Реферат Типы, состав и размещение судовых энергетических установок
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
I
Типы, состав и размещение судовых энергетических установок
Судовая энергетическая установка представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных механизмов, теплообменных аппаратов, устройств и трубопроводов, предназначенных для обеспечения движения судна с заданной скоростью, а также для снабжения энергией различных механизмов, систем, устройств и т. п.
Основная часть вырабатываемой судовой энергетической установкой энергии расходуется на перемещение судна по воде под действием упора, создаваемого работой судового движителя (гребного винта, гребного колеса, крыльчатого движителя и т. д.), который приводится в движение главным судовым двигателем.
На судах применяют в основном двигатели, в которых механическая энергия вырабатывается в результате преобразования тепловой энергии, образующейся при сжигании топлива. В зависимости от используемой рабочей среды такие двигатели, называемые тепловыми, подразделяют на две основные группы — паровые и двигатели внутреннего сгорания.
Паровые двигатели — паровые турбины и машины (на старых судах) — используют энергию пара, который образуется в паровых котлах при сжигании топлива в их топках.
Двигатели внутреннего сгорания используют энергию газов, эбразующихся при сгорании топлива в самих двигателях. К этой группе относятся также газовые турбины, которые используют энергию газов, образующихся при сгорании топлива в специальных камерах или генераторах газа.
В зависимости от способа превращения тепловой энергии в механическую в двигателях последние подразделяют на следующие гипы: поршневые, у которых возвратно-поступательное движение юршней под давлением рабочей силы преобразуется во враща-гельное движение вала; турбинные — вал вращается под действием скоростного потока частиц пара или газа, воздействую-цего на лопатки насаженного на вал рабочего колеса; реактивные, у которых тяга создается под влиянием реакции струи газов, вытекающей из сопла двигателя.
На современных судах устанавливают следующие типы главных двигателей: двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, газовые турбины. Каждому типу соответствует свой способ передачи крутящего момента от главного двигателя к греб-юму валу.
Прямая передача от главного двигателя к гребному валу осуществляется при использовании малооборотных судовых дизелей. При средне- и высокооборотных дизелях вращение гребному валу передается с помощью зубчатой передачи — редуктора. Редукторную передачу применяют также в паротурбинных установках (ПТУ) (при этом турбина делает 5000—6000 об/мин, а гребной вал — 80—200 об/мин), а также в установках из нескольких любых двигателей, работающих на один гребной вал (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Дизель-редукторная установка (два двигателя внутреннего сгорания работают через редуктор на один вал)
На гражданских судах наибольшее распространение получили дизельные и паротурбинные установки. Первые применяют почти на всех новых судах с мощностью энергетической установки до 20 000—30 000 кВт. Паротурбинные установки целесообразно использовать при мощностях от 15 000—18 000 до 30 000— 38 000 кВт на один вал, однако в связи с созданием мощных экономичных дизелей, а также резким ростом цен на топливо, число паровых турбин даже на крупных морских судах существенно сократилось. В
На некоторых судах, которые должны обладать повышенной маневренностью — ледоколах, паромах, плавучих кранах, портовых буксирах, — используют установки с электродвижением; гребные винты вращаются гребными электродвигателями, которые питаются электрическим током от генераторов, имеющих в качестве первичного двигателя дизель, паровую или газовую турбины. Такие суда называют соответственно дизель-электроходами, турбоэлектроходами или газотурбоэлектроходами.
Бурное развитие атомной энергетики и успехи применения атомной энергии в мирных целях привели к созданию нового типа судовой энергетической установки, отличающейся от обычной паротурбинной или турбоэлектрической тем, что рабочая среда — пар — вырабатывается не в котле, а в специальном аппарате (парогенераторе), который использует тепло, образующееся в результате ядерной реакции, протекающей в реакторе.
Судовая энергетическая установка должна быть компактной, легкой и экономичной, т. е. расходовать возможно меньше топлива на единицу мощности в час и потреблять наиболее дешевое топливо. Одним из главных требований, предъявляемых к судовой установке, является высокая надежность в работе и большой моторесурс — продолжительность работы без капитального ремонта.
По экономичности первое место занимают дизельные установки, у которых удельный расход топлива не превышает 180— 220 г/(кВт • ч). Однако дизельные установки тяжелы (100—120 г/кВт) и громоздки (длина МКО, в которых их размещают, должна составлять 14—16 % длины судна). ПТУ, наоборот, значительно легче дизельных (60—75 г/кВт) и компактнее (длина МКО составляет лишь 11—12,5 % длины судна), но они менее экономичны, так как удельный расход топлива у них 280—320 г/(кВт-ч), а у современных ПТУ большой мощности —245—260 г/(кВт-ч). Поэтому при выборе типа энергетической установки следует учитывать, что даст большую экономию в массе – сама энергетическая установка или запасы топлива для нее. Наиболее высоким моторесурсом отличаются ПТУ — 100 000—150 000 ч до капитального ремонта.
Рис. 9.2. Общее расположение механизмов в машинно-котельном отделении турбинного танкера.
