3. Гребная установка судна

3.1. Передача

Для работы любого современного движителя необходимо подводить к нему механическую энергию, вырабатываемую двигателем. Устройство, с помощью которого передается эта энергия, и называется передачей. В состав передачи входят валопроводы, подшипники, редукторы, про­межуточные преобразователи энергии из одной формы в другую.

Валопровод судна состоит из гребного, упорного и промежуточ­ных валов, расположенных на одной оси. Все валы выполняются из стали, имеют осевое отверстие и соединяются между собой с помощью фланцевых соединений на болтах..

Валопровод располагается в подшипниках скольжения. Вес вало­провода воспринимается опорными подшипниками; сила упора, создава­емая гребным винтом, передается на упорный подшипник. Дейдвудный опорный подшипник должен иметь специальное уплотнение для предот­вращения попадания забортной воды внутрь судна, а при его масляной смазке и для предотвращения попадания масла в водную среду.

Гребной винт работает при малой частоте вращения. Зачастую же двигатели имеют частоту вращения значительно более высокую. Для согласования частот вращения гребного винта и двигателя, а также для обеспечения необходимого крутящего (движущего) момента приме­няют редукторы, или осуществляют преобразование механической энер­гии двигателя в промежуточную (электрическую или гидравлическую), а промежуточной повторно в механическую, но уже с параметрами, не­обходимыми для работы движителя.

Передачи, в которых отсутствует преобразование механической энергии в промежуточную, называют прямыми передачами. Передачи, в которых имеется такое преобразование называют непрямыми передача­ми. В соответствии с этим все гребные установки разделяют на 2 ос­новных группы. В настоящее время все типы гребных установок с точ­ки зрения преобразования энергии вписываются в схему рис.3.1, на котором представлены некоторые из них, где Д - дизель; ПГ - паро­генератор; ГТ - газовая турбина; ЯРПГ - ядерный реактор с пароге­нератором; ПТ - паровая турбина; ГН - гидронасос; ГМ - гидромотор; ЭГ - электрогенератор; ГЭД - гребной электродвигатель; Q_T- энер­гия топлива;Q_TЕРМ- термическая энергия;Q_мех- механическая энергия;Q_ПР- промежуточный вид энергии (гидравлическая, электри­ческая);Q_ГИДР- гидравлическая энергия.

3.2. Мощность гребной установки

В соответствии с (2.1) мощность, подводимая к гребному валу, равна мощности на фланце теплового двигателя (двигателей) а греб­ной установке о прямой передачей. 3 гребной установке с непрямой передачей эти мощности отличаются на величину потерь в дополнитель­ных промежуточных преобразователях и связях между ними.

Таким образом, для непрямой передачи следует отличать мощ­ность, подводимую к гребному валу, и мощность на фланце теплового двигателя (фланцах тепловых двигателей). Бывает также необходимым учитывать мощность промежуточного преобразователя (преобразовате­лей) и мощность, потребляемую гребным двигателем (двигателями). Полезная мощность гребного двигателя (двигателей, если их несколь­ко на одном гребном валу) равна мощности, подводимой к гребному валу. КПД передачи η_ПЕР в (2.1) можно определить какη_ПЕР =η_ПР3 η_ПР4 η_с, гдеη_ПР3 и η_ПР4- КПД преобразователей 3 и 4 (рис.3.1) соответ­ственно;η_с- коэффициент, учитывающий потери в канале передачи энергии от преобразователя 3 к преобразователю 4.

При нескольких гребных валах под понятиями мощности ГЭУ под­разумевается сумма мощностей на всех гребных валах. Распределение мощности в номинальном режиме на разные гребные валы может быть неодинаковым. Тогда говорят о соотношении мощностей на гребных ва­лах. Например, ледокол "Ленин" имеет соотношение мощностей на гребных валах 1:2:1, т.е. мощность на среднем валу вдвое выше мощ­ности на бортовом валу [з].

3.3. Преобразователи энергии топлива в механическую

Строго говоря, еще не найдено способа преобразования энергии топлива непосредственно в механическую. Вначале ее приходится пре­образовывать в термическую или тепловую, а затем уже термическую в механическую. Эти преобразования производятся либо в отдельных преобразователях, либо сразу оба производятся в одном и том же. К первому случаю следует отнести парогенератор, в котором энергия сжигаемого топлива преобразуется в тепловую энергию нагретого пара, и паровую машину (турбину), преобразующую энергию пара в механиче­скую. Между собой преобразователи связываются паропроводом. Ко второму случаю относятся двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины. В них энергия горячих газов, полученных при сжигании топ­лива, сразу же преобразуется в механическую.

