книги из ГПНТБ / Соловьев Е.М. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы учеб. пособие

у водотрубных котлов меньше, чем вероятность оголения потолка огневой камеры у огнетрубных котлов. Кроме того, в водяном про­ странстве пароводяных барабанов некоторых водотрубных котлов устанавливают поперечные перегородки, препятствующие переме­ щению массы воды в условиях бортовой качки и крена, если котел установлен поперек судна.

5. Масса воды в водотрубных котлах в 5—10 раз меньше, чем в огнетрубных. Малое водосодержание водотрубных котлов сокра­ щает время на подъем паров и их остановку. Для обеспечения на­ дежной работы котел снабжают системой автоматического регули­ рования уровня воды; следует иметь в виду, однако, что средства автоматизации на большинстве промысловых судов требуют посто­ янного наблюдения и обслуживания. В частности, при качке воз­ можно периодическое ложное срабатывание поплавковых автоматов питания, которые обеспечивают постоянный уровень воды во вспо­ могательных котлах.

6. С другой стороны, малое водосодержание водотрубных котлов является их недостатком, так как при резком изменении режима работы судна или его технологического цеха в водотрубных котлах происходят сильные колебания давления пара. У огнетрубных кот­ лов отсутствует этот недостаток, они отличаются большой аккуму­ лирующей способностью, т. е. создают большой запас теплоты в воде, благодаря чему обеспечивают малые изменения давления пара и уровня воды даже при резких колебаниях погрузки, что очень важно для таких судов, как буксиры или траулеры.

7.Водотрубные котлы предъявляют более высокие требования

ккачеству питательной воды, чем огнетрубные. Это обстоятельство послужило одной из причин установки на многих дизельных танке­ рах вспомогательных огнетрубных котлов, в водяное пространство которых не исключено попадание нефтепродуктов, разогреваемых паром из котлов.

§11. Судовые паровые турбины

Устройство и принцип действия турбины. На рис. 34 приведена схема устройства паровой турбины. Диск 2 с рабочими лопатками 4 установлен на валу 1. Пар подводится через сопло 3. Струя пара, выходя из сопла, давит на внутреннюю поверхность лопаток и пере­ дает диску свою энергию, в результате чего диск получает вра­ щение.

Процессы в соплах и на лопатках турбин. В зависимости от принципа работы лопаток турбины разделяются на активные и ре­ активные.

На рис. 35 дана схема работы пара в активной турбине. Такая турбина имеет суживающееся сопло 1 и симметрично установлен­ ные лопатки 2. Канал между лопатками имеет постоянное сечение. При проходе через неподвижное суживающееся сопло скорость пара увеличивается, а давление уменьшается, т. е. потенциальная энергия превращается в кинетическую. Таким образом, в межлопа­ точное пространство турбины пар будет поступать с малым давле-

60

нием и большой скоростью. Двигаясь в межлопаточном простран­ стве по окружности профиля лопатки, частицы пара давят на нее и смещают, а против сопла оказывается следующая лопатка.

в кинетическую: давление падает, скорость возрастает. Но в отли­ чие от активной турбины на лопатках реактивной турбины скорость пара продолжает увеличиваться из-за того, что канал между ло­ патками суживается. Пар сходит с лопаток с увеличивающейся скоростью; в результате появляется реактивная сила.

Рис. 35. Схема действия пара: а— на лопатках активной турбины; б — на лопатках реактивной турбины.

Следовательно, превращение потенциальной энергии в кинетиче­ скую в такой турбине осуществляется не только в неподвижных соплах, но и на подвижных лопатках. В сущности, такая турбина работает по активно-реактивному принципу.

Отношение количества тепла, преобразованного в кинетическую энергию на рабочих лопатках, ко всему использованному теплу

61

н а з ы в а е т с я с т е п е н ь ю р е а к т и в н о с т и . Турбины,у которых степень реактивности не меньше 0,5, принято называть реактивными.

Классификация паровых турбин. Судовые паровые турбины раз­

вспомогательных механизмов машинно-котельного отделения (на­ сосов, генераторов и т. д.).