/ — испаритель; 2 — питательный электронасос; 3 — питательный турбонасос; 4 — редуктор; 5 — главный конденсатор; 6 — турбина низкого давления; 7 — турбина высокого давления; 8 — главные охлаждающие насосы; 9 — деаэратор; 10 — турбогенераторы; // — грузовые насосы; 12 — вспомогательный конденсатор; 13 — дизель-генератор; 14 — главный пульт управления; 15 — воздухоподогреватель; 16 — главный котел
ГТУ легче, компактнее (объем МКО уменьшается на 40— 50 %), они (в сочетании с теплоутилизационными приставками) потребляют еще меньше топлива, чем ПТУ, поэтому их считают наиболее перспективными для применения на тех транспортных судах, для которых наиболее важен выигрыш в использовании объемов (суда типа «ро-ро», контейнеровозы и т. п.), особенно если удастся устранить их главные недостатки — высокую шум-ность и малый моторесурс (20 000—25 000 ч). Преимуществом дизельных установок является их способность к реверсу, т. е изменению направления вращения вала. У ПТУ и ГТУ для этой цели приходится предусматривать турбину заднего хода или применять гребной винт регулируемого шага (ВРШ).
В состав каждой энергетической установки входят: главный двигатель—для создания необходимой мощности, которая обеспечивает судну заданную скорость; движитель —для преобразования энергии вращения двигателя в упор, приложенный к судну; валопровод — для передачи мощности от главного двигателя к движителю (если главный двигатель имеет большее число оборотов, чем движитель, между последним и валопроводом устанавливают понижающий редуктор); вспомогательные механизмы для обеспечения судна электроэнергией, паром для бытовых нужд, опресненной водой и пр.
Энергетическую установку размещают на судне в специальных помещениях, которые называются отделениями. В зависимости от типа установки различают: котельные отделения, в которых размещают главные котлы с обслуживающими их механизмами; машинные отделения, в которых располагают главные двигатели с обслуживающими их механизмами; отделения вспомогательных механизмов, в которых размещают механизмы судовой электростанции, испарительные установки, рефрижераторные установки и пр.
На большинстве гражданских судов все отделения энергетической установки находятся в одном водонепроницаемом отсеке (рис. 9.2) и только на очень крупных судах, например на океанских пассажирских лайнерах, — в нескольких отсеках.
Чаще всего ее располагают в кормовой части судна либо в корму от середины судна и, реже, в средней части.
Паровые котлы и котельные установки
Паровые котлы устанавливают на судах для превращения воды в пар за счет тепла, выделяющегося при сжигании топлива. В зависимости от назначения судовые котлы подразделяют на главные, вырабатывающие пар для главных и вспомогательных механизмов, и вспомогательные, обеспечивающие паром систему отопления, камбуз, баню, прачечную и т. п., а также вспомогательные механизмы во время стоянки.
На пароходах вспомогательные котлы действуют только на стоянках (иногда вместо вспомогательного работает один из главных), на теплоходах — в течение всего рейса.
Судовые котлы работают в основном на жидком топливе. Каждый паровой котел состоит из корпуса, топки и газоходов. В корпусе находится вода и пар (внизу водяное, выше — паровое пространство). Поверхность котла, обогреваемая с одной стороны горячими газами, а с другой омываемая водой, называется поверхностью нагрева. Топка служит для сжигания топлива, газоходы — для движения горячих дымовых газов из котла в дымовую трубу.
Паровые котлы характеризуются: площадью поверхности нагрева; паропроизводительностью — количеством пара, вырабатываемого в течение одного часа; рабочим давлением и температурой перегрева пара — основными параметрами пара, производимого котлом *; удельным паросъемом — отношением паропроизводи тельности к площади поверхности нагрева; коэффициентом полезного действия КПД—отношением полезно использованной теплоты (израсходованной на получение пара) ко всей теплоте, которое отдало сгоревшее в топке топливо.
В зависимости от того, как обтекают горячие газы поверхность нагрева, котлы подразделяют на огнетрубные, водотрубные и комбинированные.
В огнетрубных котлах горячие дымовые газы движутся внутри дымогарных труб и камер, омываемых водой. В водотрубных котлах, наоборот, горячие газы омывают
снаружи трубки, внутри которых находится вода. В комбинированных котлах часть труб служит для прохода горячих газов, а часть омывается газами снаружи. В зависимости от принятого принципа циркуляции различают котлы с естественной и с принудительной циркуляцией воды. Огнетрубные котлы относятся к котлам с естественной циркуляцией. В водотрубных котлах предусматривается либо естественная, либо принудительная циркуляция. Если при принудительной циркуляции вода только один раз проходит по трубкам и полностью испаряется, то такой котел называют прямоточным. Огнетрубные котлы имеют невысокую паропроизводительность (5—6 т/ч), низкий КПД (70—75 %), большие габариты и массу, поэтому они сейчас встречаются только на судах внутреннего плавания старой постройки. На современных пароходах устанавливают только водотрубные котлы.
В водотрубных котлах находящаяся в трубках вода нагревается омывающими их горячими дымовыми газами, которые образуются в топке, и превращается в пар. Чтобы процесс парообразования протекал непрерывно, в трубки все время должна поступать вода. Это обеспечивается естественной или принудительной циркуляцией воды. Естественная циркуляция воды в трубках происходит по схеме, показанной на рис. 9.3.
| |
Рис. 9.3. Схема циркуляции воды в трубках водотрубного котла.
