Главные энергетические установки. Курс лекций

В более сложном регенеративном цикле кроме подогрева сжатого воздуха предусматривается двухступенчатое его сжатие с промежуточным охлаждением. Это увеличивает КПД установки, но усложняется схема, обслуживание, увеличивается масса и габариты.

Гораздо проще увеличить КПД ГТУ, используя утилизационные паротурбинные контуры. Установка превращается в комбинированную газопаровую, что позволяет получить такие же расходы топлива, как при более сложном регенеративном цикле.

Область применения.

Перспективным является использование ГТУ на СПК и СВП, где основным требованием является обеспечение минимальных массогабаритных характеристик при большой мощности.

На этих судах обычно устанавливают серийные конвертированные авиационные ГТУ открытого цикла с небольшим моторесурсом (1-3 тыс. часов).

Для водоизмещающих судов решающее значение имеют экономичность и моторесурс установки, а масса и габариты – второстепенное. Поэтому на таких судах используют ГТУ индустриального типа, которые имеют длительный срок службы, работают на тяжелых сортах топлива и обладают повышенной экономичностью.

Судовые ГТУ, работающие на органическом топливе, относятся к установкам с открытым циклом; при использовании ядерного горючего для обеспечения радиационной безопасности применяют ГТУ закрытого цикла.

ГТУ применяют в качестве форсажных двигателей в комбинированных установках. Широко используют ГТУ для привода вспомогательных механизмов: аварийных

турбогенераторов, грузовых насосов на танкерах и т.д. (Прим. На газоперекачивающих станциях газопровода и при бурении скважин, когда ГТУ работают на попутном газе).

КПД вспомогательных ГТУ низкий (0,13 0,18).

Атомные энергетические установки

Ватомных ЭУ тепловую энергию получают в ядерном реакторе за счет энергии, освобождающейся при делении ядер.

Вядерном реакторе осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция с преобразованием освобождающейся при этом энергии в теплоту.

Вкачестве топлива в реакторах применяется обогащенный уран.

Вприродном уране U238 содержится 0,712% самопроизвольно делящегося изотопа U235. Деление ядра урана в реакторах происходит под воздействием нейтронов.

Ядро урана U235 расщепляется на 2-3 новых вторичных быстрых нейтрона,

обладающих внутренней энергией до 2 МэВ и скоростью до 20 тыс. км/с. При определенных условиях такие вторичные нейтроны вызывают деление других ядер и U235. В этом и заключается сущность цепной реакции деления ядер.

Для повышения вероятности деления U235 энергию быстрых нейтронов в реакторе снижают до уровня тепловых нейтронов путем замедления их скорости (примерно до 0,025 МэВ). Для этого горючее окружают веществом, называемым замедлителем нейтронов. Чаще всего в судовых установках в качестве замедлителя используется вода, реже графит и органические вещества.

Часть объема реактора, в котором расположено горючее с замедлителем и происходит реакция деления, называется активной зоной.

Реакторы, активная зона которых представляет однородную смесь ядерного горючего и замедлителя (раствор, сплав, суспензия), называют гомогенными.

Реакторы, в которых блоки (стержни) ядерного горючего окружены замедлителем, называют гетерогенными.

Судовые реакторы на тепловых нейтронах имеют гетерогенную структуру активной зоны. 11

1.активная зона

2.контейнер реактора

3.блоки (стержни) ядерного горючего ТВэл. (тепловыделяющие элементы)

4.парогенератор

5.паровая турбина

6.редуктор

7.гребной винт

8.конденсатор

9.питательный насос

10.циркуляционный насос I контура

11.стержни системы регулирования

12.биологическая защита

Теплота из реактора отводится теплоносителем, циркулирующем по замкнутому контуру с помощью циркуляционного насоса 10.

Теплоносителем могут быть вода, органические жидкости, жидкие металлы.

В судовых ЯЭУ теплоносителем и замедлителем является вода, поэтому реакторы называют водо-водяными.

Вода I контура проходит через парогенератор 4, где отдает теплоту воде II контура, которая превращается в пар. Пар направляется в турбину 5, которая через редуктор 6 вращает гребной винт 7. Из конденсатора 8 конденсат питательным насосом 9 вновь направляется в парогенератор 4.