П о ч и с л у с т у п е н е й — одноступенчатые и многоступенчатые. Ступенью турбины называется совокупность венца сопл или направ­ ляющих лопаток и венца рабочих лопаток. Одноступенчатые тур­ бины имеют небольшую мощность и применяются только как вспо­ могательные. Современные главные турбины всегда многоступен­ чатые, причем число ступеней исчисляется несколькими десятками.

По с п о с о б у д е й с т в и я п а р а — активные, реактивные и активно-реактивные. У активно-реактивных турбин часть ступеней работает по активному принципу, а часть — по реактивному.

Если при проходе пара через несколько ступеней понижается его скорость, такая турбина называется турбиной со ступенями ско­

хода (ТПХ) и турбины заднего хода (ТЗХ).

По д а в л е н и ю р а б о ч е г о п а р а — турбины высокого дав­ ления (ТВД), среднего давления (ТСД) и низкого давления (ТНД). Обычно отдельные ТВД, ТСД и ТНД составляют один турбинный агрегат, где пар последовательно расширяется.

По д а в л е н и ю в ы п у с к а о т р а б о т а в ш е г о п а р а — тур­ бины конденсационные и с противодавлением. У конденсационных турбин весь отработавший пар отводится в конденсатор, где кон­ денсируется и в виде питательной воды подается в котел. В конден­ сационной турбине можно достичь наибольшей экономичности, так как в конденсаторе поддерживаРтся глубокий вакуум, позволяющий получить дополнительное расширение пара и преобразовать выде­ ляющуюся при этом теплоту в механическую работу. Все главные судовые турбины и турбины электрогенераторов являются конденса­ ционными. Турбины же вспомогательных механизмов, как правило, выполняются с противодавлением, т. е. давление отработавшего пара у них выше атмосферного (1—3 кгс/см2). Это объясняется тем, что при малой степени расширения турбины получаются небольших размеров, компактными, простыми по устройству и обслуживанию. Малая же экономичность существенной роли не играет, так как мощность таких турбин, а значит, и расход пара в них невелики. Кроме того, отработавший пар от вспомогательных механизмов от­ водится на подогрев питательной воды котлов, что несколько повы­ шает экономичность всей паротурбинной установки.

Основные части и узлы турбины. К основным деталям паровой

турбины прежде всего следует отнести н а п р а в л я ю щ и е а п п а ­ р а т ы и р а б о ч и е л о п а т к и .

62

Направляющие аппараты активных турбин называются соплами. В реактивных турбинах сопл не имеется, их роль выполняют н а - п р а в л я ю щ и е л о п а т к и , в которых происходит частичное рас­ ширение пара. Совокупность направляющих аппаратов и рабочих

нескольким специальным дискам, составляющим с валом одно це­ лое, или насаживают на вал. В реактивных турбинах рабочие лопатки обычно устанавливают и укрепляют на окружности глад­ кого или ступенчатого барабана.

Совокупность вращающихся частей турбины образует ротор. На­ личие барабанного ротора является характерным конструктивным признаком реактивной турбины. Наличие дискового ротора при­ суще активной турбине. Сочетание барабана и дисков служит ха­ рактерным конструктивным признаком смешанной активно-реак­ тивной турбины.

Корпус и совокупность всех неподвижных частей турбины, нахо­ дящихся в корпусе, образуют с т а т о р .

Корпус турбины предназначен для размещения ротора, отделе­ ния проточной части турбины от наружной атмосферы, обеспечения прохождения пара в турбине по заданному пути и для укрепления неподвижных деталей турбины. В корпусах активных турбин за­

другой. В диафрагмах устроены сопла промежуточных ступеней.

В местах выхода вала из корпуса турбины для уменьшения по­ терь пара и для предотвращения засоса воздуха внутрь турбины устанавливают н а р у ж н ы е у п л о т н е н и я .

Каждую турбину снабжают двумя опорными и одним упорным подшипниками. Опорные подшипники воспринимают вес ротора, а также радиальные силы, действующие со стороны ротора. Упор­ ные подшипники служат для восприятия осевых усилий.