1 — водяной коллектор; 2 — пароводяной коллектор; 3 — подъемная трубка; 4 — спускная трубка
Нагреваемая горячими дымовыми газами вода, находящаяся в подъемной трубке, поднимается в верхний пароводяной коллектор, одновременно с этим по спускной трубке холодная вода опускается в нижний водяной коллектор. Так устанавливается непрерывное движение воды: по подъемной трубке вверх, по спускной — вниз. По мере нагревания вода в подъемной трубке превращается в пар, который поступает в паровой коллектор, оттуда в пароперегреватель и затем к потребителям.
Рис. 9.4. Вертикально-водотрубный двухбарабанный котел. ; _ водяной коллектор; 2 — подъемные водогрейные трубки; 3 — трубки пароперегревателя; 4 — спускные водогрейные трубки; 5 — водоподогреватель; б — дымоход; 7 — пароводяной коллектор; 8 — осевые линии мазутных топок
Водотрубные котлы бывают с малонаклонными трубками — горизонтально-водотрубные (секционные) и с крутонаклонными трубками — вертикально-водотрубные.Наиболее распространены на судах вертикально-водотрубные котлы (рис. 9.4). Они состоят из одного-двух нижних водяных коллекторов и одного верхнего — парового. Водогрейные трубки расположены под углом 35—75° к горизонту. Во время работы котла нижние водяные коллекторы и половина верхнего наполнены водой. Горячие дымовые газы, образующиеся в топке при сжигании мазута, омывают нижние пучки водогрейных трубок, трубки пароперегревателя, расположенные между рядами водогрейных трубок, задние пучки водогрейных трубок, а также подогреватель питательной воды (водяной экономайзер) и воздуха и выходят через дымоходы и дымовую трубу в атмосферу. Эти котлы имеют высокий КПД (до 93 %), большую производительность и меньшую массу, чем секционные. Они позволяют получать пар давлением 4,5—10,0 МПа (45— 100 кгс/см2) с температурой перегрева 470—540 °С (на крупнотоннажных танкерах параметры пара котельной установки — 8,0 МПа (80 кгс/см2); 515 °С).
Для работы любого котла к нему нужно подвести топливо, питательную воду и воздух, необходимый для горения. Все это обеспечивается топливной, питательной и воздухоподающей системами, которые вместе с котлом, паропроводами и дымоходом образуют котельную установку (рис. 9.5).
| |
Рис. 9.5. Судовая котельная установка: I — котел; II —топливная система; III — питательная система.
1 — топливная цистерна; 2 — топливный фильтр грубой очистки; 3 — топливный насос; 4 — подогреватель топлива; 5 — топливный фильтр тонкой очистки; 6 — цистерна питательной воды; 7 — деаэратор; 8 — турбопитательный насос; 9 — водоподо-греватель; 10 — экономайзер котла; // — воздухоподогреватель; 12 — котельный вентилятор; 13 — паровой коллектор котла; 14 — пароперегреватель; 15 — воздухопровод; 16 — форсунки
Топливная система состоит из топливных цистерн, фильтров, топливных насосов, подогревателей топлива, трубопроводов. В качестве топливных насосов используют поршневые, шестеренные турбо- или электронасосы. Топливо в топку подается в распыленном виде через распылители — форсунки.
Питательная система подготавливает котельно-питательную воду и подает ее в котел. Она состоит из водяной цистерны, питательных насосов, подогревателей и трубопроводов. Котельные установки, вырабатывающие пар высоких параметров, имеют в составе питательной системы деаэраторы, предназначенные для выделения из воды растворенного в ней кислорода. Это необходимо для того, чтобы избыток кислорода не увеличивал коррозию (ржавление) внутренних поверхностей котла. Питательные насосы бывают поршневыми (для котлов низкого давления) и центробежными — с электро- или турбоприводом.
Воздухоподающая система подает воздух, необходимый для процесса горения топлива, в топку специальными котельными вентиляторами (с турбо- или электроприводом). Горячие дымовые газы, пройдя котел, удаляются в атмосферу через дымоходы и дымовую трубу.
Паропроводы, состоящие из труб и арматуры, служат для отвода пара от котлов к потребителям.
Вспомогательные котлы устанавливают на судах для обеспечения паром бытовых потребителей. Они имеют небольшую по сравнению с главными котлами паропроизводитель-ность (1—5 т/ч) и невысокие параметры пара (давление—до 1,0 МПа (10 кгс/см2), температура—до 200°). Исключение составляют вспомогательные котлы дизельных танкеров, обеспечивающие при необходимости паром привод грузовых насосов, палубных механизмов, а также обогрев груза и пропаривание грузовых танков: их производительность достигает 25—30 т/ч, а давление пара — 2,5—28 МПа (25—280 кгс/см2). КПД вспомогательных котлов —70—80 %. На современных судах используют главные и вспомогательные котлы, у которых управление процессами питания и горения автоматизировано.
Утилизационные котлы, использующие тепло отработавших газов главного двигателя, применяют на судах с дизельными и газотурбинными энергетическими установками, вследствие чего увеличивается КПД энергетической установки. Их размещают на выхлопном трубопроводе.
Паровые турбины и паротурбинные установки
Паровая турбина представляет собой механизм, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию скоростной струи пара, а затем в механическую работу вращения вала. Выходящая из сопла струя пара воздействует на лопатки и тем самым вращает колесо, а следовательно, и вал (рис. 9.6).
| |
Рис. 9.6. Схема простейшей паровой турбины.