Из тепловых двигателей на судах нашли применение дизели, па­ровые и газовые турбины. Широко распространенные ранее паровые ма­шины к настоящему времени уже утратили свое значение [6].

Дизели.Наиболее широкое применение для движения судов нашли дизели - двигатели внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от сжатия, работающие на тяжелом жидком топливе, Рабочая смесь, т.е. смещение топлива с воздухом, производится внутри рабо­чих цилиндров, к которым воздух и топливо подаются раздельно.

Принцип действия такого двигателя кратко можно изложить сле­дующим образом. Введенная в цилиндр рабочая смесь сжимается порш­нем. В конце сжатия смесь воспламеняется. Образовавшиеся газооб­разные продукты сгорания, имеющие высокую температуру, повышают давление в цилиндре. В результате этого поршень перемещается и че­рез кривошипно-шатунный механизм поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение вала. После расширения про­дукты сгорания удаляются из цилиндра, последний заполняется новой порцией рабочей смеси и начинается новый рабочий цикл. Часть рабо­чего цикла, происходящего за один ход поршня, называется тактом.

Дизели могут быть двухтактные и четырехтактные. Рабочий цикл у них происходит за один оборот вала (2 хода поршня) или за два (4 хода поршня) соответственно. На судах нашли применение многоцилиндровые дизели с вертикальным и V -образным расположением цилиндров. Для гребных установок с прямой передачей применяют ре­версивные дизели, а с непрямой передачей - нереверсивные.

Дизели состоят из отдельных систем и агрегатов, тлеющих опре­деленное назначение. К основным из них относятся корпус, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, топливная система, система впуска воздуха и выпуска отработанных газов, си­стема смазки и система охлаждения.

Условия, необходимые для нормального смесообразования, сжатия и воспламенения возникают при достижении определенной частоты вра­щения коленчатого вала дизеля. У большей часта дизелей она состав­ляет 0,3-0,4 от номинальной и называется минимально устойчивой частотой вращения дизеля. Процесс принудительного проворачивания коленчатого вала от неподвижного состояния до минимально устойчи­вой частоты вращения с последующей подачей топлива называется пус­ком дизеля. Пуск дизеля осуществляют с помощью пневматического устройства или электростартера. Пневматическое устройство обеспе­чивает пуск сжатым воздухом, подаваемым в цилиндры дизеля от бал­лонов. Баллоны предварительно накачиваются воздушным компрессором, приводимым в действие самим дизелем или посторонним источником энергии. Электростартерное устройство представляет собой электро­двигатель постоянного тока, питающийся от аккумуляторной батареи, который с помощью специального устройства вводится в зацепление с зубчатым колесом маховика дизеля. В ГЗУ постоянного тока в качест­ве электростартера может использоваться генератор, переводимый в режим двигателя.

Дизели имеют относительно высокий КПД (34-40 %), малое время подготовки к пуску и работе (1-2 мин). Регулирование частоты вра­щения и мощности дизеля осуществляется изменением количества пода­ваемого топлива с помощью регулирующей рейки топливных насосов. Судовые дизели допускают кратковременное увеличение частоты враще­ния на 10-15 %, а также перегрузку по мощности на 10% в течение I часа. На рис.3.2. показан вид основных внешних и регуляторных характеристик дизеля: а) внешние: I и I΄ - максимальные; 2, 2΄, 2" - основные; 3 - эксплуатационная; 3 и 4 - частичные; 5 - нижняя ограничительная; 6 - установка предельного выключателя; б) регуляторные: 1, 2, 3 - астатические; 1΄, 2΄, 3΄ - статические; 4 - осно­вная; 5 - установка предельного выключателя.

Зависимость основных параметров M_{ВР ,} Р_ПД, q(момент, мощность и удельный расход топлива) от частоты вращения дизеля называют внешними характеристиками. Они снимаются при ручном управлении подачей топлива. Внешние характеристики при кратковременной нагрузке (1-2 часа) и предельной подаче топлива называют максимальными. Основные внешние характеристики соответствуют длительной мощности. Точки, лежащие на этих характеристиках при номинальной частоте вращения, соответствуют номинальным моменту и мощности, а также удельному расходу топлива в номинальном режиме работы. Характеристики, соответствующие меньшим значениям подачи топлива, называют частичными. Частичную внешнюю характеристику, при которой обеспечивается долговременная и экономичная работа дизеля, называют эксплуатационной (при номинальной частоте вращения мощность равна примерно 80 % от номинальной). Частичная характеристика, соответствующая минимальной мощности при длительной работе, называется нижней ограничительной.

