книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

Глава XII

Гребные электрические установки (ГЭУ)

§ 73. ГЭУ и их особенности

Из истории электротехники известно, что русский академик Борис Семенович Якоби свой первый в мире электродвигатель по­ стоянного тока мощностью около 0,7 кВт установил для испытаний на лодку, которая с 14 пассажирами (тоже академиками) ходила по Неве 7 ч со скоростью (против ветра и течения) около 4,2 км/ч. Это было в 1839 г. Электродвигатель получал питание от 128 плати­ но-цинковых элементов Грове.

Начиная с 1880 г. до конца XIX столетия в разных странах строились лодки с электродвижением. Самая быстроходная лодка того времени развивала скорость до 36,2 км/ч, а самая большая из них брала на борт до 50 пассажиров. Источником электроэнергии на этих лодках были гальванические элементы либо аккумулятор­ ные батареи.

В 1903—1904 гг. в России _были построены два дизельных суд­ на — «Вандал» и «Сармат», на которых гребная электрическая установка играла вспомогательную роль. Дело в том, что к тому времени еще не был изобретен реверсивный дизель и на этих судах дизель непосредственно передавал вращение движителю только при переднем ходе судна, а при заднем ходе использовалась элек­

строены восемь канонерских лодок, а в 1907 г. был изобретен ре­ версивный дизель и подобные суда больше не строились. Впрочем, в дальнейшем царское правительство не построило вообще ни одно­ го надводного судна с электродвижением, хотя проекты таких элек­ троходов разрабатывались. Был проект линкора «Севастополь» с ГЭУ мощностью 42000 л. с. и проект океанского судна водоизмеще­ нием 10 750 т для рейсов между портами Одесса и Владивосток с ГЭУ мощностью 3000 л. с. и скоростью 13 узлов.

В США с 1916 по 1927 г. было построено 118 электроходов об­ щей мощностью около 700 000 л. с., в том числе авианосец водо­

291

В 1935 г. во Франции был построен самый большой в мире пас­

Вдовоенные годы в крупных капиталистических странах суще­ ствовала тенденция строительства /крупных судов с турбоэлектрической гребной установкой (ТЭГУ) переменного тока.

Кстроительству отечественных электроходов наша страна смог­ ла приступить только после Великой Отечественной войны.

Вэто время большое развитие получили дизельные суда сред­ него водоизмещения, а электродвижение использовали преимуще­

ственно на -судах специального назначения: ледоколах, буксирахспасателях, промысловых судах и т. д. с дизель-электрическими

.гребными установками (ДЭГУ).

В 1956 г. в СССР насчитывалось 69 электроходов, а в 1959 — 1960 г. вступил в строй первый в мире атомный электроход — ледо­ кол «Ленин» мощностью 44 000 л. с.

В 1961 г. в СССР уже было 80 электроходов отечественной и бо­

В США в 1970 г. было 266 коммерческих электроходов, из кото­ рых около половины — относительно старые суда с ТЭГУ перемен­ ного тока. В воецно-морском флоте США в это же время насчиты­ валось 350 кораблей с ТЭГУ и 650 — с ДЭГУ.

Т а б лица 21

В последние годы много электроходов построено в ФРГ. В США, ФРГ, Англии, Исландии, Испании вступили в строй новые электроходы с ГЭУ двойного рода тока.

В табл. 21 приводятся сведения о количестве коммерческих электроходов в мире по годам.

Несмотря на увеличение количества коммерческих судов с ГЭУ, все же электроходы в мировом торговом флоте составляют только 2% общего количества судов.

На рис. 184 показана структурная схема ГЭУ судна. Механиче­ ская энергия, развиваемая первичным двигателем (ПРД), преоб­ разуется в электрическую энергию генератором Г, а затем в греб­ ном электродвигателе ГЭД она вновь преобразуется в механиче­ скую энергию и передается на винт. Пост управления ПУ воздейст­

292

вует на генератор и гребной электродвигатель через систе­ му управления СУ, которая на современных электроходах обеспечивает автоматическое регулирование ГЭУ.

Особенности ГЭУ, от кото­

чаются, во-первых, в двухступенчатом преобразовании энергии и, во-вторых, в отсутствии жесткой связи между первичным двигате­ лем и гребным винтом.

Гребные электрические установки электроходов отечественного

шин или дробить их мощность, устанавливая сдвоенные генерато­ ры и двигатели. Генератор постояного тока мощностью 4000 кВт не может иметь частоту вращения более чем 1000 об/мин, даже тео­ ретически. В этом смысле очень характерен пример атомохода «Ленин», ГЭУ которого выполнена на постоянном токе. Каждая из четырех турбин атомохода вращает через редуктор по два сдво­ енных генератора, т. е. фактически по четыре генератора, каждый из которых имеет мощность 1920 кВт при 595 об/мин.

