Источники электрической энергии на судах

На судах используются следующие типы тепловых двигателей:

- двигатели внутреннего сгорания;

- паровые турбины;

- газовые турбины.

Во многих судовых электростанциях и, в частности, в атомных в качестве приводных двигателей генераторов применяются паровые турбины. Паровые турбины имеют большой срок службы (свыше 20 тыс. ч.), надежны, могут выполняться как на малые, так и набольшие мощности. Параллельная работа турбогенераторов весьма устойчива благодаря постоянству крутящего момента турбины.

Недостатки паровых турбин – относительно высокий кпд (вместе с паровым котлом), большая часть вращения, требующая установки понижающего редуктора между турбиной и генератором, значительный расход времени на прогрев турбины при пуске.

В паротурбинной установке (рис.4.1) в паровом котле 1, к которому подводится тепло, получаемое от сжигания топлива, вода превращается в пар требуемых параметров (температуры и давления). Затем пар из котла отводится в турбину 2 для совершения им работы. При этом через редуктор 3 вращение передается генератору 4. Охлаждение и конденсация пара осуществляются в конденсаторе 5, в результате чего рабочее тело приходит в первоначальное состояние и подается насосом 6 в резервуар 7 для поступления в питательный насос 8.

В турбине различают номинальную и экономическую мощность. Номинальной мощностью турбины называется допустимая длительная мощность турбины. Экономической мощностью турбины называется мощность, при которой турбина работает с наименьшим удельным расходом тепла, т.е. с наибольшим кпд, который для установок сравнительно небольшой мощности составляет 24-26%. Обычно номинальная мощность турбины равна или больше экономической на 5-20%. Мощность турбины при ее работе может изменяться от холостого хода до номинальной.

Регулирование частоты вращения и мощности турбины осуществляется изменением количества и качества подаваемого пара. Турбина достигает длительную перегрузку, достигающую 25%.

Рис.4.1. Принципиальная схема газотурбинной установки закрытого цикла

Газовые турбины имеют сравнительно небольшие размеры, не требуют установки котлов, экономичны и отличаются длительным сроком службы.

В зависимости от того происходит в газотурбинных установках забор воздуха из атмосферы с последующим выбросом в его атмосферу или в процессах участвует один и тот же газ, циркулирующий в установке, различают установки открытого и закрытого типа.

В установках закрытого цикла (рис.4.2) протекают следующие процессы:

1. сжатие рабочего тела в компрессоре 1 до наибольшего рабочего давления;

2. подвод тепла к рабочему телу в нагревателе 6;

3. расширение рабочего тела в турбине высокого давления 2, вращающей компрессор, и в турбине низкого давления 3, вращающей через редуктор 4 генератор 5;

4. подогрев в регенераторе 8 сжатого компрессором рабочего тела за счет не использованного в турбине тепла;

5. охлаждение рабочего тела в охладителе 7 его начальной температуры перед компрессором.

Рис. 4.2. Принципиальная схема газотурбинной установки закрытого типа

Наиболее существенное отличие паротурбинной установки от газотурбинной состоит в том, что в газотурбинной установке рабочее тело не превращается в жидкость в процессе отвода тепла и в пар – в процессе его подвода. В связи с этим в газотурбинной установке отсутствуют котел и паровой конденсатор, а вместо насоса устанавливается компрессор. В газовой турбине рабочим телом является газ: атмосферный воздух, смесь атмосферного воздуха с продуктами сгорания органического топлива или гелий, азот и другие газы и их смеси.

Газотурбинная установка открытого цикла (рис.4.3) с точки зрения использования на судах имеет гораздо большее значение, чем закрытого типа. Воздух из атмосферы забирается компрессором 1, сжимается до тех пор, пока давление не достигнет требуемого значения, и подается в камеру сгорания 2. Туда же через форсунки впрыскивается топливо, которое сгорает в воздушной струе, и образующиеся в результате сгорания топлива газы высокой температуры, смешанные с воздухом, поступают в турбину 3, где они, расширясь до атмосферного давления, производят работу, а затем удаляются в атмосферу. Турбина одновременно вращает и генератор и компрессор. Существует некоторая минимальная частота вращения, ниже которой установка работать не может, так как энергии газов при низком давлении, создаваемом компрессором, не хватает для покрытия всех затрат мощности. Поэтому осуществлять пуск установки можно только с помощью постороннего источника энергии, например электродвигателя 4. который раскручивает установку до указанной минимальной частоты вращения, после чего в камеру сгорания можно подавать топливо.

