Введение в специальность. Методические рекомендации

55 МВт. В 1988 г вступил в строй ледокольный лихтеровоз — контейнеровоз «Севморпуть» с АЭУ мощностью 29,4 МВт, построенный на керченском судостроительном заводе «Залив».

Характеристика СЭУ, как пропульсивного комплекса

Главный двигатель является основным элементом всего пропульсивного комплекса (ГД — передача — валопровод — гребной винт — корпус судна), который характеризуется следующими основными показателями:

ГД — крутящим моментом (или мощностью) и частотой вращения коленчатого вала; передача — моментом (или мощностью), частотой вращения ведущего и ведомого валов; гребной винт — упором полезной тягой вращающим моментом, частотой вращения,

скоростью воды, поступающей на лопасти; корпус судна — сопротивлением воды и воздуха, скоростью судна.

Движитель (гребной винт) создавая движущую силу (полезную тягу) преобразует энергию главной установки (ГЭУ) в энергию движения судна с заданной скоростью. Эту движущую силу называют буксировочной мощностью N R

NR R v

где: R — сопротивление воды и воздуха движению судна, К н ;

v — скорость движения судна, м / с .

Буксировочная мощность представляет собой лишь часть мощности, которую должны развивать установленные на судне главные двигатели для обеспечения заданной скорости.

Эффективная мощность СЭУ определяется:

NR

Ney Nе гд пр в п , кВт

где: пр — пропульсивный КПД, учитывающий потери мощности главных двигателей из-за неблагоприятного влияния корпуса судна на работу гребного винта;

в — КПД валопровода

п — КПД передачи

Характеристики и режимы эксплуатации СЭУ

Главные и вспомогательные двигатели морских судов работают в условиях практически непрерывного изменения нагрузки. Совокупность показателей, характеризующих работу двигателя при определенных нагрузках и внешних условиях называется режимом.

Графическое (или какое-либо) представление изменения режима работы в зависимости от определяющего это изменение параметра называется характеристикой. Для судовых главных и вспомогательных двигателей рассматривают два вида характеристик: скоростную и нагрузочную.

Энергетическим показателем двигателя является его мощность. У судовых двигателей различают несколько значений мощности. На номинальной частоте вращения вала П ном двигатель развивает полную так называемую номинальную мощность без ограничения во времени работы Nном .

Под максимальной Nmax понимают перегрузочную (по сравнению с номинальной)

мощность, с которой двигатель должен без аварийных последствий работать в течение 1-2 ч с перерывом 10ч. Нормы максимальной мощности, а также максимальной частоты вращения вала и крутящего момента определяются Правилами Морского Регистра России: Nmax =

1,1Nном ; Пmax 1,03Пном ; М к max 1,07М кном

21

Мощность главного двигателя, развиваемая на полном ходу судна в полном грузу при номинальных метеорологических условиях, называется эксплуатационной мощностью полного хода. Обычно она составляет 85% номинальной мощности и определяет техникоэксплуатационные показатели СЭУ и судна в целом.

- максимальная мощность N max (перегрузочная по сравнению с номинальной) — мощ-

ность, с которой двигатель должен работать без аварийных последствий в течение 1ч. Экономическая мощность — длительная мощность, при которой достигается

наименьший расход топлива (на единицу мощности или на одну милю хода).

Минимальная мощность — мощность, развиваемая двигателем при минимальной устойчивой частоте вращения вала, равная (0,02÷0,10) Nном .

Расположение машинных помещений

Все механизмы СЭУ могут устанавливаться в следующих помещениях:

-в МО — ГД, на судах с электродвигателем

-главные дизель — генераторы;

-в котельном отделении — котельная установка с агрегатами и устройствами;

-в отделении вспомогательных механизмов — механизмы СЭС, опреснительные, холодильные установки и пр.

Число отсеков под ЭУ должно быть минимальным при наименьшей их протяженности. Это позволит уменьшить массу и объем помещений СЭУ, упростить ее обслуживание. Максимальная длина отсека определения определяется из условия аварийной непотопляемости, а минимальная — из возможности размещения в нем элементов СЭУ.

