Реферат: Типы, состав и размещение судовых энергетических установок

I Типы, состав и размещение судовых энергетических установок

Судовая энергетическая установка представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных механизмов, теплообменных аппара­тов, устройств и трубопроводов, предназначенных для обеспече­ния движения судна с заданной скоростью, а также для снабже­ния энергией различных механизмов, систем, устройств и т. п.

Основная часть вырабатываемой судовой энергетической уста­новкой энергии расходуется на перемещение судна по воде под действием упора, создаваемого работой судового движителя (греб­ного винта, гребного колеса, крыльчатого движителя и т. д.), который приводится в движение главным судовым двигателем.

На судах применяют в основном двигатели, в которых меха­ническая энергия вырабатывается в результате преобразования тепловой энергии, образующейся при сжигании топлива. В зави­симости от используемой рабочей среды такие двигатели, называе­мые тепловыми, подразделяют на две основные группы — паровые и двигатели внутреннего сгорания.

Паровые двигатели — паровые турбины и машины (на старых судах) — используют энергию пара, который образуется в паро­вых котлах при сжигании топлива в их топках.

Двигатели внутреннего сгорания используют энергию газов, эбразующихся при сгорании топлива в самих двигателях. К этой группе относятся также газовые турбины, которые используют энергию газов, образующихся при сгорании топлива в специаль­ных камерах или генераторах газа.

В зависимости от способа превращения тепловой энергии в ме­ханическую в двигателях последние подразделяют на следующие гипы: поршневые, у которых возвратно-поступательное движение юршней под давлением рабочей силы преобразуется во враща-гельное движение вала; турбинные — вал вращается под дей­ствием скоростного потока частиц пара или газа, воздействую-цего на лопатки насаженного на вал рабочего колеса; реактивные, у которых тяга создается под влиянием реакции струи газов, вытекающей из сопла двигателя.

На современных судах устанавливают следующие типы глав­ных двигателей: двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, газовые турбины. Каждому типу соответствует свой способ передачи крутящего момента от главного двигателя к греб-юму валу.

Прямая передача от главного двигателя к гребному валу осуществляется при использовании малооборотных судовых дизелей. При средне- и высокооборотных дизелях вращение греб­ному валу передается с помощью зубчатой передачи — редук­тора. Редукторную передачу применяют также в паротурбинных установках (ПТУ) (при этом турбина делает 5000—6000 об/мин, а гребной вал — 80—200 об/мин), а также в установках из не­скольких любых двигателей, работающих на один гребной вал (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Дизель-редукторная установка (два двигателя внутреннего сгорания работают через редуктор на один вал)

На гражданских судах наибольшее распространение полу­чили дизельные и паротурбинные установки. Первые применяют почти на всех новых судах с мощностью энергетической установки до 20 000—30 000 кВт. Паротурбинные установки целесообразно использовать при мощностях от 15 000—18 000 до 30 000— 38 000 кВт на один вал, однако в связи с созданием мощных экономичных дизелей, а также резким ростом цен на топливо, число паровых турбин даже на крупных морских судах суще­ственно сократилось. В 1986 г. в составе мирового торгового флота около 98 %. судов имели дизельные установки. Применение газотурбинных установок (ГТУ) на больших судах носит пока экспериментальный характер, зато на малых быстроходных судах, например на судах на подводных крыльях, они получили широкое распространение. На судах, имеющих по условиям эксплуатации два ходовых режима, отличающихся по потребляемой мощности и продолжительности, применяют комбинированные установки. Они состоят из двигателей двух типов — основного (дизеля или паровой турбины), обеспечивающего длительный экономический ход, и так называемого форсажного двигателя, предназначенного для резкого кратковременного увеличения мощности с целью получения большой скорости хода. В качестве форсажных дви­гателей обычно применяют менее экономичные, но зато значи­тельно более компактные газовые турбины. Такие комбинирован­ные судовые энергетические установки применяют на тех судах, которым необходимо точно выдерживать расписание независимо от погоды (некоторые линейные пассажирские, контейнерные, накатные и т. п. суда). К комбинированным относятся также такие установки, в которых двигатели обоих типов связаны единым термодинамическим циклом, с целью существенного повышения общего КПД установки. В таких установках теплота отходящих газов двигателя одного типа используется в утилизационном ­паро­генераторе для приготовления рабочего пара или газа для дви­гателя другого типа (подобная комбинированная газопаротурбин­ная установка применена на быстроходных контейнеровозах типа «Капитан Смирнов»).

На некоторых судах, которые должны обладать повышенной маневренностью — ледоколах, паромах, плавучих кранах, пор­товых буксирах, — используют установки с электродвижением; гребные винты вращаются гребными электродвигателями, кото­рые питаются электрическим током от генераторов, имеющих в качестве первичного двигателя дизель, паровую или газовую турбины. Такие суда называют соответственно дизель-электро­ходами, турбоэлектроходами или газотурбоэлектроходами.

Бурное развитие атомной энергетики и успехи применения атомной энергии в мирных целях привели к созданию нового типа судовой энергетической установки, отличающейся от обыч­ной паротурбинной или турбоэлектрической тем, что рабочая среда — пар — вырабатывается не в котле, а в специальном аппарате (парогенераторе), который использует тепло, образу­ющееся в результате ядерной реакции, протекающей в реакторе.

Судовая энергетическая установка должна быть компактной, легкой и экономичной, т. е. расходовать возможно меньше топ­лива на единицу мощности в час и потреблять наиболее дешевое топливо. Одним из главных требований, предъявляемых к судо­вой установке, является высокая надежность в работе и большой моторесурс — продолжительность работы без капитального ре­монта.

По экономичности первое место занимают дизельные уста­новки, у которых удельный расход топлива не превышает 180— 220 г/(кВт • ч). Однако дизельные установки тяжелы (100—120 г/кВт) и громоздки (длина МКО, в которых их размещают, должна составлять 14—16 % длины судна). ПТУ, наоборот, значительно легче дизельных (60—75 г/кВт) и компактнее (длина МКО со­ставляет лишь 11—12,5 % длины судна), но они менее экономичны, так как удельный расход топлива у них 280—320 г/(кВт-ч), а у современных ПТУ большой мощности —245—260 г/(кВт-ч). Поэтому при выборе типа энергетической установки следует учитывать, что даст большую экономию в массе – сама энергетическая установка или запасы топлива для нее. Наиболее вы­соким моторесурсом отличаются ПТУ — 100 000—150 000 ч до капитального ремонта.

Рис. 9.2. Общее расположение механизмов в машинно-котельном отде­лении турбинного танкера.

/ — испаритель; 2 — питательный электронасос; 3 — питательный турбо­насос; 4 — редуктор; 5 — главный конденсатор; 6 — турбина низкого давле­ния; 7 — турбина высокого давления; 8 — главные охлаждающие насосы; 9 — деаэратор; 10 — турбогенераторы; // — грузовые насосы; 12 — вспомо­гательный конденсатор; 13 — дизель-генератор; 14 — главный пульт упра­вления; 15 — воздухоподогреватель; 16 — главный котел

ГТУ легче, компактнее (объем МКО уменьшается на 40— 50 %), они (в сочетании с теплоутилизационными приставками) потребляют еще меньше топлива, чем ПТУ, поэтому их считают наиболее перспективными для применения на тех транспортных судах, для которых наиболее важен выигрыш в использовании объемов (суда типа «ро-ро», контейнеровозы и т. п.), особенно если удастся устранить их главные недостатки — высокую шум-ность и малый моторесурс (20 000—25 000 ч). Преимуществом дизельных установок является их способность к реверсу, т. е изменению направления вращения вала. У ПТУ и ГТУ для этой цели приходится предусматривать турбину заднего хода или применять гребной винт регулируемого шага (ВРШ).

В состав каждой энергетической установки входят: главный двигатель —для создания необходимой мощности, которая обе­спечивает судну заданную скорость; движитель —для преоб­разования энергии вращения двигателя в упор, приложенный к судну; валопровод — для передачи мощности от главного двигателя к движителю (если главный двигатель имеет большее число оборотов, чем движитель, между последним и валопроводом устанавливают понижающий редуктор); вспомогательные меха­низмы для обеспечения судна электроэнергией, паром для быто­вых нужд, опресненной водой и пр.

Энергетическую установку размещают на судне в специаль­ных помещениях, которые называются отделениями. В зависи­мости от типа установки различают: котельныеотделе­ния,в которых размещают главные котлы с обслуживающими их механизмами; машинныеотделения, в которых располагают главные двигатели с обслуживающими их механиз­мами; отделениявспомогательныхмеханиз­мов,в которых размещают механизмы судовой электростанции, испарительные установки, рефрижераторные установки и пр.

На большинстве гражданских судов все отделения энергетиче­ской установки находятся в одном водонепроницаемом отсеке (рис. 9.2) и только на очень крупных судах, например на океан­ских пассажирских лайнерах, — в нескольких отсеках.

Чаще всего ее располагают в кормовой части судна либо в корму от середины судна и, реже, в средней части.