Активная зона окружена отражателем, уменьшающем утечку нейтронов. В качестве отражателей используют те же вещества, что и для замедлителей.

При ядерных реакциях примерно 80% выделяющейся энергии превращается в теплоту, а остальные 20% теряются в виде излучений.

Часть излучений (нейтронное и -излучение) оказывает вредное воздействие на человека. Поэтому комплекс, состоящий из реактора, парогенератора, вспомогательного оборудования и систем I контура заключают в биологическую защиту. Ее выполняют из металла, бетона, воды, карбида бора. Биологическая защита значительно увеличивает массу и габарита АЭУ.

Чтобы регулировать тепловыделение (мощность), в реакторе необходимо изменить интенсивность потока нейтронов и число делений в единицу времени, то есть влиять на скорость цепной реакции.

12

Для этого служит система регулирования. Основу ее составляют стержни 11, содержащие вещества, активно поглощающие нейтроны (карбид бора, кадмий, бористая сталь).

Для увеличения мощности стержни выдвигают из активной зоны, для уменьшения – опускают.

В целях мгновенного прекращения цепной реакции при аварийной ситуации предусмотрена система аварийной защиты (стержни аварийной защиты).

Преимущества АЭУ обусловлены прежде всего высокой концентрацией энергии в ядерном топливе, исключающей необходимость частого пополнения его запасов.

При выгорании 1 кг. урана U235 выделяется теплоты в 1,5 млн. раз больше, чем при сгорании 1 кг. органического топлива.

Таким образом, запасы топлива можно свести к минимуму и обеспечить практически неограниченную дальность плавания и автономность.

Ледокол “Ленин” – Ne 32300 кВт “Арктика” – Ne 55150 кВт

Грузопассаж. “Саванна” – Ne 14700 кВт (США) Рудовоз “Отто Чан” – Ne 7350 кВт (ФРГ) Учебно-трансп. “МУцу” – Ne 7350 кВт (Япония)

13

НАЗНАЧЕНИЕ И ТИПЫ ПЕРЕДАЧ МОЩНОСТИ ОТ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ К ДВИЖИТЕЛЮ

Передачей называется специальное устройство, с помощью которого энергия главного двигателя передается движителю.

Передачи относятся к основным узлам энергетической установки и от них во многом зависят эксплуатационные показатели СЭУ.

Основное назначение главных передач заключается в преобразовании передаваемого главными двигателями крутящего момента применительно к условиям, обеспечивающим эффективную работу движителей.

Наличие передачи в составе пропульсивной установки может существенным образом повысить пропульсивный КПД установки, изменить моментные и мощностные характеристики, улучшить ее маневренные качества.

В зависимости от конструкции главного двигателя и назначения судна в СЭУ применяют передачи различных типов.

Если главный двигатель в достаточной мере приспособлен для совместной работы с движителем, то установка может иметь прямую передачу мощности без преобразования крутящего момента, что, как правило, имеет место в случае применения МОД.

Дизельные установки с прямой передачей наиболее характерны для транспортных судов, у которых nгд=100 250 об/мин, также для судов малого тоннажа со среднеоборотными ГД, nгд=250 500 об/мин.

Недостатками прямой передачи являются:

-отклонение частоты вращения ГД от оптимальной снижает пропульсивный КПД на 5-8%;

-при использовании МОД ЭУ имеют худшие массогабаритные показатели (по сравнению с ДРУ со среднеоборотными ДВС);

-сложность привода вспомогательных механизмов от ГД.

Достоинства:

-конструктивная простота и высокая надежность;

-высокий КПД передачи (100%) частично компенсирующий снижение пропульсивного КПД;

-высокая экономичность главных двигателей.

Двухвальные ДУ с прямой передачей применяются на речных судах, судах с ограниченной осадкой, на пассажирских теплоходах, паромах, буксирах.

Трехвальные ДУ с прямой передачей имеют ограниченное применение, например, на крупнотоннажных контейнеровозах при скорости до 25-30 узлов и мощности ЭУ более 45-50МВт.