Регуляторные характеристики (рис.3.2(б)) - зависимости параметров от частоты вращения при разных установках всережимного регулятора, который при переменной нагрузке поддерживает любую заданную частоту вращения изменением подачи топлива. Основная внешняя характеристика (кривая 4) и характеристика установки предельного выключателя (кривая 5) остаются теми же, что и в случае, представленном на рис.3.2а (кривые 2 и 6 соответственно), дизель со всережимным регулятором при заданной частоте вращения работает по ре­гуляторным характеристикам при астатическом (кривые 1.2,3) или статическом (кривые l', 2', 3') регулировании.

У судовых дизелей предусматривается аварийная защита в следу­ющих случаях: а) при превышении допустимой частоты вращения - с помощью центробежного предельного регулятора (выключателя); б) при снижении давления масла ниже допустимого - с помощью реле давления которое снимает нагрузку и перекрывает подачу топлива; в) при пе­реходе одного из последовательно включенных генераторов постоянно­го тока в двигательный режим в случае остановки его дизеля (защита г обратного вращения - с помощью реле давления пресной воды (если вода подается навешенным насосом), которое при понижении давления до 40-25 % номинального снимает возбуждение с генератора останав­ливающегося агрегата. Эту защиту можно выполнить с помощью реле напряжения, подключенного к тахогенератору дизеля - реле снимает возбуждение с генератора при понижении частоты вращения до 20-40 % минимально устойчивой.

На рис.3.3 приведена зависимость относительной массы дизеля от частоты вращения. Очевидно, что дизель, применяемый для прямой передачи, будет иметь значительную массу, поскольку частота его вра­щения определяется частотой вращения винта (1,5 – 4,0 с^-1).

Паровые турбины. Гребные установки с паровыми турбинами при­меняют на судах для движения которых требуются большие мощности (не менее 20000 кВт). Принципиальная схема паротурбинной гребной установки прямого действия приведена на рис.3.4. ЭнергияQ₁топли­ва, сжигаемого в топке парово­го котла I, нагревает воду и превращает ее в пар требуемых параметров (температуры и давления). Пар подается в турбину 2, в которой его энергия пре­образуется в механическую и через редуктор 3 передается на гребной винт 4. Отработан­ный пар поступает в конденса­тор 5, где охлаждается и конденсируется. Вода из конденсатора по­дается насосом 6 в емкость 7, откуда с помощью питательного насоса 8 подается в паровой котел.

Для атомной паротурбинной гребной установки схема остается той же. Место парового котла с топкой в этом случае занимает ядер­ный реактор с парогенератором.

Частота вращения судовых паровых турбин достигает 100 с^-1и выше при мощности до 45-50 тысяч киловатт. Момент на зубчатых ко­лесах редуктора достигает сотен тысяч ньютонометров. Для работы с такой частотой вращения и высоким моментом зубцы редуктора требуют высокой прочности и точности изготовления.

Полный ход судна обеспечивает турбина полного хода, экономи­ческий и малый ход - турбина экономического хода, задний - турбина заднего хода. Чаще всего турбины полного и экономического хода имеют две или три ступени - высокого, среднего и низкого давления. Все рабочие колеса турбин располагаются на одном валу. При работе одной турбины рабочие колеса других турбин вращаются вхолостую. Таким образом, главная судовая турбина является комплексом турбин, выполненных в одном корпусе.

Внешняя и регуляторная характеристики (рис.3.5) имеют прямо­линейные зависимости. Точка номинального режима работы турбины на­ходится на регуляторной характеристике (n_H;Р_H). Предельной подаче пара соответствует перегрузка, достигающая 25% отР_H. Если нагрузка превысит допустимый предел 125%, то турбина должна остановиться. При снятии нагрузки регулятор уменьшает подачу пара и частота вращения достигаетn₀. Диапазон регулирования частоты вращения турбины довольно широк и равен 25-115%. В связи с этим резонансная частота должна соответствовать более высокой частоте вращения. Для этого лопатки ротора турбин делаются более толстыми по сравнению с лопатками турбин, работающих при постоянной частоте вращения.

ВГЭУ главные турбины значительно проще, так как отсутствует необходимость в создании на одном валу комплекса турбин. В тех ГЭУ, в которых предусматривается работа главных генераторов с неизмен­ной частотой вращения, толщина лопаток ротора турбин меньше, чем у турбин, работающих при регулируемой частоте вращения.

Относительный эффективный КПД турбогенератора достигает 75-81%. Абсолютный же эффективный КПД паротурбинной установки (ПТУ) с уче­том котельной установки составляет около 25 %. Удельный расход топлива равен 365-380 г/кВт ч. Механические потери в самой турбине составляют 1-3 % ее мощности.

