Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Судовые энергетические установки. Методические рекомендации
.pdf
12
Влияние типа судна на состав и основные параметры СЭУ.
Судовая энергетическая установка является составной частью судна, и поэтому тип судна и его параметры оказывают влияние на состав и параметры
СЭУ. Это влияние определяется требованиями к СЭУ различных судов, составом и параметрами потребителей энергии, режимами и условиями эксплуатации судов.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к СЭУ, тип судна определяет число ГД и движителей, место расположения СЭУ, нагрузку СЭС, вспомогательной котельной и водоопреснительной установок, наличие вспомогательных механизмов и систем специального назначения. Рассмотрим отличительные особенности СЭУ судов различных типов.
Танкеры относятся к числу наиболее распространенных судов морского
транспортного флота. На них применяются как дизельные, так и паротурбинные ЭУ, преимущественно одновальные. Дизельные установки устанавливают
на танкерах любого водоизмещения, паротурбинные — на танкерах водоизмещением более 40 тыс. т.
Особенностью танкеров является наличие крупных потребителей электрической или механической энергии — грузовых насосов большой мощности,
время работы которых в течение рейса (во время разгрузки танкеров) ограничено. На судах, перевозящих сырую нефть и мазут, расходуется большое количество тепловой энергии для подогрева груза перед его выгрузкой, и поэтому их
оборудуют крупными вспомогательными котельными установками для производства преимущественно насыщенного пара.
Привод грузовых насосов на танкерах может осуществляться от автономных паровых турбин, питающихся паром от вспомогательных котельных установок, или от электродвигателей. В последнем случае установленная мощность ДГ увеличивается, что приводит к снижению их загрузки в ходовом режиме.
Все современные танкеры для повышения безопасности перевозки нефтепродуктов оборудуют системами инертных газов, которые также оказывают
влияние на СЭУ. Это проявляется в использовании в качестве инертных выпускных газов вспомогательных котлов (под инертными газами здесь подразумевается смесь азота и других газов с минимальным содержанием кислорода). В
состав системы инертных газов входит энергоемкое оборудование (нагнетатели, насосы), увеличивающее нагрузку СЭС.
Энергетические установки на танкерах располагают в кормовой части. Газовыпускные системы и дымоходы должны быть оборудованы искрогасителями.
Сухогрузы (суда для перевозки генеральных грузов) имеют широкую область применения, разнообразные конструктивные и архитектурные формы. На
этих судах применяются в основном ДЭУ, преимущественно одновальные. Номенклатура потребителей всех видов энергии минимальная по сравнению со
всеми другими типами судов, что определяет их минимальные относительную
мощность СЭС и производительность вспомогательных котельных установок.
По сравнению с танкерами годовая продолжительность ходового времени универсальных сухогрузных судов меньшая, а продолжительность стоянок без гру-
13
зовых операций большая, что повышает себестоимость производства всех видов энергии (механической, электрической, тепловой) и срок окупаемости утилизационных установок.
Балкеры предназначены для перевозки сыпучих грузов (угля, руды и пр.)
и характеризуются по сравнению с сухогрузными судами повышенной долей
ходового времени, что приближает эти суда к танкерам. Балкеры оборудуют в
основном ДУ с МОД. Энергетические установки балкеров по своим параметрам
близки к СЭУ сухогрузов, но отличаются от них повышенной мощностью СЭС,
обеспечивающей работу крупных грузоподъемных устройств.
Комбинированные суда (нефтерудовозы, нефтенавалочные суда) оборудуют СЭУ, которые по своему составу близки к СЭУ танкеров и балкеров. На
них применяются преимущественно ДУ, а также ПТУ.