Рис.4.3. Принципиальная схема газотурбинной установки открытого цикла

Мощность и частота вращения, развиваемые газовой турбиной, зависят от температуры, количества и давления газа, подводимого к ней. Изменение одного из параметров влияет на режим работы установки. Кпд газотурбинной установки выше чем паротурбинной, газотурбинные установки дешевле и проще по обслуживанию. Однако газотурбинные установки уступают паротурбинным по мощности и долговечности и более требовательны к применяемым сортам топлива.

В тех случаях когда требуются компактные установки малой и средней мощности, наиболее подходящими являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). ДВС наиболее экономичны и всегда готовы к пуску. Их недостатки сравнительно небольшой срок службы (1000-6000 ч) и неравномерный крутящий момент.

ДВС представляет собой поршневой тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочем цилиндре. Кпд дизеля 35-42%.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по нескольким основным признакам.

По роду применяемого топлива различают: двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензин); двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (дизельное топливо), и двигатели, работающие на газовом топливе.

По способу приготовления горючей смеси различают двигатели с внешним смесеобразованием, в которых воздух и топливо смешиваются вне рабочего цилиндра (карбюраторные и газовые двигатели); двигатели с внутренним смесеобразованием, в которых воздух и топливо в цилиндр двигателя подаются раздельно, а смешение топлива с воздухом происходит внутри рабочего цилиндра.

По способу воспламеняемой рабочей смеси различают двигатели с искровым зажиганием (карбюраторные и газовые двигатели) и двигатели с воспламенением от сжатия (дизели и турбопоршневые машины).

По способу осуществления зарядки цилиндра двигатели бывают четырехтактные и двухтактные.

По способу действия различают двигатели простого и двойного действия. У двигателей первого типа рабочий цикл совершается лишь в одной плоскости цилиндра ( с одной стороны поршня), а у второго типа – в двух плоскостях ( с обеих сторон поршня аналогично паровым машинам.

По способу заполнения рабочего цилиндра свежим зарядом различают двигатели без наддува и с наддувом. В двигателях без наддува всасывание горючей смеси осуществляется вследствие создаваемого при всасывающем ходе поршня разрежения в цилиндре. В двигателях с наддувом с целью увеличения количества свежего заряда и получения за счет этого повышенной мощности подача воздуха или горючей смеси происходит под давлением, создаваемым нагнетателем.

По числу и расположению цилиндров двигатели бывают одноцилиндровые и многоцилиндровые, вертикальные, горизонтальные, V-образные и др.

2. Генераторы

В состав судовых машинных генераторных агрегатов могут входить генераторы как постоянного, так и переменного тока.

На судах применяются генераторы постоянного тока серии П мощностью от 0,4 до 200 кВт при частоте вращения 1450-2850 об/мин и номинальном напряжении 115 и 230 В.

Генераторы выпускаются в брызгозащищенном исполнении с самовентиляцией; корпус и подшипниковые щиты стальные. Предусматривается исполнение генераторов с воздухоохладителями и вентиляцией по замкнутому циклу.

Для обеспечения стабилизации напряжения используются генераторы со смешанным возбуждением, имеющие компаундную обмотку. Генераторы с параллельным и независимым возбуждением применяются только с регуляторами напряжения и при зарядке аккумуляторных батарей. Для этой цели в машинах серии П предусмотрено исполнение генераторов с диапазонами изменения напряжения 110-160 В и 223-320 В. Номианльные напряжения таких генераторов 135 и 270 В.