Как правило, все отделения СЭУ находятся в одном водонепроницаемом отсеке. Исключение составляют океанские пассажирские суда, у которых ЭУ может быть расположена

внескольких отсеках.

На эксплуатационные и технико–экономические показатели судна существенное влияние оказывает расположение МО на судне — кормовое, среднее, промежуточное или смещенное. Расположение МО на судне определяется назначением судна и его особенностями.

Кормовое расположение МО характерно для грузовых судов; достоинства: — увеличивается грузоподъемность

-уменьшается длина валопроводов

-улучшаются условия укладки управления грузов и т.д. недостатки: — затруднена дифферентовка судна

-ухудшаются условия управления судном

-повышаются крутильные колебания

Носовое расположение МО применяется в основном для судов, перевозящих крупно — габаритные грузы.

Среднее расположение МО (или промежуточное, т. е. сдвинутое в корму от мидель — шпангоута) характерно для буксиров и пассажирских судов.

Порядок выполнения работы

1.Изучить назначение, состав и типы современных судовых энергетических установок.

2.Охарактеризовать СЭУ заданного судна, указав тип СЭУ, состав главной энергетической установки, состав вспомогательной котельной установки и судовой электростанции.

3.Ответить на контрольные вопросы:

что такое СЭУ, ее назначение;

какую часть СЭУ считают главной энергетической установкой;

что собой представляют вспомогательные энергетические установки;

22

перечислить состав: главной энергетической установки, вспомогательной котельной установки, судовой электростанции;

какие еще вспомогательные установки могут входить в состав СЭУ;

перечислить системы, обеспечивающие работу СЭУ;

специфические особенности, отличающие СЭУ от стационарных;

перечислить типы СЭУ современных судов, указав при этом их достоинства, недостатки, область применения;

что такое буксировочная мощность;

что такое эффективная мощность;

перечислить основные режимы эксплуатации СЭУ;

что такое характеристика;

основные показатели работы двигателя;

что такое винтовая характеристика;

что такое ограничительная характеристика;

расположение машинных помещений; достоинства и недостатки, связь с назначением судна.

23

Практическое занятие № 4

«Изучение элементов, входящих в состав пропульсивной установки»

Судовая пропульсивная установка

Главной энергетической установкой считают ту часть СЭУ, которая обеспечивает движение судна, ее называют также пропульсивной. В состав пропульсивной установки входят: главные двигатели, главные передачи, валопроводы, движители, а также вспомогательные механизмы, теплообменные аппараты и другое оборудование систем, обслуживающих пропульсивную установку.

Судовой валопровод, его основные элементы

Валопровод — устройство соединяющее непосредственно или через передачу главный двигатель с движителем. Он обеспечивает передачу вращающегося момента от двигателя к движителю и упора, создаваемого движителем, через упорный подшипник корпусу судна с целью обеспечения его движения.

От надежной работы валопровода зависит эффективность и надежность работы судна (особенно одно винтового).

Состав валопровода, его длина и число валовых линий обусловлены: типом, мощностью и расположением ЭУ; требованиями, предъявляемыми к ЭУ (надежность, маневренность и пр.); условиями размещения, обслуживания, проведения монтажных и ремонтных работ.

Нагрузки, воспринимаемые валопроводом, отличаются многообразием, претерпевают изменения во времени и трудно поддаются точной оценке. Под действием этих нагрузок валопровод испытывает сложное напряженное состояние.

В состав валопровода входят следующие элементы: валы и их соединения; опорные и упорные подшипники; дейдвудные устройства и переборочные уплотнения; специальные устройства и механизмы; вспомогательное оборудование.

Длина валопровода зависит от места расположения движителя, машинного отделения, конструкции двигателя и передачи. Самым коротким валопровод будет при кормовом расположении машинного отделения либо в случае использования электрической передачи.

Длина валопровода измеряется от ступицы гребного винта до фланца отбора мощности главного двигателя при прямой передаче или до фланца редуктора — при зубчатой передаче и может достичь 90–100м (у крупных морских судов).

Валопровод обязательно снабжается валоповоротным устройством с приводом от электродвигателя и небольшой частотой вращения (около 1 об/мин). Валоповоротное устройство используют при подготовке энергетической установки к работе, профилактических и ремонтных работах с главным двигателем, проворачиванием валопровода на стоянках судна.

