СЭУ, Модуль 3.3., Чистяков А.Ю., 06.11.10

Судовые энергетические установки

Модуль 3.3.

3.3.1. Главные передачи. Объемные гидростатические передачи

Объемные гидростатические передачи применяют в СЭУ в тех случаях когда установка должна работать в условиях частого маневрирования (паромы, буксиры, катера и т.д.). При этом исключается протяженная линия вала, заменяемая магистральным трубопроводом с рабочей жидкостью. Гидростатическая передача состоит из насоса объемного типа, гидромотора и трубопроводов, соединяющих их. Гидромоторы и насосы обычно выполняются в виде однотипных многопоршневых механизмов с регулированием частоты вращения движителя за счет изменения расхода рабочей жидкости, подаваемой к гидромотору. В качестве насосов и гидродвигателей наиболее часто используются радиально-поршневые, аксиально-поршневые и пластинчатые гидромашины переменной производительности. Принцип действия гидравлических машин переменной производительности основан на регулировании хода рабочего органа (плунжера, поршня или пластины). При смещении вала относительно нейтрального положения, при котором производительность гидромашины равна нулю, происходит изменение величины хода рабочего органа и, соответственно, изменение объема перекачиваемой за один оборот вала жидкости. Схемы гидравлических машин (насосов и гидромоторов) переменной производительности и принцип их действия показаны на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Гидравлические машины переменной производительности

Принципиальная схема гидростатической передачи показана на рис. 3.3.2. Двигатель приводит в действие насос переменной производительности. Рабочая жидкость по напорному трубопроводу поступает в гидромотор, связанный коротким гребным валом с движителем судна. Обороты гребного вала регулируются расходом рабочей жидкости в трубопроводе передачи. После гидромотора рабочая жидкость по сливному трубопроводу возвращается на всасывание насоса. Для обеспечения тепловых расширений рабочей жидкости при работе передачи, в системе может устанавливаться расширительный бак, являющийся одновременно цистерной для хранения рабочей жидкости.

Рис. 3.3.2. Схема гидростатической передачи

ГД – главный двигатель; Н – насос; ГМ – гидромотор; ГУП – главный упорный подшипник; Б – расширительный бак с рабочей жидкостью

КПД гидростатической передачи составляет 0,83—0,88 и мало изменяется на режимах частичных нагрузок

3.3.2. Главные передачи. Электрические передачи

Электрические передачи осуществляют двойное преобразова­ние энергии: механическая энергия ГД преобразуется в электри­ческую в электрогенераторах, которая передается гребным элект­родвигателям, преобразующим ее в механическую энергию греб­ного вала и винта. Большие потери энергии при этом можно не­сколько сократить уменьшением длины валопровода и числа его опорных подшипников (последние два фактора являются досто­инствами электропередачи).

Такая передача проста и подобна гидростатической с греб­ным гидромотором (вместо трубопровода — электросеть).

Электропередачи бывают на постоянном и переменном токе, а также комбинированными: с генераторами переменного тока, электродвигателями постоянного тока и безмашинными статическими преобразователями переменного тока в постоянный. В за­висимости от типа ГД различают дизель-электрические и турбо- электрические установки.

В зависимости от типа и назначения судна, особенностей его устройства, типа ГД электрическая передача позволяет использо­вать мощность нескольких многооборотных главных турбо- или дизель-генераторов для привода одного или нескольких малообо­ротных гребных электродвигателей (ГЭД). Это повышает надежность СЭУ и позволяет применять высоко- и среднеоборотные нереверсивные первичные двигатели. Благодаря отсутствию механической связи между главными электрогенераторами и ГЭД их частоту вращения можно выби­рать оптимальной, а первичные ГД в этом случае защищены от внешних (ударных и других) воздействий со стороны гребного винта.

Возможность использования главных генераторов для пита­ния других электропотребителей судна — еще одно достоинство электропередач.

Важным положительным свойством электропередачи постоян­ного тока является наиболее благоприятное для привода ВФШ преобразование момента и частоты вращения вала первичных ГД независимо от их типа. Такая электропередача может саморегу­лироваться по вращающему моменту при изменяющемся сопротив­лении движению судна. Двигатели постоянного тока обеспечи­вают увеличение момента при уменьшении частоты вращения вплоть до полной их остановки с использованием при этом полной мощности генераторов и первичных ГД.

Электропередачи на постоянном токе имеют высокие манев­ренные качества, самый быстрый по сравнению с передачами дру­гих типов реверс, высокие пусковые моменты; полное заторма­живание гребного винта (прекращение вращения) при использо­вании такой передачи осуществляется в течение 5—16 с, а выбег судна при его номинальной начальной скорости обычно не превы­шает 6—7 длин корпуса. Подобные характеристики наиболее бла­гоприятны для судов с высокой маневренностью.

Пропульсивные установки с электропередачами постоянного тока управляются легко и просто. Реверс и управление ГЭД про­изводятся путем управления системой возбуждения генераторов, в которой используются токи сравнительно небольшой силы. Это важное преимущество передач постоянного тока, позволяющее создать гибкую систему дистанционного управления.

Электропередачам свойственны и недостатки: сравнительно низкий КПД (произведение КПД генератора, электросети и дви­гателя; 0,84—0,88 для постоянного тока и 0,88—0,93 для пере­менного); значительные массы (для передач постоянного тока в 1,5 раза большие, чем для переменного), увеличенные габариты и значительная стоимость электродвигателей и генераторов; мень­шая надежность машин постоянного тока по сравнению с ма­шинами переменного тока; жесткость для ВФШ нагрузочно-скоростных характеристик ГЭД переменного тока (их применяют с ВФШ); прямая зависимость в передачах переменного тока ча­стоты вращения ГЭД от частоты вращения первичных двигате­лей; уменьшение частоты вращения ГЭД приводит при этом к уменьшению мощности, развиваемой ПУ.

Как видно, электропередачи переменного тока лишены наи­более важного достоинства, присущего передачам постоянного тока, — улучшенных тяговых характеристик ЭУ и маневренных характеристик судна. Кроме того, необходимость изменения ча­стоты вращения первичных двигателей для изменения частоты вращения ГЭД и возможность осуществления реверса только за счет переключений в цепях главного тока значительно усложняет систему управления передачами переменного тока. В связи с этим электропередачи постоянного тока применяют на судах, где тре­буются частое изменение скорости и режимов работы с измене­нием мощности (ледоколы, транспортные суда ледового плава­ния, отдельные буксирные и морские рыбопромысловые суда), а электропередачи переменного тока — на судах, движители кото­рых большую часть времени работают на постоянных режимах без изменения скорости, а также на других судах в сочетании с ВРШ.

Поскольку генераторы переменного тока проще по конструк­ции, меньше по габаритам, имеют более высокий КПД и более удобны в эксплуатации, чем генераторы постоянного тока, в по­следнее время все шире начинают применять комбинированные электропередачи с генераторами переменного тока и ГЭД посто­янного тока. Однако для них требуются преобразователи тока, что снижает экономичность и увеличивает массу и габариты СЭУ.