В качестве генераторов переменного тока на судах находят применение трехфазные СГ серий МС, МСК, МСС и ГСС. В обозначении типа генераторов буквы МС расшифровываются следующим образом: М – морской, С – синхронный; цифры, следующие за буквенным обозначением, определяют мощность и частоту вращения генератора (например, МС-275-500 – мощность 275 кВА, частота вращения 500 об/мин).

Генераторы серии МСК мощностью от 400 кВт обозначаются аналогично генераторам серии МС с добавлением буквы К, которая указывает на применение кремнийорганической изоляции. У генераторов до 400 кВт цифры, следующие за буквами, указывают диаметр генератора и число полюсов.

В генераторах серии МСС последняя буква С означает систему самовозбуждения, а в генераторах типа ГСС буква Г означает генератор.

Генераторы МС изготовлялись мощностью от 25 до 1200 кВт на напряжения 400 и 230 В и частотой вращения 1500 об/мин (25-200 кВт) и 1000 об/мин (400-1200 кВт). Приводной двигатель- дизель. Обмотки возбуждения СГ типа МС получают питание от возбудителей, в качестве которых использовались машины постоянного тока типа ВСМ 21/18. Стабилизация напряжения осуществлялась с помощью угольного регулятора типа РУН, а позднее - типа УБК-М.

Наличие у генераторов серии МС машины постоянного тока и несовершенных регуляторов напряжения обусловило создание улучшенных генераторов серии МСС мощностью 220-400 кВт напряжением 230 и 400 В при частоте вращения 500 об/мин и серии ГСС мощностью 100 и 160 кВт при частоте вращения 750 об/мин. Эти генераторы имеют систему самовозбуждения с автоматической стабилизацией напряжения с помощью корректора.

Синхронные генераторы серии МСК имеют мощность от 30 до 1500 кВт. Генераторы МСК при частоте вращения 1500 об/мин могут быть сочленены с паровыми и газовыми турбинами через одноступенчатые редукторы, а с дизелем – без редуктора при помощи эластичной муфты. Все генераторы серии МСК выполняются с самовозбуждением.

Дальнейшее улучшение массогабаритных показателей СГ было достигнуто в генераторах серии ТМВ благодаря применению непосредственного жидкостного охлаждения обмоток статора и ротора, а также охлаждения стали статора с помощь. специального змеевика. Однако наряду с улучшением массогабаритных показателей применение непосредственного водяного охлаждения статора и ротора приводит к усложнению системы обслуживания генератора и несколько понижает их эксплуатационную надежность из-за устройств подачи дистиллята в обмотки и создания специальных уплотняющих устройств.

3. Аккумуляторы

На судах применяются щелочные и кислотные аккумуляторы. Они обеспечивают высокую надежность Преимуществами кислотных аккумуляторов по сравнению со щелочными являются: более высокий КПД, меньшее внутренне сопротивление, большая кратность допустимого разрядного тока, меньшее влияние изменения температуры на величину емкости, меньшая стоимость. Кислотные аккумуляторы применяются как стартерные, а также для питания сетей освещения и электродвигателей.

Щелочные аккумуляторы отличаются от кислотных большей прочностью, большими сроками службы, нечувствительностью к перезарядам, недозарядам и продолжительному нахождению в разряженном состоянии. Щелочные аккумуляторы применяются для сетей аварийного освещения, питания телефонной сети, радиосвязи, переносных фонарей и др.

4. Судовые кремниевые выпрямительные агрегаты

Судовые кремниевые выпрямительные агрегаты предназначены для зарядки аккумуляторных батарей, питания различных судовых потребителей постоянного тока, требующих стабилизированного напряжения, питания установок катодной защиты, питания электропривода постоянного тока и возбудителей.

Назначение выпрямительного агрегата, его выходная мощность и напряжение входят в обозначение типа. Например, ВАКС 2,75-230 – выпрямительный агрегат, кремниевый, стабилизированный, мощностью 2,75 кВт с выходным напряжением 230 В. Остальные индексы в обозначениях типа агрегатов означают: З – зарядный, ЗС – зарядно-силовой, СВ – сварочный, К – катодной защиты, Ч – четырехсотгерцевый.