Паровые котлы и котельные установки

Паровые котлы устанавливают на судах для превращения воды в пар за счет тепла, выделяющегося при сжигании топлива. В зависимости от назначения судовые котлы подразделяют на главные, вырабатывающие пар для главных и вспомогательных механизмов, и вспомогательные, обеспечивающие паром систему отопления, камбуз, баню, прачечную и т. п., а также вспомога­тельные механизмы во время стоянки.

На пароходах вспомогательные котлы действуют только на стоянках (иногда вместо вспомогательного работает один из глав­ных), на теплоходах — в течение всего рейса.

Судовые котлы работают в основном на жидком топливе. Каждый паровой котел состоит из корпуса, топки и газоходов. В корпусе находится вода и пар (внизу водяное, выше — паровое пространство). Поверхность котла, обогреваемая с одной стороны горячими газами, а с другой омываемая водой, называется по­верхностью нагрева. Топка служит для сжигания топлива, га­зоходы — для движения горячих дымовых газов из котла в ды­мовую трубу.

Паровые котлы характеризуются: площадью поверхности на­грева; паропроизводительностью — количеством пара, вырабаты­ваемого в течение одного часа; рабочим давлением и температурой перегрева пара — основными параметрами пара, производимого котлом *; удельным паросъемом — отношением паропроизводи тельности к площади поверхности нагрева; коэффициентом полезного действия КПД—отношением полез­но использованной теплоты (израс­ходованной на получение пара) ко всей теплоте, которое отдало сгоревшее в топке топливо.

В зависимости от того, как обтекают горячие газы поверх­ность нагрева, котлы подразделя­ют на огнетрубные, водотрубные и комбинированные.

В огнетрубныхкот­лахгорячие дымовые газы дви­жутся внутри дымогарных труб и камер, омываемых водой. В во­дотрубныхкотлах,на­оборот, горячие газы омывают

снаружи трубки, внутри которых находится вода. В комби­нированныхкотлахчасть труб служит для прохода горячих газов, а часть омывается газами снаружи. В зави­симости от принятого принципа циркуляции различают кот­лы с естественной и с принудительнойцир­куляциейводы. Огнетрубные котлы относятся к котлам с естественной циркуляцией. В водотрубных котлах предусма­тривается либо естественная, либо принудительная циркуляция. Если при принудительной циркуляции вода только один раз про­ходит по трубкам и полностью испаряется, то такой котел назы­вают прямоточным. Огнетрубные котлы имеют невысокую паропроизводительность (5—6 т/ч), низкий КПД (70—75 %), боль­шие габариты и массу, поэтому они сейчас встречаются только на судах внутреннего плавания старой постройки. На современных пароходах устанавливают только водотрубные котлы.

В водотрубных котлах находящаяся в трубках вода нагревается омывающими их горячими дымовыми газами, которые образуются в топке, и превращается в пар. Чтобы процесс парообразования протекал непрерывно, в трубки все время должна поступать вода. Это обеспечивается естественной или принудительной циркуля­цией воды. Естественная циркуляция воды в трубках происходит по схеме, показанной на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Схема циркуляции воды в трубках водотрубного котла.

1 — водяной коллектор; 2 — парово­дяной коллектор; 3 — подъемная труб­ка; 4 — спускная трубка

Нагреваемая горячими дымовыми газами вода, находящаяся в подъемной трубке, поднимается в верхний пароводяной коллек­тор, одновременно с этим по спускной трубке холодная вода опу­скается в нижний водяной коллектор. Так устанавливается не­прерывное движение воды: по подъемной трубке вверх, по спуск­ной — вниз. По мере нагревания вода в подъемной трубке пре­вращается в пар, который поступает в паровой коллектор, оттуда в пароперегреватель и затем к потребителям.

Рис. 9.4. Вертикально-водотрубный двухбарабанный котел. ; _ водяной коллектор; 2 — подъемные водогрейные трубки; 3 — трубки паро­перегревателя; 4 — спускные водогрейные трубки; 5 — водоподогреватель; б — дымоход; 7 — пароводяной коллектор; 8 — осевые линии мазутных топок

Водотрубные котлы бывают с малонаклонными трубками — горизонтально-водотрубные(секционные) и с кру­тонаклонными трубками — вертикально-водотрубные.Наиболее распространены на судах вертикально-водотрубные котлы (рис. 9.4). Они состоят из одного-двух нижних водяных коллекторов и одного верхнего — парового. Водогрейные трубки расположены под углом 35—75° к горизонту. Во время работы котла нижние водяные коллекторы и половина верхнего напол­нены водой. Горячие дымовые газы, образующиеся в топке при сжигании мазута, омывают нижние пучки водогрейных трубок, трубки пароперегревателя, расположенные между ря­дами водогрейных трубок, задние пучки водогрейных трубок, а также подогрева­тель питательной воды (во­дяной экономайзер) и воз­духа и выходят через ды­моходы и дымовую трубу в атмосферу. Эти котлы имеют высокий КПД (до 93 %), большую производи­тельность и меньшую мас­су, чем секционные. Они позволяют получать пар дав­лением 4,5—10,0 МПа (45— 100 кгс/см² ) с температурой перегрева 470—540 °С (на крупнотоннажных танкерах параметры пара котельной установки — 8,0 МПа (80 кгс/см² ); 515 °С).

Для работы любого кот­ла к нему нужно подвести топливо, питательную воду и воздух, необходимый для горения. Все это обеспечи­вается топливной, питатель­ной и воздухоподающей си­стемами, которые вместе с котлом, паропроводами и дымоходом образуют котельную установку (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Судовая котельная установка: I — котел; II —топливная система; III— питательная система.

1 — топливная цистерна; 2 — топливный фильтр грубой очистки; 3 — топлив­ный насос; 4 — подогреватель топлива; 5 — топливный фильтр тонкой очистки; 6 — ци­стерна питательной воды; 7 — деаэратор; 8 — турбопитательный насос; 9 — водоподо-греватель; 10 — экономайзер котла; // — воздухоподогреватель; 12 — котельный вен­тилятор; 13 — паровой коллектор котла; 14 — пароперегреватель; 15 — воздухопровод; 16 — форсунки

Топливнаясистемасостоит из топливных цистерн, фильтров, топливных насосов, подогревателей топлива, трубо­проводов. В качестве топливных насосов используют поршневые, шестеренные турбо- или электронасосы. Топливо в топку подается в распыленном виде через распылители — форсунки.

Питательнаясистемаподготавливает котельно-питательную воду и подает ее в котел. Она состоит из водяной цистерны, питательных насосов, подогревателей и трубопроводов. Котельные установки, вырабатывающие пар высоких параметров, имеют в составе питательной системы деаэраторы, предназначен­ные для выделения из воды растворенного в ней кислорода. Это необходимо для того, чтобы избыток кислорода не увеличивал коррозию (ржавление) внутренних поверхностей котла. Пита­тельные насосы бывают поршневыми (для котлов низкого давле­ния) и центробежными — с электро- или турбоприводом.

Воздухоподающаясистемаподает воздух, не­обходимый для процесса горения топлива, в топку специальными котельными вентиляторами (с турбо- или электроприводом). Горячие дымовые газы, пройдя котел, удаляются в атмосферу через дымоходы и дымовую трубу.

Паропроводы, состоящие из труб и арматуры, служат для отвода пара от котлов к потребителям.

Вспомогательныекотлыустанавливают на судах для обеспечения паром бытовых потребителей. Они имеют не­большую по сравнению с главными котлами паропроизводитель-ность (1—5 т/ч) и невысокие параметры пара (давление—до 1,0 МПа (10 кгс/см² ), температура—до 200°). Исключение со­ставляют вспомогательные котлы дизельных танкеров, обеспе­чивающие при необходимости паром привод грузовых насосов, палубных механизмов, а также обогрев груза и пропаривание грузовых танков: их производительность достигает 25—30 т/ч, а давление пара — 2,5—28 МПа (25—280 кгс/см² ). КПД вспо­могательных котлов —70—80 %. На современных судах исполь­зуют главные и вспомогательные котлы, у которых управление процессами питания и горения автоматизировано.

Утилизационныекотлы,использующие тепло отработавших газов главного двигателя, применяют на судах с дизельными и газотурбинными энергетическими установками, вследствие чего увеличивается КПД энергетической установки. Их размещают на выхлопном трубопроводе.

Паровые турбины и паротурбинные установки

Паровая турбина представляет собой механизм, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию скоростной струи пара, а затем в механическую работу вращения вала. Выходящая из сопла струя пара воздействует на лопатки и тем самым вращает колесо, а следовательно, и вал (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Схема простейшей паро­вой турбины.

/ — направляющий аппарат (сопло); 2 — вал; 3 — диск; 4 — рабочая ло­патка; 5 — струя пара

Паровая турбина (рис. 9.7) состоит из одного или нескольких соединенных колес, насаженных на общий вал с радиально укреп­ленными на ободе каждого колеса криволинейными рабочими лопатками. В составе каждой турбины имеются ротор — вра­щающаяся часть — и статор — неподвижная часть, в которой расположены подшипники ротора и направляющий струю пара аппарат. В направляющем ап­парате происходит расширение пара, во время которого падает его давление и увеличивается скорость струи.