/ — направляющий аппарат (сопло); 2 — вал; 3 — диск; 4 — рабочая лопатка; 5 — струя пара
Паровая турбина (рис. 9.7) состоит из одного или нескольких соединенных колес, насаженных на общий вал с радиально укрепленными на ободе каждого колеса криволинейными рабочими лопатками. В составе каждой турбины имеются ротор — вращающаяся часть — и статор — неподвижная часть, в которой расположены подшипники ротора и направляющий струю пара аппарат. В направляющем аппарате происходит расширение пара, во время которого падает его давление и увеличивается скорость струи.
В зависимости от расположения оси ротора, числа корпусов и принципа работы турбины бывают вертикальные и
горизонтальные однокорпусные и многокорпусные, активные и реактивные.
| |
Рис. 9.7. Продольный разрез турбины; а — высокого давления (ТВД); б — низкого давления (ТНД).
/ — статор с направляющим аппаратом; 2 — ротор; 3 — опорные подшипники; 4 — уплотнения; 5 — упорные подшипники; 6 — диски с рабочими лопатками; 7 — фундаментная рама
Вертикальные турбины в качестве главных двигателей не применяют, их используют для привода к некоторым вспомогательным механизмам — насосам, вентиляторам и пр.
Степень использования энергии пара в турбине зависит от разности давления пара при входе и выходе из нее. Так как уменьшение давления пара связано с увеличением его объема и, следовательно, размеров турбины, паровые турбины мощностью более 3500—7500 кВт изготовляют двух- и трехкорпусными. В многокорпусных турбинах корпуса соединяются последовательно одним паропроводом: пар, проходя через первый корпус —турбину высокого давления (ТВД), снижает давление до некоторой средней величины, затем под этим давлением поступает в следующий корпус—турбину среднего давления (ТСД), а оттуда под еще меньшим давлением — в турбину низкого давления (ТНД). В последнее время для повышения экономичности паротурбинной установки применяют схемы с промежуточным перегревом пара, которые позволяют увеличить КПД на 4—5 %. Экономический КПД паротурбинных установок с обычной схемой без промежуточного перегрева равен 28—31 %.
Если расширение пара и связанное с этим увеличение скорости струи происходит только в неподвижном направляющем аппарате турбины, то турбину называют активной. Если же расширение струи пара происходит также и в рабочем колесе при прохождении пара между лопатками, имеющими в этом случае специальный профиль, то такую турбину называют реактивной.
Особенностью паровой турбины является ее способность вращаться только в одну сторону. Поэтому для обеспечения судну заднего хода (реверса) устанавливают турбину заднего хода, мощность которой составляет 40—50 % мощности турбины переднего хода. Ее размещают либо в отдельном агрегате (на крупных судах), либо на одном валу с турбиной низкого Давления переднего хода в ее же корпусе. Направляя пар в ту или другую турбину, получают передний или задний ход судна. На паротурбинных судах с винтом регулируемого шага (ВРШ), позволяющим изменить ход судна переменной угла поворота лопостей без изменения направления вращения гребного винта, турбину заднего хода не предусматривают (на крупнотоннажных танкерах типа «Крым»).
Паровая турбина является быстроходным механизмом, совершающим до 6000 об/мин. Поэтому, чтобы частота вращения тихоходного винта составляла 80—200 об/мин, необходимо иметь специальную передачу. Чаще всего для этой цели используют зубчатую передачу—зубчатый редуктор, обычно двухступенчатый. Паровая турбина с редуктором образуют главный турбо-зубчатый агрегат (ГТЗА).
Рис. 9.8. Схема ГТЗА с двухкорпусной турбиной и двухступенчатым зубчатым редуктором
Пар из котлов поступает по главному паропроводу в турбину высокого давления (рис. 9.8), из нее по перепускной трубе (ресиверу) в турбину низкого давления и далее в конденсатор. Для регулирования мощности и частоты вращения турбины на паропроводах ставят паровыпускные клапаны, распределяющие поступающий пар по группам сопл. С переднего хода на задний и наоборот переходят, изменяя подвод пара с помощью маневровых клапанов. Кроме того, на пути движения пара от котла к турбине устанавливают стопорный, быстрозапорный и разобщительные клапаны. Для проворачивания турбин и редуктора перед пуском (и систематически во время стоянки — при прокачке масла через подшипники) ГТЗА снабжают валоповоротным устройством с приводом от электродвигателя. Частота вращения вала ГТЗА валоповоротным устройством — около 1 об/мин.
Конденсатор, куда поступает отработавший пар из турбины низкого давления, служит для обратного превращения (конденсации) этого пара в воду путем охлаждения и повторного использования конденсата (воды) для питания главных котлов. Кроме того, благодаря созданию в конденсаторе разрежения (вакуума), увеличивается перепад давлений рабочего пара, что позволяет улучшить использование тепловой энергии пара и увеличить мощность турбины.
На морских судах с паротурбинными установками применяют конденсаторы поверхностного типа, представляющие собой теплообменные аппараты в виде корпуса, внутри которого находятся трубки, прокачиваемые холодной забортной водой с помощью циркуляционного насоса или самопротоком, используя скоростной напор воды от движения судна. Применение самопроточной циркуляции сокращает количество вспомогательных механизмов и повышает на 1—2 % КПД установки. Отработавший пар, поступающий из турбины низкого Давления в корпус конденсатора, омывает трубки с холодной забортной водой и охлаждается, конденсируется и снова превращается в воду. Скапливающуюся в нижней части конденсатора воду откачивают конденсатным насосом в питательную систему главного котла. Обычно главный конденсатор устанавливают непосредственно под турбиной низкого давления.
