Энергетические установки на судах это

Обновлено: 04.12.2022

Электроэнергетической системой (ЭЭС) называется совокупность устройств, предназначенных для генерирования электроэнергии, ее преобразования, передачи и распределения между потребителями.

По назначению ЭЭС можно разделить на главные, обеспечивающие электроэнергией главные гребные электродвигатели судна – ГЭД (в энергетических установках с главной электрической передачей), вспомогательные и специального назначения. В зависимости от рода тока все судовые электроэнергетические системы разделяют на ЭЭС переменного и постоянного тока. В свою очередь судовые ЭЭС переменного тока можно разделить на системы стандартной (промышленной) частоты – 50 Гц, и высокочастотные электроэнергетические системы (как правило – 400 Гц), а также по значению напряжения основной силовой сети.

Энерговооруженность судна зависит от общей установленной мощности потребителей электроэнергии, назначения судна, а также основных режимов потребления энергии в соответствии со специфическим назначением судна.

В состав ЭЭС судна в общем случае входят следующие основные компоненты:

  • источники электроэнергии, к которым относятся все средства генерирования электроэнергии: первичные двигатели, электрогенераторы, химические источники тока – аккумуляторные батареи;
  • устройства преобразования электроэнергии. К ним относятся статические и машинные преобразователи электроэнергии, трансформаторы;
  • распределительные устройства, предназначенные для распределения выработанной и преобразованной электроэнергии по конечным потребителям. К ним относятся главные распределительные щиты – ГРЩ, которые, в свою очередь, могут состоять из отдельных специализированных секций; распределительные щиты – РЩ; щиты отдельных потребителей, а также пульты управления;
  • силовые сети, представляющие собой кабельные линии связи между источниками электроэнергии, распределительными устройствами и потребителями электроэнергии. В общем случае ЭЭС судна может состоять из следующих электрических сетей: основной силовой сети, сети постоянного и переменного тока, сети нормального и аварийного освещения, сети переносного освещения и других локальных сетей в соответствии с характеристиками потребителей электроэнергии (например, сетей электропитания систем автоматики, специальных сетей и др.);
  • потребители электроэнергии;
  • средства управления, электрической защиты потребителей и сетей, сигнализации.

Организационно и технически источники электроэнергии и основные распределительные устройства скомпонованы в судовые электростанции – СЭС. Судовая электростанция обычно включает в свой состав: источники электроэнергии; распределительные устройства – секции ГРЩ и распределительные устройства отдельных, наиболее важных потребителей; пульты управления и контроля режимов работы ЭЭС; коммутационную и защитную аппаратуру; автоматические выключатели; аппаратуру измерения, контроля и регулирования параметров электроэнергии.

По своему основному назначению все судовые электростанции можно разделить на три вида: главные электростанции – обеспечивающие электроэнергией гребные электродвигатели (ГЭД) на судах с электродвижением; общесудовые электростанции – обеспечивающие электроэнергией потребители главной энергетической установки и общесудовые потребители на всех режимах работы судна; аварийные электростанции – обеспечивающие работу отдельных, наиболее важных потребителей при выходе из строя общесудовых электростанций.

Для обеспечения максимальной живучести судна при аварийных повреждениях общесудовые и главные электростанции размещают в наиболее защищенных частях судна, как правило – в машинных отделениях или непосредственно вблизи них. Аварийные электростанции располагают в помещениях, расположенных выше самой верхней непрерывной палубы вне шахт машинных отделений, и имеющих непосредственный выход на открытые палубы судна.

По установленной мощности СЭС можно разделить на электростанции малой мощности – 250 ÷ 1500 кВт; электростанции средней мощности – 1500 ÷ 6000 кВт; и электростанции большой мощности – свыше 6000 кВт. По способу управления электростанции делятся на автоматические и автоматизированные с дистанционным управлением.