В зависимости от расположе­ния оси ротора, числа корпусов и принципа работы турбины бывают вертикальные и

горизонтальные однокорпусныеи многокорпусные, активныеи реак­тивные.

Рис. 9.7. Продольный разрез турбины; а — высокого давления (ТВД); б — низкого давления (ТНД).

/ — статор с направляющим аппаратом; 2 — ротор; 3 — опорные подшипники; 4 — уплотнения; 5 — упорные подшипники; 6 — диски с рабочими лопатками; 7 — фунда­ментная рама

Вертикальные турбины в качестве главных двига­телей не применяют, их используют для привода к некоторым вспомогательным механизмам — насосам, вен­тиляторам и пр.

Степень использования энергии пара в турбине зависит от разности давле­ния пара при входе и выходе из нее. Так как уменьшение давления пара связано с увеличением его объема и, следова­тельно, размеров турбины, паровые турбины мощностью более 3500—7500 кВт изготовляют двух- и трехкорпусными. В много­корпусных турбинах корпуса соединяются последовательно одним паропроводом: пар, проходя через первый корпус —турбину вы­сокого давления (ТВД), снижает давление до некоторой средней величины, затем под этим давлением поступает в следующий корпус—турбину среднего давления (ТСД), а оттуда под еще меньшим давлением — в турбину низкого давления (ТНД). В пос­леднее время для повышения экономичности паротурбинной установки применяют схемы с промежуточным перегревом пара, которые позволяют увеличить КПД на 4—5 %. Экономический КПД паротурбинных установок с обычной схемой без промежу­точного перегрева равен 28—31 %.

Если расширение пара и связанное с этим увеличение скорости струи происходит только в неподвижном направляющем аппарате турбины, то турбину называют активной. Если же расшире­ние струи пара происходит также и в рабочем колесе при про­хождении пара между лопатками, имеющими в этом случае спе­циальный профиль, то такую турбину называют реактивной.

Особенностью паровой турбины является ее способность вра­щаться только в одну сторону. Поэтому для обеспечения судну заднего хода (реверса) устанавливают турбинузад­негохода,мощность которой составляет 40—50 % мощности турбины переднего хода. Ее размещают либо в отдельном агре­гате (на крупных судах), либо на одном валу с турбиной низкого Давления переднего хода в ее же корпусе. Направляя пар в ту или другую турбину, получают передний или задний ход судна. На паротурбинных судах с винтом регулируемого шага (ВРШ), позволяющим изменить ход судна переменной угла поворота лопостей без изменения направления вращения гребного винта, турбину заднего хода не предусматривают (на крупнотоннажных танкерах типа «Крым»).

Паровая турбина является быстроходным механизмом, со­вершающим до 6000 об/мин. Поэтому, чтобы частота вращения тихоходного винта составляла 80—200 об/мин, необходимо иметь специальную передачу. Чаще всего для этой цели используют зубчатую передачу—зубчатый редуктор , обычно двухступенча­тый. Паровая турбина с редуктором образуют главный турбо- зубчатый агрегат (ГТЗА).

Рис. 9.8. Схема ГТЗА с двухкорпусной турбиной и двухступенчатым зубчатым редуктором

Пар из котлов поступает по главному паропроводу в турбину высокого давления (рис. 9.8), из нее по перепускной трубе (реси­веру) в турбину низкого давления и далее в конденсатор. Для регулирования мощности и частоты вращения турбины на паро­проводах ставят паровыпускные клапаны, распределяющие поступа­ющий пар по группам сопл. С переднего хода на задний и наобо­рот переходят, изменяя подвод пара с помощью маневровых клапанов. Кроме того, на пути движения пара от котла к турбине устанавливают стопорный, быстрозапорный и разобщительные клапаны. Для проворачивания турбин и редуктора перед пуском (и систематически во время стоянки — при прокачке масла через подшипники) ГТЗА снабжают валоповоротным устройством с при­водом от электродвигателя. Частота вращения вала ГТЗА вало­поворотным устройством — около 1 об/мин.

Конденсатор, куда поступает отработавший пар из турбины низкого давления, служит для обратного превращения (конден­сации) этого пара в воду путем охлаждения и повторного исполь­зования конденсата (воды) для питания главных котлов. Кроме того, благодаря созданию в конденсаторе разрежения (вакуума), увеличивается перепад давлений рабочего пара, что позволяет улучшить использование тепловой энергии пара и увеличить мощность турбины.

На морских судах с паротурбинными установками применяют конденсаторыповерхностноготипа,пред­ставляющие собой теплообменные аппараты в виде корпуса, внутри которого находятся трубки, прокачиваемые холодной за­бортной водой с помощью циркуляционного насоса или самопро­током, используя скоростной напор воды от движения судна. Применение самопроточной циркуляции сокращает количество вспомогательных механизмов и повышает на 1—2 % КПД уста­новки. Отработавший пар, поступающий из турбины низкого Давления в корпус конденсатора, омывает трубки с холодной забортной водой и охлаждается, конденсируется и снова превра­щается в воду. Скапливающуюся в нижней части конденсатора воду откачивают конденсатным насосом в питательную систему главного котла. Обычно главный конденсатор устанавливают непосредственно под турбиной низкого давления.

Для подачи смазки к подшипникам роторов турбины и валов шестерен редуктора предусматривают системусмазки, состоящую из масляных насосов, фильтров, сепаратора, масло­охладителей, сточной цистерны и трубопроводов. Схема общей компоновки паротурбинной установки мощностью 14 000 кВт приведена на рис. 9.9.

В настоящее время в ряде стран проводятся работы, направ­ленные на создание высокоэкономичных ПТУ, способных конку­рировать по затратам топлива с дизельными установками. Это достигается применением ПТУ с высокими начальными пара­метрами пара, промежуточным перегревом пара и подогревом питательной воды, у которых в будущем удельный расход топлива может быть снижен до 225—230 г/(кВт-ч).

Рис. 9.9. Общее расположение механизмов в машинном отделении турбинного танкера «Рихард Зорге».

Двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — это поршневые тепловые двигатели, в которых сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происхо­дит непосредственно внутри рабо­чего цилиндра (рис. 9.10). Рабочим телом в этом случае является смесь газов, образующихся при сгорании топлива. Расширяясь в цилиндре, газы давят на поршень, который, перемещаясь под давлением газов вниз, с помощью шатуна передает движение коленчатому валу; по­следний преобразует возвратно-по­ступательное движение поршня во вращательное, передаваемое гребно­му валу с насаженным на него греб­ным винтом. В верхней части ци­линдра размещается распредели­тельный механизм, состоящий из клапанов с приводами и предназна­ченный для обеспечения всасывания воздуха и выпуска отработавших газов.

Рис. 9.10. Четырехтактный дви­гатель внутреннего сгорания.

/ — цилиндр; 2 — поршень; 3 — впускной клапан; 4 — коромысло; 5 — топливная форсунка; 6 — выпускной клапан; 7 — шток; 8 — распределительный вал; 9 — станина; 10 — коленчатый вал; 11 — судовой фундамент; 12 — фундаментная рама; 13 — шатун

Неподвижная часть ДВС, на которую опираются цилиндры, на­зывается станиной. Станина, в свою очередь, опирается на фундаментную раму. Нижняя часть ста нины вместе с фундаментной рамой образует картер.

Рабочий процесс, совершающийся в цилиндре 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.

Если один рабочий процесс двигателя совершается за четыре хода поршня из одного крайнего положения в другое (сверху вниз и наоборот), то такой двигатель называют четырехтактным (рис. 9.11); если за два хода —двухтактным (рис. 9.12).

рис. 9.11. Схема работы четырехтактного двига­теля.

/ _- всасывание воздуха; ц — сжатие (в конце сжа­тия впрыск и воспламене­ние топлива); /// — рабо­чий ход (расширение го­рючих газов); IV — выхлоп отработавших газов

В двухтактном двигателе процесс выхлопа отработавших газов и всасывания воздуха начинается в конце рабочего хода поршня и заканчивается в начале хода сжатия. Выхлоп отработав ших газов осуществляется через продувочные окна, открываемые поршнем в конце рабочего хода и закрываемые им в начале хода сжатия.

Рис. 9.12. Схема работы Двухтактного двигателя.