Для подачи смазки к подшипникам роторов турбины и валов шестерен редуктора предусматривают систему смазки, состоящую из масляных насосов, фильтров, сепаратора, маслоохладителей, сточной цистерны и трубопроводов. Схема общей компоновки паротурбинной установки мощностью 14 000 кВт приведена на рис. 9.9.
В настоящее время в ряде стран проводятся работы, направленные на создание высокоэкономичных ПТУ, способных конкурировать по затратам топлива с дизельными установками. Это достигается применением ПТУ с высокими начальными параметрами пара, промежуточным перегревом пара и подогревом питательной воды, у которых в будущем удельный расход топлива может быть снижен до 225—230 г/(кВт-ч).
Рис. 9.9. Общее расположение механизмов в машинном отделении турбинного танкера «Рихард Зорге».
| |
| |
Двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — это поршневые тепловые двигатели, в которых сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра (рис. 9.10). Рабочим телом в этом случае является смесь газов, образующихся при сгорании топлива. Расширяясь в цилиндре, газы давят на поршень, который, перемещаясь под давлением газов вниз, с помощью шатуна передает движение коленчатому валу; последний преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, передаваемое гребному валу с насаженным на него гребным винтом. В верхней части цилиндра размещается распределительный механизм, состоящий из клапанов с приводами и предназначенный для обеспечения всасывания воздуха и выпуска отработавших газов.
| |
Рис. 9.10. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
/ — цилиндр; 2 — поршень; 3 — впускной клапан; 4 — коромысло; 5 — топливная форсунка; 6 — выпускной клапан; 7 — шток; 8 — распределительный вал; 9 — станина; 10 — коленчатый вал; 11 — судовой фундамент; 12 — фундаментная рама; 13 — шатун
Неподвижная часть ДВС, на которую опираются цилиндры, называется станиной. Станина, в свою очередь, опирается на фундаментную раму. Нижняя часть ста нины вместе с фундаментной рамой образует картер.
Рабочий процесс, совершающийся в цилиндре ДВС, состоит из последовательно сменяющих друг друга процессов: всасывания воздуха в цилиндр, сжатия воздуха в цилиндре, впрыска топлива, воспламенения и расширения горячих газов в цилиндре (рабочий ход) и выхлопа отработавших газов.
Если один рабочий процесс двигателя совершается за четыре хода поршня из одного крайнего положения в другое (сверху вниз и наоборот), то такой двигатель называют четырехтактным (рис. 9.11); если за два хода —двухтактным (рис. 9.12).
| |
рис. 9.11. Схема работы четырехтактного двигателя.
/ _- всасывание воздуха; ц — сжатие (в конце сжатия впрыск и воспламенение топлива); /// — рабочий ход (расширение горючих газов); IV — выхлоп отработавших газов
В двухтактном двигателе процесс выхлопа отработавших газов и всасывания воздуха начинается в конце рабочего хода поршня и заканчивается в начале хода сжатия. Выхлоп отработав ших газов осуществляется через продувочные окна, открываемые поршнем в конце рабочего хода и закрываемые им в начале хода сжатия.
| |
Рис. 9.12. Схема работы Двухтактного двигателя.
в — продувка (выхлоп и всасывание); 16 — сжатие; 1а — впрыск топлива и рабочий ход; Пб — окончание Рабочего хода и продувка
Кроме того, все двигатели внутреннего сгорания подразделяют на двигатели: простого и двойного действия — в зависимости от того, совершается ли рабочий цикл только в верхней полости цилиндра или в обеих полостях; тихоходные и быстроходные — в зависимости от средней скорости движения поршня (менее 6,5 м/с — тихоходные); малооборотные (не более 150—250 об/мин) и среднеоборотные (300—600 об/мин); крейцкопфные и тронко-вые — в зависимости от конструкции шатунного механизма (крейц-копфные двигатели имеют шатун с ползуном, тронковые — не имеют); карбюраторные и дизели — в зависимости от способа воспламенения топлива (у карбюраторных двигателей топливо воспламеняется от электрической искры, у дизелей — самовоспламеняется благодаря повышению температуры воздуха внутри цилиндра от сжатия); компрессорные и бескомпрессорные — в зависимости от способа распыливания топлива; нефтяные, керосиновые, бензиновые, газогенераторные — в зависимости от рода применяемого топлива.
В отличие от паровых турбин ДВС могут реверсироваться, т. е. изменять направление вращения вала, для этого на них предусматривают специальное реверсивное устройство.
Нормальная работа двигателя внутреннего сгорания обеспечивается работой его систем: топливоподающей, смазки, охлаждения и пусковой.
Топливоподающая система ДВС состоит из расходных топливных цистерн, трубопроводов, топливных насосов (дежурных, перекачивающих и насосов высокого давления, подающих топливо через форсунки в цилиндры двигателя), топливных фильтров, сепараторов, подогревателей, измерительных приборов и пр. Топливные перекачивающие и дежурные насосы— поршневого или шестеренного типа; насосы высокого давления — плунжерные или золотниковые.