Передача вращающего момента и мощности от главного двигателя к движителю

Главные передачи относятся к основным узлам пропульсивной установки и от них во многом зависят эксплуатационные показатели СЭУ. Наличие передачи в составе пропульсивной установки может существенным образом повысить ее мощностные характеристики, улучшить маневренные качества.

В зависимости от конструктивных особенностей и принципа действия передачи могут быть: механические (прямые и редукторные), электрические (на постоянном и переменном токе), гидравлические и комбинированные.

Передача мощности от главного двигателя прямо через валопровод без преобразования крутящего момента осуществляется в тех случаях, когда главный двигатель в достаточной степени приспособлен к совместной работе с движителем. Как правило, такой вариант имеет

24

место в случае применения малооборотных дизелей и предусматривает непосредственное соединение двигателя с валопроводом. При такой схеме потери энергии оказываются минимальными. Это наиболее простая и надежная передача.

В ряде случаев частота вращения вала двигателей (особенно турбинного типа) обычно намного превосходит оптимальную частоту вращения гребного винта. В таких случаях между двигателем и винтом необходимо иметь передачу, способную редуцировать частоту вращения и трансформировать вращающий момент.

Особенно широкое распространение в настоящее время получили зубчатые передачи. Это объясняется достаточно высоким КПД и умеренными массогабаритными показателями. Возможны различные варианты передачи мощности через редуктор на один или два винта. На один винт через редуктор может работать и несколько двигателей. Применяются передачи, имеющие в своем составе реверс–редукторы, обеспечивающие изменение направления гребного винта при нереверсивном двигателе.КПД современных зубчатых передач составляет:- для одноступенчатых редукторов около 98%; для двухступенчатых 96–97%.

На ледоколах и судах ледового плавания, судах технического флота получили распро-

странение электрические передачи.

При электрической передаче происходит двойная трансформация энергии (механическая в электрическую, а затем электрическая в механическую), сопровождающаяся увеличением потерь и соответственно снижением ее КПД. В зависимости от мощности СЭУ КПД электропередачи на постоянном токе составляет 85–90%, а на переменном — 90–94%.В электропередаче главный двигатель непосредственно соединен с электрическим генератором в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. От генератора электрическая энергия передается гребному электродвигателю, соединенному с гребным винтом коротким валопроводом.

Гидравлическая передача подразделяется на гидродинамическую и гидростатическую.

Подобно электрической гидродинамическая передача позволяет улучшить маневренные и тяговые характеристики судовой установки. В гидровлической передаче используется кинетическая энергия рабочей жидкости (обычно минерального масла), которая передает вращающий момент, развиваемый двигателем, движителю. КПД гидровлической передачи составляет 85–90%. Передача может иметь достаточно высокое передаточное отношение, что позволяет использовать для СЭУ высокооборотные двигатели.

Комбинированные схемы передач чаще всего являются сочетанием зубчатой передачи с гидродинамической или с электрической.

Движители

Если у парусных судов энергию ветра использовали непосредственно для движения, то на современных судах вырабатываемая двигателем энергия преобразуется в движущую силу. Для этого на судах устанавливают гребные колеса, винт, водометный или крыльчатый движители.

На заре пароходства в 1876 г американец Джон Фитч построил судно, на котором в качестве двигателя была применена паровая машина, а движителями служили весла, расположенные по бортам. Судно довольно быстро двигалось против течения. Однако стало ясно, что использовать мощность паровой машины для нескольких отдельных движителей, какими являлись весла нерационально, сложно и

громоздко.

Спустя 10 лет Фитч предложил построить винтовое судно. Сконструированные им винты были несовершенной формы, и предложение не приняли. Фитч, огорченный неудачами, покончил с собой.

Развитие судового движителя началось с применения гребных колес. На первом пароходе, построенном Робер-

Рис.1. Гребное колесо

25

том Фултоном, движителями служили два гребных колеса, расположенных по обоим бортам судна.

