее время почти исчезнувшие, и паровые турбины. На подводных лодках, реже — на надводных кораблях и гражданских судах, применяются атомные энергетические установки, использующие энергию деления атомов тяжелых элементов (уран и др.) для получения пара, вращающего турбину. Встречаются комбинированные установки, например, дизель-газотурбинные. Имеются также вспомогательные установки.

В зависимости от способа превращения тепловой энергии в механическую двигатели подразделяются на поршневые, у которых возвратно-поступательное движение поршней, на которые действует давление газов — продуктов сгорания, преобразуется во вращательное движение коленчатого вала; турбинные, у которых газ действует на лопатки рабочего колеса, насаженного на вал; реактивные, создающие тягу как реакцию струи газов, вытекающих из сопла двигателя.

К судовым энергетическим установкам предъявляются довольно разнообразные требования, в том числе экономичность, компактность, надежность, большой моторесурс (продолжительность работы без капитального ремонта), быстрая готовность к работе.

На современных гражданских судах в качестве главных двигателей почти исключительно применяются дизели, как наиболее экономичные, хотя сравнительно тяжелые и громоздкие. Более разнообразны энергетические установки военных кораблей, которые обладают высокой мощностью и должны эффективно работать как на полном, так и на экономическом ходу.

Дизельная ЭУ состоит из дизеля, топливоподающей системы, системы смазки, системы охлаждения, пусковой системы. Дизель имеет несколько цилиндров, объединенных в единый блок. Цилиндры опираются на неподвижную часть — станину, установленную на фундаменте, который передает возникающие при работе дизеля нагрузки на корпус. Нижняя часть станины с фундаментной рамой образует картер.

Внутри каждого цилиндра перемещается поршень, который с помощью шатуна передает движение коленчатому валу. Рабочий процесс в цилиндре ДВС состоит из последовательно сменяющих друг друга процессов всасывания воздуха в цилиндр, сжатия воздуха, сопровождающегося его нагревом, впрыска топлива, воспламенения и расширения горячих газов (рабочий ход), выхлопа отработавших газов. Эти процессы могут происходить или за четыре хода поршня из одного крайнего положения в другое, или за два (вверх и вниз) — такие дизели называются соответственно четырехтактными и двухтактными. Четырехтактные двигатели несколько более экономичные, но и более громоздкие при равной мощности.

ДВС могут быть простого действия, если рабочий цикл совершается только в верхней полости цилиндра, и двойного действия, если в обеих. Они бывают малооборотные (до 250 об/мин), среднеоборотные (300 — 600 об/мин) и высокооборотные. С ростом оборотов (частоты вращения) уменьшаются размеры дизеля, его мощность, моторесурс, несколько ухудшается экономичность, но при постоянной частоте вращения гребного винта требуется редуктор больших размеров. Малооборотные дизели работают непосредственно на гребной винт. Различают также крейцкопфные и тронковые дизели: первые имеют шатун с ползуном, вторые — без ползуна. У карбюраторных двигателей, в отличие от дизелей, топливо воспламеняется не само, а от электрической искры. К.п.д. судовых дизелей — до 45 %.

Паротурбинные установки включают паровые котлы с системами подачи топлива, воды, воздуха и отвода пара и дыма (отработавших газов), паровые турбины, к которым подводится пар от котлов, конденсаторы, где отработавший пар снова превращается в воду, и другие элементы.

Котлы современных судов работают, как правило, на жидком топливе (мазуте), более дешевом, чем дизельное топливо. Котел состоит из корпуса, топки и газоходов. В корпусе находятся вода (внизу) и пар (вверху). В топке сжигается топливо. Дымовые газы выходят в дымовую трубу по газоходам.

Паровые котлы могут быть огнетрубными (огонь в трубах, вода снаружи), водотрубными (вода в трубах, огонь снаружи) и комбинированными. На современных судах устанавливаются только водотрубные котлы. Для повышения экономичности паротурбинной СЭУ стремятся повысить параметры пара: температуру и давление на выходе из котла. Так, на отечественных крупнотоннажных танкерах давление пара составляет 80 атм. (8 МПа), а температура — 515 0 С. К.п.д. котлов достигает 93 %.

Паровая турбина преобразует потенциальную энергию сжатого пара в кинетическую энергию скоростной струи пара, а затем в механическую работу вращения вала. Турбина состоит из одного или нескольких соединенных колес, насаженных на общий вал с радиально расположенными криволинейными рабочими лопатками. Вращающаяся часть с лопатками называется ротором, а неподвижная — статором. В турбине давление пара уменьшается во много раз, а объем соответственно увеличивается, поэтому турбины делают двух- и трехкорпусными (турбина высокого, среднего и низкого давления, которые отличаются по своим размерам и связаны общим паропроводом). В связи с тем, что турбина может вращаться только в одну сторону, для получения заднего хода приходится делать турбину заднего хода, мощность которой меньше основной, или устанавливать винт регулируемого шага. Турбины бывают активными (увеличение скорости струи происходит только в неподвижном направляющем аппарате турбины) и реактивные (расширение струи пара происходит также в рабочем колесе благодаря специальному профилированию лопаток).

Паровые турбины быстроходные (до 6000 об/мин), поэтому для передачи мощности к гребному винту необходим зубчатый редуктор, обычно двухступенчатый, или другой механизм. Турбина с редуктором образуют главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА). К.п.д. обычных турбин — около 30 %.

Пар низкого давления из турбины поступает в конденсатор, внутри которого находятся трубки, по которым с помощью циркуляционного насоса или за счет скоростного напора при ходе судна прокачивается холодная вода. Давление внутри конденсатора пониженное. Пар превращается в воду и вновь подается в котел.

Газотурбинные установки объединяют в себе преимущества паровых турбин и ДВС. В отличие от паровой турбины, в газовой турбине рабочим телом является не пар, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС, превращение энергии рабочего тела в механическую происходит в результате не возвратно-поступательного, а вращательного движения.