В судовых дизелях применяют обычно вязкое тяжелое топливо, которое для снижения вязкости необходимо подогревать в специальных подогревателях. Подогрев до 60—70° не только снижает вязкость, но и облегчает удаление из топлива механических примесей и воды, осуществляемое с помощью топливных фильтров и сепараторов. Если для работы двигателя применяют тяжелые сорта топлива, то при запуске и остановке двигателя переходят на легкое дизельное топливо, которое на судне хранят в отдельных запасных и расходных цистернах (около 20 % от общего запаса топлива).
Система смазки обеспечивает подачу масла к движущимся деталям двигателя для уменьшения износа трущихся поверхностей и отвода тепла, выделяемого при трении. В современных судовых двигателях обычно применяют циркуляционную систему смазки низкого давления. Масло, отработавшее в двигателе, стекает в расположенную под ним сточную масляную цистерну, откуда циркуляционным масляным насосом подается в фильтр, холодильник и снова к двигателю.
Система охлаждения служит для охлаждения цилиндров двигателей, нагревающихся от сгорания в них топлива и от трения движущихся в них поршней. В качестве охлаждающей жидкости чаще всего применяют воду, реже, масло (главным образом, для охлаждения головок поршней). Система охлаждения бывает проточной (забортной водой) и замкнутой (пресной водой). Последнюю применяют чаще, так как охлаждаемые полости не загрязняются, но она сложнее и дороже в эксплуатации. Для подачи воды используют центробежные и поршневые насосы. Автоматическое поддержание постоянной температуры охлаждающей воды (70—80°) осуществляется прибором — термостатом.
Для запуска двигателя имеется специальная пусковая система. Быстроходные двигатели небольшой мощности запускаются с помощью электродвигателя — стартера; большие мощные малооборотные двигатели пускают в ход сжатым воздухом, подаваемым из баллонов в цилиндры двигателя через делительное устройство.
ДВС имеют в нашей стране единую систему маркировки, определяющую основные конструктивные признаки типа двигателя. Применяемые для маркировки буквы обозначают: Д — двухтактный; ДД — двухтактный двойного действия; Ч — четырехтактный; К — крейцкопфный (двигатель с ползуном); Р — реверсивный; Н—с наддувом*; С — судовой с реверсивной муфтой; П — с редуктором.
Если в марке отсутствует буква К, значит, двигатель тронковый, а если нет буквы Р, то нереверсивный. Цифра в конце марки обозначает степень наддува выше первой. В начале марки ставят цифру, означающую число цилиндров, в конце — дробь, числитель которой обозначает диаметр цилиндра в сантиметрах, знаменатель — ход поршня в сантиметрах. Например, двигатель 8ДР 43/61 — восьмицилиндровый двухтактный тронковый реверсивный с диаметром цилиндра
К преимуществам судовых ДВС по сравнению с паровыми турбинами следует отнести: более высокий КПД (35—45 %), постоянную готовность к действию, меньший расход топлива на 1 кВт и относительно низкую температуру в МКО; кроме того ДВС позволяют осуществлять прямую передачу вращения от вала двигателя к винту (при применении малооборотных дизелей).
Рис. 9.15. Схема компоновки машинного отделения с малооборотным дизелем. / — утилизационный котел; 2 — вспомогательный котел; 3 — испаритель; 4 — главный двигатель; 5 — валопровод; 6 — запасной гребной вал; 7 — главный распределительный щит; 8 — дизель-генераторы; 9 — пост управления главным двигателем; 10 — осушительный насос; // — масляные электронасосы; 12 — масляные фильтры; 13 — маслоохладители; 14 — маслоочистители; 15 — насосы пресной и забортной охлаждающей воды; 16 — охладители пресной воды; 17 — баллон пускового воздуха; 18 — топливо-перекачивающие насосы; 19 — сепараторы топлива
КПД энергетических установок с ДВС может быть повышен путем наиболее полного использования тепла отходящих газов. Для этого на установках большой мощности, у которых теплосодержание отходящих газов довольно значительно, на выхлопном трубопроводе размещают утилизационный котел (см. рис. 9.15), а также используют тепло охлаждающей воды главного двигателя в опреснительной установке.
Однако ДВС присущи и недостатки: относительно высокая стоимость потребляемого топлива и смазки, сложность конструкции, большая масса и неспособность к длительной работе с перегрузкой, меньший, чем у паросиловых установок, моторесурс и сложность ремонта, более высокая стоимость установки. Кроме того, при работе судовых ДВС возникает значительный шум и вибрация.
На современных крупных морских судах наибольшее распространение получили малооборотные двухтактные крейцкопфные реверсивные двигатели , обладающие большой цилиндровой мощностью (от 400 до 3000 кВт в одном цилиндре), низким удельным расходом топлива (170—200 г/кВт-ч) и большим моторесурсом (до 60 000—80 000 ч).
Рис. 9.16. Поперечный разрез среднеоборотного четырехтактного тронкового двигателя внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров
Схема общей компоновки судовой энергетической установки с малооборотным дизелем приведена на рис. 9.15.
Агрегатная мощность современных малооборотных двухтактных дизелей достигает 20 000—30 000 кВт (до 1500—3000 кВт в одном цилиндре).
Наряду с малооборотными двухтактными дизелями в качестве главных двигателей на крупных транспортных судах широкое распространение постепенно получают среднеоборотные четырехтактные двигатели с частотой вращения вала 300—600 об/мин и агрегатной мощностью 7000—11 000 кВт (до 12—18 цилиндров в одном агрегате), работающие через редуктор на гребной вал (рис. 9.16).
