книги из ГПНТБ / Буксирные суда (проектирование и конструкция)

суда Буксирные $ 1 ^

Рис. 91. Схема общего расположения машинного отделения морского буксира Иван Плюснин мощностью 2000 л.

Дизель-электрическая передача па постоянном токе в отечест­

применяются пока редко, несмотря на их очевидные достоинства. Из-за отсутствия опыта эксплуатации гидротрансформаторов на морских буксирах такие вопросы, как поведение гидропреобразова­ телей в динамике, надежность работы уплотнений в условиях ча­ стых реверсов и ударов винта и корпуса о лед, пока еще не ясны.

На судах внутреннего плавания эксплуатируется гидрозубчатая передача, установленная на буксире-толкаче мощностью 4000 л. с. Маршал Блюхер (рис. 92). В состав энергетической установки тол­ кача входят два главных дизель-гидрозубчатых агрегата 1ДГРА мощностью по 2000 л. с. при частоте вращения 175 об/мин. Каж­ дый агрегат состоит из двухтактного Ѵ-образного дизеля 10Д40 и универсальной гидрозубчатой передачи ГЗПС-2000, соединенных шинно-пневматической муфтой 8ШМС. Он позволяет после разгона и реверсирования при длительных режимах автоматически переда­ вать мощность на гребной вал через гидромуфту, имеющую более высокий к. п. д.

Агрегат обеспечивает получение высоких тяговых характеристик при практически постоянном моменте двигателя независимо от из­ менения крутящего момента на гребном валу. Максимальные зна­ чения крутящего момента в случае заклинивания движителя могут в 2,5—2,8 раза превышать рабочий момент. Реверсирование греб­ ного винта с полного переднего хода на полный задний, без изме­ нения частоты вращения дизеля, осуществляется за 15 с. Таким об­ разом, дизель-гидроредукторные агрегаты, имея существенные преимущества перед дизель-электрическими установками по эконо­ мичности, весу и габаритам, расширяют тяговые и маневренные возможности буксиров-толкачей, допускают плавание в ледовых условиях и на мелководье. В будущем они могут найти более широ­ кое применение.

§ 29. Судовая электростанция

Электростанция каждого буксирного судна состоит из источни­ ков электроэнергии, распределительных устройств и электрических сетей.

Основными источниками электроэнергии на буксирах являются генераторы постоянного или переменного тока. По назначению источники электроэнергии можно разделить на главные генераторы, обеспечивающие электроэнергией движительную установку, и вспо­ могательные генераторы, предназначенные для снабжения электро­ энергией остальных общесудовых потребителей. Несколько особня­ ком в такой классификации стоят аккумуляторные батареи, которые могут использоваться на буксирах для питания вспомогательных

потребителей, но обычно они применяются для питания цепей пуска и управления, систем AI IC и ДАУ, а также в качестве резерв­ ных и аварийных источников питания в случае выхода из строя вспомогательных генераторов (аварийное освещение, радиосвязь и т. п.).

По способу получения электроэнергии в судовых условиях источ­ ники питания разделяются на автономные генераторные установки

и генераторные установки отбора мощности от главных двига­ телей.

Тип приводного двигателя в автономных генераторных установ­ ках в большинстве случаев определяется типом главного двигателя. На многих буксирах в качестве главных двигателей используются дизели, поэтому наиболее распространенным типом первичного двигателя вспомогательного генератора также являетсядизель, обладающий высоким к. п. д., автономностью работы и постоянной готовностью к пуску. Кроме того, вопросы автоматизации дизелей решаются несколько проще, чем для других типов первичных двига­ телей. Правда, двигатели внутреннего сгорания имеют относительно небольшой моторесурс (особенно быстроходные — 8—10 тыс. ч) и для их работы требуется относительно дорогостоящее дизельное топливо и масло.

Степень автоматизации дизель-генераторов устанавливается действующими стандартами и требованиями Регистра.

Изучение возможных путей электроснабжения судовых потреби­ телей показывает известную перспективность установок, в которых работа судовых генераторов на полном и среднем ходах судна про­ исходит без участия автономных первичных двигателей. Использо­ вание главных двигателей в основных ходовых режимах судна, как единого источника энергии для всех судовых нужд, с приводными генераторами судовой электростанции (валогенераторами) позво­ ляет:

резко сократить время работы автономных вспомогательных двигателей, а иногда и число этих двигателей, и тем самым значи­ тельно уменьшить эксплуатационные расходы на электростанцию; упростить состав энергетической установки, так как любой авто­ номный двигатель с обслуживающими его механизмами обладает более сложной конструкцией по сравнению с электрической маши­

ной, снабженной приводом и сетью канализации энергии; повысить надежность работы установки, о чем свидетельствуют

помещенные в работе [60] исследования по количественному опреде­ лению надежности дизель-генераторов мощностью до 100 кВт (ко­ личество отказов агрегатов из-за неполадок дизеля 75—87%, по вине генераторов и распределительных устройств — 4—18%);

снизить стоимость выработки электроэнергии благодаря тому, что главный двигатель имеет лучший по сравнению со вспомога­ тельными двигателями термический к. п. д.;

снизить общий уровень шумности в машинном отделении на хо­ довых режимах вследствие уменьшения числа работающих двига­ телей.

