2. Типы современных судовых энергетических установок

2.1. Дизельные энергетические установки (дэу)

В качестве главных и вспомогательных двигателей в ДЭУ применяют поршневые ДВС – дизели, работающие по открытому циклу.

ДЭУ получили широкое распространение на судах различного назначения, т. к. обладают рядом положительных особенностей: возможностью создания большого диапазона агрегатных мощностей на базе стандартных типоразмеров цилиндров; доступностью использования различных типов передач; сравнительно высокой экономичностью; относительной простотой автоматизации управления.

В настоящее время около 95% речного самоходного флота и все суда смешанного «река-море» плавания оборудованы ДЭУ.

На речных транспортных судах новой постройки в качестве главных и вспомогательных двигателей устанавливают исключительно дизели. Предполагается, что в перспективе ДЭУ будут основной энергетической установкой речных и смешанного «река- море» плавания судов.

В морском флоте также наблюдается непрерывный рост судов с ДЭУ, количество которых в настоящее время достигает 95–97% общего числа вновь строящихся судов.

На речном флоте в большинстве случаев в качестве главных применяют четырехтактные дизели с наддувом, реверсивные и нереверсивные среднеоборотные (375–750 мин^-1) и нереверсивные повышенной оборотности (750–1500 мин^-1). Максимальная агрегатная мощность главных дизелей составляет 2200 Вт.

В качестве вспомогательных дизелей обычно устанавливают четырехтактные без наддува, с повышенной оборотностью.

Наибольшее распространение на транспортных морских судах получили двухтактные крейцкопфные простого действия малооборотные (100–170 мин^-1).

Дальнейшее повышение экономичности судовых дизелей в основном должно происходить за счет утилизации теплоты выпускных газов и воды, охлаждающей дизель. Теплота, получаемая в утилизационном котле, работающем на выпускных газах, и охлаждающая дизель вода могут быть использованы в системе теплоснабжения судна.

Существенным недостатком ДЭУ является передача дизелем механической энергии на коленчатый вал через кривошипно-шатунный механизм. Возникающие при этом неуравновешенные силы и моменты вызывают вибрации дизеля и корпуса судна, появление резонансных напряжений, сокращающих срок службы установки. Изменение касательных усилий на кривошипах коленчатого вала и угловых скоростей его вращения приводит к неравномерности крутящего момента и возможности возникновения крутильных колебаний валопровода.

2.2. Газотурбинные энергетические установки

Судовые газотурбинные энергетические установки (ГТУ) могут быть подразделены на установки открытого и закрытого циклов. В первом случае рабочее тело, которым является воздух и впоследствии смесь eго с продуктами сгорания топлива, пройдя через внутренние полости элементов установки, выбрасывается в атмосферу.

Простейшая ГТУ открытого цикла с горением топлива при постоянном давлении показана на рис. 1.

Компрессор 3, приводимый в действие турбиной 5, засасывает атмосферный воздух, сжимает его до определенного давления и непрерывно нагнетает в камеру сгорания 4.

Рис. 1. Схема ГТУ открытого цикла

Сюда же через форсунку топливным насосом непрерывно подается топливо, которое сгорает при постоянном давлении. Продукты сгорания поступают в газовую турбину 5, где кинетическая энергия газов на лопатках турбины преобразуется в механическую работу.

По условиям прочности отдельных деталей нельзя допустить, чтобы в газовую турбину поступали газы с температурой, образующейся при сгорании топлива. Поэтому в камеру сгорания подается воздуха в несколько раз больше теоретически необходимого для сжигания топлива. Потребность большого избытка воздуха в ГТУ приводит к значительной относительной мощности, затрачиваемой на его сжатие в компрессоре, который потребляет до 70% мощности, развиваемой турбиной.

Сжатый воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, разделяется на два потока. Один поток, составляющий 30–40%, вводился в активную зону горения, другой, составляющий 70–60%, охлаждает пламенную трубу, смешивается с продуктами сгорания вне активной зоны горения и понижает температуру газа до значения, требуемого на входе в турбину.

Продукты сгорания поступают в газовую турбину. Проходя через турбину, газы расширяются почти до атмосферного давления, вращают ротор и затем уходят в атмосферу.

Газовая турбина большую часть своей мощности затрачивает на привод компрессора, а оставшуюся часть (полезная мощность) отдает гребному винту 7.

Вращение от газовой турбины к гребному винту передается через зубчатую передачу (редуктор) 6.

Запуск установки производится от пускового электродвигателя 1, который может быть соединен с общим для турбины и компрессора валом при помощи специальной муфты 2. Топливо в период запуска воспламеняется от электрической свечи.

В рабочем процессе ГТУ закрытого цикла (рис. 2) участвует одно рабочее тело, совершающее кругооборот в изолированном от атмосферы замкнутом тракте, которым может быть воздух или какой-либо инертный газ.

Рис. 2. Схема ГТУ закрытого цикла

Рабочее тело (воздух или какой-либо инертный газ), сжатое в компрессоре 1, поступает в нагреватель 2, где оно нагревается при постоянном давлении до 650–750^°С. Выйдя из нагревателя, рабочее тело направляется в турбину 3 для совершения механической работы. По выходу из турбины рабочее тело поступает в охладитель 4, где охлаждается до начальной температуры. С этой температурой оно возвращается в компрессор, и цикл повторяется.

В качестве нагревателя в обычных ГТУ применяют воздушный котел, работающий на органическом топливе, в ядерных ГТУ – ядерный реактор.

Благодаря изолированности рабочего тела в ГТУ закрытого цикла оно остается всегда чистым и, следовательно, не загрязняет и не разрушает проточные части турбины, компрессора и теплообменников. Кроме того, имеется возможность для создания установок с меньшими габаритами, по сравнению с установками открытого цикла, так как давление рабочего тела перед компрессором может быть значительно выше атмосферного. Однако установки закрытого цикла более сложны, чем установки открытого цикла.

Простейшие ГТУ по сравнению с другими типами СЭУ имеют ряд преимуществ, основными из которых являются:

большая агрегатная мощность при минимальных удельной массе и габаритах, меньшие занимаемая площадь и объем машинного помещения;

высокая надежность, обусловленная ротативным принципом действия и простотой кинематической схемы;

простота обслуживания, возможность быстрого пуска и высокая приемистость;

наличие потенциальных возможностей дальнейшего уменьшения расхода топлива по мере их совершенствования;

хорошая приспособленность к автоматизации и дистанционному управлению вследствие простоты пуска и регулирования.

Перспективным является использование ГТУ на судах на подводных крыльях и воздушной подушке, где превалирующим требованием является обеспечение минимальных массы и габаритов установки при большой ее мощности.

На малых судах в качестве главных обычно устанавливают серийные конвертированные авиационные газотурбинные двигатели открытого цикла. Моторесурс таких установок составляет 1–3 тыс. ч, однако удельная масса их невелика (0,4–2,0 кг/кВт).