Мощность машин переменного тока практически для ГЭУ не ограничена, а предельная скорость вращения их ограничивается только частотой тока и при частоте 50 Гц составляет 3000 об/мин.

до последнего времени нашли очень ограниченное распростра­ нение.

В СССР имеются только три пассажирских электрохода на пере­ менном токе: «Россия», «Абхазия» и «Балтика». Построено рефри­ жераторное судно рыбопромыслового флота дизель-электроход «Октябрьск» с ГЭУ на переменном токе и с винтом регулируемого шага (ВРШ). Суда, подобные «Октябрьску», продолжают строить­ ся. Одновременно во Франции для СССР строятся промысловые суда типа «Наталья Ковшова» также с ГЭУ на переменном токе.

Ограниченное строительство судов с ГЭУ на переменном токе объясняется тем, что эти машины обладают такими же регулиро­ вочными свойствами, как машины на постоянном токе, а следова­ тельно, ГЭУ на переменном токе не может обеспечить судну

293

высокие маневренные качества — одно из важнейших достоинств электрохода с ГЭУ на постоянном токе.

Объединить в известной степени достоинства гребных электри­ ческих установок на переменном и постоянном токе можно в ГЭУ двойного рода тока.

В зависимости от типа первичных двигателей ГЭУ делятся на дизель-электрические и турбо-электрические.

Дизель-электрические гребные установки находят более широкое распространение (см. табл. 21) на судах по сравнению с турбоэлектрическими. Объясняется это прежде всего многими важными

перегрузочной способностью и обеспечивает большую устойчивость параллельно работающих генераторов. Паровая турбина как судо­ вой двигатель практически не имеет ограничений по мощности, в то время как предельная мощность дизеля ограничивается

20—30 тыс. л. с.

Классификация ГЭУ по назначению судна весьма обширна. На современном флоте с электродвижением встречаются пассажирские и сухогрузные суда, танкеры и рефрижераторы, ледоколы и букси­ ры-спасатели, паромы и землечерпалки, рыбопромысловые базы и китобойцы. Вместе с тем ГЭУ, как уже отмечалось, нашли самое широкое распространение только на некоторых типах судов — это ледоколы, буксиры-спасатели, суда активного ледового плавания, китобойцы. Электродвижепие обеспечивает для этих типов судов высокую маневренность и некоторые другие качества.

Преимущества и недостатки ГЭУ. ГЭУ имеют немало преиму­ ществ перед установками с непосредственной передачей на винт. 'Рассмотрим наиболее важные из них.

1. ГЭУ обеспечивает судну повышенные маневренные качества. Здесь следует заметить, что это достоинство присуще ГЭУ на по­ стоянном токе, хотя в принципе при использовании, например, ста­ тических преобразователей частоты или машинно-вентильных кас­ кадов ГЭУ на переменном токе может обеспечить судну, не менее высокие маневренные качества.

Повышенная маневренность электрохода достигается за счет не­ посредственного управления гребными электродвигателями с мос­ тика, быстрого реверсирования гребного электродвигателя, боль­ шого диапазона регулирования скорости гребного винта и за счет того, что гребной электродвигатель может работать в тормозном ре­ жиме, обеспечивая быструю остановку судна.

2. В ГЭУ можно автоматически поддерживать постоянную мощ­ ность при изменении момента сопротивления гребного винта.

294

разом, что вращающий момент гребного двигателя увеличивается, а мощность, развиваемая ГЭУ, остается постоянной. Все сказанное можно пояснить рис. 185. Кривые 1, 2, 3, 4 — это механические ха­ рактеристики гребного винта: на чистой воде при полном ходе суд­

выражается приблизительно прямой 5, а механическая характери­ стика гребного электродвигателя ГЭД — кривой 6. Кривая 6 яв­ ляется гиперболой, отвечающей условию

Р = 0,104M« 10. 3 = const,

где Р — мощность гребного электродвигателя, кВт; М — вращающий момент ГЭД, Н-м; « — частота вращения ГЭД, об/мин.

Выполнение этого условия, как уже отмечалось, обеспечивается системой автоматического управления ГЭУ.

При полном ходе на чистой воде теплоход и электроход будут работать в точке а, развивая скорость винта пп и вращающий мо­ мент Мв.

При буксировке воза теплоход будет работать в точке б, а элек­ троход — в точке б'. Нетрудно видеть, что главный двигатель теп­ лохода уже не может развивать номинальную мощность. Еще ху­

295

же обстоит дело при работе на швартовной характеристике (точка в) и при ходе судна в ледяной шуге (точка г). В последнем слу­ чае гребной винт теплохода будет вращаться со скоростью птх, а гребной винт электрохода — со скоростью пэх.