244

Указанные обстоятельства в значительной степени определили целесообразность и широкое применение валогенераторов на букси­ рах отечественной и зарубежной постройки. В то же время опыт эксплуатации валогенераторов показал, что в системе вал двига­ теля— привод генератора наиболее уязвимым узлом является при­ вод. Поэтому выбор типа установки и характера конструктивной связи между главным двигателем и генератором отбора мощности определяется характером установившегося и переходного режимов работы двигателей, условиями обеспечения бесперебойности элек­ троснабжения и перевода нагрузки.

Условия работы генераторов отбора мощности в переходном ре­ жиме зависят в основном от изменения скорости вращения глав­ ного двигателя. В этом отношении в более благоприятных условиях находятся навешенные генераторы в дизель-электрических гребных установках. Валогенераторы при непосредственном соединении с гребным валом естественно воспринимают все колебания или цик­ лические изменения его скорости вращения. В штормовых условиях возможно периодическое оголение гребного винта буксира, при ко­ тором отмечается кратковременное повышение вращения главного двигателя, даже если на двигателе установлен всережимный регу­ лятор. Величина и продолжительность изменений частоты враще­ ния могут быть различными. Помимо внешних факторов они опре­ деляются качеством регулирования частоты вращения главной энергетической установки. В общем случае эксплуатации генера­ торной установки отбора мощности при резком изменении частоты вращения главной энергетической установки в штормовую погоду колебания не должны превышать ±5% от средней величины ди­ зеля с автоматическим всережимным регулятором и ±10% для ди­ зеля без автоматического регулятора.

С целью обеспечения непрерывности питания потребителей электроэнергии на морских и речных буксирах и толкачах обычно применяют схемы, в которых при снижении частоты вращения глав­ ного двигателя ниже допустимой автоматически вводится в дейст­ вие резервный дизель-генератор. Для исключения перерыва в пи­ тании потребителей необходима хотя бы кратковременная парал­ лельная работа валогенератора и резервного дизель-генератора. Высоких требований к устойчивости параллельной работы в этом случае можно не предъявлять.

Выбор рода тока, напряжения и частоты. Если в недалеком прошлом на отечественных и иностранных судах применялся глав­ ным образом постоянный ток, то в настоящее время преимущест­ венно используется переменный ток общепромышленной частоты.

Целесообразность применения переменного тока на судах обус­ ловливают следующие основные его преимущества:

возможность преобразования напряжений с помощью трансфор­ маторов, являющихся самыми надежными, простыми и дешевыми преобразователями;

применение наиболее простых и надежных асинхронных элек­ тродвигателей с короткозамкнутым ротором, что в свою очередь

245

позволяет па 30—50% уменьшить вес и на 20—30% габариты при­ водных электродвигателей, значительно снизить общий уровень по­ мех радиоприему (отсутствие щеточно-коллекторного аппарата), увеличить степень унификации, а также использовать более про­ стую и надежную пусковую аппаратуру;

стоимость асинхронных двигателей в 1,5—2 раза ниже стоимо­ сти электродвигателей постоянного тока;

возможность отделения осветительной сети от силовой, чем до­ стигается повышение надежности работы электроэнергетической си­ стемы судна;

большая надежность электроприводов переменного тока и необ­ ходимость меньшего ухода за ними в процессе эксплуатации;

организация питания судовых потребителей с берега, оборудо­ ванного, как правило, источниками питания переменного тока, бо­ лее проста, чем для постоянного тока.

Наряду с положительными сторонами применение на буксирах переменного тока имеет некоторые недостатки, основные из кото­ рых: сложность осуществления плавного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, необходимость оборудования генераторов переменного тока сравнительно сложными системами автоматического регулирования напряжения, несколько большие га­ бариты распределительных устройств.

Указанные недостатки частично преодолены благодаря исполь­ зованию многоскоростных двигателей, статических регуляторов на­ пряжения, синхронных генераторов и т. п. Вместе с этим следует иметь в виду, что на современных буксирах для 70—80% электроприводных механизмов не требуется плавного регулирования скоро­ сти или регулирования в широких пределах. Так, для многих насосов и вентиляторов необходима постоянная скорость, а для па­ лубных механизмов вполне пригодными оказываются многоскоро­ стные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. В случае плавной регулировки частоты вращения электропривода (рулевая машина и другие специальные приводы) возможно при­ менение асинхронных электродвигателей с фазным ротором или различных установок с выходом электроэнергии постоянного тока непосредственно на регулируемый привод. Удельный вес таких при­ водов в энергосистеме современного буксира невелик.