Газовая турбина, как и паровая, является нереверсивной, поэтому для реверса требуется или турбина заднего хода, или ВРШ.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из газовой турбины, в которой тепловая энергия горячих газов превращается в механическую; воздушного компрессора, засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов); трубопроводов для подвода воздуха к генератору газа, подачи газов от него в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств, обеспечивающих использование тепла отработавших газов. Имеются также топливная и масляная системы и другие элементы.

В ГТУ с камерой горения воздух засасывается компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого давления, а затем через воздухоподогреватель — в камеру горения, куда также впрыскивается топливо. Продукты сгорания поступают в турбину.

Имеются ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ), работающими по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора и двух буферных цилиндров. В рабочем цилиндре (малого диаметра, расположенном в центре СПГГ) сгорает топливо, в результате чего поршни расходятся — происходит рабочий ход. При этом воздух в компрессорных цилиндрах (большего диаметра, расположенных на продолжении рабочего цилиндра) сжимается; одновременно сжимается и воздух в буферных цилиндрах, меньшего диаметра и расположенных снаружи (по одной линии). Газы из рабочего цилиндра через выпускные окна уходят к турбине, сжатый компрессором воздух подается в рабочий цилиндр, а поршни сближаются под давлением воздуха в буферных цилиндрах.

ГТУ с СПГГ довольно компактны, характеризуются небольшой массой и умеренным расходом топлива, очень быстро готовятся к действию. Высокая температура газов приводит к снижению моторесурса, правда, эти двигатели сравнительно легко заменяются при ремонте. Газотурбинные установки на крупных гражданских судах применяются редко (в СССР были построены газотурбоходы «Капитан Смирнов» с ГТУ мощностью 50 000 л.с. (36800 кВт), сухогруз «Парижская коммуна», серия лесовозов типа «Павлин Виноградов» и некоторые другие). Более широкое распространение получили ГТУ там, где требуются большие мощности при малых габаритах: на небольших скоростных судах, например, СПК и СВП, а также на надводных боевых кораблях, где они нередко комбинируются с дизельными установками: дизели обеспечивают движение экономическим, а ГТУ — полным ходом.

На некоторых типах гражданских судов и военных кораблей нашли применение атомные энергетические установки (АЭУ). АЭУ состоит из паропроизводящей установки (ППУ) и паровой турбины (ГТЗА), через редуктор работающей на гребной винт. Основной элемент ППУ — атомный реактор в виде вертикального цилиндра со сферическими крышками, в котором находятся тепловыделяющие элементы — ТВЭЛы — трубки, содержащие ядерное топливо — обогащенный уран-235. В реакторе происходит регулируемая реакция деления ядер урана с образованием нейтронов, разлетающихся в разные стороны, и g-излучения, представляющего большую опасность. Нейтроны задерживаются замедлителем, который при этом сильно нагревается, а g-излучение — биологической защитой большой толщины и массы.

Реактор охлаждается теплоносителем, в качестве которого почти всегда используется очень чистая вода (бидистиллат – вода, дважды очищенная дистиллированием), хотя известны попытки (в США и в СССР) применения жидкометаллических теплоносителей, которые, обладая рядом важных преимуществ, оказались опасными в эксплуатации. Вода, охлаждающая реактор, закипает при высоких температуре и давлении, образующийся радиоактивный пар течет по трубам первого контура, находящимся внутри биологической защиты. Тепло первого контура передается второму контуру, в трубках которого также циркулирует вода — такие реакторы называют водо-водяными. Пар, образующийся во втором контуре, имеет более низкие параметры (давление и температуру), чем в первом контуре, но радиоактивность его невелика. Этот пар вращает турбину. В остальном принцип работы АЭУ подобен обычной паротурбинной установке.

Сам реактор и биологическая защита имеют большую массу (при умеренных габаритах), но зато расход топлива в АЭУ примерно в 2 000 000 раз меньше, чем в обычных установках. При высокой мощности и значительной дальности плавания АЭУ может оказаться наиболее выгодной. В отечественном гражданском флоте АЭУ широко применяются на ледоколах, на отдельных судах ледового плавания. За рубежом также делались попытки использования АЭУ на гражданских судах, но они закончились неудачами. В военных флотах АЭУ применяются на подводных лодках (например, США отказались от строительства дизель-электрических лодок), авианосцах и некоторых других крупных надводных кораблях, позволяя длительное время плавать с большими скоростями.

Назначение и состав судовых энергетических установок (СЭУ)

Судовая энергетическая установка (СЭУ) – сложный комплекс технических средства, предназначенных для обеспечения движения судна и снабжения энергией всех его потребителей.

Потребности в различных видах энергии на современном судне огромны и разнообразны: обеспечение движения и маневрирования, безопасности мореплавания, работы палубных механизмов и устройств, электрического освещения и сигнализации, работы средств судовождения и комплексной автоматизации, общесудовых нужд и создания условий для нормальной жизнедеятельности экипажа и пассажиров; механизация различных операций, выполняемых на судне в процессе эксплуатации и в ремонте.

В состав СЭУ входят главные и вспомогательные энергетические установки и комплексы.

Главной энергетической установкой (ГЭУ) называют ту часть СЭУ, которая обеспечивает движение судна (приводит в действие главные двигатели).

Эту часть СЭУ называют также пропульсивным комплексом (пропульсивной установкой).

На транспортных судах и военных кораблях на обеспечение движения затрачивается 80…90% всей вырабатываемой энергии. На судах технического флота (земснарядах, плавучих самоходных кранах и т.п.) суммарная мощность основных технических средств (рефульных насосов, подъемных кранов и т.п.) может превышать мощность, необходимую для движения судна. Поэтому для таких судов главной является энергетическая установка, обеспечивающая энергией основные технические средства, которые обеспечивают выполнение основных задач по предназначению этих судов.