Число электростанций на судне зависит от его основного назначения и энерговооруженности, а их число может быть от одной до трех. При наличии на судне нескольких электростанций, их обычно называют по месту размещения основных источников электроэнергии. Например, на судне с двумя электростанциями, их называют носовой и кормовой или электростанциями левого и правого бортов; при наличии на судне трех элкутростанций их назвают носовой, средней и кормовой или электростанциями левого, правого борта и средней.

Литература

Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]

Судовая энергетическая установка (СЭУ) – назначение, классификация

Судовой энергетической установкой называется комплекс технических средств для обеспечения движения судна с необходимой скоростью, выработки механической, тепловой, электрической энергии, и обеспечения этими видами энергии всех потребителей для безопасного и эффективного функционирования судна в соответствии с его типом и назначением.

В состав СЭУ входят (рис. 1):

  • главная энергетическая установка (ГЭУ) – комплекс технических средств для обеспечения поступательного движения судна и его маневрирования, а также обеспечения всеми видами энергии потребителей судна на ходу;
  • вспомогательная энергетическая установка (ВЭУ) – комплекс технических средств для обеспечения судна всеми необходимыми видами сред и энергий, обеспечения заданного функционирования ГЭУ и общесудовых потребителей, не связанных с движением судна;
  • электроэнергетическая система (ЭЭС) – комплекс источников электроэнергии и распределительных устройств, обеспечивающих все потребности судна электроэнергией.

Судовые главные энергетические установки могут быть классифицированы по следующим признакам:

  • по роду топлива:
    • -работающие на природном органическом топливе;
    • -использующие ядерную энергию;
    • - на паровые – в качестве рабочего тела используется водяной пар;
    • - газовые – в качестве рабочего тела используются продукты сгорания органического топлива или нагретый газ;
    • - на дизельные;
    • - газотурбинные;
    • - паротурбинные;
    • - комбинированные;
    • - с прямой (непосредственной) передачей;
    • - с механической (редукторной) передачей;
    • - с гидравлической передачей;
    • - с электрической передачей;
    • - с комбинированной передачей;
    • -на одновальные;
    • -многовальные;
    • - на одномашинные;
    • - многомашинные;
    • - с реверсивными главными двигателями;
    • - с реверсивными главными передачами;
    • - с реверсивным движителем (ВРШ и др.);
    • - на неавтоматизированные;
    • - частично автоматизированные – с местным постом управления (ПУ) и постоянной вахтой в машинном отделении (МО);
    • - автоматизированные с дистанционным автоматическим управлением (ДАУ), с постоянной вахтой в центральном посту управления (ЦПУ) и периодическим обслуживанием МО (степень автоматизации А2);
    • автоматизированные с ДАУ, без постоянной вахты в ЦПУ и МО и с периодическим обслуживанием (степень автоматизации А1).

    Общая структурная схема судовой энергетической установки показана на рис. 1.

    Элементы СЭУ, входящие в состав главной энергетической установки, называют главными: главные двигатели, главные электрогенераторы, главные передачи, главные насосные агрегаты и т.д.

    В качестве генераторной части в различных типах установок могут использоваться:

    • свободнопоршневые генераторы газа – СПГГ;
    • ядерные газотурбинные установки – ЯГТУ;
    • ядерные паропроизводящие установки – ЯППУ;
    • главные паровые котлы;

    В качестве исполнительной части могут использоваться:

    • газовая турбина – в совокупности с СПГГ или ЯГТУ;
    • паровая турбина – в совокупности с ЯППУ или главными паровыми котлами;
    • паровая машина – в совокупности с главными паровыми котлами.

    Помимо рассмотренных выше основных элементов ГЭУ в ее состав также входят:

    • системы и вспомогательные механизмы, обслуживающие работу главных двигателей, механизмов и теплообменных аппаратов;
    • системы дистанционного и автоматического управления ГЭУ;
    • системы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты элементов ГЭУ.

    Механическая энергия, вырабатываемая главным двигателем, через главную передачу и валопровод передается на движитель. Совокупность главного двигателя, главной передачи, валопровода, движителя и корпуса судна называют пропульсивным комплексом.

