Главные энергетические установки. Курс лекций

Министерство транспорта Российской Федерации

Московская государственная академия водного транспорта

Акладная Г.С.

Главные энергетические установки

Курс лекций

Альтаир - МГАВТ Москва

2015

1

УДК 62721: 656.615

Акладная Г.С. Главные энергетические установки. Курс лекций.— М.: Альтаир– МГАВТ, 2015,— 20 с., ил. 11.

Тексты лекций подготовлены по курсу «Главные энергетические установки» для студентов специальности 180405.51 «Эксплуатация судовых энергетических установок». Изложены сведения о назначении и составе СЭУ в общем, а также о составе и назначении главной энергетической установки. Рассмотрены вопросы устройства и назначении отдельных элементов, входящих в состав ГЭУ.

Рецензент – к.т.н., профессор В.С. Епифанов

Издается по решению учебно-методического совета МГАВТ,

Рассмотрен и рекомендован к изданию на заседании кафедры СЭУ и А (протокол №8 от 10.04.2014г.).

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно-методические материалы

© МГАВТ, 2015

© Акладная Г.С., 2015

Кроме этого, в состав СЭУ входят вспомогательные установки, обеспечивающие опреснение воды (опреснительные установки), кондиционирование воздуха, охлаждение продуктов и грузов (холодильные установки), а также вспомогательные механизмы и теплообменные аппараты, обеспечивающие нужды самой СЭУ и общесудовые нужды; средства автоматического и дистанционного управления и контроля работы СЭУ.

Все элементы, входящие в состав ГЭУ (пропульсивной установки), называются главными. В ее состав входят:

-генераторы рабочего тела (главные котлы в ПТУ, реакторы в АЭУ)

-главные двигатели (дизеля, турбины)

-передачи мощности от ГД к движителям

-валопроводы

-движители

-системы ДАУ

-механизмы, теплообменные аппараты и другие устройства, обеспечивающие работу главных двигателей, главных котлов и других элементов ГЭУ.

Всостав судовой электростанции входят: - источники электроэнергии (генераторы)

- первичные двигатели (дизеля или турбины) - преобразователи - передаточные трассы (кабели)

- механизмы, аппараты и устройства, обеспечивающие работу установки.

Всостав вспомогательной котельной установки входят:

-вспомогательные котлы

-утилизационные котлы

-теплообменные аппараты

-фильтры

-цистерны

-трубопроводы с арматурой.

Совокупность насосов, теплообменных аппаратов, фильтров, емкостей для хранения рабочих тел, трубопроводов, средств контроля, регулирования и защиты, обеспечивающих работу котлов, главных и вспомогательных двигателей составляют системы СЭУ: топливные, масляные, охлаждения, сжатого воздуха, конденсатно-питательные, воздухоподающие, газовыпуска и дымоходов, главного и вспомогательного пара.

В состав паропроизводящих установок атомных СЭУ входит ряд специальных систем, обеспечивающих работу реактора.

Все современные СЭУ являются теплосиловыми, так как они основаны на преобразовании тепловой энергии, получаемой при горении топлива (или делении ядер тяжелых элементов) в механическую (при помощи тепловых двигателей), а затем в электрическую (см. схему преобразования). Такое преобразование отличается малой эффективностью, поэтому одним из путей дальнейшего развития теплоэнергетики является изыскание способа непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую (без тепловых двигателей), то есть с использованием устройств и установок с прямым (безмашинным) преобразованием энергии. Для судовой энергетики ведутся исследования по использованию следующих типов преобразователей (генераторов):

-термоэлектрические

-термоэмиссионные

-электрохимические

-магнитогидродинамические.

5

Классификация сэу

Существуют следующие типы сэу:

1.по роду применяемого топлива:

-установки, работающие на углеводородном топливе

-установки, работающие на ядерном топливе

-установки, работающие на газообразном топливе

2.по типу главного двигателя:

-дизельные (ДУ)

-паротурбинные (ПТУ)

-газотурбинные (ГТУ)

-комбинированные

3.по типу передачи мощности от ГД к движителю:

-с прямой (непосредственной) передачей

-с механической передачей

-с гидропередачей (гидродинамической или гидростатической)

-с электропередачей (электродвижение)

-с комбинированной передачей

4.по числу гребных валов:

-установки одновальные и многовальные

5.по типу движителя:

-установки с гребными винтами ФШ (ВФШ)

-установки с винтами РШ (ВРШ)

-с крыльчатыми движителями

-с водометными (гидрореактивными) движителями

-с воздушными винтами

6.по классу (степени) автоматизации.