ГЭУ состоит из главных двигателей, главных установок для выработки рабочего тела (пара, газа), главных передач, судовых валопроводов и движителей, систем дистанционного автоматического управления главными двигателями и электрогенераторами; механизмов автоматизированного централизованного контроля рабочих параметров; механизмов теплообменных аппаратов и других устройств, обеспечивающих работу главных генераторов рабочих тел и главных двигателей пропульсивной установки – насосы, маслоохладители, теплообменные аппараты и другие устройства.

В качестве главных двигателей могут применяться паротурбинные, газотурбинные, а также дизельные двигатели. При этом в одной ГЭУ могут использоваться в качестве главных двигатели различных типов.

В последние годы ХХ сложилось следующие соотношение в применении типов главных двигателей: на 986 судах дейдвейтом более 2000 т, построенных в 1996 году, из 1103 главных двигателей суммарной мощностью 10.261,8 МВт используются 11 паротурбинных агрегатов, 12 газотурбинных двигателей и 1080 дизелей. Таким образом, на судах в качестве главного двигателя применяются в основном дизели (двигатели внутреннего сгорания). Однако, это не значит, что будущий судовой механик не должен изучать прочие типы двигателей.

Передачами называются устройства, через которые энергия главных двигателей передается на судовой валопровод. Передачи бывают механическими, гидравлическими, гидродинамическими и электрическими.

Судовой валопровод передает механическую энергию от главного двигателя (или от фланца передачи) на двигатель.

В качестве движителей используются гребные винты фиксированного или регулируемого шага, водометные и крыльчатые движители. В последние годы появились разработки магнитодинамических движителей с внутренним или внешним магнитным полем. Однако пока что КПД такого движителя слишком низок из-за сравнительно низкой электропроводности морской воды.

Вспомогательные энергетические установки (ВЭУ) являются комплексами, предназначенными для удовлетворения потребностей в энергии общесудовых потребителей и обеспечения функционирования пропульсивной установки.

К ВЭУ относятся электроэнергетическая установка (судовая электростанция), вспомогательный паровой котел, водоопреснительная и холодильная установки.

Судовая электростанция является автономным комплексом, обеспечивающим судно электрической энергией во время движения, на стоянке и при выполнении швартовых и грузоподъемных операций судовыми устройствами. В состав судовой электростанции входят вспомогательные первичные двигатели (паровые или газовые турбины, дизели), электрические генераторы, главный и местные распределительные щиты, трансформаторы, выпрямители, преобразователи, кабели для подачи питания к потребителям и системам (дистанционного и автоматического управления, аварийно-предупредительной сигнализации и защиты).

Мощность судовой электростанции зависит от типа и назначения судна. Особенно высокую мощность имеют электростанции пассажирских, промысловых, исследовательских судов и баз, на которых она может составлять 60…70% мощности главных двигателей. На универсальных сухогрузных судах и танкерах мощность электростанции, как правило, составляет 15…25% мощности главного двигателя.

Вспомогательная котельная установка обеспечивает судно и энергетическую установки паром и горячей водой. В ее состав входят вспомогательные, утилизационные и комбинированные котлоагрегаты, насосы, вентиляторы, теплообменные аппараты, другое оборудование, устройства и системы обслуживания котлов, дистанционное автоматическое управление, аварийно-предупредительная сигнализация и защита.

Водоопреснительная установка предназначена для получения пресной воды из морской на судах со значительной длительностью и автономностью плавания.

Установка кондиционирования предназначена для поддержания комфортных параметров воздуха в помещениях СЭУ и других обитаемых помещениях (где возможно пребывание людей).

Кроме пропульсивной установки и вспомогательных энергетических комплексов в состав СЭУ входят устройства, обеспечивающие ее эксплуатацию и ремонт-защитные устройства, настил-площадки, трапы, поручни, подъемное и транспортное оборудование, мастерские и кладовые с запасными частями, приборами и материалами. Для этих же целей предназначены системы вентиляции машинного отделения, шумозащищенные выгородки и покрытия, тепловая изоляция горячих и холодных поверхностей.

Системы СЭУ объединяют главные и вспомогательные механизмы в единый энергетический комплекс. Системой СЭУ называется совокупность функционально взаимосвязанных механизмов, аппаратов, устройств, приборов и емкостей, предназначенных для выполнения задач по обеспечению функционирования СЭУ. В зависимости от назначения системы СЭУ делятся на топливные, масляные, охлаждения, сжатого воздуха, газоотвода, конденсатно-питательные, паровые, управления и контроля дистанционного и автоматического управления.

Судовые энергетические установки
Главная | О нас | Обратная связь

Лекция 1. ТЕМА: Введение. Судовая энергетическая установка

Классификация СЭУ. Назначение и требования к СЭУ.

Введение. Современное развитие транспортного флота характеризуется созданием высокопроизводительных грузовых, буксирных и пассажирских судов; повышением их мощности и скорости хода; оборудованием высокоэффективными и экономичными механизмами, устройствами, системами, средствами автоматизации и механизации; стандартизацией и унификацией отдельных механизмов и судовых энергетических установок в целом.

С ростом грузоподъёмности и скорости хода судов увеличивается их энергооснащённость и мощность главных двигателей. В связи с этим судовые энергетические установки, затраты на которые составляют около 35% общей строительной стоимости судов, оказывают большое влияние на технико-эксплуатационные и экономические показатели флота. Большое значение в повышении эффективности работы морского транспорта имеет техническая эксплуатация флота; на неё приходится около 50% расходов, отнесённых на себестоимость перевозок грузов.

Классификация СЭУ. Судовая энергетическая установка представляет собой комплекс технических средств (тепловых двигателей, агрегатов, механизмов и систем), предназначенных для автономного обеспечения судна всеми видами энергии, необходимыми для его использования по назначению.

