Паромашинная установка

Сегодня ещё можно встретить старые суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами. К преимуществам этих машин относятся простота конструкции и обслуживания, а также относительно малая склонность к повреждениям. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Паровая машина:

1 – цилиндр низкого давления; 2 – цилиндр высокого давления (золотник); 3 – механизм управления; 4 – ползун; 5 – коленчатый вал.

Рабочий пар подаётся в паровой цилиндр1 через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник2 изменяет своё положение. Свежий пар подаётся под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется.

Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно–шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна4 и соединённого с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала5. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном 2. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой.

Перемещение шатуна с помощью переводного рычага3 вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъём поршня, а, следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении. Это обусловливает обратное движение судового движителя. Наряду с перераспределением с помощью поршневого золотника, имеются системы с плоскими золотниками или клапанами.

В первых судовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения.

Принцип действия машины трёхступенчатого расширения схематично показан на рис. 11.3. В цилиндре высокого давления2 свежий пар понижает своё давление от 1,47 МПа (на входе1) до 0,49 МПа (на выходе5). Затем пар проходит в цилиндр среднего давления3, где его давление понижается почти до 0,15 МПа. Отсюда пар идёт дальше, к цилиндру низкого давления4, где давление окончательно понижается от 0,15 МПа до давления в конденсаторе, составляющего около 9,8÷68,7 кПа.

Рис. 11.2. Схема прохождения пара в поршневой паровой машине трёхкратного расширения:

1 – вход пара; 2 – цилиндр высокого давления; 3 – цилиндр среднего давления; 4 – цилиндр низкого давления; 5 – выход пара

При понижении давления объём пара возрастает. Для того чтобы пар разместился в цилиндрах, их объём должен с каждой ступенью увеличиваться. Так как все поршни имеют одинаковый ход, следует увеличить и диаметр цилиндров.

КПДСЭУ с поршневой паровой машиной возрастает с уменьшением конечного значения давления рабочего пара. Однако вместе с этим объём пара увеличивается настолько, что цилиндр низкого давления должен был бы иметь огромный диаметр. По этой причине в более поздних конструкциях поршневых паровых машин стали прибегать к комбинированию, то есть поршневая паровая машина трёхступенчатого расширения соединялась с турбиной отработавшего пара, причём эта турбина имела приблизительно четыре ступени расширения (см. рис. 11.3).

Рис. 11.3. Турбина отработавшего пара (в соединении с паровой машиной трёхкратного расширения):

1 –соединительно–разъединительная муфта; 2 – редуктор; 3 – турбина отработавшего пара; 4 – переключающий клапан; 5 – конденсатор; 6 – выход воды; 7 – вход пара; 8 – паровая машина трёхкратного расширения; 9 – гребной вал

Пар, выходящий из цилиндра низкого давления поршневой паровой машины8, проходит в турбину3, затем в конденсатор5. Так как частота вращения турбины намного выше, чем у поршневой паровой машины, между валом турбины и гребным валом9 установлена понижающая двухступенчатая зубчатая передача2 и муфта1. Последняя устраняет различия в частоте вращения, а также случайные нагрузки и удары, возникающие, например, из–за неравномерной нагрузки судового движителя при выходе из воды и так далее.

Переключающий клапан4 направляет отработавший пар от паровой машины непосредственно к конденсатору, мимо турбины. Это бывает необходимо в случае изменения частоты вращения машины при маневрировании или заднем ходе.

Паровые котлы

В паровом котле(парогенераторе) под воздействием тепловой энергии образуется пар, давление которого выше атмосферного.

В зависимости от вида передачи тепловой энергии, полученной при сжигании топлива, различают огнетрубные и водотрубные паровые котлы(см. рис.11.4).

Рис. 11.4. Схема работы парового котла: а – огнетрубного; b– водотрубного

В огнетрубных паровых котлах горячий газ проходит через дымогарные трубы, омываемые водой. В водотрубных парогенераторах нагреваемая вода идёт по трубам, а газ – снаружи между стенками труб.

На рис. 11.5 показан типовой цилиндрический паровой котёл с угольным отоплением. В камере сгорания3 видны колосниковые решётки, на которых сжигается уголь. Горячие газы проходят через жаровую трубу2, изменяют в огневой камере направление и распределяются по дымогарным трубам. При прохождении через дымогарные трубы горячие газы отдают свою тепловую энергию омывающей трубы воде, попадают в дымогарную камеру, а затем через вытяжной канал – в дымовую трубу1. В настоящее время в камере сгорания используется жидкое топливо, подающееся через форсунки.

В настоящее время эти парогенераторы применяются почти исключительно как вспомогательные.Перспективны главные и вспомогательные паровые котлы, оснащённые топками со сжиганием твёрдого топлива в кипящем слое.