Во всех остальных случаях главные передачи могут выполнять следующие функции:

-изменение частоты вращения и величины передаваемого крутящего момента;

-преобразование характеристик (трансформацию) крутящего момента;

-изменение направления вращения;

-объединение или разделение потоков мощности.

По принципу действия различают следующие виды передач:

-механические зубчатые;

-электрические;

-гидравлические;

-комбинированные.

Зубчатые передачи получили в настоящее время особенно широкое распространение в связи с тем, что они имеют достаточно высокий КПД (одноступенчатые — 98%, двухступенчатые — 96–97%) и умеренные массогабаритные показатели.

14

Основными элементами зубчатых передач являются зубчатые колеса трех видов:

-цилиндрические с внешним зацеплением;

-цилиндрические с внутренним зацеплением в составе планетарных ступеней;

-конические в составе угловых передач.

Взависимости от передаточного отношения применяют одноступенчатые (рациональное i=6-8, максимальное i=12-15), двухступенчатые и трехступенчатые.

По сравнению с ДУ с прямой передачей в ДРУ включены два дополнительных элемента: редуктор 2 и муфта 5. Для ДРУ транспортных судов обычно используют одноступенчатые редукторы, передающие момент от одного или нескольких главных СОД (до четырех). Двухступенчатые зубчатые передачи находят применение в ДУ с ВОД, на СПК, СВП, в ДУ быстроходных катеров и в комбинированных дизель-газотурбинных установках.

ВДРУ приняты два типа муфт между ГД и редуктором: высокоэластичные соединительные муфты, защищающие редуктор от резких изменений крутящего момента дизеля и демпфирующие крутильные колебания, и соединительно-разобщительные муфты, допускающие также отключение ГД от редуктора.

Достоинством ДРУ являются широкие возможности отбора мощности от редуктора на другие нужды, в первую очередь для привода электрогенераторов (валогенераторов), что позволяет в ряде случаев существенно повысить эффективность и экономичность работы ЭУ.

Внастоящее время ДРУ со среднеоборотными дизелями (n=250 600 об/мин) получили наибольшее распространение на транспортных судах с ограниченными размерами МО по высоте (паромы, суда с горизонтальной погрузкой).

На судах вспомогательного и технического флота (буксирах, земснарядах и др.) ДРУ являются основным типом ЭУ.

15

Более высокая температура выпускных газов в четырехтактных СОД обеспечивает лучшие условия для утилизации теплоты, чем в установках с двухтактными МОД.

Недостатки: увеличенный в 1,5–2,5 раза расход масла; повышенный уровень шума; большая трудоемкость обслуживания вследствие сокращения межремонтных сроков.

ДУ с гидравлической передачей могут быть разбиты на две основные группы:

-установки с гидродинамической передачей;

-установки с гидростатической передачей.

Гидродинамические передачи позволяют значительно улучшить маневренные и тяговые характеристики пропульсивной установки.

Основными элементами гидродинамической передачи в общем случае являются насос (насосное колесо), гидротурбина (турбинное колесо) и неподвижный направляющий аппарат. В качестве рабочей жидкости, как правило, применяют масло и лишь в отдельных случаях воду.

При наличии направляющего аппарата передача представляет собой гидродинамический преобразователь крутящего момента, называемый

гидротрансформатором.

При отсутствии направляющего аппарата передача является гидродинамической муфтой, она обеспечивает плавное включение нагрузки, смягчает колебания нагрузки, предаваемые со стороны движителя на ведущий вал, и в случае заклинивания движителя допускает возможность кратковременной работы двигателя при пониженной частоте вращения без перегрузки по моменту.

Указанные свойства гидромуфты особенно важны для судов ледового плавания. Таким образом, гидромуфты применяются для передачи крутящего момента главного

двигателя к движителю без изменения величины и знака момента.

Гидротрансформатор, помимо выполнения функций гидравлической муфты, изменяет величину, а в случае необходимости и знак крутящего момента, передаваемого на вал движителя.

Гидродинамическая передача ДУ может быть выполнена универсальной, состоящей из редуктора, гидромуфты и гидротрансформатора. Такая передача обеспечивает высокие маневренные качества судна.