При переходе судна с характеристики 1 на характеристику 4 мощность главного двигателя теплохода уменьшится на 30—40%, а мощность ГЭУ электрохода не изменится. Это важнейшее свойст­ во ГЭУ особенно необходимо Для таких судов, как ледоколы, суда активного ледового плавания, буксиры-спасатели.

3. ГЭУ обеспечивает повышенную живучесть судна.

Число генераторных агрегатов в ГЭУ обычно составляет 4, 6, 8 и реже 2. Если, например, на электроходе с четырьмя генератор­

Уместно упомянуть и о более спокойных условиях работы пер­ вичных двигателей в ГЭУ по сравнению с главными двигателями, работающими непосредственно на винт.

Выход из строя главного двигателя одновального теплохода при­ водит к полной потере скорости, что в сложных метеорологических условиях может вызвать гибель судна.

4. В ГЭУ применяются нереверсивные дизели или отсутствуют турбины заднего хода. Реверсивные дизели имеют более сложную конструкцию.

Режим реверсирования дизеля связан с возникновением допол­ нительных усилий и деформаций в различных деталях двигателя, вызывающих преждевременный износ их.

На турбинных судах для получения заднего хода устанавли­ вается дополнительная турбина мощностью 40—60% от мощности турбин переднего хода.

5. ГЭУ обеспечивает высокую экономичность при работе на промежуточных ходах.

Если судно по каким-либо причинам вынуждено идти с пони­ женной скоростью (прохождение узкостей, каналов, сильный туман или шторм, режим траления и т. д.), то главный двигатель тепло­ хода работает при этом с недогрузкой, а значит с понижен­ ным к. п. д., что приводит к увеличению удельного расхода топ­ лива.

На электроходе в этом случае оставляет в работе столько ге­ нераторных агрегатов, чтобы они были полностью загружены.

6. В ГЭУ можно повысить к. и. д. гребного винта.

Наивысший к. и. д. винта находится подбором оптимальной ско­ рости вращения его. На теплоходе такой подбор связан с измене­ нием режима работы главного двигателя, а значит-, с ухудшением его параметров. На электроходе подбор оптимальной скорости греб­ ного электродвигателя особого труда не представляет.

296

7. На электроходе можно осуществлять отбор мощности от ГЭУ для вспомогательных нужд<судна.

Мощность генераторных агрегатов судовой электростанции для вспомогательных нужд судна обычно составляет 200—400 кВт. К. п. д. таких агрегатов значительно ниже, чем к. п. д. мощных ге­ нераторных агрегатов ГЭУ, поэтому отбор мощности от агрегатов ГЭУ экономически выгоден. Правда, техническое решение этой за­ дачи в ГЭУ на постоянном токе представляет немалые трудности.

Наряду с положительными качествами ГЭУ им присущи и серьезные недостатки.

1. В ГЭУ из-за двойного преобразования энергии возникают дополнительные потери в генераторах и гребных электродвигате­ лях. Если учесть, что к. п. д. генераторов и двигателей составляет около 95%, то дополнительные потери в ГЭУ достигают 10%.

2. ГЭУ имеет повышенную первоначальную стоимость, которая может быть снижена за счет более широкого использования унифи­ цированного оборудования. Так, например, на электроходах отече­ ственной постройки используются серийные тепловозные дизели Д50 и ЗД100.

3.ГЭУ имеет повышенный вес и габариты. Применение в ГЭУ быстроходных дизелей позволяет значительно снизить вес и габа­ риты установки. Однако следует учитывать недостатки быстроход­ ных дизелей, заключающиеся в пониженном моторесурсе и в по­ вышенной шумности.

4.Для обслуживания ГЭУ выделяется дополнительный штат. Если на теплоходе электрооборудование обслуживает один элек­ тромеханик с двумя-тремя электриками, то на электроходе электро­

группа состоит из четырех электромехаников и шести—девяти элек­ триков.

Иногда в качестве недостатка ГЭУ выдвигают повышенную опасность поражения электрическим током, поскольку в ГЭУ при­ меняются повышенные напряжения. Однако в практике эксплуа­ тации электроходов не зарегистрировано ни одного случая тяжелых электротравм. Объясняется это, по-видимому, более'высокими, чем в обычных электроустановках, требованиями техники безопас­ ности.

§ 74. Особенности конструкции главных генераторов, гребных электродвигателей и возбудителей ГЭУ

Некоторые конструктивные отличия главных генераторов и гребных электродвигателей от обычных судовых электрических ма­ шин объясняются прежде всего большой мощностью их и сложными эксплуатационными условиями.