    В состав вспомогательной энергетической установки, в зависимости от типа и основного назначения судна, могут входить:

    • вспомогательная паропроизводящая (котельная) установка;
    • водоопреснительная установка;
    • холодильная установка;
    • установка кондиционирования воздуха;
    • компрессорная установка;
    • гидравлическая установка;

    В состав электроэнергетической системы судна обычно входят:

    • источники электроэнергии (первичные двигатели, электрогенераторы, аккумуляторные батареи);
    • устройства преобразования электроэнергии (статические и машинные преобразователи, трансформаторы);
    • устройства распределения электроэнергии;
    • силовые сети;
    • потребители электроэнергии;
    • системы регулирования и защиты элект

    Литература

    Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]

    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.

    Паротурбинная установка (ПТУ) представляет собой совокупность агрегатов, двигателей и устройств, объединенных единой тепловой схемой. Рабочее тело (водяной пар) создается в паровом котле или в парогенераторе. Пар соответствующих параметров (давления и температуры) вращает паровую турбину. Прошедший через турбину отработавший пар поступает в конденсатор, где превращается в воду (конденсат), которая далее используется для питания парового котла. Таким образом, пароводяной цикл замыкается. Паровая турбина через зубчатую передачу передает вращающий момент через судовой валопровод на гребной винт. Паровые турбоустановки (ПТУ) судовой валопровод на гребной винт. Паровые турбоустановки (ПТУ) отличаются высокой надежностью и относительной простотой обслуживания.

    Газотурбинные установки отличаются тем, что в них главным двигателем является газовая турбина (газотурбинный двигатель), рабочее тело, для которой готовится в камере сгорания. В отличие от ПТУ для ГТУ не требуется громоздкий паровой котел. В результате ГТД является компактным и легким, имеющим высокую мощность. Это качество ГТД позволяет применять его в составе СЭУ достаточно эффективно, несмотря на меньшую экономичность. Однако, в связи с высокой скоростью вращения ротора ГТД его мощность не может быть передана на судовой валопровод непосредственно и поэтому необходимо применять промежуточные передачи мощность (зубчатые, гидравлические или комбинированные) с понижением числа оборотов. Выходящие из ГТД газы имеют высокую температуру (450…550ºС), а их количество весьма значительно. Это используется для получения водяного пара в утилизационном котле с дальнейшим применением пара для привода паровой турбины без дополнительных затрат топлива. В результате получается комбинированная газопаротурбинная установка (ГПТУ) или ГТУ с теплоутилизирующим контуром. Кроме того, ГТД может использоваться в качестве форсажного для достижения максимальной скорости хода в СЭУ с ПТУ или дизельной установкой.

    Дизельные СЭУ являются наиболее распространенными энергоустановками. В качестве главных двигателей в дизельных СЭУ применятся двигатель внутреннего сгорания – дизель. Дизели бывают малооборотные (n=50…250 об/мин), которые присоединяются к валопроводу непосредственно (прямая передача); среднеоборотные (n=250…750 об/мин) с передачей мощности на винт через зубчатую или гидравлическую передачу; высокооборотные (n=750…2500об/мин) с зубчатой или электрической (через гребной электродвигатель) передачи мощности на винт.

    СXEМЫ МОЩHОСТИ HА ВИHТ.

    По способу передачи мощности от двигателя к движителю (гребному винту) ССУ можно условно разделить на следующие основные виды:

    1. ПРЯМАЯ - установка с винтом фиксированного шага (ВФШ) или винтом регулируемого шага (ВРШ). Это наиболее простая и надёжная установка. В ней коленчатый вал двигателя жёстко соединён с гребным валом, при этом потери будут минимальными. Частота вращения главного двигателя (ГД) обычно не превышает 500 об/мин, что повышает надёжность работы, удобство эксплуатации, большой моторесурс и малый удельный расход топлива. Однако, нельзя одновременно получить высокие КПД винта т.к. это ограничено большими оборотами двигателя.