Особенности СЭУ и основные требования, предъявляемые к ним

Условия использования энергетических установок на судах, особенно на морских, определяют ряд специфических особенностей, отличающих эти установки от стационарных.

Ктаким особенностям следует отнести:

-сравнительно ограниченный диапазон агрегатных мощностей (до 50-55МВт, тогда как стационарные доходят до 1200 МВт);

-приспособленность к работе при быстро изменяющихся режимах и наличие устройств реверса;

-ограниченные масса и габариты установок;

-приспособленность к длительной работе в условиях дальнего автономного плавания в отрыве от ремонтных и заправочных баз;

-приспособленность к работе при крене, дифференте и качке судна.

Основное требование — высокая экономичность СЭУ. Кроме того:

-малые масса и габариты;

-низкая первоначальная стоимость и малые эксплуатационные расходы;

-высокая надежность и долговечность;

-возможность использования дешевых сортов топлива и масла;

-безопасность эксплуатации;

-автоматизация процессов управления и регулирования.

6

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ СЭУ ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Дизельные энергетические установки.

Дизельная ЭУ в настоящее время является наиболее широко распространенным типом судовых энергетических установок. Дизельные установки отличаются разнообразием технических характеристик и конструктивных схем. 95% всего количества судов мирового морского флота оснащено дизельными установками. Наибольшая агрегатная мощность судовых ДВС достигла в настоящее время 40 МВт.

Преимущественное применение дизельных установок на современных судах объясняется главным образом тем, что они обладают наиболее высокой тепловой экономичностью по сравнению с СЭУ других типов, причем их экономичность сохраняется в широком диапазоне частичных нагрузок. Дизельные СЭУ отличаются сравнительно несложным составом вспомогательного оборудования и простотой обслуживания. Возможность создания мощностного ряда ДВС на базе одного типоразмера рабочего цилиндра также является важной положительной особенностью дизельных установок.

Современные дизельные СЭУ можно разделить на четыре группы:

-установки с малооборотными ДВС;

-дизель-редукторные установки со среднеоборотными ДВС;

-дизель-электрические установки;

-легкие установки с высокооборотными ДВС.

Установки с малооборотными ДВС находят преимущественное применение на морских судах в широком диапазоне мощностей. Частота вращения малооборотных ДВС (до 350 об/мин) обеспечивает возможность их работы на гребной винт с прямой передачей. Как правило, такие двигатели выполняют двухтактными, реверсивными, с числом рабочих цилиндров от 5 до 12, предусматривая для них топливо тяжелых сортов. Особой экономичностью и долговечностью отличаются крейцкопфные малооборотные ДВС с частотой вращения до 250 об/мин, которые наиболее часто применяются в качестве главных двигателей на морских судах дальнего плавания. Установки с малооборотными двигателями в большинстве случаев имеют развитый теплоутилизационный контур, повышающий их экономичность.

Дизель-редукторные установки со среднеоборотными ДВС в настоящее время успешно конкурируют с установками, имеющими малооборотные ДВС.

К среднеоборотным ДВС относят двигатели с частотой вращения в пределах 350-1000 об/мин, причем в качестве главных двигателей дизель-редукторных установок морских судов чаще всего применяют ДВС с частотой вращения 400-500 об/мин.

Среднеоборотные двигатели выполняют тронковыми четырехтактными, реже двухтактными, с числом цилиндров от 6 до 18, с однорядным линейным или двухрядным V- образным расположением цилиндров, реверсивными или нереверсивными.

Дизель-электрические установки применяют преимущественно на ледоколах и ледокольно-транспортных судах, мощность таких установок достигает 30 МВт. В качестве первичных двигателей для таких установок используют среднеоборотные ДВС и ДВС тепловозного типа, работающие на дизельном топливе. Электропередача с гребными электродвигателями постоянного тока обеспечивает исключительно высокие маневренные качества и надежность установок при работе во льдах. Вместе с тем значительные потери энергии, относительно большие масса, габариты и высокая начальная стоимость ограничивают применение дизель-электрических установок на судах других типов.