в — продувка (выхлоп и всасывание); 16 — сжатие; 1а — впрыск топлива и ра­бочий ход; Пб — окончание Рабочего хода и продувка

Кроме того, все двигатели внутреннего сгорания подразделяют на двигатели: простого и двойного действия — в зависимости от того, совершается ли рабочий цикл только в верхней полости цилиндра или в обеих полостях; тихоходные и быстроходные — в зависимости от средней скорости движения поршня (менее 6,5 м/с — тихоходные); малооборотные (не более 150—250 об/мин) и среднеоборотные (300—600 об/мин); крейцкопфные и тронко- вые — в зависимости от конструкции шатунного механизма (крейц-копфные двигатели имеют шатун с ползуном, тронковые — не имеют); карбюраторные и дизели — в зависимости от способа воспламенения топлива (у карбюраторных двигателей топливо воспламеняется от электрической искры, у дизелей — самовоспла­меняется благодаря повышению температуры воздуха внутри ци­линдра от сжатия); компрессорные и бескомпрессорные — в зави­симости от способа распыливания топлива; нефтяные, керосино­ вые, бензиновые, газогенераторные — в зависимости от рода приме­няемого топлива.

В отличие от паровых турбин ДВС могут реверсироваться, т. е. изменять направление вращения вала, для этого на них предусматривают специальное реверсивное устройство.

Нормальная работа двигателя внутреннего сгорания обеспе­чивается работой его систем: топливоподающей, смазки, охла­ждения и пусковой.

ТопливоподающаясистемаДВС состоит из расходных топливных цистерн, трубопроводов, топливных на­сосов (дежурных, перекачивающих и насосов высокого давления, подающих топливо через форсунки в цилиндры двигателя), топ­ливных фильтров, сепараторов, подогревателей, измерительных приборов и пр. Топливные перекачивающие и дежурные насосы— поршневого или шестеренного типа; насосы высокого давления — плунжерные или золотниковые.

В судовых дизелях применяют обычно вязкое тяжелое топ­ливо, которое для снижения вязкости необходимо подогревать в специальных подогревателях. Подогрев до 60—70° не только снижает вязкость, но и облегчает удаление из топлива механиче­ских примесей и воды, осуществляемое с помощью топливных фильтров и сепараторов. Если для работы двигателя применяют тяжелые сорта топлива, то при запуске и остановке двигателя переходят на легкое дизельное топливо, которое на судне хра­нят в отдельных запасных и расходных цистернах (около 20 % от общего запаса топлива).

Системасмазкиобеспечивает подачу масла к движу­щимся деталям двигателя для уменьшения износа трущихся поверхностей и отвода тепла, выделяемого при трении. В совре­менных судовых двигателях обычно применяют циркуляционную систему смазки низкого давления. Масло, отработавшее в дви­гателе, стекает в расположенную под ним сточную масляную цистерну, откуда циркуляционным масляным насосом подается _в фильтр, холодильник и снова к двигателю.

Системаохлажденияслужит для охлаждения цилиндров двигателей, нагревающихся от сгорания в них топлива и от трения движущихся в них поршней. В качестве охлажда­ющей жидкости чаще всего применяют воду, реже, масло (глав­ным образом, для охлаждения головок поршней). Система охла­ждения бывает проточной (забортной водой) и замкнутой (пресной водой). Последнюю применяют чаще, так как охлаждаемые по­лости не загрязняются, но она сложнее и дороже в эксплуатации. Для подачи воды используют центробежные и поршневые насосы. Автоматическое поддержание постоянной температуры охлажда­ющей воды (70—80°) осуществляется прибором — термостатом.

Для запуска двигателя имеется специальная пусковая система.Быстроходные двигатели небольшой мощности за­пускаются с помощью электродвигателя — стартера; большие мощные малооборотные двигатели пускают в ход сжатым возду­хом, подаваемым из баллонов в цилиндры двигателя через дели­тельное устройство.

ДВС имеют в нашей стране единую систему маркировки, определяющую основные конструктивные признаки типа двигателя. Применяемые для марки­ровки буквы обозначают: Д — двухтактный; ДД — двухтактный двойного дей­ствия; Ч — четырехтактный; К — крейцкопфный (двигатель с ползуном); Р — реверсивный; Н—с наддувом*; С — судовой с реверсивной муфтой; П — с редуктором.

Если в марке отсутствует буква К, значит, двигатель тронковый, а если нет буквы Р, то нереверсивный. Цифра в конце марки обозначает степень наддува выше первой. В начале марки ставят цифру, означающую число цилиндров, в конце — дробь, числитель которой обозначает диаметр цилиндра в сантиметрах, зна­менатель — ход поршня в сантиметрах. Например, двигатель 8ДР 43/61 — восьмицилиндровый двухтактный тронковый реверсивный с диаметром цилиндра 43 см и ходом поршня 61 см, или 6ДКРН 62/140—3 — шестицилиндровый двух­тактный крейцкопфный реверсивный с третьей степенью наддува с диаметром цилиндра 62 см и ходом поршня 14 см.

К преимуществам судовых ДВС по сравнению с паровыми турбинами следует отнести: более высокий КПД (35—45 %), постоянную готовность к действию, меньший расход топлива на 1 кВт и относительно низкую температуру в МКО; кроме того ДВС позволяют осуществлять прямую передачу вращения от вала двигателя к винту (при применении малооборотных дизелей).

Рис. 9.15. Схема компоновки машинного отделения с малооборотным дизелем. / — утилизационный котел; 2 — вспомогательный котел; 3 — испаритель; 4 — главный двигатель; 5 — валопровод; 6 — запасной гребной вал; 7 — главный распределитель­ный щит; 8 — дизель-генераторы; 9 — пост управления главным двигателем; 10 — осу­шительный насос; // — масляные электронасосы; 12 — масляные фильтры; 13 — масло­охладители; 14 — маслоочистители; 15 — насосы пресной и забортной охлаждающей воды; 16 — охладители пресной воды; 17 — баллон пускового воздуха; 18 — топливо-перекачивающие насосы; 19 — сепараторы топлива

КПД энергетических установок с ДВС может быть повышен путем наиболее полного использования тепла отходящих газов. Для этого на установках большой мощности, у которых тепло­содержание отходящих газов довольно значительно, на выхлоп­ном трубопроводе размещают утилизационный котел (см. рис. 9.15), а также используют тепло охлаждающей воды главного двигателя в опреснительной установке.

Однако ДВС присущи и недостатки: относительно высокая стоимость потребляемого топлива и смазки, сложность конструк­ции, большая масса и неспособность к длительной работе с пере­грузкой, меньший, чем у паросиловых установок, моторесурс и сложность ремонта, более высокая стоимость установки. Кроме того, при работе судовых ДВС возникает значительный шум и вибрация.

На современных крупных морских судах наибольшее распро­странение получили малооборотные двухтактные крейцкопфные реверсивные двигатели , обладающие большой цилиндровой мощностью (от 400 до 3000 кВт в одном цилиндре), низким удельным расходом топлива (170—200 г/кВт-ч) и боль­шим моторесурсом (до 60 000—80 000 ч).

Рис. 9.16. Поперечный разрез среднеоборотного четырехтакт­ного тронкового двигателя внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров

Схема общей компоновки судовой энергетической установки с малооборотным дизелем приведена на рис. 9.15.

Агрегатная мощность современных малооборотных двухтакт­ных дизелей достигает 20 000—30 000 кВт (до 1500—3000 кВт в одном цилиндре).

Наряду с малооборотными двухтактными дизелями в качестве главных двигателей на крупных транспортных судах широкое распространение постепенно получают среднеоборотные четырех­ тактные двигатели с частотой вращения вала 300—600 об/мин и агрегатной мощностью 7000—11 000 кВт (до 12—18 цилиндров в одном агрегате), работающие через редуктор на гребной вал (рис. 9.16).

Для обеспечения мощности, превышающей максимальную агрегатную (до 35 000 кВт), применяют многомашинные уста­ новки. Среднеоборотные дизели работают на тяжелом топливе и имеют практически одинаковый с малооборотным удельный расход топлива. Среднеоборотные двигатели обладают определенными преимуществами перед малооборотными: габариты МКО, особенно его высота и длина, меньше, удельный вес установки в 1,2—1,5 раза ниже. Кроме того, благодаря редуктору можно выбирать такую частоту вращения гребного вала, которая позво­ляет использовать гребной винт с наибольшим КПД.

Установку со среднеоборотными дизелями компонуют обычно из нескольких агрегатов , поэтому при неисправности одного из них его можно отключить и ремонтировать на ходу судна, что также является несомненным преимуществом.

К недостаткам среднеоборотных двигателей относятся: мень­ший моторесурс (25 000—30 000 ч), меньший механический КПД установки (из-за потерь в редукторе), более высокая стоимость (из-за применения редуктора и муфт), повышенный уровень шума в МКО.

Газовые турбины и газотурбинные установки

Газовая турбина представляет собой двигатель, в котором соче­таются преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. В отличие от паровой турбины рабочим телом здесь является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС энергия рабо­чего тела превращается в механическую энергию вращения вала не в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, а путем вращения колеса турбины под действием скоростной струи газов, вытекающих из сопла.

Газовая турбина, как и паровая, — это нереверсивный меха­низм, поэтому для реверса в газотурбинных установках необхо­димо предусматривать турбину заднего хода или другое какое-либо устройство, например винт регулируемого шага (ВРШ).

