книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие

значительной перегрузки вставка расплавляется, причем с увели­ чением тока уменьшается время плавления.

При коротких замыканиях вставка плавится практически мгно­ венно, а при токах перегрузки время перегорания вставки обратно пропорционально величине тока. На рис. 50 представлена обратнозависимая время-токовая характеристика предохранителей, кото­ рые могут обеспечить отключение поврежденного участка цепи только с величины тока, равного 1,3 /ном- Обратнозависимая времятоковая характеристика указывает на способность предохранителя обеспечить некоторую избирательность действия защиты.

тели имеют и недостатки: сложную конструкцию автомата и более высокую, чем у предохранителя, стоимость. Поэтому в сетях осве­ щения, сигнализации и контроля, а также и других сетях, где не требуется большая разрывная способность аппарата и где рацио­ нально предусмотреть лишь защиту от коротких замыканий, пре­ дохранители в настоящее время имеют широкое распространение.

Наиболее ответственной защитой судовых электрических сетей является защита от коротких замыканий, которая также должна быть селективной, что можно обеспечить настройкой защитных ап­ паратов по времени отключения или по току срабатывания.

Для обеспечения избирательности защиты по времени необхо­ димо, чтобы время отключения аппаратов защиты уменьшалось с каждой ступенью от источника энергии к потребителю. Время

110

Для судовых сетей, защищаемых установочными и селектив­

потечет от генераторов Г1 и Г2 по аппаратам защиты первой — чет­

ратом защиты первой ступени /, имеющим наименьшее время сра­ батывания (так как он ближе всего расположен к потребите­ лям П), остальные не успеют отключить соответствующие участки схемы и, поскольку причина, вызвавшая начало их действия, устра­ нена, возвратятся в исходное состояние. После отключения повреж­

остальных ступеней и в соот­ ветствии с этим выбрать тип аппарата. Очевидно, генераторные

автоматы должны иметь наибольшее время срабатывания.

Однако следует иметь в виду, что для обеспечения динамиче­ ской устойчивости генераторов время срабатывания аппарата, отключающего точку короткого замыкания от параллельно работаю­ щих генераторов, должно быть меньше времени отключения корот­ кого замыкания, определенного из расчета динамической устойчи­ вости. С целью удовлетворения этих требований возможно возник­ нет необходимость выбрать, например, в качестве аппарата защиты первой ступени плавкий предохранитель или установочный авто­ мат, а в качестве аппарата защиты второй ступени — также уста­ новочный автомат, но с большим током максимального расцепителя. Поскольку предохранитель и электромагнитный расцепитель установочного автомата имеют соизмеримое время срабатывания, селективности защиты на данном участке схемы получить не удастся.

Характерным случаем является короткое замыкание в точке КЗ. При этом селективная защита должна срабатывать в следующем порядке. Секционный автомат защиты третьей ступени 3 с выдерж­ кой времени отключает от точки короткого замыкания второй генератор Г2, восстанавливая тем самым нормальный режим ра­ боты данной секции ГРЩ. Поскольку первый генератор Г1 попрежнему продолжает обтекаться током короткого замыкания, его автомат защиты четвертой ступени 4 сработает с выдержкой вре­ мени ti. Потребители, питающиеся с шин этой секции, будут обес-

111

ГЛАВА VII

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЮ СУДОВ

§28. Определение и общая характеристика судов

сэлектродвижением

Под э л е к т р о д в и ж е н и е м с у д о в понимается использова­ ние электрической энергии для вращения гребных винтов, т. е. для обеспечения движения судов. Если на пароходах, теплоходах и газотурбоходах гребные винты вращаются соответственно паро­

нераторы Г1 и Г2, электрическая энергия которых через щит элек­ тродвижения ЩЭ подводится к гребному электродвигателю ГЭД, связанному с гребным винтом ГВ. Управление работой ГЭД мо­ жет осуществляться изменением тока в обмотках возбуждения генераторов ОВГ1 и ОВГ2 и электродвигателя ОВД, а также воз­ действием на режим работы приводных двигателей.

На рис. 52 показаны лишь основные элементы ГЭУ, поясняю­ щие принцип действия систем электродвижения. Кроме этих эле­ ментов в состав ГЭУ входят также системы возбуждения, эле­ менты автоматического и ручного управления, системы защиты, контроля, сигнализации.