Контейнеровозы по сравнению с другими судами характеризуются повышенными скоростями и мощностями СЭУ. На этих судах применяют дизельные, паротурбинные и газотурбинные ЭУ (одно-и двухвальные). В связи с особенностью эксплуатации контейнеровозов (регулярность рейсов и высокая
стоимость грузов) к СЭУ этих судов предъявляется требование повышенной
надежности. Дизельные установки контейнеровозов оборудуют МОД и СОД,
паротурбинные выполняют на основе простых тепловых схем (пар с умеренными начальными параметрами без ППП). В ГТУ контейнеровозов используют
ГТД авиационного типа с развитой системой утилизации теплоты выпускных газов.
Газовозы предназначены для перевозки различных газов в сжиженном или
сжатом состоянии и в зависимости от 'вида перевозимых грузов делятся на метановозы, аммиаковозы и суда для перевозки ожиженных нефтяных газов. На
аммиаковозах и судах для перевозки нефтяных газов используются установки
для повторного ожижения испаряющихся газов и поэтому их СЭУ работают на
жидком нефтяном топливе. Преимущественное распространение на этих судах
получили ДУ с МОД.
На метановозах установки повторного ожижения испаряющегося при
транспортировке газа, как правило, не применяются и в качестве топлива используется испаряющийся в грузовых танках метан. Метановозы чаще всего
оборудуют ПТУ, которые могут работать только на газообразном топливе (если
это экономически выгодно). Реже на метановозах применяют ДУ, оборудованные так называемыми газодизелями, в которых в дополнение к газообразному сжигается в качестве запального жидкое топливо (5–10% общего количества). Паротурбинные установки на метановозах имеют ряд преимуществ перед
ДУ: возможность работы только на газообразном топливе, меньшие затраты
энергии на подготовку топлива, большая безопасность газовых трубопроводов,
более высокая надежность. КПД газодизелей на 2–3% ниже, чем КПД двигателей, работающих на жидком топливе. На метановозах могут быть установлены
также и ГТУ.
Для газовозов характерны большие установочные мощности СЭС, достигающие на крупных судах 2–4 МВт или 10–20% мощности ГД. Это объясняется
наличием дополнительных крупных потребителей энергии: газовых компрессо-
14
ров, установок повторного ожижения газа, установок инертных газов, механизмов дополнительной системы вентиляции газоопасных помещений.
Накатные суда (ролкеры) предназначены для перевозки колесной техни-
ки и трейлеров и оборудуются ДУ, ПТУ и ГТУ. Эти суда имеют такую же скорость, как и контейнеровозы, и поэтому их СЭУ близки по составу и параметрам к СЭУ контейнеровозов. На накатных судах имеются дополнительные
крупные потребители электроэнергии (вентиляторы для вентиляции грузовых
трюмов, компрессоры для заполнения пневматических буферных баллонов),
однако число грузоподъемных механизмов невелико, поэтому в целом мощность СЭС не превышает СЭС контейнеровозов. Энергетические установки
ролкеров должны иметь ограниченную высоту для размещения их под палубой.
Пассажирские суда оборудуют СЭУ, которые по составу и параметрам
значительно отличаются от СЭУ транспортных судов. Для них характерны
большие мощности ГД и СЭС, среднее расположение СЭУ, повышенные требования к надежности и шумности двигателей и механизмов. Установки пассажирских судов выполняют многовальными (2–4 гребных винта); установленная
мощность СЭС достигает 20–25% мощности ГД; в состав СЭУ включают ВОУ
большой производительности (до 250 т/сут).
Паромы укомплектовывают разнообразными типами СЭУ: дизельными с
механической или электрической передачей, газотурбинными. Основное требование к СЭУ таких судов — высокая маневренность, что достигается установкой средне- или высокооборотных ДВС, ГТД, электрических передач, увеличением числа гребных винтов, применением подруливающих устройств. На паромах используются разнообразные варианты расположения СЭУ, включая
комбинацию носового и кормового расположений. Автономность плавания
большинства паромов небольшая, и вследствие этого запасы топлива, воды и
масла на них ограниченные.
Лихтеровозы также оборудуют разнообразными типами СЭУ: дизельны-
ми, паротурбинными на органическом и ядерном топливах. Для СЭУ лихтеровозов характерны высокие мощности ГД, большая продолжительность ходового времени, ограниченное число общесудовых потребителей энергии.