Лопасти первых гребных колес были неподвижными. Это приводило к значительной потере энергии. Позднее гребные колеса снабдили подвижными лопастями (плицами), что значительно повысило Коэффициент полезного действия гребных колес. И все же гребные колеса имели недостатки. При бортовой качке колеса попеременно обнажались, конструкция колес громоздка и ненадежна. Все это требовало замены гребного колеса другим движителем.

Гребные винты

Вначале XVIII в., многие изобретатели пытались использовать винт Архимеда для движения судов.

Член Петербургской Академии наук Бернулли в 1752 г. Разработал проект судна с винтом Архимеда в качестве движителя. Винт имел вид двухзаходного червяка, устанавливаемого в трубе за кормой судна, перед рулем.

В1826 г чешский инженер Рессель запатентовал винт с полной винтовой поверхностью.

В1836 г англичанин Генри Смит повторил предложение Реселя и построил пароход с деревянным винтом. Во время испытаний винт ударился о каменя и часть его отвалилась, но

кудивлению Смита судно после этого пошло быстрее. Это привело Смита к мысли воспользоваться для гребного винта только частью винтовой поверхности — лопастями.

Несмотря на явные преимущества винтового движителя перед колесным, соперничество между ними длилось много лет. На судне «Грейт Истерн» применили гребные винты и колеса одновременно.

Основные характеристики гребного винта — диаметр и шаг, которые судостроители выбирают в зависимости от мощности главного двигателя, числа оборотов гребного вала, скорости и осадки судна.

Лопасти гребного винта, вращаясь, отталкиваются от воды и сообщают судну движение. Толкающее усилие винта зависит, главным образом, от его диаметра и числа оборотов. Скорость же вращения винта ограничена из–за явления, называемого кавитацией.

Крыльчатые движители

Крыльчатый движитель состоит из нескольких вертикально расположенных лопастей укрепленных по окружности вертикально вращающегося барабана. Меняя углы поворота лопастей, можно при вращении диска барабана в одну сторону заставить судно двигаться вперед, назад или поворачиваться. С такими движителями можно создать тягу в любом направлении. Это повышает маневренность судна. На судах с таким движителем не нужны реверсивные двигатели, отпадает необходимость в рулевом устройстве. Такие суда могут поворачиваться даже на месте. Но у судов с

быть повреждены. Поэтому крыльчатые движители применяют на паромах, буксирах, плавучих кранах, дноуглубительных снарядах и т.п.

Водометные движители

При создании водометного движителя заимствован способ движения у кальмара. Кальмар всасывает воду через рот, а затем с силой выбрасывает ее сзади, двигаясь при этом с большой скоростью.

26

Точно так же действует и водометный движитель: насос, установленный на судне всасывает воду через приемное устройство, размещенное в днище и выбрасывает ее через отливное отверстие в корме.

Суда с водометными движителями могут работать на мелководных реках и водоемах. Эти движители почти не повреждаются при плавании на лесосплавных реках или в битом льду.

Рис.3 Водометный движитель

Водометные движители имеют более низкий КПД, по сравнению с лопастными, поэтому их применяют редко. Энергия двигателей водометных судов не только на придание необходимой скорости воде, но и на преодоление сопротивления движению воды по трубам, подводящим ее к насосам, а также на работу самих насосов.

В 1963 г завод «Красное Сормово» построил речной автобус–теплоход «Чайка» с водометным движителем. Очертания корпуса теплохода напоминают фюзеляж самолета.

Водометы нашли применение в качестве подруливающего устройства с помощью которого в стесненных акваториях порта или в узких речных фарватерах улучшаются маневренные качества судна.

Воздушные винты

Воздушные винты в качестве движителей применяются на быстроходных судах с малой осадкой.

Развернувшееся во второй половине XX в. строительство судов на воздушной подушке активизировало работы по совершенствованию конструкции воздушных винтов.

Современные суда на воздушной подушке имеют до четырех воздушных винтов. Изобретатели продолжают работать над созданием новых видов судовых движителей. В 1958 г. советский изобретатель А.И.Бабичев предложил судовой движитель, принцип

действия которого основан на использовании возвратно–поступательного движения поршня в цилиндре, сообщающемся с забортной водой. Поршень движителя, быстро двигаясь вперед и назад, с силой выталкивает воду через прорези с направляющими пластинками в цилиндре. Односторонне направленный реактивный поток движет судно вперед. Наклонные пластинки поворачиваются, что позволяет судну дать задний ход.

