Тепловые схемы простейших КТЭУ

Для построения тепловой схемы простейшей котлотурбинной установки открытого цикла (рис. 71) достаточно трех элементов: главного котла, главной турбины и насоса. В такой тепловой схеме питательный насос подает забортную воду в паровой котел. Котел вырабатывает перегретый пар заданных параметров с энтальпией в количестве . Весь выработанный котлом пар направляется в главную турбину ( ). Совершивший в турбине полезную работу пар выбрасывается в атмосферу.

Такая тепловая схема в принципе работоспособна, но на практике применялась только на заре возникновения судовых паросиловых установок. Питание забортной водой современных высоконапряженных паровых котлов приводит к интенсивному накипеобразованию и выходу из строя трубных поверхностей нагрева. Выброс пара из турбины в атмосферу снижает КПД цикла и приводит к необходимости постоянного пополнения рабочего тела из внешнего источника. Для открытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы:

		–	сжатие воды в насосе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения;
		–	испарение воды в котле;
		–	перегрев пара в пароперегревателе;
		–	расширение пара в турбине до атмосферного давления;
		–	условный замыкающий процесс охлаждения пара в атмосфере.

Рис. 71. Тепловая схема и термодинамический цикл простейшей КТЭУ открытого типа.   – насос; – главный котел; – главная турбина; – атмосферное давление.

В тепловой схеме КТЭУ закрытого цикла (рис. 72) к прежним трем элементам добавляется четвертый – главный конденсатор. В такой тепловой схеме весь пар, выработанный котлом – , с энтальпией направляется в главную турбину ( ). Отработавший в главной турбине пар с энтальпией поступает в главный конденсатор, где от него отводится теплота к забортной воде. При охлаждении пар конденсируется, образовавшийся конденсат с энтальпией забирается насосом и подается в главный котел. В главном конденсаторе, за счет значительного уменьшения объема пара при его конденсации, образуется вакуум, в результате чего обеспечивается более полное расширение пара в главной турбине до давления ниже атмосферного – .

Так как при сжатии в насосе изменения термодинамического состояния конденсата не происходит, то считаем значения энтальпии конденсата после главного конденсатора, на выходе из насоса, и питательной воды на входе в котел, равными: . Рассмотренная простейшая тепловая схема КТЭУ закрытого цикла работает в полном соответствии с термодинамическим циклом Ренкина. Для закрытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы:

		–	расширение пара в главной турбине до давления в главном конденсаторе – ;
		–	конденсация пара в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;
		–	испарение воды в котле;
		–	перегрев пара в пароперегревателе котла.

Рис. 72. Тепловая схема и термодинамический цикл простейшей КТЭУ закрытого типа.   – главный конденсатор; – давление в главном конденсаторе; – атмосферное давление.

КПД любого теплового двигателя равен отношению полезной теплоты к затраченной. В тепловых схемах КТЭУ полезной теплотой считается теплота, отданная паром в главной турбине. Значение полезной теплоты равно произведению расхода пара в главной турбине на разность энтальпий пара на входе в турбину и на выходе из нее: . Затраченной теплотой считается теплота, ушедшая на парообразование и перегрев пара в котле. Ее значение равно произведению паропроизводительности котла на разность энтальпий перегретого пара на выходе из котла и питательной воды на входе в него: . Или, с учетом равенства : . На основании изложенного, выражение для КПД тепловой схемы будет иметь вид:

Учитывая, что для простейшей тепловой схемы КТЭУ весь пар, выработанный котлом направляется только на главную турбину ( ), выражение для КПД тепловой схемы, работающей по циклу Ренкина, примет вид:

Судовые насосы

1. Насосы. Общие сведения

На судах широко применяют гидравлические машины, которые служат для силового взаимодействия их рабочих органов с потоком жидкости, сооб­щая жидкости или получая от нее механическую энергию. Гидравлические ма­шины делятся на насосы, гидравлические двигатели и гидравлические пере­дачи.

Насосы передают механическую энергию двигателя протекающей через них жидкости, которая используется для перемещения жидкости по трубо­проводам и для привода в действие гидравлических двигателей.