Газотурбиннаяустановка(ГТУ) состоит из следующих основных частей: газовой турбины, в которой тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую; воздушного компрессора, засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов), в кото­рой распыленное жидкое топливо смешивается с воздухом и сго­рает, образуя рабочее тело — горячий газ; трубопроводов для под-вода воздуха к генератору газа, подачи газов из генератора в га­зовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; ути­ лизационных устройств, обеспечивающих использование тепла отходящих газов.

Кроме того, в состав ГТУ входят топливная и масляная си­стемы, подающие топливо в камеру горения и масло — в под­шипники турбины и зубчатую передачу, а также небольшая по мощности пусковая паровая турбина, использующая пар от вспо­могательного котла.

На судах ГТУ используют в качестве привода вспомогательных механизмов, а в последние годы и главных энергетических установок, преимущественно на судах на подводных крыль­ях и воздушной подушке типа «Буревестник», «Тай­фун», «Сормович». На круп­ных морских судах приме­нение газовых турбин в ка­честве главных двигателей пока еще ограничено. В СССР создана серия крупнейших в мире газотурбоходов типа «Капитан Смирнов» — судов с горизонтальной грузообра-боткой, дедвейтом около 20 000 т с ГТУ мощностью 36 750 кВт, построены ско­ростное сухогрузное судно «Парижская коммуна» дед­вейтом 16 000 т с ГТУ мощ­ностью 9555 кВт; несколько больших лесовозов типа «Павлин Виноградов» дед­вейтом 5700 т с ГТУ мощ­ностью по 2940 кВт; серия рыболовных траулеров и плавучие электростанции «Северное сияние» мощно­стью 2 X 8820 кВт для об­служивания районов Сибири и Крайнего Севера.

Устройство газовой тур­бины аналогично паровой турбине. Но газовая тур­бина испытывает более вы­сокие температурные нагрузки: ее рабочие лопатки работают при температуре горячих газов (650—850°), в то время как темпера­тура рабочего пара 400— 500°. Это значительно умень­шает моторесурс газовой тур­бины. В зависимости от принятого способа сжатия воздуха и об­разования горячих газов различают ГТУ с камерой горения и ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ).

Рис. 9.18. схема ГТУ с камерой горения (б) (мощность 4040 кВт).

/ — компрессор низкого давления; 2 — воз­духоподогреватель; 3 — ТВД; 4 — компрес­сор высокого давления; 5 — пусковая тур­бина; б — камера горения; 7 — форсунка; 8 — ТНД; 9 — воздухоохладитель; 10 — ре­дуктор

В ГТУ с камеройгорения (рис. 9.18) наружный воздух засасывается центробежным компрессором низкого давле­ния и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого давления, а оттуда через подогреватель воздуха в камеру горения. Одновременно в камеру горения через форсунку впрыскивается и топливо. Происходит сгорание и образование горячих газов, которые последовательно поступают в газовые турбины высокого и низкого давления и через выхлопной трубопровод отходят в атмосферу. На пути отходящих газов устанавливают подогре­ватель воздуха и утилизационный котел, пар которого можно использовать для турбогенератора или для вспомогательной турбины, работающей на гребной вал. Центробежные компрес­соры низкого и высокого давления приводятся во вращение соот­ветственно турбинами низкого и высокого давления. На гребной винт через редуктор работает только турбина низкого давления.

ГТУ со свободнопоршневымигенераторами газа(СПГГ) отличается от ГТУ с камерой горения тем, что горячие газы образуются в специальном генераторе газа, работающем по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, со­стоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с про­тивоположно движущимися поршнями, одноступенчатого ком­прессора простого действия и двух буферных цилиндров. В ци­линдре расположены два рабо­чих поршня, соединенные с ком­прессорами и буферными порш­нями.

Рабочий (расходящийся) ход поршневых групп осуществля­ется под действием расширя­ющегося в рабочем цилиндре газа. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сначала сжимается, а затем через выпускные клапаны поступает в реси­вер продувочного воздуха. Одновременно со сжатием воздуха в компрессорных цилиндрах сжимается воздух в буферных цилинд­рах, после чего его энергия расходуется на совершение обратного хода рабочих поршней и сжатие воздуха в рабочем цилиндре. В конце рабочего хода поршней открываются сначала выпуск­ные окна, а затем впускные. Через выпускные окна выхлопные газы поступают к газовой турбине, а через впускные сжатый продувочный воздух из ресивера заполняет рабочий цилиндр. Избыточный продувочный воздух смешивается с горячимивыхлопными газами и также поступает к газовой турбине. При обратном ходе рабочих поршней под действием воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, закрываются впускные окна, затем выпускные и одновременно через клапаны всасывается воздух в ^цилиндры компрессора. В момент сближения поршней в рабочий цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, и процесс повторяется.

ГТУ и СПГГ отличается компактностью, относительно малой массой 16—24 кг/кВт и небольшим расходом топлива 260 г/(кВт- ч). Преимуществом является возможность компоновать энергетиче­скую установку из нескольких СПГГ, что позволяет более рацио­нально использовать объем МКО (рис. 9.20). Кроме названных типов ГТУ на малых скоростных судах, особенно на судах на подводных крыльях, широко распространены облегченные ГТУ авиационного типа (1,5—4,0 кг/кВт). Но они имеют небольшой моторесурс и повышенный расход топлива (340—380 г/кВт-ч). Недостатком ГТУ всех типов, кроме повышенного расхода топ­лива и малого ресурса, является большая шумность в МКО, Для уменьшения которой приходится прибегать к специальным мерам.

Рис. 9.20. Компоновка газотурбинной энергетической установки с СПГГ. / — СПГГ; 2 — газовая турбина; 3 — редуктор; 4 — дизель-генератор

Энергетические установки судов с электродвижением

Если в состав судовых энергетических установок входят высоко­оборотные главные механизмы (паровые и газовые турбины, бы­строходные двигатели внутреннего сгорания и пр.), то для пере­дачи мощности от двигателя к гребному винту кроме зубчатых редукторов применяют электропривод. Создание электрической связи между главным двигателем и гребным винтом происходит по следующей схеме: главный двигатель приводит в действие электрогенератор, а электрический ток, вырабатываемый этим генератором, — электродвигатель, соединенный с гребным валом. Преимуществами использования электропривода на судах яв­ляются: отсутствие длинных валопроводов, так как гребные элек­тродвигатели легко размещаются в корме судна; возможность Применять более простые нереверсивные быстроходные двигатели, число которых выбирают независимо от числа гребных винтов; высокие маневренные качества и возможность работы судна на малых скоростях при неполном числе действующих первичных двигателей; возможность использования вырабатываемой генера­торами энергии для работы судовых вспомогательных механизмов. Однако электропривод имеет и недостатки: большую массу, низкий (на 8—13 /о ниже, чем у зубчатой передачи), более вы­сокую стоимость и пр. Поэтому принцип электродвижения при­меняют либо на специальных судах с повышенными маневренными качествами и частыми реверсами (на буксирах, ледоколах, паро­мах, плавучих кранах), либо в тех случаях, когда выгодно ис­пользовать мощность главного двигателя для обеспечения работы общесудовых механизмов (на плавучих кранах, земснарядах, рыбопромысловых судах, плавучих мастерских).

На судах с электродвижением, для которых более важны ма­невренные качества, применяют главным образом генераторы и гребные электродвигатели постоянного тока, а на судах, у которых определяющей является экономичность, — переменного. В каче­стве первичных двигателей чаще используют быстроходные че­тырехтактные дизели, реже паровые или газовые турбины.

Судовые энергетические установки с электродвижением раз­мещают в одном или двух отсеках. Гребной электродвигатель всегда размещают ближе к корме, насколько позволяют обводы и условия выемки гребного вала. Первичные двигатели и элек­трогенераторы устанавливают или в том же отсеке, где и гребные двигатели, или, чаще, в отдельном отсеке, расположенном в но­совой части ближе к середине судна (рис. 9.21).

Рис. 9.21. Компоновка гребной дизель-элек­трической установки.

Атомные энергетические установки ( АЭУ )

В настоящее время вопрос о широком применении ядерного горю­чего в судовых энергетических установках становится все более актуальным. Интерес к судам с АЭУ особенно возрос в 1973— 1974 гг., когда вследствие мирового энергетического кризиса резко повысились цены на органическое топливо. Основным преимуществом судов с АЭУ является практически неограничен­ная дальность плавания, что очень важно для ледоколов, судов арктического плавания, научно-исследовательских, гидрографи­ческих и пр. Суточный расход ядерного горючего не превышает нескольких десятков граммов, а тепловыделяющие элементы в реакторе можно менять один раз в два—четыре года. АЭУ на транспортных судах, особенно на тех, которые совершают дальние рейсы с большой скоростью, позволяет значительно повы­сить грузоподъемность судна за счет практически полного отсут­ствия запаса топлива (это дает больший выигрыш, чем потери из-за значительной массы АЭУ). Кроме того, АЭУ может работать без доступа воздуха, что очень важно для подводных судов. Однако пока потребляемое АЭУ топ­ливо еще очень дорого. Кроме того, на судах с АЭУ приходится пред­усматривать специальную биологи­ческую защиту от радиоактивного излучения, которая утяжеляет уста­новку. Надо полагать, что успехи в развитии атомной техники и в созда­нии новых конструкций и материа­лов позволят постепенно устранить эти недостатки судовых АЭУ.