Основные детали паровых турбин показаны на рис. 36.

Для преобразования потенциальной энергии пара в кинетиче­ скую и направления парового потока на рабочие лопатки служат сопла. У вспомогательных турбин иногда устанавливают отдельно изготовленные сопла, но обычно они объединяются в так называе­ мые сопловые сегменты. Литой сопловой сегмент первой ступени турбины изображен на рис. 36, а.

Сопла могут располагаться по всей окружности и на части ее. В первом случае пар поступает сразу на все рабочие лопатки,— та­ кой впуск пара называется полным, во втором случае только на часть рабочих лопаток,— такой впуск пара называется парциальным.

Устройство рабочих лопаток активной турбины и их крепление на диске показано на рис. 36, б. Стальная лопатка 1 закреплена хвостом 2 в ободе диска 3. Между лопатками помещены вставки 4. Лопатки снабжены выступами^, на которые надевают стальную ленту — бандаж 5, скрепляющую верхние концы лопаток. После того как бандаж будет надет, выступы 6 расклепывают.

63

с парциальным впуском пара изображена на рис. 36, в. Она пред­ ставляет собой плоский диск 1 с ободом, которым диафрагма кре­ пится в корпусе турбины. На части окружности обода сделаны про­ межуточные сопла 2. Чтобы вал турбины мог проходить сквозь

диафрагму, в ней сделано отверстие 3. Для уменьшения протечек пара между валом и диафрагмой в последней имеется уплотнение 4.

Уплотнения в турбинах применяют в основном двух типов — угольные (у вспомогательных турбин) и лабиринтовые (у главных).

Основная идея устройства как угольного, так и лабиринтового уплотнения заключается в том, что пар пропускается через ряд ма­ лых зазоров, за каждым из которых следует относительно большая камера.

Схема лабиринтового уплотнения турбины показана на рис. 36, а. На валу <3 ротора имеются кольцевые выступы 4, В корпусе 1 тур­ бины установлены гребни уплотнения 2. Между гребнями и высту-

64

Они обычно рассчитаны на мощность, составляющую 40—50% мощ­ ности переднего хода, размещаются в одном корпусе с турбинами переднего хода и имеют небольшое число ступеней (две—четыре), так как к ним н е . предъявляются требования высокой эконо­ мичности.

В связи с тем что частота вращения гребных винтов на морских судах составляет 75—200 об/мин, а частота вращения судовых тур­ бин 3000—9000 об/мин, между турбиной и гребным валом устанав­ ливают зубчатую передачу (редуктор). Чаще всего используются двухступенчатые редукторы с передаточным числом до 160. Зубча­

тые колеса редукторов имеют шевронные зубья, что обеспечивает большую плавность зацепления, бесшумность, прочность и уравно­ вешивание осевых усилий. Такие редукторы отличаются высоким к. п. д., иногда превышающим 98%, и большой надежностью.

Главная турбина и зубчатый редуктор вместе составляют агре­ гат, называемый главным турбозубчатым (сокращенно ГТЗА).

Схема двухкорпусного турбозубчатого агрегата показана на рис. 38. ГТЗА состоит из двух турбин переднего хода — высокого и низкого давления (ТВД ПХ и ТНД ПХ) и турбины заднего хода (ТЗХ), расположенной в корпусе турбины низкого давления пе­ реднего хода.

При работе на передний ход свежий пар последовательно рас­ ширяется в турбинах, как показано сплошными стрелками; при ра­ боте на задний ход пар поступает в ТЗХ. Отработавший пар из ТНД ПХ и из ТЗХ выходит в конденсатор.

Турбины передают мощность гребному винту через зубчатую передачу.

Сравнительная характеристика паровых турбин. Паровые тур­ бины имеют ряд преимуществ, благодаря которым энергетические

66

установки с ГТЗА получают распространение и являются перспек­ тивными для крупнотоннажных судов.