Гидростатическая передача, состоящая из насоса 2, приводимого ДГ, трубопровода 3 и гидромотора 4, работающего через упорный подшипник 5 на движитель 6.

1 — ГД

2 — насос

3 — трубопровод

4 — гидромотор

5 — упорный подшипник

6 — гребной винт

16

Насос 2 — аксиально-поршневой регулируемой производительности с реверсируемым направлением подачи рабочей жидкости.

Гидромотор 4 — аксиально-поршневой нерегулируемый.

Давление рабочей жидкости может составлять до 20 МПа, что определяет компактность и малую массу гидропривода. Насос переменной производительности обеспечивает хорошие тяговые свойства, КПД составляет 0,85–0,9, значение КПД сохраняется в широком диапазоне частоты вращения.

Передача может иметь достаточно высокое передаточное отношение, что позволяет использовать ВОД (ip = 1,2-12).

Возможная область применения — речные суда, буксиры, малые паромы, суда с высоким уровнем гидрофикации механизмов.

Электрические передачи могут быть разделены на передачи постоянного тока, переменного тока и двойного тока с преобразованием переменного тока в постоянный.

Современные ДУ с электропередачей характеризуются двойным преобразованием энергии: движение судна обеспечивается гребными электродвигателями постоянного тока, работающими на винт. Питание гребного электродвигателя осуществляется через преобразователь от главного дизель-генератора.

Достоинства:

-отсутствие жесткой связи между ГД и движителями, что позволяет оградить дизель от внешних воздействий, особенно при ударах и заклинивании винтов, а также произвольно располагать главные дизель-генераторы, сокращая длину валопровода;

-использование только нереверсивных дизелей, что упрощает конструкцию и снижает стоимость;

-полная независимость числа первичных двигателей от числа винтов и возможность работы любого ДГ на любой винт.

Передача двойного тока позволяет достигнуть:

-высокой маневренности и благоприятной тяговой характеристики, присущих передачам постоянного тока;

-высоких технико-экономических показателей (КПД, массы, габаритов, надежность), присущих передачам переменного тока.

Недостатки:

-повышенные эксплуатационные расходы вследствие увеличения численности экипажа и затрат на ремонт;

-значительные масса и габариты;

-высокая строительная стоимость.

Применение электропередачи экономически целесообразно лишь на судах специального назначения, в первую очередь ледоколов и судов ледового плавания.

17

СУДОВОЙ ВАЛОПРОВОД.

СХЕМА УСТРОЙСТВА И КОМПЛЕКТУЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Валопровод — устройство, соединяющее непосредственно ли через передачу главный двигатель с движителем. Он обеспечивает передачу вращающего момента от двигателя к движителю и упора от движителя через упорный подшипник корпусу судна. Упор, преодолевая сопротивление воды, сообщает судну поступательное движение.

Валопровод — один из основных конструктивных узлов СЭУ, так как отказы валопровода, связанные с потерей хода, могут явиться причиной гибели судна.

Вобщем случае валопровод состоит из:

-упорного вала с упорным подшипником

-промежуточных валов

-дейдвудного устройства

-гребного вала

-опорных подшипников

-соединительных муфт

-тормоза

Иногда валопровод оборудуют устройством для отбора мощности, измерения вращающего момента и т.п.

1 — ГД

2 — упорный вал с упорным подшипником

3 — промежуточный вал 4 — опорные подшипники

5 — гребной вал

6 — дейдвудное устройство 7 — подшипник кронштейна 8 — гребной винт

Суда речного флота и смешанного “река-море” плавания могут иметь одно-, двух- и трехвальные установки.

Валопроводы монтируют, располагая осевую линию параллельно ДП и основной линии судна или с расхождением под углом = 30 относительно ДП и с уклоном к основной линии на угол = 50.

Если валопровод имеет уклон, то и главный двигатель устанавливают с уклоном, допускаемая величина которого оговаривается ТУ на его поставку.