Гидравлические двигатели получают от протекающей через них жидкости часть ее механической энергии и передают ее своим рабочим органам для привода обслуживаемых механизмов.

Гидравлические передачи состоят из насоса, гидравлического двигателя и обслуживающей их аппаратуры Они передают энергию на расстояние по­средством рабочей жидкости

На судах используют все виды гидравлических машин, но наибольшее распространение там получили насосы.

Родственную с насосами группу машин составляют вентиляторы, которые преобразуют механическую энергию двигателя в энергию газа, используемую для его перемещения по каналам вентиляционной системы. Увеличение дав­ления газа в вентиляторах обычно не превышает 10 %, что повышает его плотность лишь до 7 % Поэтому при расчете вентиляторов сжимаемость сре­ды не учитывается, а методы расчета вентиляторов и насосов идентичны.

К судовым гидравлическим машинам предъявляются следующие основ­ные требования: надежность работы в условиях качки, вибраций и сотрясе­ний; малые масса и габариты; высокая экономичность; устойчивость работы на переменных режимах и широкие пределы регулирования; ограниченный уровень воздушного шума и вибрации; простота конструкции и удобство экс­плуатации; быстрота ввода в действие и остановки.

Классификация судовых насосов. По принципу действия судовые насосы можно разделить на объемные и динамические.

В объемных насосах преобразование энергии происходит в процессе вы­теснения жидкости из рабочих камер вытеснителями Жидкость перемещается путем периодического изменения объема камеры, занимаемой ею, которая по­переменно сообщается со входным и выходным патрубками насоса.

В зависимости от характера движения рабочих органов — вытеснителей — объемные насосы делятся на возвратно-поступательные, роторные и крыль- чатые

Возвратно-поступательные насосы по форме вытеснителей подразделяются на поршневые и плунжерные

Роторные насосы отличаются вращательным движением вытеснителей. Кроме шестеренных и винтовых насосов, у которых вытеснители вращаются, к роторным относятся роторно-поршневые и пластинчатые насосы с враща­тельным и возвратно-поступательным движением вытеснителей

Крыльчатыми называют объемные насосы с возвратно-поворотным движе­нием вытеснителей.

У динамических насосов энергия передается путем динамического вза­имодействия лопастей вращающегося рабочего колеса с обтекающей жидкостью или смешением перемещаемой жидкости с рабочим потоком, обладающим большей энергией Рабочая камера динамического насоса по­стоянно сообщается с входным и выходным патрубками.

К динамическим относятся лопастные и струйные насосы

По характеру движения жидкости в рабочем колесе лопастные насосы подразделяют на центробежные, осевые и вихревые

В колесе центробежного насоса жидкость, обтекая лопасти, движется в радиальном направлении, создавая условия для работы сил инерции. В осе­вом насосе при обтекании лопастей частицы жидкости остаются на одинако­вом расстоянии от оси колеса и работа сил инерции равна нулю. Поэтому осевые насосы низконапорные, а центробежные насосы способны развивать большие капоры

В вихревых насосах жидкость, выйдя из вращающегося колеса, движется в кольцевом канале корпуса по винтовым траекториям, возвращаясь в меж- лопастное пространство колеса, где снова получает приращение кинетической энергии.

Струйные насосы не имеют движущихся частей и представляют собой струйные аппараты, к которым подводится энергия потока рабочей воды или пара

При разделении насосов учитывают также герметичность- объемные — герметичные, динамические — проточные; характер подачи- объемные насосы имеют порционную подачу, динамические — равномерную; вид характеристики: объемные насосы имеют крутую характеристику, динамические — мягкую, так как напор, развиваемый объемными насосами, не зависит от подачи, а опре­деляется сопротивлением внешней сети. У динамических насосов напор и подача взаимосвязаны и их зависимость графически выражается плавной кривой.

Классификация судовых насосов по конструктивным признакам излагает­ся при рассмотрении насосов с различным принципом действия.

Работа любого насоса характеризуется следующими величинами:

Объемная подача - Q, [м3/с] - объем жидкости подаваемый насосом в напорный трубопровод за единицу времени.

