2.5 Увеличение грузоподъемности и скорости судов

Экономическая эффективность увеличения грузо­подъемности. Рост грузоподъемности и скорости пере­возочных средств является важнейшим направлением развития всех видов транспорта. Постоянное стремле­ние судовладельцев и судостроителей увеличить разме­ры, а следовательно, и грузоподъемность транспортных судов объясняется тем, что с их ростом масса и стои­мость корпуса, оборудования, энергетической установ­ки, а также мощность главного двигателя при той же скорости растут медленнее, чем грузоподъемность. При увеличении грузоподъемности судна в 2 раза масса корпуса возрастает в 1,7—1,8 раза. Масса обо­рудования (судовые помещения, спасательные устрой­ства и др.) определяется численностью экипажа, кото­рая очень незначительно увеличивается с ростом гру­зоподъемности.

Сопротивление воды движению судна, а следова­тельно, и потребная мощность главного двигателя из­меняются пропорционально величине его смоченной по­верхности (т.е. пропорционально квадрату одного из линейных размеров судна). Поэтому с увеличением размеров судна мощность главного двигателя при той же скорости растет медленнее, чем грузоподъемность, которая изменяется пропорционально кубу одного из линейных размеров судна. В еще большей степени с увеличением грузоподъемности изменяются относи­тельные значения массы корпуса, оборудования и энер­гетической установки, а также мощности главного двигателя, приходящиеся на тонну грузоподъемности судна.

С увеличением грузоподъемности судна возрастают его строительная стоимость и эксплуатационные рас­ходы на перевозку, однако относительная стоимость постройки 1 т грузоподъемности и относительная вели­чина всех составляющих эксплуатационных расходов, приходящихся на перевозку 1 т груза, уменьшаются.

Пути повышения скорости судов. Высокие скорости транспортных средств сокращают время доставки народнохозяйственных грузов и уменьшают потери от их омертвления при транспортировке.

Развитие морских транспортных судов характери­зуется постоянным ростом их скоростей. Однако их скорости по сравнению со скоростями других видов транспорта (авиационного, железнодорожного, авто­мобильного) растут медленней. Это объясняется тем, что судно, двигаясь, вынуждено производить возмуще­ния больших масс воды. С увеличением скорости рез­ко возрастает сопротивление воды движению судна и особенно его волновая составляющая, что требует мно­гократного увеличения затрат энергии. Повышение ско­рости влечет за собой резкое увеличение мощности, массы и габаритов энергетической установки, а также расхода топлива, для чего необходимо иметь на борту весьма большие его запасы. Все это приводит к уменьшению доли чистой грузоподъемности судна.

Наиболее перспективными путями повышения ско­рости являются совершенствование гидродинамических характеристик судов и применение новых типов энер­гетических установок, имеющих низкую удельную массу и малый расход топлива.

2.6 Развитие судовых энергетических установок

Основные направления развития.

Интенсификация транспортного процесса, осуществляемая путем уско­рения грузовых операций, увеличения грузоподъемно­сти и скорости судов, предопределяет рост мощностей судовых энергетических установок.

Если в 50-х годах диапазон мощностей главных двигателей, установленных на морских транспортных судах, составлял 2 000—13 000 кВт, то уже в середине 60-х годов их максимальная мощность возросла до 22 000 кВт, а в 70-х годах появились крупнотоннажные высокоскоростные контейнеровозы мощностью энерге­тических установок 88 тыс. кВт

С увеличением мощности энергетической установки резко возрастает ее влияние на экономические результаты работы судна. На долю СЭУ приходится 30—40% строительной стоимости судна, 40—60% эксплу­атационных расходов. Масса СЭУ вместе с запа­сами топлива составляет 10—30% дедвейта судна.

Основными направлениями развития и совершенст­вования СЭУ являются: уменьшение расхода топлива, уменьшение габаритов и массы, повышение надёжно­сти, обеспечение возможности использования дешевых сортов топлива.

Уменьшение расхода топлива — основное на­правление совершенствова­ния и развития всех типов энергетических установок.

Снижение габаритов и массы установки, уменьше­ние длины машинного отделения для судовой энерге­тики являются весьма суще­ственным фактором роста провозной способности судов. Поэтому развитие СЭУ идет по пути непрерывного улучшения их массово-габаритных характеристик в результате улучшения ком­поновки машинно-котельных отделений, повышения напряженности традиционных и применения новых типов двигателей. По габаритам и массе, а следовательно, и по строительной стоимости лучшими показателями обладают газотурбинные установки

а по расходу топлива — установки с малооборотными дизелями.

Целесообразность применения того или иного типа энергетической установки оценивается по удельному расходу топлива, массово-габаритным характеристи­кам, возможности применения топлив дешевых сортов, надежности и ремонтопригодности. Эффективность ис­пользования конкретного типа энергетической установ­ки для данного транспортного судна можно оценить, применяя комплексный показатель, учитывающий сов­местное влияние основных эксплуатационно-экономи­ческих свойств энергетических установок:

(2.7)

где Z э.у — критерий эффективности энергетической установки, (тонно-кВт∙ч)/руб.;

A i — количество энергии, которое может выработать i-й тип установки за назначенный ресурс, кВт-ч;

Dчi — чистая грузоподъемность данного судна при ис­пользовании установки i-го типа [определяется по формуле (5)], т;

∑R_{э..у i} — суммарные эксплуатационные расходы на установку i-го типа, руб.

Количество энергии, которое может выработать ус­тановка за назначенный ресурс,

(2.8)

где η_п— коэффициент передачи;

K_N — коэффициент использования построечной мощности глав­ного двигателя;

N_e — построечная (номинальная) мощность, кВт;

Кэ — коэффициент эксплуатации энергетической установки [определяется по формуле(2.4)];

S_назн — назначенный ресурс установки до капитального ремонта или списания, ч.

Суммарные эксплуатационные расходы на установку

(2.9)

Где R_a — амортизационные отчисления;

Rт, Rр, Rм и Rм.к — расходы соответственно на топливо, текущий ремонт, материально-техническое снабжение, связанное с эксплуатацией установки, и на со­держание машинной команды.

Таким образом, критерий эффективности, опреде­ляемый по формуле (7), учитывает конструктивные особенности i-гo типа установки η_п, ее массово-габа­ритные, характеристики D_ч, включая длину машинно­го отделения и требуемые запасы топлива для обеспе­чения заданной автономности плавания, надежность и ремонтопригодность К_э включая вынужденные и планируемые перерывы в эксплуатации на ТО и ре­монт, затраты на ремонт R_р, топливо R_т и строитель­ную стоимость Ra.

Основным типом СЭУ являются дизельные уста­новки с мало- и среднеоборотными дизелями, они со­ставляют свыше 90% по числу установок и свыше 80% по мощности. Вместе с тем качественные изме­нения состава флота приводят к необходимости использования на морских транспортных судах различ­ных типов энергетических установок, включая паро-, газотурбинные и ядерные. Их жизнеспособность опре­деляется потенциальными возможностями удовлетво­рять непрерывно растущие требования, связанные с повышением эффективности работы морских транспортных судов. Рассмотрим основные направления раз­вития судовых энергетических установок как объектов технического обслуживания и ремонта.

Малооборотные дизели. Благодаря высоким термо­динамическим характеристикам, способности работать на тяжелых сортах топлива с относительно высоким содержанием серы, повышенной надежности и длитель­ным срокам службы дизельные энергетические установ­ки с малооборотными двигателями (МОД) в течение длительного времени будут оставаться основным ти­пом СЭУ морских транспортных судов. Основными на­правлениями их развития и совершенствования явля­ются увеличение агрегатных мощностей, улучшение массово-габаритных характеристик, снижение затрат на топливо, снижение трудоемкости ТО и ремонта.

В настоящее время агрегатная мощность МОД до­стигает 30 тыс. — 35 тыс. кВт. Дальнейшее увеличе­ние их агрегатных мощностей будет осуществляться за счет введения двухступенчатого наддува и повыше­ния среднего эффективного давления р_е.

Анализ опубликованных данных показывает, что в перспективе благодаря применению двухступенчатого турбонаддува давление р_е может быть увеличено до 1,6—2,0 МПа, а цилинд­ровая мощность — до 4,5 тыс. кВт. Наряду с увели­чением агрегатных мощностей дизелестроительные за­воды в результате совершенствования конструкции и технологии изготовления обеспечили существенное уменьшение массы и габаритов малооборотных дизелей.

Большое значение для развития МОД имеет повышение их надежности, снижение трудоемкости и стои­мости ТО и ремонта. Последнее время дизелестроители усилили внимание к решению этих проблем. Для повышения надежности и снижения трудоемкости ТО и ремонта начинают применять в дизелях новые мате­риалы, обладающие высоким пределом прочности. Рас­сматривается использование титановых сплавов, ха­рактеризующихся высоким пределом усталости, высо­кой термостойкостью и прочностью в сравнении со сталью. Изготовление головок поршней, штоков, шатунов, деталей крейцкопфов, поршневых пальцев и дру­гих деталей из титановых сплавов позволит уменьшить массу движущихся частей и преодолеть трудности, свя­занные с охлаждением поршней.

Дизелестроительные заводы фирм МАН и «Бурмейстер и Вайн» провели экспериментальную проверку хромирования втулок цилиндра. Испытания показали, что износ таких втулок и поршневых колец снижается в 2 раза. Опытами установлено, что для снижения износов при использовании тяжелого топлива хорошо зарекомендовали себя втулки с хромомолибденовым по­крытием, уменьшающим электрохимическую коррозию при высоких температурах.

Наряду с применением новых материалов улучше­ние технико-эксплуатационных характеристик дизелей обеспечивается совершенствованием их конструкции, предусматривающей значительное повышение надеж­ности и снижение трудоемкости ТО и ремонта. Так, в унифицированных дизелях серии KGF предусмотрены мероприятия, которые способствуют увеличению пери­одов между профилактическими переборками, сроков замены деталей и снижению трудоемкости ТО.

К числу таких мероприятий относятся: применение гидравлики для крепления крышек цилиндров, штоков поршней в поперечине крейцкопфа, анкерных связей и всех других соединений с большими диаметрами шпилек; упрощение конструкции воздухоохладителей и усовершенствование их демонтажа, очистки и монтажа (предусмотрено рядное расположение трубок, позво­ляющее значительно ускорить их очистку); усовер­шенствование конструкции выхлопного клапана и его привода; усовершенствование конструкции и снижение массы форсунок; усовершенствование документации на ТО и ремонт; увеличение количества специнструмента и приспособлений. Аналогичные мероприятия проводят и другие дизелестроительные заводы — поставщики судовых малооборотных, дизелей.

Высокая конкурентоспособность двигателей обес­печивается их низким удельным расходом топлива, который у современных МОД составляет 204 — 210 г/кВт-Ч. Дальнейшее снижение удельных расходов топлива на установку предполагается обеспечить путем совершенствования конструкции дизелей, глубокой утилизации тепла выпускных газов и охлаждающей во­ды, совершенствования систем топливоподготовки с целью уменьшения потерь горючей части топлива в процессе его очистки.

Малооборотные двигатели устанавливают преиму­щественно на судах, предназначенных для перевозки генеральных и навалочных грузов, на рефрижераторах, танкерах, судах многоцелевого назначения (полукон­тейнеровозах) и контейнеровозах, потребная мощность энергетических установок которых для обеспечения за­данной скорости не превышает 20 тыс. — 25 тыс. кВт.

Среднеоборотные дизели. Основным преимуществом дизель-редукторных агрегатов со среднеоборотными ди­зелями (СОД) являются их малая масса и габариты, возможность выбора оптимальной частоты вращения гребного винта, что обеспечивает повышение пропульсивного к. п. д. Главной причиной широкого распрост­ранения СОД послужило появление в 60-х годах судов с горизонтальным способом погрузки и выгрузки, име­ющих повышенные скорости хода и ограниченную вы­соту машинного отделения.

При одинаковой мощности удельная масса установки со среднеоборотным дизе­лем и высота двигателя примерно в 2 раза меньше, чем установки, с малооборотным дизелем, а длина ее меньше на 10—15%.

Основными недостатками СОД «первого поколения» были высокие удельные расходы топлива и масла, не­обходимость применения маловязких топлив, недоста­точная надежность и большая трудоемкость ТО. За последние десять лет надежность их значительно уве­личилась. Дизелестроительные заводы начали выпус­кать СОД, работающие на топливах с повышенной вяз­костью. Значительно упрощена конструкция этих ди­зелей, что позволило снизить трудоемкость ТО и ре­монта.

Сроки службы основ­ных узлов и деталей, а также периодичность работ ТО являются приемлемыми и обеспечивают возмож­ность длительной эксплуатации судов без вывода их на ремонт.

В настоящее время ряд фирм ведет разработку ди­зелей «третьего поколения» с цилиндровой мощностью 1100 кВт и более. При конструировании особое вни­мание уделяется мерам, способствующим снижению трудоемкости ТО и ремонта. Предусматриваются специ­альные гидравлические устройства и приспособления для выемки и установки поршней, демонтажа и мон­тажа других узлов, обеспечивающие ускорение профи­лактических работ, замену рабочих узлов запасными и выполнение работ по очистке и регулировке снятых уз­лов в течение рейса.

Основными поставщиками мощных среднеоборот­ных дизелей для судов мирового флота являются дизелестроительные заводы фирм «Пилстик», МАН, «Зульцер», «Бурмейстер и Вайн», «Мицуи», «Сторк-Веркспур». Преимущественнее распространение эти двига­тели получают на судах с горизонтальной грузообработкой, на лихтеровозах типа Сиби и контейнеровозах, мощность которых не превышает 30 тыс. кВт.

Паротурбинные установки. Основное достоинство судовой паротурбинной установки (ПТУ) — это воз­можность получать большие мощности (по сравнению с дизельной установкой). В ПТУ применяют наиболее дешевые сорта топлива (топочные мазуты). Это позво­ляет обеспечить для турбоходов меньшие затраты на топливо, что имеет особо важное значение для устано­вок большой мощности, где топливная составляющая эксплуатационных расходов достигает 30—35%. Нали­чие редуктора в ПТУ дает возможность обеспечить бо­лее высокий к. п. д. за счет оптимизации частоты вра­щения. Данное преимущество обеспечило значительное распространение ПТУ на крупнотоннажных танкерах.