7

Легкие установки с высокооборотными ДВС являются обычными для судов с динамическими принципами поддержания (СПК и СВП). Высокооборотные ДВС выполняют четырехтактными нереверсивными, с частотой вращения обычно в пределах 1000-2000 об/мин, комплектно с двигателями выпускаются реверс-редукторные передачи. Мощность таких установок не превышает обычно 5 МВт.

Наибольшее распространение в ЭУ речных судов получили тихоходные четырехтактные ДВС с прямой передачей, с частотой вращения 300-600 об/мин и агрегатной мощностью до 1500 кВт, так как в данном диапазоне мощности они имеют преимущество перед двухтактными ДВС по моторесурсу, массогабаритным и экономическим показателям.

Применение быстроходных ДВС, имеющих меньшие массу и габариты, позволяет более чем в 1,5 раза уменьшить объем МО и, соответственно, увеличить полезную грузоподъемность судна. Однако эти двигатели имеют меньший моторесурс, повышенный расход топлива и масла, высокий уровень шума. В качестве главных быстроходные ДВС целесообразно устанавливать только на судах, для которых основное значение имеют малые масса и габариты установки.

Существенным недостатком ДЭУ является передача дизелем механической энергии на вал через КШМ. Возникающие при этом неуравновешенные силы и моменты вызывают вибрацию дизеля и корпуса судна, появление резонансных напряжений, сокращающих срок службы установки. Неравномерность крутящего момента коленвала приводит к возможности возникновения крутильных колебаний валопровода.

Применение более дорогих сортов топлива и смазочных масел, особенно для двигателей с повышенной частотой вращения, увеличивает стоимость вырабатываемой энергии. Кроме того, ДВС имеют довольно сложные системы смазки, охлаждения, пуска и реверса.

Паротурбинные энергетические установки (ПТУ)

ВПТУ рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, претерпевая циклическое изменение своего состояния (вода-пар-вода и т.д.).

Впростейшей ПТУ без регенерации теплоты за счет тепловой энергии топлива вода в паровом котле превращается в пар заданного давления и температуры, который поступает в турбину.

Тепловая энергия пара сначала преобразуется в сопловых аппаратах турбины в кинетическую энергию пара с высокими скоростями, а затем превращается на лопатках ротора в механическую работу, вращая через редуктор гребной винт.

Отработавший пар направляется из турбины в конденсатор, где охлаждается забортной водой и конденсируется.

Питательный насос забирает конденсат и под необходимым давлением подает его в паровой котел.

Всостав ПТУ также входят вспомогательные механизмы, обслуживающие паровой котел и турбину, теплообменные аппараты, паротурбоэлектрогенераторы и др.

ПТУ используются на морском флоте. Они позволяют получить общую мощность на гребных валах судов 220 тыс. кВт и более. Однако в эксплуатации находятся судовые ПТУ относительно небольшой мощности — 730 кВт.

Вотличие от ДВС, КПД которых мало зависит от мощности, у паровых турбин с ростом мощности он существенно возрастает. При больших мощностях затраты на топливо и смазку, а также на другие эксплуатационные расходы ПТУ оказываются меньше, чем у ДЭУ.

8

Повышение экономичности ПТУ достигается:

-применением дешевых сортов топлива;

-улучшением начальных параметров пара и соответствующим изменением схем и конструкций элементов ПТУ;

-совершенствованием тепловых схем, увеличением эффективности регенеративного подогрева питательной воды;

-сокращением потерь теплоты, отводимой забортной водой, утечек пара и воды;

-повышением КПД отдельных элементов ПТУ.

Все это привело к преимущественному использованию ПТУ на судах с мощностью на гребном винте более 20 тыс. кВт.

Это танкеры типа “Пекин” и “София” мощностью до 13970 кВт; сухогрузы типа “Ленинский комсомол” мощностью 9560 кВт;

пассажирский турбоход “М. Горький” и серия судов типа “Федор Шаляпин” зарубежной постройки;

это супертанкера типа “Крым” дедвейтом 150 тыс. тонн мощностью СЭУ 22 МВт. Наиболее мощные ПТУ установлены на следующих судах:

пассажирском “Куин Элизабет-2” — 2 40500 кВт; контейнеровозы типа Си Ленд — 2 44100 кВт; танкеры типа Батиллус — 2 23850 кВт.