Рыбообрабатывающие базы и транспортные рефрижераторы оборудованы преимущественно ДУ. Для этих типов судов характерна большая мощность
СЭС, значительная часть которой используется для привода механизмов холодильных установок. На рыбообрабатывающих судах большая часть топлива
расходуется для получения водяного пара, используемого на технологические
нужды, и пресной воды, и поэтому в состав СЭУ этих судов включают крупные
вспомогательные котлы и ВОУ.
Рыбопромысловые суда укомплектовывают только ДУ с МОД и СОД. Энергетические установки этих судов имеют в своем составе развитые СЭС, мощность
которых часто сопоставима с мощностью ГД. На этих судах часто устанавливают валогенераторы, вспомогательные котлы и ВОУ большой производительности, крупные грузоподъемные" механизмы (траловые лебедки). Характерны
также применение ВРШ, большая номенклатура потребителей электрической и
15
тепловой энергии (оборудование для обработки рыбопродукции), разнообразие
режимов работы ГД и СЭС.
Ледоколы оборудуют разнообразными типами СЭУ: дизельными с электрической или гидромеханической передачами, газо и паротурбинными установками на ядерном и органическом топливах. Главные двигатели ледоколов
должны иметь большую мощность и выдерживать многократные перегрузочные режимы. Основные требования к СЭУ ледоколов — высокая маневренность и надежность. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют
установки с электрической передачей. Большая автономность СЭУ достигается
применением ядерной энергии. Энергетические установки ледоколов размещают в средней части судна (число гребных валов должно быть не менее двух) и
они имеют в своем составе мощные СЭС с достаточным резервированием электрогенераторов.
Буксиры оборудуют преимущественно ДУ с СОД и ВОД. Основными
свойствами СЭУ этих судов являются высокая удельная мощность ГД, наличие
двух основных режимов работы, а также высокие маневренность и надежность.
Мощность СЭС на таких судах сравнительно невелика (за исключением буксиров-спасателей, у которых мощность СЭС увеличивается за счет потребления
электроэнергии водоотливными и пожарными насосами). На буксирах не применяются ВОУ ввиду ограниченной автономности этих судов.
Большую группу составляют суда технического флота (земснаряды, землесосы и землечерпалки, плавучие краны, трубоукладчики, плавучие мастерские и электростанции) и специальные суда (научно-исследовательские, учебные плавучие краны). Научно-исследовательские, гидрографические, учебные
суда оборудуют СЭУ, которые по составу и параметрам близки к СЭУ рыбопромысловых судов. Плавучие краны, мастерские, электростанции не имеют
в своем составе ГД. На них устанавливают ДГ и ГТГ различных типов, вспомогательные и утилизационные котлы.
В качестве СЭУ землесосов и землечерпалок в основном используются
ДЭУ, которые позволяют обеспечить эффективный привод движителей и землеуглубительных механизмов (грунтовых насосов и черпаковых барабанов).
Наиболее сложными и развитыми СЭУ оборудованы геологоразведочные,
буровые суда и суда для добычи полезных ископаемых— плавучие предприятия,
вырабатывающие и потребляющие большое количество энергии: механической,
электрической, тепловой, сжатого воздуха. Мощность СЭС на них может значительно превышать мощность ГД. На этих судах применяется много уникального оборудования — для удержания судна на месте, для подъема и опускания
бурильных труб, драг и тралов, для приготовления бурильных растворов и т. п.
Диапазон параметров СЭУ для всех типов судов достаточно широкий и
доминирующим типом СЭУ является ДУ.
Дизельные энергетические установки получили широкое распространение
на судах различного назначения вследствие ряда преимуществ: возможности
получения большого диапазона агрегатных мощностей на базе стандартизации
типоразмеров; доступности использования различных типов передач; высокой
топливной экономичности; относительной простоты автоматизации управле-
16
ния. Тенденция увеличения доли ДУ наметилась с начала энергетического кризиса (середина 70-х годов) и особенно стала заметной в последние годы, когда
ДУ практически вытеснили все остальные типы ЭУ на морском и речном флоте.