Все современные судовые АЭУ используют тепло, выделяющееся при делении ядерного горючего для образования пара, или нагрева газа, поступающих затем в паровую или газовую турбины.

Основное звено атомной паро-производящей установки АППУ — реактор, в котором происходит ядерная реакция. В качестве ядерного горючего используют различные расщепляющиеся вещества, у которых процесс деления ядер сопровождается выделением большого количества энергии. К таким веществам относятся изотопы урана, плутония и тория. Наиболее важными элемен­тами судовых реакторов являются (рис. 9.22): активная зона, в которой размещены урановые стержни и замедли­тель, необходимый для поглощения энергии выделяющихся при распаде ядер частиц нейтронов; отражатель нейтронов, возвращающий в активную зону часть вылетевших за ее пределы нейтронов; теплоноситель для отбора из активной зоны тепла, выделяющегося при делении урана, и передачи этого тепла дру­гому рабочему телу в теплообменнике; экран биологической за­ щиты, препятствующий распространению вредных излучений реактора; система управления и защиты, регулирующая течение реакции в реакторе и прекращающая ее в случае аварийного роста мощности.

Рис. 9.22. Схема ядерного ре­актора.

/ — активная зона; 2 — урановые стержни; 3 — замедлитель; 4 — отражатель; 5 — теплоноситель; 6 — биологическая защита; 7 — тепловой экран; 8 — система ре­гулирования

Замедлителем в ядерных реакторах служит графит, тяжелая и обычная вода, а теплоносителем — жидкие металлы с низкой температурой плавления (натрий, калий, висмут), газы (гелий, азот, углекислый газ, воздух) или вода.

В судовых АЭУ получили распространение реакторы, у кото­рых и замедлителем и теплоносителем является дистиллированная вода, откуда и произошло их название водо-водяные реакторы. Эти реакторы проще по устройству, компактнее, надежнее в ра­боте, чем другие типы, и дешевле.

Рис. 9.23. Тепловые схемы ядерных энергетических установок: а – одноконтурная; б – двухконтурная; в – трехконтурная. 1 – реактор 2 – турбина 3 – конденсатор 4 – циркуляционный насос 5 – парогенератор 6 – конденсатный насос 7 – система подогрева фильтрации и подпитки 8 – питательный насос 9 – теплообменник 10 – биологическая защита

В зависимости от способа передачи тепловой энергии от реак­тора исполнительному механизму (турбине) различают однокон­турную, двухконтурную и трехконтурную схемы АЭУ.

По одноконтурной схеме (рис. 9.23, а) рабочее вещество — паробразуется в реакторе, откуда поступает непосредственно в турбину и из нее через конденсатор с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор.

По двухконтурной схеме (рис. 9.23, б) циркулирующий в реак­торе теплоноситель отдает свое тепло в теплообменнике — паро­генераторе — воде, образующей пар, который поступает в тур­бину. При этом теплоноситель пропускают через реактор и паро­генератор циркуляционным насосом или воздуходувкой, а образующийся в конденсаторе турбины конденсат прокачивают конденсатным насосом через систему подогрева, фильтрации и подпитки и питательным насосом снова подают в парогенератор.

Трехконтурная система (рис. 9.23, в) представляет собой двухконтурную схему с включенным между первым и вторым контурами дополнительным промежуточным контуром.

Одноконтурная схема требует биологической защиты вокруг всего контура, включая и турбину, что усложняет обслуживание и управление и повышает опасность для экипажа. Безопаснее двухконтурная схема, так как здесь второй контур уже не опасен для экипажа. Поэтому на атомных судах почти всегда применяют двухконтурные схемы. Трехконтурные схемы используют в том случая, если теплоноситель в реакторе сильно активируется и его необходимо тщательно отделить от рабочего вещества, для чего и предназначен промежуточный контур.

Интересны атомные газотурбинные установки, в которых теплоносителем и рабочим телом является газ гелий. Нагретый в реакторе до 700^о газ сжимается компрессором и под давлением примерно 4,0 МПа (40 кгс/см² ) подводится к двухкорпусной газовой турбине. При этом ТВД приводит в действие компрессор, а ТНД работает на гребной винт. Гелий под действием облучения в реакторе не становится радиоактивным, поэтому отпадает необходимость в биологической защите гелиевого контура. Однако гелий дефицитен, дорог и отличается большой текучестью, что требует особых уплотнительных устройств.

Опыт эксплуатации первых судов с АЭУ подтвердил их высокие эксплуатационно-технические качества, а постепенное снижение стоимости этих установок и ядерного горючего позволит сделать атомные суда вполне конкурентоспособными с обычными судами. Кроме того, по мере роста скорости морских транспортных судов и связанного с этим значительного увеличения мощности главного двигателя и массы запасов топлива (особенно при боль­шой дальности плавания) эксплуатационно-экономические пре­имущества судов с АЭУ будут возрастать. Расчеты показывают, что при мощности судовой энергетической установки более 45 000— 75 000 кВт суда с АЭУ становятся более выгодными, чем суда с обычными СЭУ. Именно поэтому в последнее время в ряде стран разработаны проекты новых крупных транспортных судов (кон­тейнеровозов, танкеров и т. п.) и мощных ледоколов с АЭУ, а в Советском Союзе в 1988 г. построен ледокольно-транспортный лихтеровоз — контейнеровоз «Севморпуть» с АЭУ.

Валопровод

Валопровод предназначен для передачи крутящего момента (мощ­ности) от главного двигателя к движителю, а также для вос­приятия упорного давления, создаваемого движителем, и пере­дачи его от движителя корпусу судна. Это сложная и ответствен­ная конструкция из нескольких жестко соединенных между собой валов, опирающихся на подшипники, установленные на спе­циальных опорах — фундаментах. Валопровод изгибается вместе с изгибом корпуса судна и испытывает при вращении вокруг своей оси большие знакопеременные нагрузки. В связи с этим к конструкции, прочности и качеству монтажа этого важнейшего узла, обеспечивающего ход судна, предъявляются особенно высо­кие требования, несоблюдение которых может привести к серьез­ным повреждениям судна.

Основными элементами валопровода являются (рис. 9.25): гребной вал, проходящий через ахтерпик внутрь корпуса судна и предназначенный для крепления гребного винта; вал имеет бронзовую облицовку, защищающую его от коррозии; промежу­ точные валы, соединенные между собой гребным валом и двигателем с помощью фланцев (носовой промежуточный вал с гребнем, посредством которого передается упорное давление упорному подшипнику, называют упорным валом); главный упорный под­шипник для восприятия упорного давления, создаваемого греб­ным винтом; опорные подшипники, служащие опорами для про­межуточных валов; дейдвудное устройство, являющееся опорой для гребного вала и предназначенное для уплотнения места выхода гребного вала из корпуса судна.

Рис. 9.25. Элементы валопровода.

/ — гребной вал; 2 — промежуточный вал; 3 — упорный вал; 4 — главный упор­ный подшипник; 5 — опорный подшипник; 6 — переборочный сальник; 7 — дейд-вудное устройство

Длина валопровода зависит от размеров судна и места рас­положения главных двигателей. На судах с кормовым расположе­нием МКО длина валопровода равна 16—20 м. У крупных судов со средним расположением МКО протяженность валопровода равна 50—70 м. В этом случае валопровод проходит через коридор гребного вала, защищающий его от повреждений.

Рис. 9.26. Дейдвудное устройство.

/ — яблоко ахтерштевня; 2 — бакаутовая набивка; 3 — переборка ахтерпика; 4 — сальник; 5 — сальниковая набивка; 6 — носовая латунная втулка; 7 — дейдвудная труба; 8 — кормовая латунная втулка; 9 — гайка

Наиболее ответственным узлом валопровода является д е й д-вудноеустройство (рис. 9.26). Оно состоит из дей-двудной трубы, закрепляемой одним концом в вырезе водонепро­ницаемой переборки ахтерпика, а другим в отверстии яблока ахтерштевня; двух подшипников в виде латунных втулок, вну­тренняя поверхность которых облицована бакаутом; сальника на переборке ахтерпика, препятствующего попаданию воды через дейдвудную трубу внутрь корпуса.

Бакаут, которым облицовывают дейдвудные втулки, — редкое дерево, обладающее высокой прочностью и способностью смазы­ваться водой, благодаря чему бакаутовые подшипники, смоченные водой, не требуют смазки. Однако из-за высокой стоимости и де­фицитности бакаут теперь заменяют другими материалами — текстолитом, лигнофолем, туфнолом. В качестве подшипников применяют также резинометаллические вкладыши. В последнее время на крупных судах стали применять металлические (бабби­товые) подшипники, смазываемые маслом и имеющие специальные патентованные уплотнения.