Сохранение постоянного тока в качестве основного допустимо только для малых речных, рейдовых и портовых буксиров, у кото­ рых основным потребителем электроэнергии являются освещение и сигнально-отличительные огни, а для пуска главных двигателей предусматривается установка стартерной аккумуляторной батареи. При этом напряжение судовой сети обычно равно напряжению ак­ кумуляторной батареи. Для остальных буксиров, независимо от мощности электростанции, наиболее приемлем переменный трех­ фазный ток.

Напряжение судовой сети определяет прежде всего весогабарит­ ные показатели электроаппаратуры и кабельных трасс судна, кото­ рые с увеличением напряжения для аппаратуры возрастают, а для

246

кабеля уменьшаются. Поэтому к вопросу, какое напряжение наибо­ лее приемлемо, нужно подходить дифференцированно. Следует также учитывать требования техники безопасности, которые, напри­ мер, для сетей напряжением 24 В не имеют решающего значения, а при напряжении 127 В и выше требуется ряд защитных меро­

приятий, усложняющих монтаж и обслуживание электрооборудо­ вания.

Расчет мощности судовой электростанции. Проектирование су­ довых электростанций неразрывно связано с общими вопросами снабжения потребителей электроэнергией и повышения эффектив­ ности всей энергетической установки. Мощность генераторов судо­ вой электростанции должна быть такой, чтобы удовлетворять по­ требителей в самом напряженном режиме работы.

Число работающих генераторов зависит от соотношения вели­ чин мощности, потребной для каждого режима работы буксира. Всегда желательно сократить его до минимума. Рациональный выбор мощности и числа работающих генераторов судовой электро­ станции имеет большое практическое значение, так как в значитель­ ной степени определяет величину первоначальных капиталовложе­ ний и эксплуатационных расходов, связанных с электрооборудова­ нием судна. Мощность судовых электростанций вычисляют с помощью двух методов: табличного и аналитического. Наиболее широко применяется табличный метод определения мощности и чи­ сла агрегатов электростанции буксира. Сущность данного метода подробно освещена в литературе, поэтому здесь обращено внима­ ние лишь на некоторые особенности расчета режимов, характер­ ных для буксирных судов.

При расчете судовой электростанции постоянного тока в таб­ лицу нагрузок вносятся все судовые потребители с указанием но­ минальных величин мощности, коэффициента использования и к. п. д. электродвигателя. По каждой группе потребителей энергии для каждого режима работы буксира находят коэффициенты одно­ временности и загрузки и подсчитывают требуемую мощность. Ко­ эффициент загрузки механизма должен определяться на основа­ нии анализа условий работы того или иного механизма в каждом конкретном случае. Как правило, этот коэффициент меньше еди­ ницы, так как каждая судовая система или устройство комплек­ туется механизмами с ближайшими параметрами.

Ориентация на то, что коэффициент загрузки для конкретного механизма в режиме-— величина постоянная, обычно приводит к не­ которому завышению проектных нагрузок электростанций. Неодно­ временность работы различных потребителей, сдвиги максимумов нагрузок между группами и внутри групп потребителей учиты­ ваются коэффициентом одновременности. Опыт показывает, что значение этого коэффициента следует брать в пределах 0,5—0,9. Верхний предел принимается для ходовых режимов, когда удель­ ное значение потребителей с постоянным графиком нагрузки очень велико; меньшие же значения оправданы для маневренного режима и для режимов стоянки. При прочих равных условиях — чем

247

больше потребителей, тем меньше должен быть коэффициент одно­ временности.

Передача энергии потребителям, естественно, связана с поте­ рями в сети. Их обычно оценивают в 5% фактически передаваемой мощности. Однако, строго говоря, эти потери зависят от присоеди­ ненных мощностей, длины кабельных линий, режимов работы при­ емников, т. е. они не могут быть постоянными для каждого типа буксира.

Ожидаемая мощность судовой электростанции каждого режима работы буксира определяется суммированием мощностей отдель­

тока, по сравнению с таблицами нагрузок постоянного тока, до­ полнительно включают несколько граф для подсчета реактивной мощности, необходимой для потребителей электрической энергии в установках переменного тока.

Выбор количества и мощности генераторов судовой электро­ станции следует производить, исходя из нагрузки на станцию с уче­ том режима работы буксира.

Мощность каждого генератора должна быть такой, чтобы при выходе из строя одного генератора мощность остальных была до­ статочной для обеспечения наиболее напряженного режима буксира (ходового или аварийного). Выбранные генераторы должны рабо­ тать с высоким к. п. д., т. е. с достаточной загрузкой.