Дизельные установки отличаются разнообразием технических характеристик и конструктивных схем. Применение того или иного типа ДУ зависит от
типа судна, его назначения, характерных условий эксплуатации, специфических требований к погрузке и выгрузке и др.
Выбор главного двигателя, способ реверсирования
и типа передачи
В судовых дизельных установках находят применение самые разнообразные типы двигателей, различающиеся мощностью, частотой вращения,
тактностью, уровнем форсировки, конструктивными особенностями и другими
показателями.
Исходные данные для выбора Исходными данными для выбора главного
двигателя служат:
Тип и назначение судна;
Район и режимы его плавания;
Условия и размещение двигателей;
Массогабаритные показатели установки;
Требования правил Регистра к дизельными установками.
Выбранный тип двигателя должен сочетаться с типом движителя и характеристик корпуса судна (его прочностью и ходовыми качествами)
Выбираемый двигатель оценивают по частоте вращения, надежности, габаритам, массе, удельным расходом топлива и масла, сортам применяемого топлива и масла, степени уравновешенности, безопасности обслуживания, приспособленности к автоматизации. Особое внимание должно быть удалено маневренным качествам двигателям.
По частоте вращения дизели разделяются на мало-, средне- и высоко-
оборотные. Выбор значения частоты вращения по существу сводится к обоснованию выбора одной из этих групп двигателей.
При оценке пригодности того или иного двигателя с точки зрения массо-
габаритных показателей следует иметь в виду, что излишняя масса ГД при-
водит к утяжелению установки в целом, а, следовательно, к уменьшению полезно перевозимого груза, что снижает рентабельность судна. Однако снижение
массы установки и ее элементов не должно идти в ущерб надежности и экономичности.
Выбор типа двигателя тесно связан с принимаемым типом передачи. Ма-
лооборотные дизели используются в установках с прямой передачей. Помимо
судов транспортного морского флота МОД наряду со среднеоборотными двигателями, могут применяться на транспортных рефрижераторах, судах – рыбовозах, транспортных судах ледового плавания.
Относительно небольшая высота среднеоборотных дизелей расширяет
область их применения, особенно на судах, предназначенных для перевозки колесной техники, барж и пакетированных грузов (паромах, трейлеровозах, бар-
17
жевозах, контейнеровозах и др.) производительность и удобство погрузки которых определяться протяженностью непрерывных палуб по длине судна.
При выборе типа ГД для энергетических установок судов ледового плавания необходимо учитывать особенности использования дизелей на судах данного типа, а также специфические требования к установкам. На судах ледокольного типа энергетические установки работают с часто и резко меняющимися нагрузками, поэтому особенно важны требования по надежности, экономичности, приемистости.
Наилучшие массогабаритные характеристики и достаточная приемистость
установки достигаются при использовании СОД в сочетании с электропередачей или гидроредукторной передачей, которые повышают надежность работы
главных двигателей.
На судах ледового плавания малого водоизмещения с повышенными требованиями к массогабаритным характеристикам установки, а также на судах
спасательных, многоцелевых и больших портовых буксирах наряду с СОД могут устанавливаться дизели повышенной оборотности и ВОД.
В установках для буксирных судов внутреннего плавания при мощности
установки не свыше 500 кВт и малых размерах машинного отделения наиболее
приемлемы высокооборотные дизелей.
Для выбора типа двигателя необходимо сопоставить несколько двигателей,
близких заданной мощности, желательно, из числа выпускаемых отечественной
промышленностью, а также установленных на судне – прототипе по показателям, указанным в таблице №1.
18
Таблица №1
Показатели
Обозначение
Марка двигателя
I
II
III
1. Основные параметры:
Мощность, кВт
N
e
Частота вращения, 1/мин
n
Ресурс до списания, ч.
сп
Ресурс до капитального ремонта, ч.