Это следующие преимущества:

—большая экономичность: к. п. д. современных судовых паро­ турбинных установок составляет 27—33% (напомним, что к. п. д. установок с паровыми машинами составляет 10—12%);

—большой срок службы, высокая степень надежности и удоб­

ство обслуживания;

—меньшие вибрации, передаваемые корпуса судна, благодаря отсутствию кривошипно-шатунного механизма;

—высокая частота и легкая заглушаемость шума, возникаю­ щего во время работы турбины;

—возможность развивать большую мощность в одном агрегате

(мощность современных судовых турбин достигает 60000 кВт);

—компактность и малый вес;

—способность выдерживать большие перегрузки в течение дли­ тельного времени, что имеет особое значение при плавании в узко­ стях, вблизи берегов во время шторма и т. д.

Недостатком паровых турбин как судовых двигателей является то, что они нереверсивны, и для вращения вала в обратную сто­ рону необходима специальная турбина заднего хода. Кроме того, из-за наличия значительного момента инерции вращающихся частей ГТЗА реверс занимает относительно много времени (до 80 с). Сравнительно медленный реверс существенно снижает маневренные качества турбинных судов с зубчатой передачей. К тому же тур­ бина вообще не допускает быстрого изменения режима работы, так как оно связано с изменением температуры деталей проточной части. При быстром изменении режима неизбежно возникновение опасных тепловых напряжений. Кроме того, турбоагрегат не допу­ скает длительной работы задним ходом (не более 30 мин) из-за на­ грева лопаток ступеней переднего хода под воздействием теплоты,

вкоторую переходит работа вихревого движения пара, заполняю­ щего турбины.

Следует отметить, что кратковременность заднего хода и дли­ тельность реверса не имеют в настоящее время существенного зна­ чения, так как на современных судах устанавливают винты регули­ руемого шага (ВРШ), поворотом лопастей которых можно изме­ нить как режим, так и направление движения судна.

Длительность подготовки ГТЗА к пуску с его опробованием, зависящая от размеров турбин и от параметров пара, устанавли­ вается инструкцией завода-изготовителя; она может составлять от 30 мин до 2 ч.

Повышение частоты вращения турбин с момента их пуска до 50% от номинальной происходит относительно быстро, дальней­ шее же ее повышение до полной должно происходить в течение

8—12 мин.

На современных паротурбинных судах обычно предусматрива­ ют дистанционное управление ГТЗА. Основные устройства для управления ГТЗА, котельной установкой и вспомогательными

механизмами сосредоточены в центральном посту управления (ЦПУ), который размещен в машинном отделении. На мостике судна расположен пост управления ГТЗА через ЦПУ.

Техника безопасности при эксплуатации турбин. Гарантией безопасной работы ГТЗА, механизмов и паропроводов, обслу­ живающих агрегат, является их хорошее техническое состояние. Перед нагреванием и пуском агрегата внимательно осматривают системы паропроводов, механизмы и арматуру, установленную на трубопроводах, турбине и редукторе. При этом необходимо строго соблюдать инструкцию завода-изготовителя и Правила техниче­ ской эксплуатации судовых паровых турбин по подготовке тур­ бины к действию, прогреванию, пуску и обслуживанию при экс­ плуатации. Так, при прогревании паропроводов соблюдаются все меры предосторожности, обусловливающие равномерный и плав­ ный прогрев труб во избежание нарушения фланцевых соедине­ ний, появления гидравлических ударов, трещин и разрывов, попа­ дания воды в проточную часть турбины и т. д.

Важное значение для создания нормальных условий работы персонала имеет поддержание необходимой температуры и венти­ ляции машинно-котельного отделения, особенно при плавании в южных широтах и тропиках. Система вентиляции должна быть исправной, полностью обеспечивать многократный обмен воздуха и поддерживать заданную температуру.

Методические указания к гл. Ill

Приступая к изучению котлов как генераторов пара, необходимо уяснить принципиальные основы назначения, устройства и действия котельной установки. Обратить внимание на то, что в состав современного котельного агрегата по­ мимо котла входят дополнительные элементы, такие, как воздухоподогреватель, водоподогреватель, устройство для создания дутья, которые повышают эконо­ мичность котельной установки.