мотки якоря, которые в данный момент замыкаются щетками на­ коротко. Если дополнительные полюса достаточно хорошо ком­ пенсируют поле в зоне коммутации, то э. д. с. в этих секциях близка к нулю и искрения под щетками не возникает.

Наибольшая часть поля, созданного током обмотки якоря, рас­

нитная индукция резко уменьшается, а под другим — почти в такой же степени возрастает. В результате в тех секциях обмотки якоря, которые в данный момент проходят в зоне с высокой индукцией, наводится большая э. д. с., а в других секциях, наоборот, — ма­ ленькая. Все это приводит к тому, что напряжение между коллек­ торными пластинами распределяется неравномерно. Между некото­ рыми пластинами оно значительно возрастает, а между другими — уменьшается.

Незначительное попадание угольной пыли между коллекторны­ ми пластинами с повышенным в этот момент времени напряжением может вызвать возникновение электрической дуги, которая рас­ пространится на весь коллектор и приведет к аварии электричес­ кой машины.

В машинах малой и средней мощности напряжением 220 В такое явление наблюдается редко. В машинах большой мощности напряжением 400, 600, 800 В для предотвращения возникновения дуги на коллекторе применяется компенсационная обмотка КО. Секции КО (см. рис. 188) укладываются в пазы полюсных наконеч­ ников. Она включается, как и обмотка дополнительных полюсов, последовательно с обмоткой якоря. КО уничтожает поперечную реакцию якоря, сохраняя тем самым равномерное распределение индукции под полюсами, а следовательно, и равномерное распре­ деление напряжения между коллекторными пластинами.

Главные генераторы и гребные электродвигатели имеют обычно защищенное исполнение, хотя нижняя часть ГЭД иногда выпол­ няется водозащищенной.

Главные электрические машины ГЭУ оборудуются принуди­ тельной вентиляцией по замкнутому или разомкнутому циклу. На­ гретый воздух при выходе из машины пропускается через воздухо­ охладители с забортной водой. Правилами Регистра СССР требует­

298

ся вести непрерывный контроль температуры охлаждающего воз­ духа и его влажности при замкнутой системе вентиляции.

Электрические машины постоянного тока имеют смотровые ок­ на для наблюдения за состоянием коллектора и щеточного аппара­ та без снятия крышек.

Все главные электрические машины обортуются электрогрел­ ками, которые поддерживают температуру обмоток неработающих машин на 3—5°С выше температуры окружающей среды. Таким путем предотвращается отсыревание обмоток и уменьшение сопро­ тивления изоляции их.

Подшипники скольжения главных электрических машин имеют принудительную смазку под давлением. Система смазки обеспечи­ вается двумя насосами смазочного масла, один из которых являет­ ся резервным. За давлением и температурой масла ведется непре­ рывный контроль.

Гребные электродвигатели постоянного тока обычно имеют • двухъякорную конструкцию. Фактически это два двигателя, распо­ ложенные в одном корпусе.

У двухъякорных двигателей проще обеспечить удовлетвори­ тельную коммутацию. Вес и габариты двухъякорного двигателя больше примерно на 30%, чем одноякорного такой же мощности и с такой же частотой вращения, а к. п. д, на 1—2% меньше. Однако внешний диаметр якорей у двухъякорного двигателя меньше, а зна­ чит, меньше и момент инерции вращающихся частей, что способст­ вует более быстрому разгону и торможению двигателя и уменьше­ нию потерь энергии в переходных процессах.

Применение двухъякорного гребного электродвигателя повыша­ ет надежность ГЭУ, так как при выходе из строя одного якоря в работе остается другой.

Для возбуждения главных генераторов и гребных электродви­ гателей применяются специальные возбудители, которые приводят­ ся во вращение электродвигателями постоянного или переменного тока в зависимости от рода тока вспомогательной электростанции судна. Часто на одном валу с возбудителем располагается не­ большая электрическая машина постоянного тока для питания це­ пей управления и обмоток возбуждения возбудителей.

Соединение приводного двигателя с возбудителями называется агрегатом возбуждения. В различных ГЭУ встречаются двух,- трех-, четырех- и пятимашинные агрегаты возбуждения. Например, гребная электрическая установка ледокола «Ленинград» имеет пять (два резервных) пятимашинных агрегатов возбуждения. Каждый агрегат состоит из: приводного трехфазного асинхронного двигателя; генератора постоянного тока с тремя обмотками возбуж­ дения — возбудителя четырех главных генераторов; генератора по. стоянного тока — возбудителя основного возбуждения двух греб­ ных электродвигателей; генератора постоянного тока возбудите­ ля для добавочного возбуждения двух гребных электродвигателей; генератора постоянного тока смешанного возбуждения для питания обмоток возбуждения возбудителей.