    2. РЕДУКТОРНАЯ - установка с зубчатой редукторной передачей. Такая установка с двумя и более ГД обладает повышенной живучестью и манёвренностью по сравнению с прямой передачей. Она включает в себя редуктор, состоящий из набора зубчатых колёс и валов. Подбором передаточного числа (i - отношение диаметров или числа зубьев колёс) можно получить самую выгодную частоту вращения.

    Недостаток: конструктивное усложнение, меньший моторесурс, больший удельный расход топлива, относительно низкий КПД за счёт потерь в редукторе.

    3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ - установка с электрической передачей. Такая передача состоит из гребного электродвигателя, электропроводников, генератора и дизеля (ДГ). Отсутствует жёсткая связь. Дизель-генераторов может быть несколько от 2-х до 8. Дизель вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию и она, через ГРЩ, поступает на электродвигатель, который, в свою очередь вращает гребной вал и винт судна. При этом происходит трансформация энергии - механическая преобразуется в электрическую и наоборот. Такие суда называют дизель-электроходами.

    Преимущества: высокие маневренные качества судна; возможность применения высокооборотных, нереверсивных ДВС и размещение их в любой части корпуса судна; повышение живучести всей ССУ.

    Недостатки: большая стоимость установки; низкий КПД передачи.

    Для сравнения, если КПД прямой передачи принять за 1, то КПД редукторной передачи будет ≈ 0,96, КПД электрической будет ≈ 0,87.

    Схемы передачи мощности ДВС на гребной вал:



    На рисунке а дана принципиальная схема силовой установки с прямой передачей мощности от главного ДВС 9 с маховиком 8 на гребной вал 3. Коленчатый вал двигателя жестко соединен с гребным валом при помощи короткого упорного вала 6 и двух промежуточных валов 4, установленных в опорных подшипниках 5. Гребной вал вращается в дейдвудной трубе 2. Упорный вал 6 выполнен заодно с упорным гребнем, который передает осевое усилие гребного винта 1 упорному подшипнику 7.
    Преимуществами прямой передачи являются высокий КПД передачи, простота ее устройства, надежность в работе.
    Недостаток прямой передачи — при работе двигателя на долевых нагрузках его мощность используется неэффективно, что приводит к значительному увеличению удельного расхода топлива. Кроме того, жесткая связь между двигателем и гребным винтом ухудшает маневренные качества судна, а частые реверсы значительно снижают моторесурс двигателя.
    Редукторные передачи используются в судовых силовых установках с быстроходными ДВС, применение которых дает определенные преимущества и в первую очередь уменьшение габаритных размеров и массы установок. В последние годы такие передачи нашли применение в сочетании со среднеоборотными ДВС, так называемые дизель-редукторные агрегаты.
    Силовые установки с редукторной передачей чаще всего включают в свой состав два главных ДВС, от которых мощность передается на один гребной вал через редуктор. Между коленчатым валом главных ДВС и редуктором устанавливаются индукционные или гидравлические муфты, которые сглаживают колебания крутящего момента двигателя, обеспечивая плавность зацепления шестерен редуктора, быстрое отключение валопровода от коленчатого вала, отключение одного из ДВС при неисправностях и т. д. Широко применяются фрикционные муфты.
    Редукторные передачи дают возможность применения в составе силовых установок обратимых электрических валомашин,позволяющих осуществлять отбор мощности от главных двигателей для питания судовых потребителей или, наоборот, использовать мощность судовой электростанции для увеличения скорости движения судна.
    На рисунке б дана принципиальная схема силовой установки с редукторной передачей от главных двигателей 5 к гребному винту 1. Главные двигатели через муфты 4 приводят во вращение валы редуктора с шестернями 3 и 6, которые вращают зубчатое колесо, соединенное с валопроводом 2 и гребным винтом 1. Усилие гребного вала воспринимается упорным подшипником, установленным в корпусе редуктора.
    К недостаткам редукторных передач (в сравнении с прямыми) относятся сложность конструкции, меньшие моторесурс и КПД передачи. Несмотря на эти недостатки, возможность рационального использования мощности двигателей при различных режимах работы судна, а также применение быстроходных ДВС относительно небольших размеров и массы делают редукторную передачу наиболее перспективной для промысловых судов.
    На рисунке вдана принципиальная схема силовой установки с электрической передачей мощности от главных двигателей к гребному винту 1. Главные ДВС 5 приводят в действие генераторы 4, вырабатывающие электрический ток, который подводится к распределительному щиту 3. От него электроэнергия подается к потребителям, в том числе и к гребному электродвигателю 2, соединенному с гребным винтом 1.
    Таким образом, происходит двойная трансформация энергии, что приводит к увеличению потерь в передаче и снижению ее КПД.
    Электрическая передача имеет ряд преимуществ перед прямой и редукторной. Ее применение позволяет: использовать нереверсивные быстроходные ДВС, размещая их независимо от гребных валов; эффективно использовать мощность силовой установки независимо от скорости вращения гребного винта; легко осуществлять реверс гребного электродвигателя (гребного винта) с помощью переключателей из машинного отделения и рулевой рубки; использовать главные генераторы для обеспечения электроэнергией вспомогательных механизмов.
    Несмотря на указанные преимущества силовые установки с электрической передачей на промысловых судах широкого применения не получили из-за сложности, высокой стоимости и низкого КПД оборудования по сравнению с другими видами передач. К недостаткам также относится необходимость увеличения числа обслуживающего персонала (в штат машинной команды дополнительно вводятся электромеханики). В настоящее время такие установки применяются главным образом на производственных рефрижераторах, консервных траулерах и некоторых транспортных судах.