Длина валопровода зависит от места расположения гребного винта за кормой судна, машинного помещения, конструкции двигателя и передачи. На пассажирских и буксирных судах МО располагают ближе к средней части корпуса, на танкерах, сухогрузах и СПК — ближе к корме. Наиболее короткие валопроводы имеют ЭУ с электропередачей или объемным гидроприводом.

Упорный вал передает через упорный подшипник упор гребного винта корпусу судна для сообщения ему поступательного движения. Упорный вал и упорный подшипник располагают ближе к носовой части валопровода. Если валопровод не имеет промежуточных валов, то упорный вал соединяют с гребным валом. Изготавливают упорный вал небольшой длины для удобства монтажа и демонтажа на судне.

Упорные подшипники бывают скольжения и качения.

Основной особенностью упорного подшипника скольжения является наличие диска (гребня) в средней части упорного вала. Упор передается на диск через несколько одинаковых упорных подушек переднего и заднего хода, расположенных по обеим его сторонам. В корпус подшипника заливается дизельное масло, температура которого не должна превышать 700С и для этого охлаждается забортной водой из системы охлаждения.

18

Упорные подшипники скольжения применяют для валов диаметром от 100 до 400 мм, выбирают по наибольшему упору гребного винта.

Промежуточный вал соединяет упорный вал с гребным. Он передает вращающий момент от упорного к гребному и упор от гребного к упорному. Промежуточные валы работают в более благоприятных условиях, чем гребные, непосредственно не испытывают ударов со стороны винта, поэтому их диаметры принимаются меньшими. Количество промежуточных валов в одном валопроводе зависит от расположения машинного помещения и типа передачи.

Кормовой конец промежуточного вала присоединяют к гребному посредством муфты, позволяющей после их разъединения вынимать гребной вал в корму.

Гребной вал — наиболее ответственная часть валопровода. Он передает упор, создаваемый движителем, подвержен изгибу, кручению и работает при знакопеременных нагрузках. В нем возникают дополнительные напряжения при качке судна, косом потоке воды, механической и гидродинамической неуравновешенности гребного винта.

Для замены или ремонта вал вынимают наружу: его выемке в корпус судна мешают детали валопровода. В связи с этим соединение гребного и промежуточного валов делают на конической муфте, для чего гребной вал с носовой стороны имеет конусность. В корпус судна гребной вал проходит через дейдвудное устройство.

Дейдвудное устройство, которое представляет собой дейдвудную трубу, закрепленную между водонепроницаемой переборкой и наружной обшивкой корпуса (ахтерштевнем). В дейдвудной трубе размещается дейдвудный подшипник, который является опорой гребного вала со стороны носовой части судна. Протечка забортной воды через дейдвудную трубу в корпус судна предотвращается сальниковым уплотнительным устройством с мягкой набивкой.

Дейдвудные подшипники могут выполняться из бокаута, древеснослоистого пластика (лигнофоля), текстолита и резины, армированной металлом, чаще всего цельнолитые резинометаллические подшипники. При смазке водой резина в паре со сталью или бронзой имеет коэффициент трения не более 0,005 0,01. Вода для смазки дейдвудных подшипников обычно подводится из системы охлаждения.

Для соединения и разобщения отдельных участков валопровода используются соединительные муфты. Они подразделяются на неподвижные (простые) и подвижные (компенсирующие). Простые муфты обеспечивают жесткое соединение двух валов. Подвижные муфты бывают жесткие, полужесткие, упругие и упругодемпфирующие, при соединении валов они допускают в определенных пределах смещение и излом их осей.

Соединительно-разобщительные муфты, называемые также разобщительными, в отличие от соединительных обеспечивают соединение и разъединение валов в процессе работы установки. Они бывают кулачковые, зубчатые, фрикционные, пневматические, гидродинамические и электромагнитные.

19

Акладная Галина Сергеевна

ГЛАВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Курс лекций

Компьютерная верстка: Михайлик Е.В.

Подписано в печать ____________2015

Формат 60x90/16. Объем п. л. Заказ № ______ Тираж 30 экз.

Альтаир–МГАВТ Московская государственная академия водного транспорта

117105 г. Москва, Новоданиловская набережная, д. 2, корп. 1