Напор (удельная работа) - H, [Дж/кг] - полное количество энергии, сообщаемое 1 кг рабочего среды в насосе. Выраженный в метрах показывает высоту на которую можно поднять жидкость с помощью насоса.

Частота вращения (для насосов имеющих вращающийся ротор) - n [об/мин]

Состояние среды на входе: (температура и давление); плотность среды - [кг/м3]

Мощность, N [Вт] - полная энергия подводимая к насосу в единицу времени.

Коэффициент полезного действия КПД,- отношение полной энергии, подведенной к насосу, к энергии переданной жидкости.

Принцип действия насоса поршневого насоса

Принцип действия поршневого насоса заключается в том, что поршень, совершая возвратно-поступательное движение и двигаясь в одном направлении, создает в цилиндре разряжение (всасывающий клапан открывается и в цилиндр поступает вода за счет разности давлений), двигаясь в противоположном направлении, поршень давит на жидкость, создавая давление, всасывающий клапан закрывается, нагнетательный клапан открывается и жидкость вытесняется в напорный трубопровод.

Устройство поршневого насоса показано на рис 1.3. Насос состоит из цилиндра 11, поршня 6 и клапанов всасывающего 1 и нагнетательного 3, размещенных в коробке 2. Поршень приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом. Кривошип 9, приводимый во вращение коленчатым валом двигателя или электродвигателем, действуя через шатун 10, ползун 8 и шток 7, заставляет поршень 6 совершать возвратно-поступательное движение в цилиндре.

насос подает жидкость периодически — только во время хода нагнетания, при другом же ходе происходит лишь всасывание жидкости. Это приводит к колебаниям давления воды в трубопроводе 5. Чтобы уменьшить колебания давления и сделать подачу воды более равномерной, на нагнетательном

трубопроводе устанавливается воздушный колпак. Воздух в отличие от воды при изменении давления легко изменяет объем. При нагнетании вода частично входит в колпак, сжимая воздух. В период всасывания по трубопроводу 12 воздух в колпаке, расширяясь, оказывает давление на воду и вытесняет ее в нагнетательный трубопровод. Таким образом обеспечивается частичное сглаживание колебаний давления нагнетаемой жидкости.

Рис. 1.2. Схема поршневого насоса двойного действия.

Большую равномерность подачи перекачиваемой жидкости обеспечивают поршневые насосы двойного действия. Схема одноцилиндрового насоса двойного действия приведена на рис. 4. Обе полости цилиндра 4 насоса слева и справа от поршня 3 — рабочие. Каждая из этих полостей имеет свои всасывающие 1 и нагнетательные 2 клапаны. Два всасывающих клапана соединены с подводящим трубопроводом 6, а два нагнетательных клапана — с отливным трубопроводом 5. При движении поршня вправо в левой рабочей полости происходит всасывание, в правой — нагнетание; при движении поршня влево в правой полости происходит всасывание, а в левой нагнетание. Таким образом, насос совершает два рабочих действия за один ход поршня, в результате чего увеличивается его производительность и осуществляется более равномерная подача.

Рис. 1.3. Схема поршневого приводного насоса простого действия.

Принцип действия шестеренного насоса

Наибольшее распространение на морских рыбопромысловых судах получил двухроторный нереверсивный шестеренный насос с внешним зацеплением типа РЗ, изображенный на рис. 2.2.

Насос состоит из корпуса 4, двух роторов: ведущего 5 и ведомого 3, которые представляют собой цилиндрические шестерни, изготовленные за одно целое с валами. Подшипниками роторов служат бронзовые втулки 2, запрессованные в крышку 1 и стойку 6 и зафиксированные от поворота штифтами. Выходной конец ведущего вала имеет сальниковое уплотнение. Оно состоит из резиновых манжет 7, которые обжимают вал с натягом, упорного кольца 9 и втулки 8. В нижней части стойки 6 находится сборник для жидкости, просачивающейся из сальника, и отверстие для ее спуска, закрываемое пробкой 10. В крышке 1 смонтирован предохранительно-перепускной клапан 11, прижимаемый пружиной 12; другим концом пружина упирается в шайбу 14.