кр
Ресурс до переработки, ч.
пер
Удельный расход топлива, г/кВт
ч.
e.
b
Удельный расход масла,
г/кВт ч.
m.
b
Масса, кг.
G
2. Габариты:
Длина, м.
L
Ширина, м.
B
Высота, м.
H
.
3. Маневренные качества:
Время подготовки к пуску и развития
полной мощности, мин.
Минимально устойчивая частота
вращения об/мин.
min.
n
Время остановки и реверса, мин.
Мощность заднего хода, кВт.
Nз.х.
Выбрав главный двигатель с учетом всех требований, указанных выше, необходимо обосновать свой выбор, дать краткое описание выбранного двигателя
с указанием основных характеристик систем, навешенных механизмов, степени
автоматизации, способа реверсирования и т.п. Затем выполнить принципиальные
схемы систем выбранного двигателя: топливной, масляной, охлаждения, пуска.
Тип передачи определяется назначением судна, режимами его плавания,
мощностью и числом двигателей, массогабаритными, экономическими и другими требованиями, предъявляемыми к СЭУ, учитываются также экономические показатели судна в целом.
Сравнительная оценка различных типов передач производится с учетом
достоинств и недостатков, присущих каждому из них, а также того, насколько
они удовлетворяют предъявляемым требованиям. К числу этих требовании относятся:
-высокая надежность;
19
-высокий КПД на эксплуатационных режимах;
-минимальные масса и габариты;
-минимальные затраты на изготовление, ремонт и обслуживание;
-доступность для осмотров, разборок и ремонта в судовых условиях;
-допустимые уровни шума и вибрации;
-приспособленность к автоматизации управления.
Выбор типа передачи целесообразно рассматривать применительно к
определенным типам судов.
Для СЭУ судов транспортного морского флота с установившимися
режимами плавания наиболее важными требованиями являются простота, компактность, высокая надежность и экономичность, поэтому для них рекомендуются прямая и редукторная передачи.
Для СЭУ транспортных судов речного и озерного плавания при срав-
нительно невысокой мощности установки и ограниченных габаритах МО следует отдавать предпочтение редукторным передачам.
К СЭУ пассажирских судов предъявляются повышенные требования по
массогабаритным показателям, живучести, маневренности. В большей степени
этим требованиям отвечают многовальные редукторные установки.
При выборе типа передачи для ледоколов необходимо учитывать сле-
дующие требования:
– использование полной мощности главных двигателей во всем диапазоне изменения режимов работы движителей и развитие повышенных вращающих моментов при торможении винтов во льду;
– обеспечение защиты главных двигателей от внешнего воздействия со
стороны гребных винтов при ударе о льдины;
– высокая надежность пропульсивного комплекса и способность его к са-
морегулированию по крутящему моменту при изменении сопротивления движению судна;
– высокая маневренность.
Указанным требованиям отвечают передачи, у которых отсутствует же-
сткая связь двигателя с гребным винтом - гидродинамическая и электрическая.
По экономическим показателям, особенно на частичных режимах, пре-
имущество у гидродинамической передачи, она имеет также лучшие массогабаритные показатели, она проще и дешевле.
Однако электропередача обеспечивает удобную компоновку энергетиче-
ской установки и более гибкое управление ею, особенно при постоянном токе.
Для портовых, рейдовых и многоцелевых буксиров характерно длительное
использование энергетической установки на самых различных режимах, для
транспортных и спасательных буксиров - режимы свободного хода и ход с возом, в ледовых условиях выдвигаются требования по запасу крутящего момента
200–250%. Этим и другим требованиям, предъявляемым к СЭУ буксирных судов,
лучше всего отвечает комбинированная универсальная гидрозубчатая передача.
Выбор способа реверсирования судна сводится к выбору типа движите-
ля и передачи.
20
Для судов с установившимися режимами плавания предпочтительно из-
Р
е
V
N
Р
пр
менять направление движения с помощью реверсивных двигателей, в качестве
движителя применять ВФШ.