Регулирование частоты вращения и мощности обычно производится специальным маневровым клапаном, изменяющим количество подаваемого пара. Для поддержания заданной частоты вращения при изменениях на­грузки турбины оборудуют быстродействующим регулятором постоянства частоты вращения, который изменяет подачу пара в турбину. Регуля­тор приводит мощность турбины в соответствие с мощностью нагрузки и поддерживает заданную частоту вращения, а также обеспечивает ус­тойчивую работу турбины при внезапном сбросе или набросе нагрузки. При расчетах ГЗУ учитывают времена наброса и сброса 100 % нагрузки, максимальные и минимальные значения частоты вращения при этом сбросе и набросе, а также статизм и точность регулятора.

Для экстренной остановки турбины перед дай на главном вало-проводе устанавливается быстрозапорный клапан (БЗК).

Турбина снабжается выключателем предельной частоты вращения, который действует на БЗК, независимо от других регуляторов и пре­кращает подачу пара при достижении турбинной частоты вращения, рав­ной 112-115 % от номинальной.

Аварийная остановка турбины воздействием на БЗК предусматри­вается в следующих случаях: а) при повышении допустимой частоты вращения; б) при понижении давления масла в напорном маслопроводе ниже допустимого; в) при резком ухудшении вакуума в конденсаторе. В ГЗУ должна предусматриваться защита от недопустимого разгона (если он возможен) ротора турбины энергией рекуперации в переход­ных режимах. Эта защита может быть осуществлена, например, с помо­щью реле напряжения, подключенного к тахогенератору турбины. При недопустимом увеличении частоты вращения (разгона) реле срабатыва­ет и дает сигнал на снижение двигательного момента генератора до значения, меньшего, чем момент механических потерь турбины. Установ­ка срабатывания должна быть ниже установки предельного выключателя - 105 % номинальной частоты вращения.

Газовая турбина.Это агрегат, объединяющий компрессор, камеру сгорания и собственно газовую турбину. Газовая турбина вращает компрессор, а ее избыточную мощность используют для выполнения ра­боты. Компрессор может быть выполнен на базе дизель-компрессора в так называемом свободно-поршневом генераторе газа. В этом случае для выполнения работы используется воя мощность газовой турбины.

Газовая турбина конструктивно и по принципу действия аналогич­на паровой. При общности термодинамических процессов турбины отли­чаются друг от друга. Наиболее существенное отличие состоит в том, что в газотурбинной установке (ГТУ) рабочее тело не превращается в жидкость в процессе отвода тепла и в пар - в процессе его подво­да, а поэтому котел и конденсатор пара отсутствуют. Это приводит к большей экономичности и снижению массо-габаритных показателей. Ха­рактеристики газовой турбины показаны на рис.3.6.

Наибольший абсолютный эффективный КПД газовой турбины соот­ветствует одной точке кривой мощности, находится в области ее мак­симального значения и достигает 85-89 %. Б связи с этим она имеет небольшой диапазон регулирования частоты вращения. Ее использова­ние целесообразно в установках с неизменной частотой вращения, т.е. при прямой передаче с ВРШ или в непрямой передаче.

Запуск газовой турбины осуществляется с принудительным разво­рачиванием ее вала специальным пусковым двигателем.

Система управления газовой турбиной сложна, так как она должна воздействовать на расход, давление и температуру газа и воздуха, а также изменять количество подаваемого топлива в камеру сгорания.

В ГТУ предусматривается защита, прекращающая подачу топлива в следующих случаях: а) при достижении предельно допустимой частоты вращения (110-112% номинальной); б) при превышении допустимого значения температуры газа; в) при снижении давления масла и охлаждающей воды ниже предельного значения.

Список литературы

1. В.Веллер. Автоматизация судов. - Л.: Судостроение, 1975.

2. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я,, Титов И.А. Справочник по те­ории корабля. Судовые движители и управляемость. - Л.: Судострое­ние. 1973.

3. Горбунов Б.А., Савин А.С., Сержантов В.В. Современные и перспективные гребные электрические установка судов. - Л.: Судо­строение, 1979.

4. Гребные электрические установки: Справочник/К.Б.Айзенштадт, Ю.М.Гилерович, Б.А.Горбунов, В.В.Сержантов. - Л.: Судостроение, 1985. . ' '

5. Костюков А.А. Сопротивление воды движению судов. - Л.: Су­достроение, 1966.

6. Михаилов В.А. Автоматизированные электроэнергетические си­стемы судов. - Л.: Судостроение, 1977.

7. Регистр СССР. Правила классификации и постройки морских су­дов. -Л.: Транспорт, 1981.

8. Рукавишников СБ. Автоматизированные гребные электрические установки. - Л.: Судостроение, 1983.

9. Русецкий А.А. Движители судов с динамическими принципами поддержания. - Л.: Судостроение, 1979.