Для обеспечения мощности, превышающей максимальную агрегатную (до 35 000 кВт), применяют многомашинные установки. Среднеоборотные дизели работают на тяжелом топливе и имеют практически одинаковый с малооборотным удельный расход топлива. Среднеоборотные двигатели обладают определенными преимуществами перед малооборотными: габариты МКО, особенно его высота и длина, меньше, удельный вес установки в 1,2—1,5 раза ниже. Кроме того, благодаря редуктору можно выбирать такую частоту вращения гребного вала, которая позволяет использовать гребной винт с наибольшим КПД.
Установку со среднеоборотными дизелями компонуют обычно из нескольких агрегатов , поэтому при неисправности одного из них его можно отключить и ремонтировать на ходу судна, что также является несомненным преимуществом.
К недостаткам среднеоборотных двигателей относятся: меньший моторесурс (25 000—30 000 ч), меньший механический КПД установки (из-за потерь в редукторе), более высокая стоимость (из-за применения редуктора и муфт), повышенный уровень шума в МКО.
Газовые
турбины
и
газотурбинные
установки
Газовая турбина представляет собой двигатель, в котором сочетаются преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. В отличие от паровой турбины рабочим телом здесь является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС энергия рабочего тела превращается в механическую энергию вращения вала не в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, а путем вращения колеса турбины под действием скоростной струи газов, вытекающих из сопла.
Газовая турбина, как и паровая, — это нереверсивный механизм, поэтому для реверса в газотурбинных установках необходимо предусматривать турбину заднего хода или другое какое-либо устройство, например винт регулируемого шага (ВРШ).
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из следующих основных частей: газовой турбины, в которой тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую; воздушного компрессора, засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов), в которой распыленное жидкое топливо смешивается с воздухом и сгорает, образуя рабочее тело — горячий газ; трубопроводов для под-вода воздуха к генератору газа, подачи газов из генератора в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств, обеспечивающих использование тепла отходящих газов.
Кроме того, в состав ГТУ входят топливная и масляная системы, подающие топливо в камеру горения и масло — в подшипники турбины и зубчатую передачу, а также небольшая по мощности пусковая паровая турбина, использующая пар от вспомогательного котла.
На судах ГТУ используют в качестве привода вспомогательных механизмов, а в последние годы и главных энергетических установок, преимущественно на судах на подводных крыльях и воздушной подушке типа «Буревестник», «Тайфун», «Сормович». На крупных морских судах применение газовых турбин в качестве главных двигателей пока еще ограничено. В СССР создана серия крупнейших в мире газотурбоходов типа «Капитан Смирнов» — судов с горизонтальной грузообра-боткой, дедвейтом около 20 000 т с ГТУ мощностью 36 750 кВт, построены скоростное сухогрузное судно «Парижская коммуна» дедвейтом 16 000 т с ГТУ мощностью 9555 кВт; несколько больших лесовозов типа «Павлин Виноградов» дедвейтом 5700 т с ГТУ мощностью по 2940 кВт; серия рыболовных траулеров и плавучие электростанции «Северное сияние» мощностью 2 X 8820 кВт для обслуживания районов Сибири и Крайнего Севера.
Устройство газовой турбины аналогично паровой турбине. Но газовая турбина испытывает более высокие температурные нагрузки: ее рабочие лопатки работают при температуре горячих газов (650—850°), в то время как температура рабочего пара 400— 500°. Это значительно уменьшает моторесурс газовой турбины. В зависимости от принятого способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают ГТУ с камерой горения и ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ).
| |
Рис. 9.18. схема ГТУ с камерой горения (б) (мощность 4040 кВт).
/ — компрессор низкого давления; 2 — воздухоподогреватель; 3 — ТВД; 4 — компрессор высокого давления; 5 — пусковая турбина; б — камера горения; 7 — форсунка; 8 — ТНД; 9 — воздухоохладитель; 10 — редуктор
В ГТУ с камерой горения (рис. 9.18) наружный воздух засасывается центробежным компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого давления, а оттуда через подогреватель воздуха в камеру горения. Одновременно в камеру горения через форсунку впрыскивается и топливо. Происходит сгорание и образование горячих газов, которые последовательно поступают в газовые турбины высокого и низкого давления и через выхлопной трубопровод отходят в атмосферу. На пути отходящих газов устанавливают подогреватель воздуха и утилизационный котел, пар которого можно использовать для турбогенератора или для вспомогательной турбины, работающей на гребной вал. Центробежные компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение соответственно турбинами низкого и высокого давления. На гребной винт через редуктор работает только турбина низкого давления.
ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ) отличается от ГТУ с камерой горения тем, что горячие газы образуются в специальном генераторе газа, работающем по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора простого действия и двух буферных цилиндров. В цилиндре расположены два рабочих поршня, соединенные с компрессорами и буферными поршнями.