Для судов, к маневренным качествам которых предъявляются повышенные
требования, предпочтение может быть отдано ВРШ или реверсивной передаче,
если двигатель нереверсивный. Выбор типа движителя и передачи в значительной степени определяется также требованиями к тяговым характеристикам и
типом установки.
Расчет элементов валопровода
Валопровод является важнейшим элементом СЭУ. От правильно выбранных его характеристик во многом зависит надежность СЭУ.
При эксплуатации Валопровод подвержен воздействию различных
нагрузок, вызывающих сложные и деформации в его элементах. Он нагружен
крутящим моментом главного двигателя, испытывает усилия от упора гребного
винта. Кроме этого, валопровод испытывает влияние ряда дополнительных и
случайных нагружений, большинство из которых носит переменный или циклически повторяющийся характер (влияние качки, деформация корпуса судна,
неточности монтажа валопровода, неисправность гребного винт, работа его в
косом потоке, удары лопастей о льдины и т.д.)
В начале разрабатываем принципиальную схему устройства валопро-
вода данного судна с указанием основных его элементов: гребного винта, упорного и опорных подшипников, дейдвудного устройства, подшипника кронштейна, тормоза. При необходимости предусматривают отбор мощности на валогенератор.
Затем определяют упор гребного винта приближенно по формуле:
, где: N – мощность на валу, кВТ; V – скорость судна, м/с;
– пропульсивный к.п.д.
По упору винта выбирают упорный подшипник и приводят его характеристики.
Дальнейший расчет валопровода выполняют в следующей последова-
тельности:
– определяют диаметры валов в соответствии с правилами Регистра (Реч-
ного или Морского);
– производят поверочный расчет на прочность гребного вала;
– определяют критическую частоту вращения валопровода при попереч-
ных колебаниях;
– проверяют на продольную устойчивость наиболее длинный пролет ва-
лопровода между опорами.
21
Определение диаметров валов
3
1
4
160
560
d
d
K
Rm
d
r
i
n
N
EW
C
с
ew
с
ew
с
ew
d
i
d
r
d
i
d
kl
1max
k
1
k
1
k
1
nd
kl
2max
Диаметр промежуточного, упорного или гребного вала для судов, имею-
щих класс Российского Речного Регистра должен быть не менее определяемо-
го по формуле:
;
где: Rm= 400÷600 МПа – временное сопротивление материала вала, в случае
если Rm > 600 МПа, в формулу следует подставить Rm = 600 МПа;
К = 130 – для промежуточных валов с кованными фланцами или фланцевыми
бесшпоночными муфтам;
К = 140 – для промежуточных валов со шпоночными муфтами;
К – 142 – для упорных валов в подшипниках качения;
К – 150 ÷ 160 для гребных винтов;
= 1,0 коэффициент усиления для судов без ледового усилия;
= 1,02 коэффициент усилия для ледоколов и судов ледокольного типа;
= 1,05 коэффициент усилия для судов, предназначенных для плавания в би-
том льду;
N – расчетная мощность, передаваемая валом, кВт;
– диаметр осевого отверстия вала, мм;
– действительный диаметр вала, мм;
n – расчетная частота вращения, мин (-1);
Примечание: Данная формула позволяет определить диаметры валов только
при условии
= 0
Промежуточные, упорные и гребные валы должны изготавливаться из ста-
ли с временным сопротивлением от 430 до 690 МПа. Применение сталей с другими характеристиками в каждом случае является предметом специального
рассмотрения Речным Регистром.
При вращения гребного вала n ≤ 350 мин(-1) ориентировочные расстояния
между сменными подшипниками валопровода можно определить по формуле:
где : d – действительный диаметр вала, мм;
– 450 – для подшипников скольжения, смазываемых маслом;
– 280 – для дейдвудных подшипников качения, смазываемых маслом;
– 300 – для дейдвудных и кронштейновых подшипников с водяной смазкой.
При n > 350 мин(-1)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]