Судовые энергетические установки классифицируются как по роду используемого топлива (с органическим и ядерным топли­вом), так и по типу двигателя — двигатели внутреннего сгорания (ДВС), паротурбинные установки (ПТУ) и газотурбинные (ГТУ), а также комбинированные, состоящие из двигателей различных типов.

Состав СЭУ. В состав СЭУ входят главные и вспомогательные энергетические установки.

Главная энергетическая установка включает в себя главный двигатель, главную судовую передачу, валопровод и движитель. Эти элементы главной СЭУ составляют судовой машинно-движительный комплекс (МДК), энергия которого используется для движения судна, а на траулерах и для привода в действие валогенераторов.

Для работы главной СЭУ необходимы:

— непрерывная подача топлива и воздуха к главным двигателям;

— подача смазки к узлам трения двигателя, главной передачи и судового валопровода;

— постоянный отвод теплоты от деталей, работающих в зоне высоких ­ температур, масла, воспринимающего теплоту трения, охлаждаю­щих жидкостей, непосредственно соприкасающихся с горячими деталями двигателя и выпускными газами;

— специальные средства для запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и отвода от них продуктов сгорания топлива.

Эти функции выполняют системы энергетической установки: топливная, масляная, охлаждения, сжатого воздуха и газовоздушная. Каждая из систем включает вспомогательные механизмы, обеспечива­ющие циркуляцию (перемещение) рабочих тел, емкости для их хране­ния, теплообменные аппараты, трубопроводы, арматуру, средства контроля и управления.

Для привода в действие вспомогательных механизмов нужна электрическая энергия, а для подогрева топлива — пар низких пара­метров. Источниками энергии для этих целей служат судовые электри­ческие станции (СЭС) и вспомогательные котельные установки (ВКУ).

Агрегаты СЭС и ВКУ со своими системами составляют вспомогатель­ные энергетические установки. Системы, обеспечивающие работу дизель-генераторов (ДГ), подобны системам главной СЭУ. Работу ВКУ обеспечивают топливная, конденсатно-питательная и газовоздушная системы.

Вспомогательные энергетические установки лишь формально считают вспомогательными. Они играют важную роль в обеспечении безопасности мореплавания, живучести судна и его функционировании по своему назначению. Вспомогательные энергетические установ­ки снабжают все потребители электроэнергией и паром низких пара­метров на судне, в том числе механизмы и оборудование систем главной энергетической установки.

Судовую энергетическую установку, как и само судно, собирают на верфи. Тепловые двигатели, паровые котлы, насосы, теплообменни­ки, средства управления и автоматики и множество других комплек­тующих изделий, даже находясь на складах судоверфи, еще не пред­ставляет собой судовой энергетической установки. Только смонтиро­ванное в энергетическом отсеке судна и надлежащим образом соеди­ненное между собой трубопроводами и электрическими кабелями оно обретает технические свойства судовой энергетической установки.

Судовая энергетическая установка состоит из комплекса оборудования (тепловых двигателей, механизмов, аппаратов, магистралей, систем), предназначенного для преобразования энергии топлива в механическую, электрическую и тепловую энергию и транспортировки её к потребителям.

Указанные виды энергии обеспечивают: движение судна с заданной скоростью; безопасность и надёжность плавания; работу механизмов машинного помещения, палубных механизмов и устройств; электрическое освещение; действие средств судовождения, управления механизмами, сигнализации и автоматики; общесудовые и бытовые нужды экипажа; выполнение различных производственных операций на транспортных судах, судах технического флота и специального назначения.

Требования к СЭУ. Судовая энергетическая установка должна удовлетворять следующим основным технико-экономическим и эксплуатационным требованиям:

– быть экономичной, т. е. строительная стоимость и эксплуатационные затраты на неё должны быть оптимальными;

– ГСЭУ должна обеспечивать заданную скорость хода судна, обладать достаточными маневренными качествами на всех режимах его движения и иметь высокий моторесурс;

– снабжать потребителей различными видами энергии и холодом при высокой экономичности процессов превращения тепловой энергии в механическую и электрическую;

– процессы управления и регулирования должны быть автоматизированы;

– быть надёжной, т.е. иметь оптимальную вероятность безотказной работы, требовать минимальное время на устранение неисправностей и сохранять работоспособность в аварийных ситуациях;

– при работе не оказывать вредного воздействия на обслуживающий персонал, пассажиров и не загрязнять окружающую среду;

– иметь малые габариты и массу.

В качестве главных и вспомогательных двигателей в ДЭУ применяются поршневые ДВС – дизели, работающие по открытому циклу.

Дизельные энергетические установки получили широкое распространение на судах различного назначения вследствие ряда положительных особенностей:

– возможности создания большого диапазона агрегатных мощностей на базе стандартных типоразмеров цилиндров;

– доступности использования различных типов передач;

– сравнительно высокой экономичности;

– относительной простоты автоматизации управления.

На транспортных судах новой постройки в качестве главных и вспомогательных двигателей устанавливают исключительно дизели.

На флоте в большинстве случаев в качестве главных применяют четырёхтактные дизели с наддувом, реверсивные среднеоборотные и нереверсивные повышенной оборотности.

В качестве вспомогательных обычно устанавливаются четырёхтактные дизели без наддува повышенной оборотности.

Широкому распространению дизелей в СЭУ способствует непрерывное улучшение их технико-экономических показателей путём совершенствования наддува и рабочего процесса, применения тяжёлых сортов топлива, использования двухконтурной системы охлаждения, повышения надёжности и моторесурса, автоматизации процессов управления, контроля и диагностирования.

