1.2.6Атомные судовые установки

В российском гражданском флоте готовы к эксплуатации семь ледокольных судов с атомными СЭУ. Первым был построен и введён в эксплуатацию в 1959 году ледокол «Ленин», который несколько десятилетий трудился на проводке судов по Северному морскому пути. Тепловая мощность парогенераторов этого атомохода составляла 280 МВт, а эффективная мощность, передаваемая на гребные винты, была равна 30 МВт.

В одно время с атомоходом «Ленин» на морях работало несколько зарубежных гражданских судов с атомными установками: американский сухогруз «Саванна» грузоподъёмностью 20000 тонн, немецкое исследовательское судно-рудовоз «Отто Ган» и японское учебно-транспортное судно «Муцу».

Рис. 1.11 Схема атомной установки

В настоящее время в составе российского флота числятся четыре атомных ледокола типа «Арктика» и два ледокола с уменьшенной осадкой типа «Вайгач». Кроме того, в составе флота есть уникальное судно – лихтеровоз «Главсевморпуть», предназначенное для перевозки к северным районам груженых лихтеров – барж грузоподъёмностью около 1000т. Все эти корабли имеют эффективную мощность от 29 до 50 МВт.

На всех отечественных атомоходах установлены водоводяные реакторы типа ВВР, работающие на уране-238, обогащенном до 5% ураном-235. Одной заправки реактора (около 30 т) достаточно для работы СЭУ в течение года.

Атомная судовая установка (Рис. 1 .11) работает по пароводяному циклу Ренкина. Функции котла выполняет атомный реактор АР, в котором тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) контактируют с водой, выполняющей роль теплоносителя и замедлителя нейтронов. Уровень ядерного деления в реакторе поддерживается с помощью специальной системы регулирования (на схеме не показана).

Вода в реакторе находится под давлением около 20 МПа, что позволяет нагревать её без кипения до 320-330 ºС. Горячая вода циркуляционным насосом подаётся в парогенератор ПГ, где передаёт теплоту во второй водяной контур. Давление во втором контуре составляет 3-4 МПа, и вода здесь вскипает, в результате чего образуется перегретый пар с температурой около 300-310 ºС. Этот пар поступает в турбину ПТ, откуда затем – в конденсатор КН и питательный насос ПН. Термодинамический цикл, осуществляемый во втором контуре, по принципиальным параметрам не отличается от цикла обычной паротурбинной установки.

Вся атомная судовая установка защищена экраном биологической защиты.

Кроме главной установки СЭУ атомохода имеет вспомогательные паротурбинные установки для привода электрогенераторов, аварийные дизель-генераторы и котлы, работающие на жидком углеводородном топливе.

Ограниченность применения кораблей с ядерными энергетическими установками во многом связано с тем, что порты многих стран (Японии, Южной Кореи, Австралии и др) закрыты для этих судов. С восстановлением северных перевозок в ближайшие десятилетия следует ожидать интенсивного использования атомоходов на внутренних арктических линиях.

1.2.7Реверсирование в главных сэу

Рис. 1.12 Схема реверсирования ГТУ с использование турбин заднего хода

В дизельных СЭУ применяются следующие способы реверсирования гребных винтов:

• использование реверсивных двигателей, изменение направления вращения коленчатого вала которых предусмотрено конструкцией самих дизелей; при реверсировании двигатель останавливают, меняют положение механизма газораспределения, и запускают дизель в противоположном направлении вращения;

• применение реверс-редукторов или реверсивных муфт, когда направление вращения коленчатого вала дизеля остаётся неизменным, а меняется направление вращения выходного вала редуктора или муфты, который соединён с валопроводом; чтобы процесс реверсирования происходил без остановки дизеля, реверс-редукторы обычно снабжают разобщительной муфтой, которая устанавливается между коленчатым валом и ведомым валом редуктора;

• использование электрических передач, когда дизель вращает электрогенератор постоянного или переменного тока, а гребной вал приводится от электродвигателя; в более экономичных передачах переменного тока изменение направления вращения валопровода осуществляется при переключении двух из трёх питающих линий, а в системах постоянного тока для реверсирования электромотора достаточно изменить полярность в цепи ротора или статора;

• применение гидравлических передач, в которых дизель приводит в действие высоконапорный насос, передавая энергию жидкости, а затем эта жидкость вращает реверсивный гидромотор, связанный с валопроводом;

• использование гребных винтов регулируемого шага (ВРШ)

Рис. 1.13 Схема реверсирования ГТУ с использованием в качестве турбины заднего хода компрессорной турбины

В газотурбинных и газотурбинных установках также применяются реверс-редукторные, электрические и гидравлические системы реверсирования гребного вала, а также ВРШ. Кроме того, в этих двигателях применяются особые способы изменения вращения выходного вала: с помощью турбин заднего хода, с использованием в качестве турбины заднего хода компрессорной турбины и применением двухярусных лопаток в пропульсивных турбинах.

В первом случае (схема дана на Рис. 1 .12 в ГТД с компрессорной турбиной КТ, камерой сгорания КС, регенератором РГ и компрессором КН гребной винт ВГ через уменьшающую редукторную передачу РП и валопровод на передний ход приводит в действие соответствующая турбина переднего хода ТПХ, на которую подаётся газ через поворотную диафрагму ПД1. При реверсировании диафрагмой ПД1 перекрывается доступ газа к турбине переднего хода и поворотной диафрагмой ПД2 газовый поток направляется в турбину заднего хода ТЗХ.

Рис. 1.14 Устройство двухъярусных лопаток

Конструкции установок с турбинами заднего хода более сложные и дорогие. Вращение турбины переднего хода при реверсировании, так же как и вращение турбины заднего хода при прямой работе, приводит к снижению общего кпд установки из-за вихревых потоков в неработающих турбинах.

На Рис. 1 .13 представлена схема ГТД , в которой компрессорная турбина КТ выполняет роль турбины заднего хода. При работе на передний ход клапаном КЛ газовый поток после компрессорной турбины направлен в пропульсивную турбину ПТ. Муфта МФ при этом разобщает валы компрессорной и пропульсивной турбин. При реверсировании клапаном КЛ перекрывается подача газа на пропульсивную турбину, а муфтой МФ соединяются валы турбин. Компрессорная турбина вращается в направлении обратном вращению пропульсивной турбины и через редуктор РП передаёт вращение валопроводу.

Эта достаточно простая схема реверсирования имеет ряд недостатков. Так как профиль турбинных лопаток рассчитывается на определённый режим работы установки, компрессорная турбина при работе при реверсировании работает не в оптимальном режиме и, соответственно, с низким кпд. Кроме того, мощность, которая передаётся от этой турбины на гребной винт составляет обычно не больше 30% от мощности переднего хода, что осложняет условия маневрирования судна.

На Рис. 1 .14 показано устройство двухярусных лопаток с противоположным профилем. Изменение направление вращения ротора турбины достигается переключением подачи газа или пара из одного яруса в другой. Между ярусами предусмотрено устройство герметизации. Обычно нижний ярус определяет движение ротора на передний ход, а верхний – на задний ход. К недостаткам турбин с двухярусными лопатками относится их повышенная стоимость из-за усложнения конструкции ротора и статора, а также снижение кпд из-за перетекания газа или пара из одного яруса в другой и вихреобразования между лопатками в неработающем ярусе.