Как следует из рассмотрения принципа действия ГЭУ, в систе­ мах электродвижения в отличие от обычных гребных установок происходят дополнительные преобразования механической энергии тепловых двигателей сначала в электрическую, а затем вновь в механическую энергию вращения гребного вала. Эти преобразо­ вания энергии требуют введения в гребную установку дополнитель­ ных элементов — электрических генераторов, электрической сети, электродвигателей и обусловливают дополнительные потери. По­ этому общий к. п. д. гребной установки снижается на 5—10%.

Тем не менее для многих типов судов использование ГЭУ яв­ ляется не только оправданным, но и в некоторых случаях необхо­ димым. Это объясняется рядом существенных преимуществ ГЭУ, вытекающих из отсутствия механической связи теплового двига­ теля и гребного винта.

§ 29. Классификация гребных электрических установок

Создание достаточно стройной классификации ГЭУ затруднено тем, что отличительные признаки различных типов ГЭУ часто бы­ вают общими и потому не могут служить основой для строгой классификации. Например, один и тот же тип приводного двига­

личают ГЭУ автономного характера, вспомогательные и комбини­ рованные.

В ГЭУ а в т о н о м н о г о х а р а к т е р а гребной винт может приводиться во вращение только электрическим двигателем. Боль­ шинство судов с электродвижением имеют автономные ГЭУ.

используется лишь в отдельных режимах, например, при манев­ рировании. Этот тип ГЭУ применяется весьма редко.

В к о м б и н и р о в а н н ы х установках гребной винт приводится во вращение как электродвигателем, так и механическим двигате­ лем. Выработка электроэнергии для гребного электродвигателя в этих установках осуществляется путем утилизации энергии рабо­ чего агента механической установки, например утилизации энер­ гии отработанного пара с помощью вспомогательного турбогене­ ратора. Такие установки находят, в частности, применение на ры­ бопромысловых рефрижераторных судах.

2. По роду тока ГЭУ подразделяются на установки постоян­ ного, переменного и двойного рода тока. )

114

меняются синхронные генераторы, а в качестве гребных электро­ двигателей — электродвигатели переменного тока различных типов.

получающие электроэнергию от генераторов через преобразова­ тели переменного тока в постоянный.

3. По типу приводных двигателей генераторов ГЭУ подразде­ ляются на установки с дизелями и турбинами. Установки с дизе­

ются газотурбоэлектрические гребные установки ГТЭГУ, в кото­ рых в качестве приводных двигателей генераторов используются газовые турбины. \

§ 30. Технико-экономические показатели ГЭУ

Отсутствие непосредственной механической связи теплового двигателя с гребным валом в ГЭУ обусловливает определенные недостатки, отмеченные выше. С другой стороны, эта особенность ГЭУ наделяет силовые установки судов-электроходов рядом до­ стоинств. Рассмотрим основные из них.

Применение высокооборотных тепловых двигателей. В ГЭУ максимальная частота вращения теплового двигателя ограничена допустимой частотой вращения электрического генератора, а не гребного винта. В результате частота вращения приводного дви­ гателя в ГЭУ может быть значительно более высокой, чем при не­ посредственном его соединении с гребным валом. Применение вы­ сокооборотных дизелей существенно снижает их габариты и массу на единицу мощности. Например, при номинальной частоте вра­ щения 125 об/мин относительная масса дизеля составляет около 80 кг/л. с , а при 800 об/мин она уменьшается до 12 кг/л. с. Следо­ вательно, масса и стоимость дизель-электрической гребной уста­ новки по сравнению с гребной установкой теплохода могут ока­ заться меньше, причем уменьшение стоимости ГЭУ может дости­ гать 25% и более стоимости установки теплохода.

сированием гребного электродвигателя, а тепловые двигатели ра­ ботают при неизменном направлении вращения. Выбор неревер­ сивного дизеля существенно упрощает его конструкцию и увели­ чивает срок службы. Анализ причин быстрого износа дизелей показывает, что каждый реверс дизеля по износу эквивалентен 16 ч его работы при номинальной загрузке.

Вследствие ограниченной емкости баллонов сжатого воздуха число последовательных реверсов гребного винта на теплоходах

не превышает 18—20. При этом развиваемый дизелем вращающий момент снижается, что приводит к затягиванию процесса реверса. На судах-электроходах количество последовательных реверсов не ограничено, а вращающий момент гребного электродвигателя в пе­ риод торможения и реверсирования винта может быть достаточно высоким.