Дальнейшее повышение экономичности судовых дизелей в основном должно происходить за счёт утилизации теплоты выпускных газов и охлаждающей дизель воды. Теплота, получаемая в утилизационном котле, работающем на выпускных газах, и охлаждающей дизель воды может быть использована в системе теплоснабжения судна или для получения искусственного холода. На теплоходах с большими агрегатными мощностями, работающих длительное время на постоянном режиме и потребляющих большое количество электроэнергии, пар, получаемый в утилизационных котлах, можно использовать в паровой турбине турбоэлектрогенератора.

Повышение экономичности ДЭУ тесно связано с увеличением уровня их надёжности и ресурса. Поэтому на перспективу предусматривается увеличение ресурса дизелей, приближение сроков службы дизеля к срокам службы судна, резкое увеличение сроков службы до первой переборки, сроков необслуживаемой работы, что позволит значительно снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Эффективное использование ДЭУ, надёжная их эксплуатация и высокая производительность труда обслуживающего персонала обеспечиваются комплексной автоматизацией установки.

Вопросы для самопроверки

Состав судовой энергетической установки.

Виды энергии, обеспечивающие движение судна.

Технико-экономические показатели судовой энергетической установки.

Судовые энергетические установки

1.3.1. Классификация сэу

Общепринятой классификации СЭУ вследствие их большого разнообразия не существует. Однако их различают по основным признакам:

— роду топлива: работающие на органическом (нефть, газ, уголь, синтетические топлива и т. п.) и ядерном;

— роду рабочего тела: паровые (пар) и газовые (продукты сгорания органического топлива или нагретый газ);

— типу ГД: дизельные, паротурбинные, газотурбинные, комби­нированные;

— способу передачи мощности к движителям: с прямой (непо­средственной), механической (редукторной), гидравлической, элек­трической и комбинированной передачами;

— числу валопроводов: одновальные и многовальные;

— числу ГД, работающих на один вал: одномашинные и мно­гомашинные;

— способу обеспечения реверса судна: с реверсивным ГД; с нереверсивным ГД и реверсредуктором или реверсивной муфтой; с нереверсивным ГД и обеспечением заднего хода с помощью ВРШ;

— степени автоматизации, способу управления и обслужива­ния: неавтоматизированные и частично автоматизированные СЭУ с местным постом управления и постоянной вахтой в МО; авто­матизированные СЭУ с ДАУ, с постоянной вахтой в центральном посту управления (ЦПУ) и периодическим обслуживанием в МО (степень автоматизации А2); автоматизированные СЭУ с ДАУ, без постоянной вахты в ЦПУ и МО и с периодическим обслужива­нием (степень автоматизации А1).

Дадим некоторые пояснения и дополнения к такой классифи­кации СЭУ.

В ДУ главный двигатель — дизель. Это самый экономичный и универсальный в использовании судовой ГД, поэтому он широко применяется. Различают малооборотные дизели — МОД (Судовые энергетические установки), работающие непосредственно на винт (через валопровод — прямая передача),среднеоборотные — СОД (Судовые энергетические установки) с передачей мощности на винт через зубча­тую или гидравлическую передачу ивысокооборотные — ВОД (Судовые энергетические установки) с зубчатой или электрической (через ГЭД) передачей мощности на винт. Совместно с зубчатой переда­чей дизель образуетдизель-редукторный агрегат (ДРА) и сама ДУ в этом случае называется дизель-редукторной (ДРУ). Со­вместно с электрогенератором дизель составляет дизель-генератор (ДГ) и ДУ называют дизель-электрической .

Применение паротурбинного двигателя сопряжено с необходи­мостью включать в состав установки паровой котел или пароге­нератор, в котором за счет сжигания органического углеводород­ного топлива или за счет тепловой энергии ядерного реактора вы­рабатывается водяной пар для паровой турбины.

Паротурбинные установки могут быть с зубчатой и электриче­ской передачами. В первом случае совместно с зубчатой передачей паровая турбина образует главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА), а во втором (совместно с электрогенератором) — глав­ный турбогенератор .

Главный двигатель газотурбинной установки — газотурбинный. В нем необходимое для работы газовой турбины рабочее тело — газ с относительно высокими давлением и температурой — полу­чают за счет теплоты сжигаемого органического топлива. Воз­можна работа ГТУ и на горячих газах, нагреваемых за счет теп­лоты ядерного реактора.

Газотурбинные установки открытого (незамкнутого) цикла подразделяют на установки с камерами сгорания и со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ), в современном судостроении не применяющимися. В совре­менных ГТУ энергия на движитель передается посредством зубчатой, гидравлической или комбинированной передач. Агрегат газовая турбина — электрогенератор называют газотурбогенера­тором .

Дизельные установки работают на органическом топливе. Паро- и газотурбинные установки, как отмечалось, могут работать как на органическом, так и на ядерном топливе. Паро- или газо­турбинная установка, работающая на ядерном топливе, называ­ется ядерной или атомной и обозначается ЯПУ (АПТУ) или ЯГТУ (АГТУ).

Комбинированной СЭУ считается такая, в которой применены два типа ГД. Комбинированные СЭУ разделяют обычно на два типа: с термодинамически связанными циклами и не связными циклами. В установке первого типа энергия из одного цикла (контура установки) пе­редается в другой цикл (контур). Например, если с помощью теп­лоты выпускных газов ГТД генерируется пар для ПТУ, работаю­щей на гребной вал или на компрессор ГТД, то СЭУ называется комбинированной газопаротурбинной установкой — ГПТУ (основной цикл — газовый; такую установку называют и ГТУ с тепло­утилизационным контуром — ТУК). Если основным циклом будет паровой, а дополнительным — газовый, установка называется ком­бинированной парогазотурбинной ПГТУ (например, выпускные газы высоконапорного парового котла идут в газовую турбину, ко­торая приводит компрессор, подающий воздух в топку котла).

К комбинированным СЭУ можно отнести и ДУ с ТУК, мощ­ность паровой турбины которого передается на гребной вал или используется для привода электрогенератора (в свою очередь, электроэнергия расходуется на общесудовые потребители и на привод ГЭД). Такую установку можно назвать дизель-паротурбинной.