    Это комплекс технических средств, предназначенных для преобразования химической или ядерной энергии топлива в механическую энергию движителя. По традиции основу классификации главных энергетических установок составляют тип главного двигателя и способ генерирования рабочего тела, обеспечивающего его работу. По этим признакам различают котломашинные, котлотурбинные, дизельные, газотурбинные, атомные и комбинированные энергетические установки.

    В котломашинных энергетических установках, являющихся разновидностью паросиловых установок, в качестве главных двигателей используется паровая машина, а рабочее тело (пар) генерируется в паровом котле, работающем на органическом топливе (твердом, жидком, газообразном). Паровая машина это тепловой поршневой двигатель возвратно-поступательного движения, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в механическую энергию вращения вала.


    Рис.4.1. Паровая машина: 1 – цилиндр низкого давления; 2 – цилиндр

    высокого давления; 3 – механизм управления; 4 – коленчатый вал; 5 – ползун

    Изобретение данного двигателя И.И.Ползуновым и Дж.Уаттом относится к 1763-74 г.г. На всем протяжении своего длительного использования она претерпела существенные изменения: от одноцилиндровой машины с выбросом отработавшего пара в атмосферу до машины многоступенчатого действия, в которой пар последовательно проходит через несколько цилиндров, а затем конденсируется. Мощность существующих паровых машин достигает 15 МВт, однако, большие массы и габариты, их низкий КПД. (20…25%), а вместе с котлом и паровой системой меньше 7%, практически к середине ХХ века исключили их применение на судах.

    В котлотурбинных энергетических установках, также относящихся к паросиловым установкам, главным двигателем является паровая турбина, тепловой ротативный двигатель, в котором энергия нагретого под давлением водяного пара преобразуется в механическую работу вращения вала.