27

ческий механик Ктесибий (II в. до н.э.). Центробежный насос был изобретен итальянцем Жорданом, а француз Ледемур в 1732 г. изготовил и применил насос, который был основан на центробежном принципе действия. Системы для прокачки конденсаторов забортной водой применил на кораблях в XVIII в. Фролов.

Компрессоры

Для сжатия воздуха и других газов до давления более 0,015 Мпа предназначены специальные механизмы, называемые компрессорами. Наиболее прост принцип устройства и действия поршневых компрессоров, применяемых в установках с ДВС. Более сложный рабочий процесс имеют турбокомпрессоры, входящие в состав ГТУ.

Теплообменные аппараты — это устройства для обеспечения передачи теплоты от одной рабочей среды к другой. Большинство судовых теплообменных аппаратов представляют собой кожухо — трубные конструкции. В последнее время широкое применение на судах получили пластинчатые теплообменные аппараты, которые более эффектны по теплоэнергетическим характеристикам.

Кожухотрубные аппараты применяются в качестве подогревателей топлива, циркуляционного масла, воды для бытовых нужд и т.д. Чаще всего в качестве греющей среды используется пар.

Все конструктивные разновидности теплообменных аппаратов используются как охладители пресной воды, масла, воздуха. Охлаждающей средой является забортная вода.

Фильтры, сепараторы

Для очистки топлива, используемого в СЭУ применяются фильтры. По величине задерживаемых частиц механических примесей применяемые в СЭУ фильтры делятся на

фильтры грубой очистки (задерживают частицы более 40 мкм) и фильтры тонкой очистки

(задерживают частицы более 16 мкм).

Наиболее эффективным методом очистки топлива и масла в настоящее время является центробежное сепарирование. Центробежные сепараторы удаляют примеси органического и неорганического происхождения с размерами частиц болле 5–7 мкм, а также воду. Разделение веществ, обладающих разными плотностями, является принципом работы центробежного сепаратора.

Сепараторы, используемые на судах, могут работать в двух режимах — кларификации и пурификации. В режиме кларификации происходит отделение только твердых частиц, в режиме пурификации отделяются вода и отстой.

Наибольшее распространение на судах получили самоочищающиеся сепараторы фирмы «Альфа–Лаваль», отличающиеся высокой эффективностью и производящие очистку высоковязких топлив.

Порядок выполнения работы

1.Изучить состав пропульсивной установки, назначение, типы устройство элементов, входящих в состав пропульсивной установки.

2.Изобразить принципиальную схему устройства валопровода, заданного судна, состав к ней спецификацию.

3.Ответить на контрольные вопросы:

какую часть СЭУ называют пропульсивной;

какие элементы входят в состав пропульсивной установки;

в чем заключается назначение валопровода;

от чего зависит и как измеряется длина валопровода;

указать назначение и типы передач вращающего момента и мощности от ГД к движителю;

29

перечислить достоинства и недостатки каждого типа передач;

назначение и типы современных движителей;

охарактеризовать каждый тип движителей, указав его достоинства и недостатки;

какой механизм называется насосом;

какие насосы относятся к группе общесудового назначения;

какие насосы относятся к обслуживающим энергетическую установку;

какой механизм называется вентилятором;

какой механизм называется компрессором;

какое устройство называется теплообменным аппаратом;

охарактеризовать режимы работы сепараторов.

Литература:

М.К. Овсянников В.А. Петухов «Судовые автоматизированные энергетические установки».

-валопровод — стр. 24 рис. 6

-теплообменные аппараты — стр.164 рис. 84 и рис. 85

-центробежный насос стр.169 рис. 88

-вихревой насос стр. 170 рис. 89

-шестеренный насос стр. 171 рис.90

В.А. Сизых «Судовые энергетические установки».

-поршневой компрессор — стр. 100 рис. 87

-валопровод — стр. 147 рис. 118

-упорные подшипники — стр. 150 рис. 120

-дейдвудное устройство — стр. 150 рис. 121

30