Комбинированные установки применяют е целью повышения КПД СЭУ, т. е. уменьшения удельного расхода топлива.

Комбинированные установки второго типа применяются в тех случаях, когда судно имеет два ходовых режима, резко отличающихся по­требляемой мощностью и продолжительностью. Установки такого типа также называют смешанными. В таких установках ГД одного типа (обычно дизели — маршевые двигатели) обеспечивают длительный экономический ход, а двигатели другого типа (обычно газотурбинные — форсажные двигатели) — достиже­ние полной (форсированной и относительно кратковременной) ско­рости. В форсированном режиме могут работать совместно марше­вые и форсажные двигатели.

Многовальные СЭУ применяют при большой мощности ГД (на­пример, на атомных и дизель-электрических ледо­колах и на скоростных транспортных судах), при невозможности установить винт большого диаметра из-за ограничений корпуса (например, низкая осадка) и из соображений обеспечения повышенных маневренных качеств судна (часто на судах смешанного плавания в силу последних двух причин используется двухвальная установка с двумя ГД и винтами в насадках). На современных морских транспортных судах чаще всего устанавливают одновальные СЭУ (дизельные с прямой передачей и дизельные с зубчатой передачей). При этом тенденция к переходу на винторулевые колонки с электрической передачей увеличивает долю «двухвальных» морских судов.

Судовые энергетические установки

Энергоустановки морского судна

Вопрос о том, удастся ли получить высокие скорости у судов обычного или необычного типа, зависит прежде всего от прогресса в судовом машиностроении. Наибольшая мощность применяемых на судах энергетических установок составляет 85 тыс. кВт (на 30-узловом транспортном судне). Для 35-узлового судна потребуется уже мощность порядка 140—180 тыс. кВт. Наибольшие из построенных до сего времени энергетических установок имеют мощность 175 тыс. кВт (на пассажирском судне) и 265 тыс. кВт (на авианосце). Однако корабли обоих этих типов не могут сравниваться с транспортными судами, ибо эксплуатируются в совершенно иных условиях. Превышения указанных мощностей можно ожидать, когда речь идет о больших трансокеанских судах на воздушной подушке, для которых потребуются мощности порядка 350—550 тыс. кВт. Мощность тепловой электростанции, обеспечивающей электроэнергией город с миллионным населением, составляет около 200 тыс. кВт. Для размещения агрегатов и подсобных служб такой электростанции требуется производственная площадь около 10 тыс. м2, на борту же судна для размещения установки можно выделить только от 1000 до 1500 м2 площади. Отсюда вполне очевидно, что развитие судового машиностроения должно ориентироваться на двигатели с большой концентрацией мощности, требующие незначительных площадей и кубатуры. Какие типы главных двигателей имеются в настоящее время и появятся в будущем? Если говорить об обычных транспортных судах, то на них в подавляющем большинстве случаев стоят дизели и значительно реже паротурбинные установки.

Судовые энергетические установки

Судовые энергетические установки

1 — низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт; 2 — дизель-редукторная установка; 3 — паротурбинная установка; 4 — газовая турбина; 5 — атомная установка; 6 — газотурбинная установка с электрической передачей на винт

Газовые турбины и атомные установки, широко используемые в военном кораблестроении, до сих пор практически не нашли применения в торговом флоте. Однако так продолжаться не будет. По мере дальнейшего роста скоростей и размеров судов вопрос об увеличении мощности судовых энергетических установок делается все более актуальным. Одновременно к установке должны предъявляться следующие требования:

— малый объем, необходимый для ее размещения;

— относительно высокая надежность;

— длительный срок службы;

— низкий расход топлива. Разумеется, что энергетическая установка должна, кроме того, легко поддаваться автоматизации.

Из всех двигателей непосредственно на гребной винт могут работать только малооборотные дизели с частотой вращения 100—200 об/мин (в некоторых случаях до 300 об/мин). Все остальные типы двигателей вследствие слишком высокой для гребного винта частоты вращения требуют понижающего редуктора. Это создает условия для применения многомашинных установок, когда на один гребной винт через редуктор работает сразу несколько двигателей и мощность, передаваемая на винт, возрастает. Если 2—4 среднеоборотных дизеля будут работать на один редуктор, то мощность, передаваемую на один гребной винт, уже сейчас можно довести до 55 тыс. кВт. Дальнейшее увеличение мощности может быть достигнуто путем применения многовальных установок с двумя или тремя гребными винтами. Но для того, чтобы повышенную мощность перспективных главных двигателей превратить с помощью гребных винтов в толкающий судно упор, требуется еще исследовательская работа в области самих гребных винтов. 432 ee В настоящее время максимальная мощность, которую гребной винт может переработать, составляет у гражданских судов около 45 тыс. кВт и у боевых кораблей — примерно 65 тыс. кВт на один винт. Дальнейшее повышение мощности винтов только за счет увеличения их диаметров невозможно, так как диаметр гребного винта должен быть меньше осадки судна. Например, гребной винт 250 000-тонного танкера с энергетической установкой мощностью 24 тыс. кВт имеет диаметр 9,4 м и массу почти 60 т. Большие размеры гребных винтов создают значительные технологические трудности при отливке. Новые пути увеличения мощности открывает применение соосных, расположенных один за другим гребных винтов противоположного вращения.