Судовые движители

Движителем называют такое судовое устройство, которое, исполь­зуя работу двигателя, создает в воде упор — силу, способную двигать судно в заданном направлении.

Движители судов с механическим двигателем делятся на лопа­стные и водометные.

К числу лопастныхсудовыхдвижителей относятся гребные вингы, крыльчатые движители и гребные ко­леса, создающие силу упора за счет отбрасывания своими лопа­стями струи воды в сторону, противоположную движению судна. Водометныедвижителисоздают упор за счет отбра­сывания воды, забранной специальным насосом. Так как и лопа­стные, и водометные движители создают движущую силу за счет реакции отбрасываемых назад масс воды, их называют реак­тивными.Среди судовых движителей наибольшее распро­странение получили гребные винты.

Рис. 9.27. Гребной винт (а) и схема его действия (б).

1 — ступица; 2 — лопасть; 3 — обтекатель. У„ — окружная скорость элемента

в

лопасти; v — скорость поступательного перемещения гребного винта вместе с суд­ном; V — результирующая скорость от сложения скоростей Vи v; a — угол между результирующей скоростью V и хордой элемента лопасти (угол атаки); R — подъемная сила, возникающая на элементе лопасти; Р — упор гребного винта (горизонтальная составляющая силы R); Т — окружная составляющая сил, действующих на гребной винт

Рис. 9.28. Общий вид неподвижной направляющей насадки диамет­ром 7,5 м крупнотоннажного танкера «Крым»

Гребные винты изготовляют из нержавеющей стали, бронзы, латуни и их сплавов, а также из капрона, нейлона и стеклопла­стика (в основном для малых судов).

Гребной винт характеризуют следующие геометрические элементы:

диаметр — определяется в зависимости от возможной глу­бины погружения оси гребного вала (обычно, диаметр гребного винта не превышает 70 % осадки судна в полном грузу); наиболее крупные винты имеют диаметр до 9—10 м;

дисковое отношение — отношение площади всех лопастей винта к площади диска винта; может быть больше единицы, но у винтов морских транспортных судов оно обычно равно 0,45—0,60;

шаг винта — шаг винтовой поверхности, образующей нагнета­ющую поверхность лопасти винта.

На засасывающей стороне лопасти при быстром вращении винта благодаря увеличению скорости набегающего потока воды создается разрежение, причем по мере увеличения скорости вращения давление может понизиться настолько, что даже в холодной воде начнется образование пузырьков воздуха (известно, что с уменьшением давления температура кипения воды понижается). Такое вскипание холодной воды на засасывающей стороне лопасти называется кавитацией. Начальная стадия кавитации очень опасна для гребных винтов, так как возникающие при вскипании воды пузырьки воздуха, попав в зону более высокого давления, мгновенно конденсируются и производят сильнейшие гидравли­ческие удары по лопасти винта, вызывая эрозию (местное изъ­язвление поверхности). В этих условиях работа гребного винта недопустима. Однако по мере дальнейшего увеличения скорости вращения винта зона кавитации распространяется уже на всю лопасть и даже выходит за ее пределы — наступает так называ­емая вторая стадия кавитации, которая не представляет опас­ности для прочности винта, но зато несколько уменьшает его КПД. Чтобы устранить кавитацию, увеличивают ширину (площадь) лопастей и глубже погружают сам винт; кроме того, делают гребные винты переменного шага (уменьшая его к комлю и концам лопасти). При проектировании быстроходных винтов, если устра­нить кавитацию полностью по техническим причинам невоз­можно, создают условия полностью развитой кавитации (во второй

стадии).

Для повышения эффективности гребных винтов применяют направляющие насадки и пропульсивные наделки на руль.

Рис. 9.29. Схема Рис. 9.30. Пропульсивная наделка (/) на руль

действия на­правляющей насадки

Направляющиенасадки бывают неподвижными и поворотными и применяются сейчас не только на малых судах и буксирах, где они особенно эффективны, но и на крупных транс­портных судах типа «Крым» (рис. 9.28). Насадка, имеющая в сече­нии профиль, аналогичный профилю крыла, создает при движе­нии воды дополнительный упор, как это видно из схемы сил, приведенной на рис. 9.29. Кроме того, насадка улучшает условия подтекания" воды к диску вин­та, в результате чего увеличи­вается скорость подтекающей воды,' уменьшаются концевые потери от перетекания воды через край лопасти и, следо­вательно, повышается КПД винта (до 20—30 %). Примене­ние направляющей насадки уве­личивает скорость на 2 — 4 %. Важным преимуществом насад­ки является выравнивание поля скоростей в диске винта, что уменьшает нагрузки на вало-провод.

Пропульсивнаяна­делкана руль (рис. 9.30) упорядочивает поток воды за ступицей и повышает КПД винта, а также улучшает условия работы руля.

Принятый шаг гребного винта является наивыгоднейшим только при работе винта в одном — расчетном — режиме. При работе в других, отличных от рас­четного, режимах винт будет, как говорят, «тяжелым» или «легким» (при этом имеют в виду не весовые, а гидродинамические характеристики гребного винта). «Тяжелым» называют винт в том случае, если его шаг больше, чем наивыгодней­ший шаг в данном режиме хода, например, если у судна увеличилось сопроти­вление из-за обрастания корпуса или волнения моря и ветра или если шаг винта был выбран большим, чем требовалось. «Легкий» винт, наоборот, имеет шаг, меньший требуемого. Так, винт, спроектированный для условий плавания судна с полным грузом, будет «легким» при плавании этого судна в балласте, когда его водоизмещение, а следовательно, сопротивление воды, меньше, чем при движе­нии с полным грузом.

Обычно гребные винты проектируют несколько облегченными по сравнению с требуемыми для идеальных условий эксплуатации (при этом имеют в виду, что по мере обрастания корпуса и увеличения сопротивления в реальных эксплуа -тационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).

Правильный выбор шага винта важен потому, что «тяжелый» винт не дает возможности двигателю даже при достижении полной мощности развить полные обороты из-за перегрузки, и судно, затрачивая в единицу времени топливо на полную мощность, не разовьет запроектированной скорости. Иными словами, расход топлива на милю увеличится. «Легкий» же винт, наоборот, развивает пол­ные обороты еще до того, как двигатель станет работать на полную мощность. Следовательно, судно и в этих условиях не сможет развить расчетную скорость.

В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только опре­деленному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (траулерах, паромах, буксирах), вместо вин­тов фиксированного шага применяют более сложные гребные винты регулируемого шага.

Рис. 9.32. Схема ВРШ. / — ползун; 2 — шатун; 3 — кривошип­ный' диск; 4 — шток; 5 — поршень; 6 — золотниковый регулятор; 7 — привод упра­вления; 5 — масляный насос; 9 — элек­тродвигатель; 10 — масляная цистерна

Схема поворота лопасти

Винт регулируемого шага (ВРШ) (рис. 9.31) имеет лопасти, поворачивающиеся вокруг их вертикальной оси. Их можно устанавливать под любым углом, образуя шаг, необходимый для данного режима работы судна. ВРШ позволяет не только наи­выгоднейшим образом исполь­зовать двигатель судна в раз­ных условиях эксплуатации, но и удерживать его на месте, не выключая двигателя, если все лопасти расположены в плос­кости диска винта в так называемом нейтральном положении, или осуществлять реверс (задний ход), не меняя направления вра­щения вала двигателя. Последнее обстоятельство особенно важно при использовании нереверсируемых главных двигателей (га­зовых и паровых турбин), так как позволяет отказаться от необхо­димых в этом случае турбин заднего хода или реверсивных муфт. ВРШ состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма измене­ния шага (МИШ) в кормовой оконечности судна и привода меха­низма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе. Управ­ляют МИШ дистанционно из рулевой рубки и с крыльев ходового

мостика.

Механизм поворота лопастей (рис. 9.32) состоит из ползуна и шатунов, соединенных с кривошипными дисками, на которых закреплены лопасти. Усилие для поворота лопастей передается через шток в гребном валу на ползун, а от него через шатуны — кривошипным дискам, которые, вращаясь, поворачивают лопасти.

Рис. 9.33. Крыльчатый движитель и схема его работы

Движение штоку, на конце которого расположен поршень, пере­дается давлением масла (его можно подавать под одну или другую сторону поршня, в зависимости от необходимого направления изменения шага). Рабочее давление масла создается масляным насосом высокого давления (2,0 МПа или 20 кгс/см² ), работающим от гребного вала или специального электромотора. Направление подачи масла изменяется золотниковым устройством, привод которого связан с постом управления в рулевой рубке.

Применение ВРШ позволяет за счет повышения КПД дви­гателя в разных условиях эксплуатации снизить на 10—15 % расход топлива и увеличить в среднем на 2—3 % среднюю рейсо­вую скорость. Возможность быстрого перехода с переднего на задний ход улучшает маневренные качества судна и примерно в 1,5 раза сокращает выбег при экстренном торможении, повышая тем самым безопасность плавания. Важным преимуществом ВРШ является и то, что его съемные лопасти можно легко за­менять, не выводя судно из эксплуатации.

К недостаткам ВРШ относятся сложность конструкции, более высокая стоимость и несколько меньший (на 1—3 %), чем у винтов фиксированного шага, КПД из-за большего диаметра ступицы, в которой размещается механизм поворота. Однако, несмотря на эти недостатки, ВРШ является перспективным типом движителя не только для промысловых и технических, но и для крупных транспортных судов: на крупнотоннажных танкерах типа «Крым» установлен ВРШ диаметром 7,5 м, на атомном лихтеровозе «Сев-морпуть» — 6,8 м, на сухогрузном газотурбоходе «Парижская коммуна» — диаметром 5,6 м. Диаметр наиболее крупных ВРШ достигает 9 м.

Крыльчатый движитель (рис. 9.33) представляет собой диск, вмонтированный заподлицо с днищевой обшивкой и приводя­щийся во вращение вокруг вертикальной оси судовым двигателем. По окружности диска перпендикулярно к нему расположены четыре — восемь погруженных в воду лопастей, каждая из кото­рых вращается вместе с диском, а также вокруг своей оси. Путем соответствующей установки привода управления поворотом каж­дой лопасти вокруг своей оси можно при неизменном направле­нии вращения диска создать упор в любом направлении (см. схему на рис. 9.33). Поэтому суда, оборудованные крыльчатым движителем, не имеют рулей. Несмотря на сложность изготовле­ния и невысокий КПД, крыльчатые движители незаменимы на тех судах, для которых необходима высокая маневренность при малых скоростях движения (на плавучих кранах, буксирах и пр.). Управление крыльчатым движителем осуществляется из ходовой рубки и с крыльев ходового мостика.

Вспомогательные механизмы

К вспомогательным судовым механизмам относятся механизмы и теплообменные аппараты, обслуживающие главную энергети­ческую установку, двигатели генераторов электрического тока, вспомогательные котлы, вспомогательные конденсаторы, опресни­тельные и испарительные установки и рефрижераторные машины.

К механизмам, обслуживающим главную энергетическую уста­ новку, относятся различные насосы, номенклатуру, тип и привод которых определяют в зависимости от типа главной энергетической установки, а также котельные и машинные вентиляторы, име­ющие электро- или турбопривод.

Насосаминазывают механизмы, предназначенные для перекачивания жидкостей по трубопроводам. Работа насоса за­ключается в двух, следующих один за другим, процессах: всасы­вании и нагнетании. Всасывание происходит только в том случае, если давление внутри приемной полости насоса меньше, чем давле­ние, под которым находится всасываемая жидкость. Поэтому насос, приемная полость которого находится выше уровня всасы­ваемой жидкости, должен создавать в приемной полости раз­режение, т. е. работать с подсосом.

Судовые насосы различают: по конструктивным признакам и способу перемещения жидкости — поршневые, центробежные, осевые, шестеренчатые, винтовые, струйные (рис. 9.34); по типу двигателя, приводящего в действие насос, — паровые, турбинные, электрические; по роду перекачиваемой жидкости — водяные, топливные, масляные.

Рис. 9.34. Судовые насосы (схемы): а — поршневой; б — центробежный; в — осевой; г — шестеренчатый; д — винтовой; е — струйный

Для прокачивания воды через различные теплообменники — конденсаторы, охладители, парогенераторы — используют цир­куляционные насосы, обычно центробежного типа с электроприво­дом. Подается котельно-питательная вода в главные паровые котлы питательными турбонасосами центробежного типа. То­пливная система и система смазки обслуживаются насосами пор­шневого, шестеренчатого, кулачкового или червячного типа. У двигателей внутреннего сгорания некоторые топливные и масляные насосы имеют привод от коленчатого вала главного двигателя. Такие механизмы называют навешенными. Навешивание вспомо­гательных механизмов начинают применять и в паротурбинных установках (питательные насосы, валогенераторы и пр.).

Котельныевентиляторы— вдувные центробеж­ного типа осуществляют дутье воздуха в топку котла.

Машинныевентиляторы,обеспечивающие возду­хообмен в МКО, бывают вдувными или вытяжными. Вдувные предназначены для подачи в МКО свежего воздуха, вытяжные — для удаления нагретого воздуха из верхней части помещения. Машинные вентиляторы бывают центробежными или осевыми.

Компрессорыслужат для получения сжатого воздуха, применяемого для пуска двигателей внутреннего сгорания, а также для работы пневматического инструмента в судовых ма­стерских и других целей. На судах потребляют сжатый воздух низкого давления (для инструмента) — 0,4—0,6 МПа (4— 6 кгс/см² ); среднего давления (для пуска двигателей) — 2,0— 3,0 МПа (20—30 кгс/см² ); высокого давления (для специальных целей)— 15,0—20,0 МПа (150—200 кгс/см² ).

По конструкции компрессоры могут быть поршневыми, лопа­стными (турбокомпрессоры) и струйными, одноступенчатыми и многоступенчатыми (последние — для получения сжатого воз­духа высокого давления). Приготовленный компрессором сжатый воздух поступает в баллоны, откуда расходуется по назначению.

В качестве двигателей генераторов электрического тока на

судах используют четырехтактные двигатели внутреннего сгора­ния, паровые и газовые турбины мощностью от 35 до 1500 кВт.

Вспомогательные котлы предназначены для подачи пара на бытовые нужды — к вспомогательным механизмам с паровым приводом, к теплообменным аппаратам, для мойки и пропаривания танков и цистерн, в систему парового пожаротушения и т. д. (см. с. 259).

Опреснительная и испарительная установки служат для при­готовления пресной воды из морской воды; первая — для бытовых нужд экипажа, вторая — для питания котлов.

Наличие на судне опреснительной установки позволяет от­казаться от приема больших запасов пресной воды (до 100 л на человека в день), что дает экономию в массе и габаритах и уве­личивает полезную грузоподъемность судна, так как для полу­чения 9—10 кг пресной воды требуется 1 кг топлива.

Опреснение морской воды происходит по принципу дистилля­ции (выпаривания), а испарение — путем нагрева ее паром от главных или вспомогательных котлов до температуры кипения (в испарительных установках вакуумного типа температура кипе­ния ниже 100°, в опреснительных — выше 100°, так как только при этой температуре уничтожаются вредные микробы). Пар может быть или первичный, или отработавший во вспомогательных механизмах; на дизельных судах для этой цели используют тепло охлаждающей воды. На судах применяют опреснительные (или испарительные) установки производительностью от 2 до 15— 20 т/ч (на турбоходах — до 40—50 т/ч) одноступенчатые. Много­ступенчатые благодаря более рациональному использованию тепла экономичнее применять на установках очень большой производительности.

Рефрижераторные установки служат для охлаждения поме­щений, в которых хранятся скоропортящиеся продукты, — рефри­жераторных кладовых (на всех судах), рефрижераторных трюмов (на специальных судах), а также для охлаждения воздуха в си­стеме кондиционирования. Рефрижераторная установка состоит из холодильной машины, трубопроводов охлаждения и холодиль­ных камер (трюмов) или кондиционеров.

Холодильные машины компрессорного типа состоят из компрес­сора, конденсатора, испарителя, электромотора, водяного насоса, термостата, различных трубопроводов и контрольно-регулиру­ющих приборов. В качестве хладагентов в судовых машинах используют аммиак, углекислоту и, чаще всего, фреон. При работе установки пары фреона сжимаются в компрессоре, откуда уже сжатый фреон поступает в конденсатор; здесь он отдает образовавшееся при сжатии тепло циркулирующей в конденсаторе воде, конденсируется и превращается в жидкость. Затем жидкий фреон поступает в испаритель, где он превращается в газ. Это сопровождается поглощением тепла, которое фреон отбирает от стенок испарителя, охлаждая его. После этого газообразный фреон снова поступает в компрессор, и процесс повторяется. В связи с тем, что в каждом цикле постепенно понижается темпе­ратура, в холодильных машинах предусматривают специальные термостаты и другие контрольно-регулирующие приборы, авто­матически выключающие и включающие установку.

Судовые холодильные установки, у которых испаряющийся хладагент циркулирует по трубам батарей охлаждаемого помеще­ния, называют установками с непосредственным охлаждением. Если проникновение хладагента в охлаждаемое помещение неже­лательно (например, при применении токсичных хладагентов), то применяют установки с рассольным охлаждением. В этом случае помещения охлаждаются циркулирующим в батареях холодным рассолом, имеющим низкую температуру замерзания. Пройдя по трубам помещения, нагретый рассол поступает в испаритель, где отдает полученное тепло, и вновь поступает в охлаждаемое помещение.

В установках кондиционирования воздуха иногда применяют пароэжекторные холодильные установки, в которых рабочим телом является вода. Эти установки безопасны в токсическом отношении, но они менее экономичны и не позволяют охлаждать помещение ниже —15 °С.