Рис.2.2 Шестеренный насос типа РЗ.

Внутренняя полость клапана закрывается резьбовой втулкой 13, через которую проходит регулировочный клапанный винт 15. Колпачок 16 предохраняет полость клапана 11 от засасывания воздуха и вытекания жидкости по резьбе регулировочного винта. Для слива жидкости из насоса в нижней части корпуса имеется отверстие, закрытое пробкой 17.

Действие насоса ясно из поперечного разреза А—Б. При вращении шестерен в направлениях, указанных стрелками, жидкость, находящаяся во всасывающем патрубке, заполняет объемы впадин между зубьями и переносится по периметру корпуса насоса к нагнетательному патрубку. Зубья шестерен, выходя из зацепления, освобождают объемы впадин, которые заполняются жидкостью на стороне всасывания. Зубья, снова входящие в зацепление, выжимают жидкость из объема впадин на стороне нагнетания. Предотвращение обратного движения жидкости из нагнетательной полости во всасывающую обеспечивается малыми зазорами между зубьями и внутренней поверхностью корпуса и крышек (-0,02—0,06 мм).

Принцип действия винтового насоса

Винтовые насосы как и шестеренные, применяются для перекачки вязких жидкостей (топлива, масел). Роторами винтовых насосов служат винты (от одного до пяти); их устанавливают в одном корпусе, и они находятся в зацеплении один с другим.,

Винтовой насос показан на рис.3.2. Во втулке 7 корпуса 5 насоса помещены три сцепленных один с другим винта. Ведущий винт 3 вращается от электродвигателя, два ведомых винта 6 находятся в зацеплении с ведущим. Жидкость поступает через приемный патрубок 8. При вращении винтов жидкость переносится в нагнетательную полость корпуса и через патрубок 1 подается в нагнетательную магистраль. Вал ведущего винта на выходе из корпуса уплотнен сальником 2. Приемная и нагнетательная полости соединены предохранительно-перепускным клапаном 4.

Винтовые насосы надежны в работе и обладают способностью поддерживать постоянное давление при изменении нагрузки. К недостаткам их следует отнести сложность изготовления и повышенную стоимость.

Рис.3.2. Винтовой насос.

Принцип действия пластинчатого насоса

На рис. 4.2 изображен простейший 2-х ступенчатый насос простого действия, нереверсивный, с эксцентричным расположением ротора, постоянной производительности, В корпусе 12 вращается эксцентрично расположенный в цилиндрической камере ротор 13, В пазах ротора свободно скользят две пластины 14, распираемые пружиной так, что выходящие из ротора концы пластин прижимаются к стенкам камеры.

При вращении ротора по часовой стрелке пластина поворачивается, поджимаемая пружиной и действием центробежной силы. За ней в рабочей камере создается разрежение, а перед ней — давление. В результате из всасывающей трубы 9 через фильтр 10 воздух и пары жидкости всасываются в разреженную полость насоса, а затем, через невозвратный клапан 3, меха­нический сепаратор 6 и воздушную трубу 7 выходят в атмосферу.

Насос с патрубками размещен в резервуаре 8, который до определенного уровня заполнен маслом для предотвращения подсасывания воздуха. Уровень масла контролируют через смотровое стекло 4. Резервуар осушается через трубу 2 и верхнее отверстие, закрытое пробкой 5, или через нижнее отверстие с пробкой 1. Заполнять резервуар можно через отверстие с пробкой 11.

Рис. 4.2. Роторный двухпластинчатый насос.

Насос используется на судах как вакуумный для создания пониженного давле­ния. Его недостаток состоит в неравномерности подачи (пульсации). Для выравнивания подачи применяют насосы с большим количеством пластин.

Для обеспечения самовсасывания применяются водокольцевые вакуумные многопластинчатые насосы простого действия, схема и конструкция которых показана на рис. 4.3.