Судовые энергетические установки

Движители для передачи большой мощности или для быстроходных судов

1 — трехвальная установка; 2 — гребной винт в насадке; 3 — соосные гребные винты противоположного вращения; 4 — водометный движитель

В этой связи нельзя не упомянуть часто применяемые гребные винты в насадках. Благодаря окружающей его кольцевидной насадке, винт может при одинаковой мощности и равных условиях эксплуатации обеспечить транспортному судну увеличение упора до 6%. Это немаловажное преимущество может использоваться, однако, только на тихоходных судах. На быстроходных применение винтов в насадках невыгодно, так как собственное сопротивление насадки перекроет выигрыш. Возникает естественный вопрос: нельзя ли ожидать изменения соответствующего положения по аналогии с авиацией? В авиации вопрос резкого повышения скорости полета, а следовательно, и мощности был решен путем перехода от винтовых движителей к реактивным. Почему, скажем, нельзя применить водоструйные реактивные движители на судах? На это вкратце можно ответить следующим образом. Создаваемая пропеллером самолета воздушная струя в силу физических законов не может достичь скорости, необходимой для сверхзвуковых самолетов или ракет. Поэтому нет иного пути повышения скорости отбрасываемой струи воздуха до требуемого уровня, кроме применения реактивных движителей, так что прогресс в авиации неминуемо ведет к реактивным движителям. В судостроении положение иное. И в будущем для достижения больших скоростей здесь могут применяться гребные винты, имеющие более высокий коэффициент полезного действия, чем у водометных движителей, состоящих из центробежного насоса и сопла. Водометные движители найдут применение в особенно благоприятной области — на быстроходных судах на подводных крыльях. До сих пор остался без ответа вопрос о том, какого именно типа энергетические установки будут преимущественно применяться в будущем. Сравнение массы и стоимости энергетических установок представляет в благоприятном свете многомашинные установки со среднеоборотными дизелями и, пожалуй, прежде всего газовые турбины. free pdf download Если в качестве главного судового двигателя принять газовую турбину, то можно уменьшить массу установки на 50% по сравнению с паровой турбиной и на 60% по сравнению с тихоходным дизелем, непосредственно работающим на гребной винт. При мощности 30 тыс. кВт экономия массы составляет от 1000 до 1500 т. Сравнение габаритов дает такие результаты: газовая турбина 20 тыс. кВт имеет длину 7 м, высоту 1,5 м, а массу всего 8,5 т. Длина же тихоходного дизеля примерно 20 м, высота около 10 м, а масса почти 1000 т. Если сравнивать энергетические установки в целом, а не только главные двигатели, разница будет несколько меньше, так как для газовой турбины требуются редуктор и сложная система каналов для подвода свежего воздуха и отвода отработавших газов.

Судовые энергетические установки

Судовые энергетические установки

Энергетические установки с низкооборотным дизелем и газовыми турбинами

Диапазон мощностей свыше 35 тыс. кВт до настоящего времени занимают паровые турбины. Однако и здесь в перспективе с ними будут конкурировать газовые турбины. Преимущественная сфера применения мощных двигателей — по-видимому, быстроходные контейнеровозы и суда с горизонтальной погрузкой. Скорости свыше 30 уз требуют мощностей от 55 до 100 тыс. кВт. При меньшем пределе газовая турбина будет иметь массу 20 т, в отличие от 1400-тонной паротурбинной установки. Еще более важной является экономия площади. Длина машинного отделения газотурбинного судна при указанной мощности будет вдвое меньше, чем у паротурбинного. Благодаря этому грузовместимость газотурбинного судна возрастет на 10—20%. Примерно в такой же степени возрастет количество перевозимого груза. С применением электрической передачи газовые турбины позволяют осуществить совершенно новые принципы компоновки машинных отделений. Например, в очень небольшом и низком помещении в корме можно расположить гребной электродвигатель, приводящий гребной винт через редуктор, Этот двигатель будет получать питание от главной электростанции — генераторов электрического тока, приводимых непосредственно газовыми турбинами. Поскольку главная электростанция может находиться в любом месте судна, ее можно разместить в сравнительно небольшом машинном отделении на палубе. При этом резко сократится длина воздушных и газоотводных каналов, газовые турбины будут легко доступны и замена их после истечения срока службы не составит ни малейшего труда.

Судовые энергетические установки

Газотурбоэлектроход с газовыми турбинами, установленными в надстройке

Однако для того, чтобы такой проект мог быть осуществлен, необходимо существенное снижение цен на электрооборудование. Кроме того, следует иметь в виду, что электрическая передача всегда связана с большими потерями мощности. Особую проблему представит также борьба с шумом, создаваемым работающими в надстройке на главной палубе газовыми турбинами. Кроме указанных, газовая турбина имеет и другие преимущества: малые расходы на обслуживание, возможность быстрой замены (в течение 4—6 ч), быстрая готовность к действию и, разумеется, большая концентрация мощности в очень малом объеме. Почему же, несмотря на многочисленные преимущества, газовые турбины до сих пор не нашли широкого применения в судовых энергетических установках? Это объясняется следующими причинами:

1) очень велик удельный расход топлива: газовая турбина расходует от 310 до 340 г на 1 кВт-ч, т. е. приблизительно на 40—50% больше, чем дизель.

2) в газовой турбине может сжигаться только легкое и потому дорогое топливо (например, дизельное), в то время как любой мало- или среднеоборотный дизель работает на тяжелом моторном топливе, стоимость которого на мировом рынке составляет около 60% стоимости дизельного топлива;

3) моторесурс, т. е. время между двумя переборками, у газовой турбины составляет всего 1500 ч, что намного ниже, чем у дизелей или паровых турбин.