В связи с изложенным особенно актуальным становится поиск новых методов определения мощности судовой электростанции.

Одним из таких методов является предложенный ЦНИИМФ аналитический метод расчета мощности судовой электростанции, основанный на обобщении материалов эксплуатации электрических станций на построенных судах. Для расчета судовых электростан­ ций буксиров аналитический метод еще не применялся из-за отсут­ ствия достаточного статистического материала о работе судовых потребителей.

Проектирование судовой электростанции, наряду с выбором ко­ личества и мощности генераторов, включает разработку схемы ее основных цепей и цепей управления. При разработке схем судовых электростанций буксирных судов следует исходить из того, что они должны удовлетворять требованиям надежности, удобства эксплуа­ тации и экономичности.

Для обеспечения надежности работы электростанции в режиме работы необходимо предусмотреть: резервирование отдельных эле­ ментов (генераторов, преобразователей, трансформаторов); деле­ ние установки на несколько частей (секций), каждая из которых может работать без связи с другими частями (секциями); автома­ тическое включение резерва (аварийного либо резервно-стояночного генератора); автоматическую разгрузку генераторов (автоматиче­ ское отключение менее ответственных потребителей) при токах, превышающих допустимую величину; применение генераторов

248

автоматическим регулированием возбуждения; использование

селективно работающих защит с минимальным временем сраба­ тывания.

Удобство эксплуатации электростанции обеспечивается выбором возможно более простой схемы, предусматривающей минимальное количество коммутирующей аппаратуры, автоматизацией управле­ ния схемой, выбором простейшего способа синхронизации генера­ торов.

Экономичность эксплуатации электростанции достигается при­ менением таких схемных решений, которые обеспечивают наимень­ шие годовые расходы по электроснабжению при сохранении доста­ точной надежности, гибкости и удобства обслуживания установки.

§ 30. Комплексная автоматизация энергетических установок. Надежность систем автоматики

При эксплуатации современного буксира приходится решать большое количество задач, которые могут быть разделены на три группы:

1)связанные с управлением энергетической установкой;

2)задачи экономики и эксплуатации;

3)связанные с управлением движением судна.

Возможная схема организации системы комплексной автома­ тизации современного буксира приведена на рис. 93. Как видно из рисунка, в ней имеется три ступени управления. Первая ступень включает систему автоматизации палубных работ и буксировочных операций (блок 1), систему автоматизации энергетической уста­ новки (блок 2) и систему автоматизации управления движением судна (блок 3). Для нормального функционирования каждой из этих систем может потребоваться участие в ее работе определен­ ного числа людей. Таким образом, в настоящее время невозможно полностью исключить человека из процесса выполнения палубных работ и операций, связанных с буксировкой.

Характерная особенность указанных систем состоит в том, что они должны обеспечивать управление непрерывно протекающими судовыми процессами (например, работой брашпиля, регулирова­ нием частоты вращения главного, двигателя, изменением положе­ ния лопастей ВРШ, удержанием буксира на заданном курсе и т. д.). Поэтому их основу составляют действующие непрерывно или в оп­ ределенные периоды времени контуры управления.

Вторая ступень — судовая цифровая вычислительная машина (СЦВМ), которая определяет режимы работы контуров управле­ ния. Эта ступень должна иметь связь с соответствующими датчи­ ками и исполнительными устройствами блоков 1—3.

Третьей ступенью управления является оператор. В зависимости от степени автоматизации функции оператора может выполнять один (судоводитель-механик), либо несколько человек (судоводи­

2 4 9

тель, штурман, механик). Оператор на основе данных, поступающих ст системы радиосвязи (блок 4), СЦВМ, а также учитывая инфор­ мацию, непосредственно поступающую от блоков 1—3, определяет работу СЦВМ.

Гармоническое сочетание человека (оператора) и средств авто­ матизации, использование преимущества каждого из этих звеньев позволяют создавать наиболее совершенную и экономически целе­ сообразную систему контроля

и управления.

Для буксиров характерным режимом является плавание в узкостях, маневрирование в районах оживленного судо­ ходства и на мелководье. Оценка опасных ситуаций да­ же при сближении с одним судном требует затраты вре­

Передача части функций, выполнявшихся ранее человеком, ав­ томатическим устройствам не означает механического присоедине­ ния к судовому оборудованию различных устройств, копирующих работу, выполняемую при ручном управлении. Поэтому первым ша­ гом внедрения автоматизации является рационализация оборудова­ ния. В понятие рационализация входит совершенствование агрегата с целью повышения его надежности, уменьшения числа регулируе­ мых параметров и количества операций по управлению и обслужи­ ванию. Для энергетической установки буксира рационализация означает наиболее простую и удобную компоновку машинного отде­ ления с максимальным упрощением операций по управлению и обслуживанию установки.

В последние годы произошел качественный переход от автома­

250