В корпусе насоса 3 эксцентрично размещены ротор — вал и жестко сидящая на валу втулка-ступица 2 с лопатками-пластинами. При вращении ротора жидкость (вода) отбрасывается пластинчатыми лопатками к периферии и образует вращающийся кольцевой слой 5. Вследствие не сжимаемости капельной жидкости вращающийся кольцевой слой имеет постоянную тол­щину и располагается концентрично по отношению к рабочей цилиндрической камере насоса. Так как ротор установлен эксцентрично, пограничный внутренний жидкостный слой вращающегося кольца, соприкасаясь с втулкой-ступицей вверху, будет при вращении постепенно отходить от нее с одной стороны и вновь приближаться с другой. В образующееся при отходе жидкости разреженное пространство 6 засасывается воздух или жидкость из окна 1, перегоняется по окружности лопатками-пластинами и нагнетается в окно 4. Назначение окон будет изменяться при изменении направления вращения ротора; это видно из сравнения схемы с конструкцией.

Рис. 4.3. Многепластинчатый водоколыдевой насос: а — схема; б — конструкция.

В рассмотренных роторно-пластинчатых насосах изменение объема между двумя пластинами-вытеснителями при всасывании и нагнетании достигается эксцентричным расположением ротора. Кроме того, они являются насосами простого (одинарного) действия, т. е. за один оборот ротора каждая пара пластин один раз осуществляет прием и подачу жидкости. Недостаток таких насосов — большая нагрузка на ось ротора и пластины от сил давления жидкости и неравномерность подачи.

Более совершенными можно считать пластинчатые насосы с концентричным расположением ротора и фасонным профилем рабочей камеры корпуса. Схема такого насоса двойного действия изображена на рис. 4.4. В фасонной рабочей камере корпуса 6 имеются четыре окна с прорезями: 7 и 5 — всасывающие, 4 и 1 — нагнетательные. В роторе 5 имеются пазы, в которых перемещаются радиально пластины 2. При вращении ротора пластины прижимаются под действием центробежной силы к внутренней поверхности рабочей камеры. При вращении ротора в направлении стрелки ш объем между двумя соседними пластинами при прохождении окон 7 и 3 благодаря фасонному профилю камеры будет увеличиваться, что обеспечит понижение давления и всасывание жидкости.

Рис. 4.4. Насос двойного действия.

У окон 4 и 1 объем будет уменьшаться, давление возрастать и жидкость будет нагнетаться. Таким образом, за один оборот ротора каждая пара пластин нагнетает жидкость два раза. Поскольку рабочее давление жидкости действует на ротор с диаметрально противоположных сторон (окон 1 и 4), давление жид­кости на подшипники ротора будет уравновешиваться.

Принцип действия плунжерного насоса

Насосы многократного действия выполняются в, виде роторно-поршневых, у которых поршни совершают не только поступательное, но и вращательное движение вместе с цилиндрами, В зависимости от расположения осей цилиндров роторно-поршневые насосы подразделяются на радиальные и

аксиальные.

Рис. 5.2 . Схемы роторно-поршневых насосов многократного действия: а — радиального; б - аксиального

Схема радиального роторно-поршневого насоса переменной производительности изображена на рис. 5.2 , а.

Насос состоит из корпуса 5, регулировочного кольца 4 и ротора 1. Основу ротора составляет звезда цилиндров, вращающаяся вместе с поршнями (плунжерами) 2. Поршни имеют башмаки 3, а в некоторых конструкциях ролики, которые скользят по внутренней поверхности регулировочного кольца. Регулировочное кольцо при помощи тяги 6 может перемещаться в поперечном направлении. Центральная полость звезды цилиндров разделена на две части неподвижной горизонтальной перегородкой 9. Каждая часть полости сообщается через отверстия 7 и 8 с трубопроводами.

Левый рисунок схемы показывает нахождение регулировочного кольца в нейтральном или среднем положении. При вращении ротора 1 поршни не имеют возвратно-поступательного движения и насос не производит перемещения жидкости.

Правый рисунок показывает расположение регулировочного: кольца в крайнем положении, что соответствует максимальной производительности насоса. При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, обеспечивается всасывание масла в центральную полость насоса через нижнее отверстие 8, а нагнетание - через верхнее отверстие 7.

С отводом кольца влево всасывание будет производиться через верхнее отверстие, а нагнетание — через нижнее. Таким образом изменяется направление движения масла в трубопроводах. Ротор насоса вращается с постоянной частотой вращения. Напор насоса постоянный, а производительность переменная и зависит от степени отвода регулировочного кольца от среднего положения. Такой насос называется насосом с переменной производительностью.

Рассмотренный роторно-поршневой насос - простого действия, так как всасывание и нагнетание жидкости осуществляются с одной стороны поршня-плунжера, а кратность его действия равна числу цилиндров. В данном случае за один полный оборот ротора будет подан объем жидкости, равный семи объемам цилиндра, т. е. насос будет семикратного действия.

Схема аксиального роторно-поршневого насоса переменной' производительности с горизонтальным расположением цилиндров показана на рис. 5.2 , б.

Насос состоит из блока цилиндров (барабана) 2 с поршнями 3, соединенными шарнирно при помощи шатуна 4 с шайбой 5, угол наклона которой относительно горизонтальной оси блока цилиндров (барабана) определяет собой величину хода поршней и, значит, производительность насоса. При вращении шайбы от приводного вала двигателя посредством кардана 6, прижимаемого пружиной, вращение получает барабан с цилиндрами и поршнями. При этом он скользит торцевой частью по опорно-распределительному диску 1 с серповидными окнами А и Б, с которыми сообщаются каналы 7 блока цилиндров.

Если угол, торцевые плоскости барабана и шайбы параллельны, т. е. у = О, насос вращается вхолостую, так как поршни не будут перемещаться по оси и объем в цилиндрах сохранится постоянным.

При повороте шайбы на некоторый угол у поршни при вращении перемещаются в осевом направлении. При этом в верхнем положении поршни 3 перемещаются вправо, объем полости цилиндра увеличивается и всасывание жидкости происходит из окна А.

В нижнем положении поршень перемещается влево, объем полости цилиндра уменьшается и жидкость нагнетается через окно Б. Если изменить угол поворота шайбы в противоположную сторону от вертикали на угол у, то направление движения перекачиваемой жидкости изменится на противоположное: в нижних положениях поршни отходят вправо и засасывают в цилиндры жидкость из окон Б, в верхних положениях поршни, двигаясь влево, нагнетают жидкость через окна А.

Аксиальные роторно-поршневые насосы могут выполняться с поворотными блоками цилиндров (барабанов).

Судовые подъёмно – транспортные механизмы.

Режимы работы традиционных и специальных судовых устройств отличается повышенной динамичностью, вызываемой ветром и волнением, а также силовыми воздействиями приводов.

Для судовых устройств характерны силовые и кинематические динамические возбуждения. В первом случае источником их возникновения являются известные силовые воздействия, во втором – перемещения, скорости и ускорения судна.

В практике проектирования расчеты прочности многих судовых устройств выполняется традиционными статическими методами, при этом динамические нагрузки учитываются коэффициентами запаса. Однако при проектировании судовых устройств все чаще возникают нетрадиционные задачи, для решения которых необходим тщательный анализ эксплуатационных факторов.

Судовые устройства играют решающую роль в обеспечении надежной и эффективной эксплуатации морских судов, а также безопасности находящихся на борту людей. При всем многообразии выполняемых функций и конструктивных типов они имеют общий признак – их основные элементы располагаются вне корпуса судна.

К функциям традиционных судовых устройств относятся управление движением судна, его удержание в заданном районе акватории или у причальной стенки, обеспечение буксировки, грузовых и спасательных операций

Расчетное проектирование судовых устройств включает:

- определение внешних воздействий, т.е. внешних сил или кинематических возбуждений для устройства в целом или его частей;

- расчет напряжений в корпусных элементах устройства, перемещений, скоростей, ускорений и других параметров, характеризующих состояние устройства и обслуживаемых объектов;

- оценку работоспособности и надежности устройства, т.е. выбор необходимых критериев, их расчет и сравнение с нормативами, соответствующими безопасной работе при заданных внешних условиях.

груз шварт якорный лебедка корабль