    Рис. 4.2. Схема реактивной многоступенчатой паровой турбины:

    1- патрубок входящего пара; 2 – сопловые лопатки; 3 – рабочие лопатки; 4 – корпус турбины; 5 - патрубок выходящего пара; 6 – ротор турбины с рабочими лопатками; 7 – разгрузочный поршень; 8 – соединительный трубопровод для уменьшения осевых усилий

    Патент на паровую машину получил в 1883 г. Г.Лаваль (Швеция). КПД современных паровых турбин находится в пределах 89…94%, мощность достигает 27 МВт. Количество турбин, а также котлов в котлотурбинных энергетических установках может быть разное. Удельный расход топлива в таких установках составляет 230…300 г/(кВт ч), при этом с ростом их мощности КПД увеличивается, это обусловливает целесообразность их применения при мощности более 15…22 МВт. В настоящее время развитие котлотурбинных установок продолжается в направлении оптимизации параметров пара, регенерации и утилизации теплоты.


    Рис. 4.3. Котлотурбинная ЭУ: 1 – паровой котел; 2 – конденсатор; 3 - гребной винт;

    4 - гребной вал; 5 – редуктор; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления.

    В дизельной энергетической установке в качестве главного двигателя используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Это тепловой поршневой двигатель, в котором сгорание топлива, образование рабочего тела и совершение работы осуществляется в одном устройстве – цилиндре. По способу воспламенения они бывают двух видов: с принудительным зажиганием от электрической искры или запального шара и воспламенением топлива от сжатия.


    Рис. 4.4. Тронковый четырехтактный ДВС V-образной конструкции

    (шатун крепится непосредственно к поршню): 1 – поршень;

    2 – цилиндровая втулка; 3 – коленчатый вал

    Первый керосиновый двигатель с воспламенением от сжатия был создан Дизелем в 1897 г., чье имя дало название всем двигателям данного типа. ДВС классифицируются: по частоте вращения: – малооборотные (n £ 350 об/мин), среднеоборотные (350 < n £ 750 об/мин), повышенной оборотности (750 < n £ 1500 об/мин), высокооборотные (n >1500 об/мин); по средней скорости движения поршня – тихоходные, средней быстроходности и быстроходные. Основные достоинства ДВС – высокий КПД (до 48%), обусловливающий высокую топливную экономичность, высокая готовность к действию. К недостаткам таких двигателей можно отнести: значительные шум и вибрации, повышенный расход смазочного масла. Агрегатные мощности судовых ДВС достигают: малооборотные – 35 МВт, среднеоборотные – 24 МВт, высокооборотные – 5900 кВт. В настоящее время 90% судов морского флота оснащены дизельными энергетическими установками.

    Основой газотурбинной энергетической установки является газовая турбина – тепловой ротативный двигатель, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу вращения вала. Современные газовые турбины по конструкции и принципу действия идентичны паровым турбинам и отличаются от них сравнительно невысокими давлениями рабочего тела на входе и его высокой температурой. КПД газовых турбин составляет 92%. Совокупность газовой турбины, компрессора и камеры сгорания, конструктивно объединенные в единое целое, представляет собой газотурбинный двигатель – главный двигатель газотурбинной энергетической установки.


    Рис. 4.5. Газотурбинный судовой двигатель:

    1 – камера сгорания; 2 – осевой компрессор;

    3 – компрессорная турбина; 4 – рабочая турбина

    Авторство данного двигателя принадлежит П.Д.Кузьминскому и относится к 1886 г. КПД современных газотурбинных двигателей с начальной температурой газа 850°С составляет 27%. Наиболее перспективным путем совершенствования рассматриваемых двигателей является повышение параметров газа: температуры и давления. В настоящее время на судах применяются установки открытого цикла в которых воздух забирается из атмосферы и отработавший газ выходит в атмосферу. Энергетическая установка данного типа может иметь несколько двигателей, работающих через общий редуктор на движитель. Основным преимуществом газотурбинных установок по сравнению с другими энергетическими установками являются меньшие массы и габариты при большой агрегатной мощности, а также высокая маневренность.

    Атомная энергетическая установка (АЭУ) включает в себя главный двигатель, в качестве которого используется паровая или газовая турбины, и ядерную паропроизводящую (ЯППУ) или ядерную газогенераторную установку (ЯГГУ).