Возможность обеспечения высокого уровня автоматизации.

В ГЭУ управление энергией движения судна осуществляется путем воздействия на электрические машины. Вследствие этого значи­ тельно легче осуществляется дистанционное управление гребной установкой с нескольких мест, прежде всего с ходового мостика. На судах с электродвижением сравнительно легко можно полу­ чить широкое и плавное регулирование частоты вращения греб­ ного винта, обеспечить оптимальное использование всей силовой установки. В ГЭУ широко применяются системы обеспечения по­ стоянства мощности на гребном валу при изменении момента сопротивления гребного винта, различные автоматические системы защиты и контроля режимов работы установки. На судах-электро­ ходах значительно проще решаются вопросы комплексной автома­ тизации судна в целом.

Высокие маневренные качества. Сравнительная легкость регу­ лирования скорости гребных электродвигателей и простота их ре­ версирования придают судам-электроходам высокие маневренные качества. Этому способствуют также широкие возможности для форсировки переходных процессов в электрических машинах.

Высокая живучесть гребной установки, высокая эффективность использования агрегатов. На судах с электродвижением число генераторных агрегатов может быть больше числа гребных валов. Широко применяются также двухъякорные электродвигатели для вращения каждого гребного вала. В результате имеется возмож­ ность создания различных комбинаций из имеющихся генератор­ ных агрегатов и гребных электродвигателей. Это намного повы­ шает живучесть силовой установки судна.

При уменьшении нагрузки на гребных валах часть агрегатов может быть выведена из эксплуатации, что обеспечивает оптималь­ ную загрузку, а следовательно, оптимальный к. п. д. работающих агрегатов. Значительно расширяются возможности для ремонта, в том числе для профилактического. Отмеченные обстоятельства весьма положительно сказываются на сохранении моторесурса приводных двигателей генераторов.

Увеличение к. п. д. гребного вала и гребного винта. Отсутствие на электроходах длинных валопроводов гребного винта кроме улучшения использования объема судовых помещений, обусловлен­ ного отсутствием туннелей гребных валов, снижает потери энергии в линиях гребных валов. Гребные электродвигатели могут обеспе­ чить оптимальную частоту вращения гребных винтов, что значи­ тельно повышает к. п. д. винтов.

Возможность использования главной силовой установки для питания различных электрифицированных механизмов. На судах

116

с электродвижением генераторные агрегаты ГЭУ могут быть ис­ пользованы для питания электроэнергией не только гребных элек­ тродвигателей, но и электродвигателей других механизмов. Вслед­ ствие этого для электроприводов механизмов, работающих на сто­ янках и в режиме пониженной скорости судна, нет необходимости предусматривать специальные источники энергии. Так, например, без ущерба для нужд гребной установки генераторные агрегаты ГЭУ можно использовать для питания электродвигателей грузо­ вых насосов на танкерах во время погрузки и разгрузки, электро­ двигателей на плавучих кранах, электродвигателей насосов зем­ снарядов и т. п.

Несмотря на отмеченные достоинства ГЭУ, их применение должно быть тщательно обосновано в каждом конкретном случае. На судах, от которых не требуются высокие маневренные каче­ ства, а нагрузка на винтах изменяется мало, применение ГЭУ ока­ зывается нецелесообразным. Но и в тех случаях, когда примене­ ние ГЭУ оправдано, необходимо иметь в виду определенные недо­ статки этого типа гребных установок. Основные из них заклю­

в электропередаче снижают общий к. п. д. силовой установки и уве­ личивают расход топлива. Степень снижения к. п. д. зависит от режимов работы установки. Если использование ГЭУ позволяет существенно улучшить степень загрузки тепловых двигателей при широком изменении нагрузок на гребном винте, то указанное сни­ жение может быть незначительным — в пределах 3—5%- Если же степень загрузки тепловых двигателей в ГЭУ и теплоходах оди­ накова, то снижение к. п. д. может достигнуть 15% и более.

При использовании дизелей в ГЭУ требуется чаще ремонтиро­ вать и заменять их, так как моторесурс высокооборотных дизелей значительно ниже, чем низкооборотных. Следует, однако, доба­ вить, что ремонт и замена высокооборотных дизелей намного проще, чем низкооборотных. Дробление мощности генераторных агрегатов ГЭУ еще более упрощает эту задачу.