Таким образом, если судовладелец решил поставить на свое судно газовую турбину, он должен иметь для этого достаточно веские основания. В будущем этот тип двигателей должен все чаще встречаться на быстроходных судах, ибо мощные энергетические установки другого типа окажутся более тяжелыми и займут значительно больше места, что неблагоприятно скажется на грузоподъемности и грузовместимости судна. Для очень быстроходных судов, особенно для судов на подводных крыльях и на воздушной подушке, газовые турбины представляют собой неизбежную необходимость. Повышения экономичности газовых турбин можно ожидать лишь в связи со снижением удельного расхода топлива. Но поскольку это наступит, по-видимому, не скоро, можно полагать, что в первое время увеличится число дизельных установок с редуктором, которые во многих случаях, особенно на быстроходных судах, заменят самый экономичный двигатель — малооборотный дизель. Если говорить об энергетических установках завтрашнего дня, нельзя обойти вниманием атомные энергетические установки. Установки такого типа уже доказали свою пригодность в качестве главных двигателей и безопасность эксплуатации на многочисленных боевых кораблях, а также на советских ледоколах «Ленин», «Арктика» и «Сибирь» и на трех гражданских судах. Однако атомные установки до сих пор еще неэкономичны. Существуют различные мнения о том, начиная с какой мощности атомные энергетические установки становятся экономичнее обычных. Результаты исследований колеблются между значениями 45 и 70 тыс. кВт. Естественно, что исследовательские работы в области применения атомной энергии для движения судов продолжаются; цель этих исследований — сдвинуть границу экономичности к более низким значениям мощности. Оптимистические прогнозы обещают, что через несколько лет атомные установки уже начиная с 15 тыс. кВт станут конкурентоспособными с энергетическими установками других типов.

Поскольку разведанных запасов нефти достаточно для того, чтобы и в 2000 г. покрывать мировые потребности в топливе, очевидно, не будет крайней необходимости в замене энергетических установок обычного типа атомными, особенно когда речь идет о сравнительно «малых» мощностях. Это нерационально уже хотя бы потому, что эксплуатация судов-атомоходов во многих странах мира регламентирована законодательными ограничениями. Эти законы, хотя и преследуют благую цель защиты окружающей среды, тем не менее, затрудняют эксплуатацию таких судов. Во многие порты вход судам с атомными установками вообще запрещен. Необходимые конструктивные мероприятия по обеспечению безопасности, к числу которых относится устройство тяжелого защитного контейнера для атомного реактора и ограждение реакторного отделения достаточным числом водонепроницаемых переборок на случай столкновения судов, не только сопряжен с увеличением массы, но и сильно увеличивают стоимость атомной установки по сравнению с установками обычного типа. Атомные энергетические установки в будущем смогут стать экономичными там, где требуются большие мощности и где грузы перевозятся на дальние расстояния. У универсальных сухогрузных судов, многих специализированных транспортных и пассажирских судов такие предпосылки отсутствуют. Поэтому вопрос о применении атомной энергии на судах такого типа пока не стоит. В то же время немалая часть контейнеровозов со скоростями 30 уз и более, а также супертанкеров и больших судов для перевозки навалочных грузов к концу века перейдет на атомную энергию. Так например, имеются сообщения прессы о том, что в США заказано три 600 000-тонных танкера-атомохода. Окончание их постройки намечено на 1985—1987 гг. По некоторым оценкам, к этому периоду в мире будет насчитываться уже около 2500 судов-атомоходов с энергетической установкой мощностью более 70 тыс. кВт. Однако ожидают, что теперешние установки с водяным реактором под давлением и паровой турбиной уступят место газоохлаждаемым высокотемпературным реакторам в сочетании с газовой турбиной.

До XXI века широкого применения атомной энергии в морском торговом флоте не предполагается. Для последующего периода возникают дополнительные проблемы. Будет ли к тому времени иметься еще достаточное количество обогащенного урана — топлива для атомных реакторов? Не истощатся ли месторождения урана в связи с быстро растущей сетью атомных электростанций еще раньше, чем нефтяные месторождения? Поскольку на атомные энергетические установки не возлагается чрезмерных надежд, поиски новых первичных источников энергии являются важной задачей. Известно, что уже появились и работают достаточно мощные батареи, составленные из топливных элементов. Однако, поскольку у двигателей этого типа трудно будет добиться большой концентрации мощности, их применение и в будущем, по-видимому, ограничится автомобильным и железнодорожным транспортом. Таким образом, и в дальнейшем наибольшее значение будут иметь двигатели внутреннего сгорания, а также газовые и паровые турбины. Ветер, тысячелетиями служивший в качестве движущей силы судов, также не будет оставлен без внимания. Возможности использования парусных судов, правильного планирования их рейсов растут вследствие улучшения качества прогнозирования погоды. Эти соображения привели к созданию проекта парусного судна «Дина». В этом проекте идет речь о шестимачтовом паруснике, который будет использоваться либо для перевозки грузов, либо в качестве круизного пассажирского судна. Средняя скорость его будет лежать в пределах 12—16 уз, а максимальная — до 20 уз. Паруса будут обслуживаться автоматически, матросам не нужно будет подниматься на мачты. Для плавания во время штиля или при ветре до 4 баллов по шкале Бофорта предусмотрен вспомогательный дизель, который может сообщить судну скорость порядка 6 уз.

Судовые энергетические установки

Проект современного парусного судна типа «Дина» с автоматическим обслуживанием парусов

Под воздействием роста цен на топливо и уменьшения запасов нефти появилось большое число проектов различных парусных судов. Однако ни один из них до сих пор еще не реализован. Не представляется ли захватывающей перспектива экономического соревнования парусников и атомоходов в начале следующего тысячелетия? Однако не стоит возлагать чрезмерных надежд на возрождение парусного флота. Главные двигатели торговых судов и после 2000 г. в основном будут принципиально того же типа, что и в наше время. Помимо того появятся еще атомные энергетические установки, если, конечно, оправдаются надежды на существенное снижение цен на ядерное горючее. Но сбудутся ли эти надежды, неизвестно. Во всяком случае, ясно, что прогресс в этом направлении будет непрерывно продолжаться, если высокие скорости станут всеобщим явлением на морском транспорте. Однако гораздо сильнее, чем тенденция к повышению скоростей, наблюдавшаяся в прошлые годы и ожидаемая в дальнейшем, будет проявляться в международном морском судоходстве стремление к повышению экономичности за счет увеличения размеров судов и сокращения их стояночного времени.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *