Судовые энергетические установки (СЭУ)

7.1. Тип, состав и размещение СЭУ на судне

СЭУ – комплекс взаимосвязанных механизмов, теплообменных аппаратов, оборудования, устройств и систем, предназначенный для обеспечения движения с заданной скоростью, а также для выработки энергии для судовых нужд. Двигатель, обеспечиваю-щий движение судна,- главный двигатель – передаёт энергию (тем или иным способом) движителю, который преобразует её в упор, преодолевающий сопротивление среды движению судна, что обеспечивает движение судна с заданной скоростью.

СЭУ классифицируются по: - способу превращения тепла в меха-ническую энергию (поршневые, турбинные, реактивные); - типу главного двигателя (ДВС – дизель, паровая турбина – ПТУ, газовая турбина – ГТУ, паровая машина – ПМ, комбинированные парога-зотурбинные - ПГТУ); - по топливу (дизельное, моторное, мазут, уголь, ядерное); - по способу передачи мощности к движителю (прямая передача, механическая, гидравлическая, электрическая, комбинированная.

Размещение СЭУ на судне. В отдельных специальных помещениях, которые так и называются отделениями – котельное, машинное, вспомогательных механизмов. Часто объединяют в одно помещение: машино-котельное МКО. МКО чаще всего размещается в корме вместе с надстройкой, отводя более объёмную часть корпуса под полезные грузы.

7.2. Наиболее применяемый тип СЭУ – ДВС. В 1986г 98% мирово-го торгового флота имели ДВС, который имеет реверс, наибольший к.п.д., экономичен, но занимает больше места, меньше мо-торесурс, тяжёл. В состав каждой СЭУ входят: главный двигатель, двигатель, валопровод, редуктор, вспомогательные механизмы (за исключением электродвижения). У ПТУ – больше моторесурс, меньше занимаемый объём, меньше кпд, менее экономична. Применяют на больших судах. ГТУ – малый моторесурс, малые габариты при большой мощности. Применяют на ролкерах, контейнеровозах, быстроходных судах, промысловых судах. –ПГТУ – имеют два режима: экономичный ход и форсаж.

7.2.1. Паровые машины и котлы. Паровые котлы (сюда можно отнести ядерную установку) пред-назначены для выработки пара с целью обеспечения им главных и вспомогательных механизмов, бытовых нужд. Главные котлы снабжают паром главные и вспомогательные механизмы (турби-ны, турбогенераторы, холодильные машины и пр.), вспомога-тельные – систему отопления помещений, камбуз, баню и т.п. Они работают только на стоянках /иногда работает один главный котёл на пассажирских судах. Судовые котлы работают в основном на жидком топливе, редко – на угле.

В ядерных установках вместо парового котла служит парогенера-тор. Паровой котёл состоит из корпуса, топки и газоходов. Котлы подразделяются на водотрубные и газотрубные (иногда водога-зотрубные). Харатеристики котла: площадь поверхности нагрева, паропроизводительность (количество пара в час), рабочее давле-ние, температура перегрева пара, удельный паросъём. Вода в котле циркулирует принудительно или естественно. Если вода полностью испаряется в трубках коллектора, то котёл называется прямоточным. Параметры пара на СЭУ крупных танкеров: давле-ние 8МПа (80атм), температура перегрева пара в экономайзере – до 515 град.С. Системы, подающие рабочие среды: топливная, питательная, воздушная (наддув). Вспомогательные котлы – Р = 1МПа (10кгс/см кв), производительность – 1-5т/час, температура – до 200 град.. Утилизационные котлы используют тепло отходя-щих газов главного двигателя на дизельных и газотурбинных уста-новках; размещаются на выхлопных трубороводах.

Паровые машины – поршневые паровые установки с низким кпд, для нового судостроения не применяются.

7.2.2. Паровые турбины (ПТ).

ПТ – механизм, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию скоростной струи пара, а затем – в механическую работу вращения вала. ПТ состоит из: дисков с лопатками, насаженными на вал, ротора, статора (неподвижной части). В направляющем аппарате происходит расширение пара, падает давление, увеличивается скорость струи. Турбины класси-фицируются как: вертикальные, горизонтальные – по расположе-нию оси, однокорпусные, многокорпусные, активные, реактивные.

Многокорпусные – ТВД, ТСД, ТНД, ТЗХ (высокое, среднее, низкое давление, задний ход).

Активные ПТ – расширение пара только в направляющем аппарате.

Реактивные ПТ - расширение пара на лопатках специального профиля.

КПД ПТУ » 28-31% обороты турбины – до 6000 в мин; на винт через редуктор – 80-200 об/мин. Конденсатор – теплообменник, в котором отработавший пар конденсируется до воды и возвращается в питательную систему.

7.2.3. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), дизельные установки

ДВС – поршневой тепловой двигатель, в котором сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра. Рабочая тело - смесь газов, образующаяся при сгорании топлива. Под давлением газов поршень движется возвратно-поступательно, и крившипный-шатунный механизм с коленчатым валом преобразует его во вращательное движение гребного вала и винта. Неподвижная часть ДВС, на которую опираются цилиндр, называется; станина опирается на фундаментную раму. Нижняя часть станины с фундаментной рамой образуют картер. Рабочий процесс, совершающийся в ДВС, состоит из последовательно сменяющих друг друга процессов: всасывания воздуха в цилиндр, сжатия воздуха в цилиндре, впрыска топлива, воспламенения и расширения горячих газов в цилиндре (рабочий ход) и выхлопа отработавших газов. Эти процессы могут происходить до 2 или до 4 хода поршня. От этого ДВС бывают 4х и 2х тактными.

ДВС классифицируются также как простого и двойного действия (рабочий ход совершается в одной или двух полостях цилиндра; в зависимости от скорости движения поршня: до 6,5 м/см – тихоходные; малооборотные 150-250 об/мин; среднеоборотные – 300-600 об/мин; крейцкопфные и тронковые (шатун с ползуном и без); карбюраторные и дизели (по способу воспламенения: свеча и без); компрессорные и безкомпрессорные (способ распыления топлива); по топливу: нефтяные, керосиновые, бензиновые, газогенераторные. У ДВС есть реверсивное устройство.

Нормальная работа ДВС обеспечивается системами: топливной, смазки, охлаждения и пусковой. Расположение цилиндров: рядное, V-образное, звездой.

Система обозначения ДВС:

КПД ДВС – 35-45%, меньший расход топлива по сравнению с ПТУ.

Отрицательное: высокая стоимость топлива и смазки, сложность конструкции, большая масса, неспособность работы с перегрузкой; меньший моторесурс, сложность ремонта, более высокая стоимость установки, шум и вибрация (более мощный фундамент из-за неуравновешенности).

7.2.4. Газовые турбины и газотурбинные установки (ГТУ)

Газовая турбина – представляет турбоагрегат, где рабочим телом является не пар, а более высоких тепловых параметров газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. Т.к. ГТ – нереверсивный механизм, то в ГТУ предусматривается турбина заднего хода.

Состав ГТУ: сама ГТ, воздушный компрессор, камера горения (генератор газа), трубопроводы, утилизационное устройство для использования тепла отходящих газов, пусковая паровая турбина (пар от вспомогательного котла), топливная и масляная система. Для образования рабочего газа на ГТУ используют камеру горения или СПГГ (свободно-поршневой генератор газа). Параметры газа: t=650-850⁰С.

СПГГ – симметричный аппарат состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора простого действия и двух буферных цилиндров. В цилиндре расположено два рабочих поршня, соединенные с компрессорами и буферными цилиндрами. Благодаря СПГГ улучшается компоновка ГТУ. Несколько СПГГ могут работать на одну турбину. ГТУ применяются на скоростных судах и ролкерах, где желательно разделение установки по бортам: в общем ГТУ занимает меньший (по сравнению с ПТУ, ДВС) объём, меньше расходует топлива; однако имеет меньший моноресурс, повышенную шумность.

7.2.5. Ядерные энергоустановки (ЯЭУ или АЭУ)

ЯЭУ – судовая энергетическая установка, где для получения пара (или нагретого газа используется тепло управляемого процесса цепной реакции распада атомных ядер расщепляющихся веществ(урана, плутония, тория и их изотопов). Удельное получение энергии при этом очень велико. Так, при использовании 1 кг U²³⁵ выделяется количество энергии, эквивалентное сжиганию 1400 т мазута. Однако, работа ядерного реактора в судовой ЯЭУ требует биологической защиты экипажа и окружающей среды от воздействия ионизирующих излучений, образующихся при распаде

атомных ядер расщепляющихся элементов. Поэтому вес ЯЭУ получается значительным, хотя возникает существенная экономия на отсутствии запасов топлива (органического). В целом стоимость энергии, получаемой в ЯЭУ, ещё достаточно высока, что сдерживает её использование в судоходстве и судостроении. Наибольшее применение ядерная энергия получила для ледоколов, судов арктического плавания, подводных кораблей (нет необходимости подачи воздуха для работы ЯЭУ, практически неограниченное энергообеспечение, увеличение дальности хода и автономности).

Основной элемент ЯЭУ – реактор. Это корпус толстого металла, активная зона, состоящая из набора ТВЭО-ов (тепловыделяющих элементов) с ядерным горючим. Если масса расщепляющегося вещества достигает критической, то начинается цепная реакция деления ядер, при которой выделяется тепловая энергия в больших количествах. Если не управлять процессом деления ядер, то это будет атомная бомба. Поэтому нужны: замедлитель, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления (поглотители нейтронов – управляющие стержни) и защита (АЗ – аварийная защита из поглотителей нейтронов). Замедлителем служит графит, тяжелая вода, обычная вода; теплоноситель – вода, жидкие металлы и сплавы (Na, K, V+Pb), газы (He, N2, CO₂, воздух). На судах наибольшее распространение получили водо-водяные реакторы, у которых замедлителем и теплоносителем является дистиллированная вода (бидистиллат), наиболее простые и надежные ЯЭУ могут быть исполнены по 1,2,3-контурной схеме. Тогда необходимы парогенераторы, компенсаторы объема, ионообменные фильтры, насосы, биологическая защита на опасный блок агрегатов /см. схемы ЯЭУ/стр280Ф/. Одноконтурная ЯЭУ требует биологическую защиту вокруг всего контура, включая турбину. Двухконтурная более распространена, т.к. 2й контур уже безопасен (не нужно защиты); трехконтурная применяется, если теплоноситель в реакторе сильно активируется и его необходимо тщательно отделить от рабочего вещества благодаря ещё одному промежуточному контуру.

7.3. Передача энергии от двигателя к движителю. Электродвижение.

Главный судовой двигатель (D) вырабатывает энергию для

движения.

Движитель (d) – преобразует эту энергию в движение судна с заданной скоростью. Т.к. движитель, в основном, расположен в корме, а двигатель может быть в любой части судна (по длине), то необходимо передать энергию двигателя движителю. Передача может быть механическая – валопровод, гидравлическая, электрическая. Все агрегаты, участвующие в обеспечении движения судна, относятся к пропульсивной установке. Наиболее распространенной является механическая передача через валопровод, который передает крутящий момент от двигателя к движителю. Он состоит из: гребного вала, проходящего внутрь корпуса через дейдвудное устройство; промежуточных валов, опирающихся на опорные подшипники, упорного вала, главного упорного подшипника, передающего упор, создаваемый винтом, на корпус судна; валоповоротное устройство, тормоз. К пропульсивной установке относится также редуктор, разъединительная муфта. На гребной вал снаружи устанавливается винт, изнутри – гребной электродвигатель. Электрическая передача мощности от D к d состоит в следующем: Главный двигатель – турбо-, дизель- , валогенератор, вырабатывающий электроэнергию, которая подается на ГРЩ (главный распределительный щит). С ГРЩ подается на ГЭД (гребной электродвигатель). Если ГЭД обеспечивает все режимы движения судна, то промежуточные валы, редуктор, тормоз, разъединительная муфта становятся лишними. В этом существенный выигрыш такой передачи. Кроме того, преимущества электродвижения:

- быстрый реверс

- короткий вал

- работа и регулируемость на малых скоростях

- быстрое затормаживание (min выбег при реверсе).

Применение: на ледоколах, буксирах, промысловых судах (постоянный ток); плавкраны, земснаряды, мастерские (переменных ток).

Интерес также вызывает ГВРК (главная винторулевая колонка), которая в комплексе заменяет почти всю пропульсивную установку. Она представляет собой обтекаемую капсулу, внутри которой расположен ГЭД и упорный подшипник; снаружи установлен винт на гребном валу: вся капсула может поворачиваться на 360⁰вокруг оси, перпендикулярной гребному валу. Все эти агрегаты вынесены вне корпуса судна; из корпуса в ГВРК подаётся только эл. энергия от ГРЩ. В корпусе нет редуктора, муфты, никаких валов, подшипников и пр. Есть только те или иные источники энергии. Такие агрегаты уже применяются на крупных пассажирских судах. Кроме того, они исключают необходимость руля.

7.4. Анаэробные двигатели (СЭУ): Стирлинга, РЕДО, термоэлементы, парогазовая турбина (установка Вальтера)