Самой мощной ПТУ — ЧГТЗА суммарной мощностью 181 МВт оборудовано пассажирское судно “Юнайтед Стейтс” водоизмещением 53330 т. и скоростью 30 уз.

Технико-экономические показатели ПТУ сравнительно малой мощности из-за низких параметров пара и больших тепловых потерь значительно хуже. Поэтому установка паровых турбин на речных судах и смешанного “река-море” плавания судах в качестве главных не предполагается.

Паровые турбины могут получить распространение на этих судах как вспомогательные турбоэлектрогенераторы, где турбина питается паром, вырабатываемом в утилькотле.

Газотурбинные энергетические установки (ГТУ)

ВГТУ рабочим телом является газ, вырабатываемый в специальной камере сгорания.

Всостав газотурбинного двигателя входят также компрессор и турбина. Основой конструкции турбины является ротационный лопаточный аппарат, в проточной части которого тепловая энергия газов преобразуется сначала в кинетическую, а затем в механическую энергию вращения вала турбины.

Судовые ГТУ могут быть подразделены на установки открытого и закрытого циклов.

Впервом случае рабочее тело, которым является воздух и впоследствии смесь его с продуктами сгорания топлива, пройдя через внутренние полости элементов установки, выбрасывается в атмосферу.

По условиям прочности отдельных деталей нельзя допустить, чтобы в газовую турбину поступали газы с температурой, превышающей 10000С. Поэтому в камеру сгорания подается воздуха в несколько раз больше теоретически необходимого для сжигания топлива, что приводит к значительной относительной мощности, затрачиваемой на его сжатие в компрессоре, который потребляет до 70% мощности турбины.

Сжатый воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, разделяется на два потока. Один поток, составляющий 30–40%, вводится в активную зону горения, другой охлаждает пламенную трубу, смешивается с продуктами сгорания вне активной зоны горения и понижает температуру газа до значения, требуемо на входе в турбину.

9

В ГТУ закрытого цикла участвует одно рабочее тело, совершающее кругооборот в изолированном от атмосферы замкнутом тракте. Рабочее тело (воздух или инертный газ) сжимается в компрессоре и направляется через нагреватель, который повышает его температуру при постоянном давлении дот650–7500С, в турбину. Здесь рабочее тело совершает работу, расширяясь до давления, близкого к давлению перед компрессором. Далее оно охлаждается в охладителе забортной воды до начальной температуры цикла. В качестве нагревателя в обычных ГТУ применяют воздушный котел, работающий на органическом топливе, в ядерных ГТУ – ядерный реактор. Можно использовать в ГТУ закрытого цикла высокое давление рабочего тела, что позволяет получить большую мощность установки при малых массе и габаритах. Кроме того, изолированность рабочего тела от окружающей среды предотвращает его загрязнение. Однако ГТУ закрытого цикла имеют сложную конструкцию.

Принципиальная схема ГТУ закрытого цикла.

нагреватель

турбина

компрессор

охладитель

Реверсирование в ГТУ может осуществляться:

-специальными ступенями заднего хода

-самостоятельной турбиной заднего хода

-реверс-редуктором

-ВРШ

Кпреимуществам ГТУ относятся:

-отсутствие КШМ;

-уравновешенность при установившемся режиме;

-высокая частота вращения вала (10000-15000 об/мин);

-возможность достижения больших агрегатных мощностей.

Недостатками ГТУ являются:

-относительно низкая экономичность из-за ограниченной начальной температуры газа;

-зависимость надежности и экономичности ГТУ открытого цикла от коррозионного воздействия внешней среды;

-трудность осуществления реверса мощных установок;

-большие размеры воздухо- и газоходов, обусловленные значительным избытком воздуха, подаваемого в камеру сгорания, что усложняет компоновку ГТУ на судне.

Одной из причин низкой экономичности простейшей ГТУ открытого цикла является большая потеря теплоты с выпускными газами. Эту потерю можно уменьшить, если использовать регенерацию, то есть теплоту уходящих газов использовать для подогрева сжатого воздуха перед камерой сгорания.

10