Изучая простейшую схему парового котла, нужно усвоить принцип получе­ ния пара в котле, сущность циркуляции, различать три пространства в котле (водяное, паровое, огневое), знать что называется зеркалом испарения, поверх­ ностью нагрева. Необходимо уметь определить понятия: паропроизводительность, удельный паросъем, коэффициент полезного действия. Четко запомнить класси­ фикацию котлов по различным признакам.

При изучении § 9 следует уяснить разницу в конструкциях вертикально-во­ дотрубных и горизонтально-водотрубных котлов. Обратить внимание на беспер­ спективность двухпроточных котлов. Понять, что в водотрубных котлах можно эффективнее использовать теплоту за счет экранизации топок и более интен­ сивного движения воды.

Ознакомиться с устройством огнетрубного котла и проанализировать его преимущества и недостатки. Комбинированные котлы рассматривать как резуль­ тат попыток усовершенствования огнетрубных котлов.

Необходимо изучить приборы и вспомогательные устройства, которыми снабжается каждая котельная установка для нормальной эксплуатации. Сово­ купность приборов, устанавливаемых на котле, называется арматурой. Знать на­ значение каждого прибора и место его установки на котле.

При знакомстве с основами автоматического регулирования паровых котлов нужно обратить внимание на то, что лишь при наличии автоматики могут быть достигнуты в условиях длительной эксплуатации высокие показатели работы котельных судовых агрегатов.

68

При рассмотрении вопросов обслуживания судовых котлов необходимо усвоить основные правила их эксплуатации. Особое внимание нужно уделить мероприятиям по обеспечению безопасности персонала, обслуживающего котлы.

При изучении паровых котлов следует помнить, что главные котлы на флоте рыбной промышленности имеют ограниченное применение, вспомогательные же котлы распространены очень широко.

При изучении основных положений о турбинах (§ 11) необходимо вначале уяснить разницу между использованием энергии пара в поршневых машинах и турбинах. Понять принцип действия турбины как ротативного теплового двига­ теля. Четко представить разницу между активным и реактивным действием пара. Запомнить, что на лопатки активной турбины действуют центробежные силы масс частиц пара, т. е. что там используется только кинетическая энергия. Это сопровождается понижением скорости пара, давление же пара остается по­ стоянным, что ведет к неэкономичному использованию малоступенчатых турбин. На лопатки реактивной турбины действуют как активные, так и реактивные силы, т. е. силы, противодействующие вытеканию струи пара из межлопаточного пространства. Там используется и кинетическая и потенциальная энергия, что сопровождается падением как скорости, так и давления пара. Для более полного использования энергии пара строят активно-реактивные многоступенчатые тур­ бины.

Следует отметить, что более сложный, чем в поршневых машинах, с точки зрения преобразования энергии принцип работы турбины обеспечивает, однако, более простую конструкцию двигателя. Поэтому именно турбины являются сей­ час перспективными, так как поршневой принцип не позволяет создавать ма­ шины большой мощности с малыми габаритами и массой. На транспортных су­ дах с мощностью энергетических установок свыше 15—20 тыс. л. с. и на воен­ ных кораблях паровые турбины занимают монопольное положение.

На флоте рыбной промышленности паровые турбины в составе турбозубчатых агрегатов устанавливаются на крупнотоннажных плавбазах (плавбаза «Во­ сток», китобаза «Юрий Долгорукий»),

ГЛАВА IV

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

ИГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

§12. Принцип действия, классификация

иосновные характеристики судовых ДВС

Схема устройства и принцип действия двигателя. Двигатель внутреннего сгорания — это машина, которая преобразует тепло­ вую энергию, полученную в результате сжигания топлива внутри двигателя, в механическую работу. Двигатель, в цилиндре кото­ рого топливо воспламеняется под действием высокой температуры, получаемой во время сжатия воздуха, называется д и з е л е м . На флоте дизели получили наибольшее распространение.

Устройство дизеля схематически показано на рис. 39. Ци­ линдр 7, закрытый сверху крышкой 4, установлен на станине 9, закрепленной на фундаментной раме 16. С помощью рамы двига­

69