Рис. 11.5. Цилиндрический паровой котёл:

1 –к дымовой трубе; 2 – жаровые трубы; 3 – камеры сгорания

Схема водотрубного парового котла показана на рис. 11.6. Большая поверхность нагрева образуется в нём за счёт водяных труб3. Кроме того, вся камера сгорания окружена экранирующими водяными трубами4.

Полученный пар, температура испарения которого соответствует рабочему давлению в паровом котле, нагревается в пароперегревателе7 до значительно большей температуры, достигающей 510÷520°С.

Число форсунок6 зависит от размеров парогенератора (как правило, 3÷5 шт). Газы, проходя через камеру сгорания5, отдают тепло трубам, затем обтекают водяные трубы и трубы пароперегревателя и, наконец, через дымоход9 выводятся наружу.

Рис. 11.6. Водотрубный паровой котёл:

1 –верхний пароводяной коллектор; 2 – нижний водяной коллектор; 3 – водогрейные трубы; 4 – экранирующие испарительные трубы; 5 – камера сгорания;6 – форсунка; 7 – пароперегреватель; 8 – паросборник; 9 – отвод отработавших газов

Полученный в верхнем барабане1 пар идёт к пароперегревателю и затем забирается из парового котла. В газоотводном канале находятся дополнительные поверхности нагрева – экономайзер высокого давления3 и воздухоподогреватель, в котором нагревается подаваемый в паровой котёл воздух, необходимый для сжигания топлива.

Огнетрубные паровые котлы характеризуются большим объёмом воды (20÷30 т), что обусловливает значительную тепловую инертность. Это означает, что огнетрубный паровой котёл требует длительного времени (24 ч) для разогрева и медленно охлаждается.

Вследствие сравнительно больших площадей торцовых стенок, находящихся под давлением, в огнетрубном паровом котле можно получить пар максимальным давлением 1,67÷1,57 МПа.

Водотрубные паровые котлы, в которых объём воды составляет 5÷7 т, имеют меньшую тепловую инертность, что позволяет производить более быстрый разогрев (всего 5 ч). В них можно получить пар более высокого давления, чем в огнетрубных – 5,9÷0,8МПа.

Существенное различие между этими паровыми котлами заключается в естественной циркуляции воды при получении пара: чем быстрее происходит циркуляция, тем лучше теплообмен.

В огнетрубном паровом котле (см. рис. 11.7,a) вода, нагреваемая дымогарными трубами, поднимается между ними. Приблизительно по такому же пути более холодная тяжёлая вода течёт вниз. Водный поток затруднен в обоих направлениях, и теплообмен происходит не очень интенсивно.

Рис. 11.7. Схема работы естественной циркуляции в паровом котле: а – огнетрубном; b– водотрубном

В водотрубном паровом котле (см. рис. 11.7,b) вода в трубах, окруженных горячим газом, нагревается и поднимается. Одновременно более холодная вода из верхнего барабана через отливную циркуляционную трубу, обогреваемую уже не такими горячими газами, течёт в нижний барабан. Вода идёт по трубам безпомех, на пути вверх и вниз не возникает никаких противотоков, благодаря чему лучше осуществляется теплообмен.

В некоторых паровых котлах монтируют дополнительные трубы, которые соединяют верхние барабаны с нижними. Эти трубы находятся снаружи, они не обогреваются газами и служат в качестве так называемых спускных труб. В данном случае циркуляция воды будет ещё интенсивнее, а теплообмен между уходящими газами и водой – ещё лучше.

Изготовляются также паровые котлы, в которых циркуляция нагреваемой воды осуществляется искусственно, с помощью циркуляционного насоса.

Вогнетрубных паровых котлах КПД составляет 70÷75 %, а в вертикально–водотрубных, у которых форсунки расположены в крышке камеры сгорания, – 96 %.

Подогретое и очищенное жидкое топливо с помощью насосов нагнетается в форсунки, распыляется в камере сгорания и сжигается как воздушно–топливная смесь. Жидкое топливо можно распылять и с помощью пара.

Паровые турбины

Паровая турбина относится к двигателям, в которых тепловая энергия подведённого пара вначале превращается в кинетическую и только после этого используется для работы.

Только на очень больших судах дедвейтом более 200 кт устанавливают паротурбинные двигатели. Паротурбинные установки сохранились также на крупных боевых кораблях военно–морского флота, а также на быстроходных и больших контейнерных судах, когда мощность главного двигателя составляет 30 МВт и более.

Паровые турбины являются гидравлическими тепловыми двигателями, в которых в отличие от поршневых паровых машин и поршневых двигателей внутреннего сгорания не требуется преобразовывать возвратно–поступательное движение поршня во вращательное движение гребного винта. За счёт этого упрощается конструкция и решаются многие технические проблемы. Кроме того, паровые турбины даже при очень большой мощности имеют сравнительно небольшие размеры, так как частота вращения ротора довольно высока и в зависимости от типа и назначения турбины составляет 3000÷8000 об/мин.