    Рис.4.6. Двухконтурная АЭУ: 1 – реактор; 2 – первичная биологическая защита (вод. цистерна); 3 – циркуляционный насос; 4 - вторичная биологическая защита (самоэкранирование); 5 – нагреватель1-го контура; 6 – парогенератор; 7 – турбина высокого давления; 8 – турбина низкого давления; 9 – редуктор; 10 – вход забортной воды; 11 – выход забортной воды; 12 – конденсатор; 13 – насос 2-го контура; А – 1-й контур (теплоноситель); Б – 2-й контур (рабочее тело)

    Основным отличием установок такого типа является использование в качестве источника энергии ядерного горючего, небольшие объемы которого обладают значительным запасом энергии, что обеспечивает судам высокую скорость полного хода и практически неограниченную дальность плавания. К их достоинствам также можно отнести то, что для работы им не требуется ни кислорода, ни других окислителей и отсутствуют отходящие газы (продукты сгорания топлива), т.е. они могут работать без связи с атмосферой. По принципу генерирования рабочего тела различают 1-. 2 – и 3 – контурные схемы АЭУ. Наибольшее распространение получили 2 – контурные схемы, в которых теплоносителем является вода, а рабочим телом – водяной пар. Регулирование скорости движения судна осуществляется изменением количества рабочего тела, поступающего на главный двигатель. КПД таких установок достигает 35% и применяются они на судах большого водоизмещения.

    3.Виды и структурные схемы СЭЭС. Автономная СЭЭС.

    Каждая автономная СЭЭС имеет в своем составе автономные источники электрической энергии. В качестве автономных источников электрической энергии могут применяться турбогенераторы (паро- или газо-) либо дизель-генераторы. В общем случае, полностью автономной является электростанция, имеющая в своем составе только дизель–генераторы или газотурбогенераторы.

    Если же в составе электростанции имеются паротурбогенераторы, то вместе с ними в качестве резервных, стояночных или аварийных источников всегда устанавливаются дизель–генераторы, так как паротурбогенераторы обычно работают только тогда, когда функционирует котельная установка. Паротурбогенераторы также требуют значительно большего времени по сравнению с дизель-генераторами для ввода их под нагрузку из «холодного» состояния.

    Типовая структура автономной СЭЭС представлена на рис. 4.1

    ГА3
    ГА2
    ГА1
    Г Р Щ
    ЩПБ
    В Р Щ
    В Р Щ
    В Р Щ

    Рис.4.1. Структурная схема автономной СЭЭС

    Рост установленной мощности потребителей приводит к увеличению единичной мощности источников и их количества. В результате этого возникают проблемы по обеспечению защиты от токов короткого замыкания, устойчивой параллельной работы и живучести, а также размещению большого количества источников и т.д.

    Одним из путей решения этих проблем является создание многостанционных систем, иначе говоря, разукрупнению больших систем. На рис. 4.2 представлена структурная схема автономной СЭЭС с двумя основными станциями.

    В таких СЭЭС электростанции имеют между собой одну или две электрические связи (перемычки), по которым в том или ином направлении может передаваться электроэнергия. Станции располагаются в разных отсеках, разделенных водонепроницаемыми перегородками. Ответственные потребители получают питание от двух станций (двойное питание). Такое решение повышает живучесть системы.

    ГА3
    ГА1
    ГА6
    ГА5
    ГРЩ2
    ГРЩ1
    ЩПБ
    П
    П
    ГА4

    Рис. 4.2. Структурная схема ЭЭС с двумя основными станциями

    Особое место в многостанционных системах занимают многоагрегатные ЭЭС. Такие системы, как правило, имеют военные корабли (КЭЭС) и мощные морские суда технического флота. Для таких систем характерно:

    - большое количество источников (не менее 8…10) с разнотипными первичными двигателями;

    - многообразие схем соединения источников и секций ГРЩ в различных режимах.

    Автор статьи

    Куприянов Денис Юрьевич

    Куприянов Денис Юрьевич

    Юрист частного права

    Страница автора

    Читайте также: