Раздел I. Судовые энергетические установки

§ 1. Судовая энергетическая установка

Судовая энергетическая установка (СЭУ) – это комплекс технических средств (машин, механизмов, систем, приборов, оборудования, электрооборудования и т.д.), предназначенных для автономного обеспечения судна всеми видами энергии, необходимой для обеспечения производственной деятельности судна, жизни экипажа и пассажиров.

Различают дизельные, паротурбинные, газотурбинные, ядерные и комбинированные СЭУ. Представление о составе СЭУ (Судового энергетического комплекса судна), входящих в нее элементов, взаимосвязи СЭУ с судном можно получить из рис. 1.1.

В судовой энергетической установке (СЭУ) происходят процессы преобразования одних видов энергии в другие. В топках парогенераторов (котлах), в камерах сгорания газовых турбин, цилиндрах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию пара или газа, которая затем в тепловых машинах превращается в механическую работу, сообщаемую через валопровод движителю (гребному винту).

Судовая энергетическая установка размещается в машинном отделении (МО), представляющем собой отсек, образованный водонепроницаемыми переборками.

Главные машины размещены на специальных фундаментных рамах в нижней части МО. Палубу в нем образуют листы рифленой стали укрепленные на специальном каркасе (пайолы). В пространстве между пайолами и вторым дном проложены трубопроводы различных судовых систем (топливной, масляной, водяной и др.).

Вспомогательные механизмы, обслуживающие СЭУ, а также судно в целом, расположены как на уровне главных машин, так и на специальных платформах. Там же размещены механические и электромеханические мастерские, кладовые и другие помещения. Для доступа к механизмам и помещениям в МО установлены решетчатые площадки (решетки) соединенные трапами. В МО предусмотрена мощная принудительная вентиляция. Над МО имеется шахта, которая через все палубы выходит на самую верхнюю и заканчивается световым люком.

Вырабатываемая, главными двигателями, механическая энергия передается движителю (гребному винту), который обеспечивает судну требуемую скорость движения. Наиболее эффективно работает гребной винт при частоте вращения 100 – 300 об/мин. Если в качестве главных двигателей используются тихоходные (малооборотные) дизели (МОД), то на судне применяется прямая передача на винт через упорный подшипник и валопровод. Если же главными машинами служат среднеоборотные двигатели (СОД – частота вращения порядка 1000 об/мин) или турбины (частота вращения до 8000 об/мин), то для снижения частоты вращения устанавливаются зубчатые редукторы.

Более 95 % судов мирового транспортного флота, теплоходов, оборудовано дизельными установками (ДУ), что объясняется их значительно более высокой

топливной экономичностью (на 20..30 %) по сравнению с энергетическими установками других типов и возможностью обеспечить практически любую потребность в мощности главного или вспомогательного двигателя – от нескольких десятков до 30 тыс. кВт в агрегате.

На судах применяют также и главные дизель-электрические установки. Электродвижение – тип передачи мощности то первичного двигателя к гребным валам с использованием электрического тока. Такие установки называются главными электроэнергетическими установками (ГЭУ). На эксплуатируемых в настоящее время ГЭУ ледоколов и судов ледового плавания обычно используют гребные электродвигатели постоянного тока.

Электродвижение имеет ряд достоинств:

- генераторы должны работать с постоянной частотой вращения и не требуют изменения направления вращения, это дает возможность применять для их привода быстроходные нереверсивные дизели, что в конечном итоге удлиняет их срок службы (моторесурс);

- обеспечивается быстрое изменение мощности, частоты и направ­ления вращения (реверсирование) гребных электродвигателей. Поэтому электродвижение широко используется на судах. Одним из главных его качеств является повышенная маневренность, которая прежде всего необходима ледоколам, буксирам-спасателям, ры­бопромысловым судам и др.

В паротурбинной установке (ПТУ), получаемый в парогенераторе пар, поступает на турбину высокого давления (ТВД) и турбину низкого давления (ТНД), где его тепловая энергия превращается в механическую энергию вра­щения роторов. Крутящий момент через понижающий зубчатый редуктор, упорный подшипник и валопровод передается гребному винту. Турбина яв­ляется нереверсивным двигателем. Поэтому для производства реверса греб­ного винта прекращается подача пара на ТВД и ТНД, а открывается (пода­ется) на турбину заднего хода (ТЗХ), ротор который находится на одном валу с ротором ТНД.

В судовых ядерных энергетических установках (ЯЭУ) парогенератором является реактор, в котором для получения пара используется энергия ядер­ной реакции.

Ядерные энергетические установки применяются на ледокольном флоте. Внедрение ЯЭУ оправдано специальными требованиями, предъявляемыми к ледоколам: высокой мощностью ГД, большим сроком автономного плавания.

В газотурбинной установке (ГТУ) в отличие от паровой отсутствует па­рогенератор. В специальную камеру сгорания компрессором подается сжа­тый воздух, а насосом - топливо, в результате сгорания которого образуется рабочий газ, поступающий на ротор турбины. Установка компактна и значительно легче паротурбинной. Недостатком ПУ является высокая тепловая напряженность и быстрый износ ее конструктивных элементов.

Комбинированные установки, в которых в качестве рабочих тел использу­ются газ и пар называются парогазотурбинными. В простейшей схеме такой установки горячие газы, уходящие из газовой турбины после совершения в ней работы, охлаждаются в подогревателе, нагревая питательную воду, поступающую в паровой котел. В результате уменьшается расход топлива на получение пара в котле, что приводит к повышению эффективности комбинированного цикла по сравнению с этими же циклами, осуществляемыми раздельно. Энергия вырабатываемая газовой и паровой турбинами, используется для получения электрической энергии или для привода гребного винта.

В настоящее время парогазотурбинные установки имеют КПД до 0,35...0,38, что дает им возможность конкурировать с ПТУ при давлении 13 МПа и температуре пара 565 °С. Увеличив начальную температуру газа в ГТУ до 900 – 1000 °С, применив многоступенчатое сжатие воздуха, промежу­точный перегрев, регенерацию и утилизацию теплоты уходящих газов, можно повысить КПД парогазотурбинной установки до 0,5. Однако, такие установки имеют сложную схему и конструкцию.

В судовой энергетике начинают использовать и энергию ветра. В рам­ках натурных экспериментов уже испытывались ветропреобразующие уст­ройства с автоматически управляемыми жесткими и полужесткими паруса­ми, а также парусное вооружение других типов.

Дизельные установки имеют следующие основные преимущества: вы­сокую экономичность, превышающую экономичность судовых установок (СУ) других типов. Эф­фективный КПД достигает значения 0,45, а для последних типов МОД – 0,51. Для дизельных установок характерна возможность работать на различных сортах жидкого топлива, в том числе и на низкосортном с содержанием серы до 3,5 % и более, и газообразном. Характерна и относительная простота обес­печения комплексной автоматизацией и агрегатированием. Широк диапа­зон типоразмеров дизелей с цилиндровой мощностью от 5 до 3700 кВт, что дает возможность создавать судовые дизельные установки (СДУ) для любых типов судов. Минимальные затраты времени на подготовку дизелей к пуску с последующим быстрым доведением нагрузки до номинальной.

В состав дизельной установки входят:

- ДВС с газотурбонагнетателем (последний может отсутствовать).

- системы, обслуживающие главный двигатель (топливная, масляная, охлаждения, пуска и реверса, автоматического и дистанцион­ного управления, контроля и защиты и др.).

Основным элементом судовой дизельной установки является главный дизель.