Генераторы и преобразователи энергии

2.1. Генераторные агрегаты

Основными источниками электрической энергии на совре­менных судах являются генераторные агрегаты, включающие в себя две машины: приводной (тепловой) двигатель и электро­машинный генератор. Двигатель и генератор устанавливают на общем фундаменте (плите или раме). Валы двигателя и ге­нератора соединяются между собой специальной муфтой или через редуктор.

Генераторный агрегат - одно из наиболее тяжелых и габа­ритных судовых устройств, уступающий только основным эле­ментам главной силовой установки. На современном судне уста­навливается не менее трех-пяти генераторных агрегатов. Поэто­му конструкция и их размещение влияют на размеры и планировку машинного отделения судна

Размещение и установка генераторных агрегатов произво­дится по правилам, направленным на обеспечение необходимой жесткости и прочности корпуса и переборок судна в местах крепления генераторных агрегатов, уменьшение шумности и вибрации при их работе, достаточного удобства эксплуатации и возможности ремонта, уменьшения давлений на подшипники при кренах и дифферентах судна и др.

В генераторном агрегате происходит двойное преобразова­ние энергии: в тепловом приводном двигателе ПД энергия W_T сжигаемого топлива (нефть, мазут, соляровое масло и др.) или пара преобразуется в механическую W_Мех и далее в генераторе G - в электрическую энергию W_3Jl (рис. 2.1).

Двойное преобразование энергии сопровождается значитель­ными ее потерями. Максимальный КПД судового генераторного агрегата не превышает 30%. Большая часть энергии теряется в приводном двигателе.

Генератор, входящий в генераторный агрегат, может быть как постоянного, так и переменного тока. Независимо от вида генератора используется тот или иной тип приводного двигателя. В качестве приводных двигателей на судах применяют дизели, паровые и газовые турбины, паровые машины. Соответственно различают и дизель-генераторы (ДГ), паротурбогенераторы, газотурбогенераторы.

Дизель-генераторы нашли преимущественное применение в СЭЭС благодаря тому, что дизели обладают сравнительно высоким КПД (порядка 30%), постоянно готовы к быстрому запуску (в течение -30 с), автономны в работе, просты в экс­плуатации. Вместе с тем дизели имеют сравнительно малый срок службы (моторесурс быстроходных дизелей, применяемых в качестве приводных двигателей, порядка 10 тыс. ч), неравно­мерный крутящий момент, низкую перегрузочную способность (10...15%) и высокий уровень шума. Низкая перегрузочная способность отрицательно сказывается на динамических харак­теристиках в переходных режимах при внезапных кратковре­менных набросах нагрузки. Неравномерность (пульсации) кру­тящего момента дизеля снижает стабильность напряжения и частоты генераторов и возбуждает колебательные процессы (качания) при параллельной работе ДГ сопровождающиеся вредными обменными колебаниями мощности между агрега­тами.

Парогенераторы были первым типом генераторных агрега­тов, применяемых на судах. Ввиду целого ряда серьезных не­достатков паровых машин - низкий КПД, большие массы, габариты и другие - на современных судах парогенераторы, как правило, не применяются.

Паротурбогенераторы применяют преимущественно в мощ­ных СЭЭС, в частности на судах с атомной главной энергети­ческой установкой, так как с увеличением мощности турбины ее технико-экономические показатели оказываются выше. Паро­вые турбины имеют повышенный срок службы (моторесурс по­рядка 20 тыс. ч), равномерный крутящий момент, высокую перегрузочную способность (~20%). К числу недостатков турбин как приводных двигателей генераторов относятся: большая частота вращения (возникает необходимость в дополнительном редукторе между турбиной и генератором), более низкий (по сравнению с дизелями) КПД, большое время запуска (до 20 мин и выше) и необходимость в квалифицированном обслу­живании.

Газотурбогенераторы получают все более широкое распро­странение на судах. Газовые турбины сочетают в себе достоин­ства дизелей и паровых турбин: компактны, обладают относи­тельно высоким КПД (до 30%) и большим сроком службы, характеризуются равномерностью вращающего момента и большой перегрузочной способностью, автономны в работе, имеют малое время запуска. К недостаткам газовых турбин относятся: повышенная шумность, сравнительно высокий удель­ный расход топлива, большая частота вращения.

По своему назначению генераторные агрегаты делятся на следующие:

главные, входящие в состав ГЭУ;

вспомогательные, осуществляющие питание судовых потре­бителей электроэнергии в нормальных режимах работы СЭЭС;

аварийные, обеспечивающие питание жизненно важных пот­ребителей в аварийных ситуациях;

стояночные, предназначенные для питания судового электрооборудования во время стоянки судна.

При проектировании судна типы главных генераторных агрегатов выбираются с учетом их характеристик технических свойств и особенностей условий и режимов работы судна.

Выбор типа вспомогательных генераторных агрегатов зави­сит от принятого типа пропульсивной установки и определяется соображениями надежности, экономичности и удобства эксплуа­тации СЭЭС.

Вспомогательные генераторные агрегаты могут также при­водиться в действие от вала главного двигателя. Такие генера­торы называются валогенераторами.

В аварийных генераторных агрегатах всегда используются дизели, обеспечивающие необходимую быстроту запуска и авто­номность работы. В качестве стояночных агрегатов обычно используют ДГ.

С точки зрения удобства обслуживания и ремонта, большей совместимости в режиме параллельной работы целесообразно в составе судовой электростанции иметь одинаковые генератор­ные агрегаты.