Применение высокооборотных дизелей в ГЭУ требует исполь­ зования более высококачественных сортов топлива и масла, а вме­ сте с тем значительно повышает уровень шума в машинных отде­ лениях судов.

Автоматизированные гребные электрические установки явля­ ются сложными техническими устройствами, требующими высоко­ квалифицированного обслуживания. В штат машинной команды необходимо дополнительно вводить электротехников.

Отмеченные особенности указывают на необходимость техникоэкономического обоснования ГЭУ для каждого типа судна.

§ 31. Расчет мощности и выбор основных элементов ГЭУ

Для обеспечения движения судна с заданной скоростью на гребном винте необходимо создать у п о р , под которым понимается осевая сила, развиваемая винтом и передаваемая корпусу судна

117

через упорный подшипник. Величина упора гребного винта должна быть равна сумме всех сил сопротивления движению судна. По­ лезная мощность в киловаттах, потребная для создания указан­ ного упора гребного винта, определится следующим образом:

Полное сопротивление движению судна состоит из сопротивле­ ния воды и сопротивления воздуха. В свою очередь сопротивление воды движению судна включает в себя сопротивление трения кор­ пуса судна, вихревое и волновое сопротивление. Различные состав­ ляющие силы R определяются методами, рассматриваемыми при изучении курса теории корабля.

Мощность Рт, необходимая для создания упора гребного винта, равного сумме всех сил сопротивления движению судна с задан­ ной скоростью, называется т е о р е т и ч е с к о й или б у к с и р о ­ в о ч н о й м о щ н о с т ь ю .

Для обеспечения требуемой буксировочной мощности необхо­ димо на гребном валу развивать мощность, превышающую значе­

Очевидно, что мощность гребного электродвигателя ГЭУ должна быть равна потребной мощности на гребном валу. Следо­ вательно, мощность гребного электродвигателя должна опреде­ ляться по выражениям (34) и (35). Если на судне имеется два или три гребных вала, то мощность на каждом валу определяется как часть общей мощности.

Мощность, подводимая к электродвигателю из электрической сети, будет больше мощности, которую он должен развить на валу,

т]дВ — к. п. д. электродвигателя.

В номинальном режиме величина г|д в зависит от типа электро­

118

к. п. д. гребного электродвигателя уменьшается. Однако в преде­ лах изменения нагрузки от номинальной до половинной уменьше­ ние к. п. д. электродвигателя незначительно и величина тід в остается близкой к своему номинальному значению.

Суммарная мощность генераторов электрической энергии ГЭУ должна быть больше мощности, подводимой к гребным электро­ двигателям, на величину потерь в кабельной сети, соединяющей генераторы и электродвигатели. Таким образом,

Величина г)0 зависит от рода тока ГЭУ. В качестве первого приближения можно принять Г|С = 0,98.

Мощность приводных двигателей — дизелей или турбин — опре­ деляется по мощности генераторов с учетом значения к. п. д. гене­ ратора:

•Пг — к. п. д. генератора.

Величина к. п. д. генераторов и характер изменения т)г от сте­ пени загрузки примерно такие же, как у гребных электродвига­ телей.

Описанный порядок определения мощности гребных электродви­ гателей и генераторных агрегатов одинаков для ГЭУ как постоян­ ного, так и переменного тока. Выбор типа гребных электродвига­ телей, генераторов и приводных двигателей осуществляется на основе анализа требований, предъявляемых к силовой уста­ новке судна, по обеспечению маневренности, надежности, эконо­ мичности.

Если требуется высокая маневренность судна, т. е. если необ­ ходимо обеспечить широкое и плавное регулирование скорости гребных винтов, то в качестве гребных электродвигателей и гене­ раторов применяются электрические машины постоянного тока. В таких случаях приводными двигателями генераторов обычно яв­ ляются дизели, хотя использование турбин не исключается.

В ГЭУ, от которых не требуется высоких маневренных качеств, но которые должны обеспечить более высокую экономичность, ис­ пользуются электрические машины переменного тока — синхрон­ ные гребные электродвигатели и генераторы. В этих установках приводными двигателями чаще являются турбины, особенно в ГЭУ большой мощности. Подробнее свойства ГЭУ с различными ти­ пами электрических машин и приводных двигателей рассматри­ ваются ниже.

119