Каждая турбина включает в себя следующие основные конструктивные детали:

• неподвижные направляющие лопатки или сопла, в которых тепловая энергия пара за счёт перепада давления и температуры преобразуется в кинетическую (энергия потока);

• направляющие лопатки как части ротора, при сквозном проходе, через которые кинетическая энергия пара производит работу.

Рис. 11.8. Прохождение пара в расширительном устройстве паровой турбины

Направляющие лопатки применяют в том случае, когдаконечное давление расширения составляет более 55% давления пара на входе, в других случаях используют сопла. Скорость выхода пара из турбины достигает 500÷600 м/с. Прохождение потока пара через сопло показано на рис. 11.8. Стрелка символически показывает повышение скорости входа пара и одновременно рост кинетической энергии.

Использование кинетической энергии для совершения механической работы происходит следующим образом. Выходящий из расширительных устройств пар попадает на вогнутые профили лопаток, отклоняется от них, изменяет своё направление и за счёт этого воздействует тангенциальной силой на ротор. В результате создаётся вращающий момент, который вызывает вращение ротора турбины.

Принцип действия ступени паровой турбины показан на рис. 11.9. Этот принцип может быть осуществлен за счёт активного и реактивного действия пара.

Рис. 11.9. Ступень активной паровой турбины: 1 – направляющие лопатки; 2 – рабочие лопатки; 3 – вал ротора	Рис. 11.10. Ступень реактивной паровой турбины

В активных турбинах тепловая энергия преобразуется в кинетическую непосредственно в неподвижных расширительных устройствах; по обеим сторонам венца рабочих лопаток действует одинаковое давление. В реактивной турбине(см. рис. 11.10)только часть тепловой энергии в неподвижных расширительных установках преобразуется в кинетическую. В каналах между рабочими лопатками происходит дальнейшее падение давления и превращение оставшейся тепловой энергии в кинетическую, которая используется там одновременно для выполнения механической работы. По обеим сторонам ротора рабочих лопаток в реактивной турбине действуют различные давления, которые вызывают дополнительное осевое усилие, стремящееся вращать ротор в направлении основного потока пара. На ступени реактивной турбины показано осевое усилие, возникающее из–за перепада давления перед венцом рабочих лопаток и за ним.

Современные паровые турбины главной энергетической установки состоят обычно из двух корпусов (см. рис. 11.11). В одном корпусе находится ротор турбины высокого давления1, а в другом – низкого2. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней, которые в зависимости от вида турбины обозначаются как ступени давления или ступени скорости.

Рис. 11.11. Судовая паровая турбина

1 – турбина высокого давления; 2 – турбина низкого давления; 3 – подшипник вала турбины; 4 – редуктор;5 – опорный подшипник линии вала с фундаментом; 6 – валопровод; 7 – гребной винт; 8 – управляющий клапан переднего хода; 9 – управляющий клапан заднего хода

Рабочий пар последовательно проходит через неподвижные венцы расширительных устройств и венцы рабочих лопаток. Так как объём пара во время процесса расширения постоянно увеличивается, рабочие лопатки по мере падения давления должны быть длиннее.

В корпусе турбины низкого давления находятся особые венцы рабочих лопаток турбины заднего хода. Турбины СЭУ на судах, гребные винты7 которых имеют изменяющийся шаг, не нуждаются в турбинах заднего хода.

Наряду с турбинами СЭУ в МО судов устанавливают вспомогательные турбины, которые служат для привода генераторов, насосов, вентиляторов и так далее.Иногда их используют и на судах с дизельной СЭУ, например на танкерах, в качестве турбогенераторов или грузовых насосов с турбоприводом.

Параметры рабочего пара современных паровых турбин главной энергетической установки достигают 7,85 МПа при температуре перегрева 510÷520°С. Расход пара равен 2,72 кг/(кВт·ч), в то время как в поршневых паровых машинах – 5,4÷8,2 кг/(кВт·ч). Мощность турбин СЭУ достигает 36,8 МВт, удельный расход топлива – 272 г/(кВт·ч).

Рис.11.12. Турбина высокого давления с промежуточным перегревом пара мощностью 19000 кВт:

1– турбина среднего давления; 2– подвод пара из промежуточного пароперегревателя; 3 – подвод свежего пара; 4 – турбина высокого давления; 5 и 7 – отбор пара для подогрева питательной воды; 6– разделительная диафрагма

Паровые турбины перед пуском должны быть прогреты, причём время прогрева достигает 1 ч. Они менее экономичны, чемДВС, вследствие двухкратного преобразования энергии, однако имеют повышенную перегрузочную способность (до 20 % номинальной мощности), значительно надёжней ДВС и имеют больший ресурс (до 150000ч).

Массивный ротор турбины обеспечивает равномерность хода (см. рис. 11.12).