Рабочий (расходящийся) ход поршневых групп осуществляется под действием расширяющегося в рабочем цилиндре газа. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сначала сжимается, а затем через выпускные клапаны поступает в ресивер продувочного воздуха. Одновременно со сжатием воздуха в компрессорных цилиндрах сжимается воздух в буферных цилиндрах, после чего его энергия расходуется на совершение обратного хода рабочих поршней и сжатие воздуха в рабочем цилиндре. В конце рабочего хода поршней открываются сначала выпускные окна, а затем впускные. Через выпускные окна выхлопные газы поступают к газовой турбине, а через впускные сжатый продувочный воздух из ресивера заполняет рабочий цилиндр. Избыточный продувочный воздух смешивается с горячими выхлопными газами и также поступает к газовой турбине. При обратном ходе рабочих поршней под действием воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, закрываются впускные окна, затем выпускные и одновременно через клапаны всасывается воздух в ^цилиндры компрессора. В момент сближения поршней в рабочий цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, и процесс повторяется.
ГТУ и СПГГ отличается компактностью, относительно малой массой 16—24 кг/кВт и небольшим расходом топлива 260 г/(кВт- ч). Преимуществом является возможность компоновать энергетическую установку из нескольких СПГГ, что позволяет более рационально использовать объем МКО (рис. 9.20). Кроме названных типов ГТУ на малых скоростных судах, особенно на судах на подводных крыльях, широко распространены облегченные ГТУ авиационного типа (1,5—4,0 кг/кВт). Но они имеют небольшой моторесурс и повышенный расход топлива (340—380 г/кВт-ч). Недостатком ГТУ всех типов, кроме повышенного расхода топлива и малого ресурса, является большая шумность в МКО, Для уменьшения которой приходится прибегать к специальным мерам.
Рис. 9.20. Компоновка газотурбинной энергетической установки с СПГГ. / — СПГГ; 2 — газовая турбина; 3 — редуктор; 4 — дизель-генератор
Энергетические
установки
судов
с
электродвижением
Если в состав судовых энергетических установок входят высокооборотные главные механизмы (паровые и газовые турбины, быстроходные двигатели внутреннего сгорания и пр.), то для передачи мощности от двигателя к гребному винту кроме зубчатых редукторов применяют электропривод. Создание электрической связи между главным двигателем и гребным винтом происходит по следующей схеме: главный двигатель приводит в действие электрогенератор, а электрический ток, вырабатываемый этим генератором, — электродвигатель, соединенный с гребным валом. Преимуществами использования электропривода на судах являются: отсутствие длинных валопроводов, так как гребные электродвигатели легко размещаются в корме судна; возможность Применять более простые нереверсивные быстроходные двигатели, число которых выбирают независимо от числа гребных винтов; высокие маневренные качества и возможность работы судна на малых скоростях при неполном числе действующих первичных двигателей; возможность использования вырабатываемой генераторами энергии для работы судовых вспомогательных механизмов. Однако электропривод имеет и недостатки: большую массу, низкий (на 8—13 /о ниже, чем у зубчатой передачи), более высокую стоимость и пр. Поэтому принцип электродвижения применяют либо на специальных судах с повышенными маневренными качествами и частыми реверсами (на буксирах, ледоколах, паромах, плавучих кранах), либо в тех случаях, когда выгодно использовать мощность главного двигателя для обеспечения работы общесудовых механизмов (на плавучих кранах, земснарядах, рыбопромысловых судах, плавучих мастерских).
На судах с электродвижением, для которых более важны маневренные качества, применяют главным образом генераторы и гребные электродвигатели постоянного тока, а на судах, у которых определяющей является экономичность, — переменного. В качестве первичных двигателей чаще используют быстроходные четырехтактные дизели, реже паровые или газовые турбины.
Судовые энергетические установки с электродвижением размещают в одном или двух отсеках. Гребной электродвигатель всегда размещают ближе к корме, насколько позволяют обводы и условия выемки гребного вала. Первичные двигатели и электрогенераторы устанавливают или в том же отсеке, где и гребные двигатели, или, чаще, в отдельном отсеке, расположенном в носовой части ближе к середине судна (рис. 9.21).
| |
Рис. 9.21. Компоновка гребной дизель-электрической установки.
Атомные
энергетические
установки
(
АЭУ
)
В настоящее время вопрос о широком применении ядерного горючего в судовых энергетических установках становится все более актуальным. Интерес к судам с АЭУ особенно возрос в 1973— 1974 гг., когда вследствие мирового энергетического кризиса резко повысились цены на органическое топливо. Основным преимуществом судов с АЭУ является практически неограниченная дальность плавания, что очень важно для ледоколов, судов арктического плавания, научно-исследовательских, гидрографических и пр. Суточный расход ядерного горючего не превышает нескольких десятков граммов, а тепловыделяющие элементы в реакторе можно менять один раз в два—четыре года. АЭУ на транспортных судах, особенно на тех, которые совершают дальние рейсы с большой скоростью, позволяет значительно повысить грузоподъемность судна за счет практически полного отсутствия запаса топлива (это дает больший выигрыш, чем потери из-за значительной массы АЭУ). Кроме того, АЭУ может работать без доступа воздуха, что очень важно для подводных судов. Однако пока потребляемое АЭУ топливо еще очень дорого. Кроме того, на судах с АЭУ приходится предусматривать специальную биологическую защиту от радиоактивного излучения, которая утяжеляет установку. Надо полагать, что успехи в развитии атомной техники и в создании новых конструкций и материалов позволят постепенно устранить эти недостатки судовых АЭУ.
Все современные судовые АЭУ используют тепло, выделяющееся при делении ядерного горючего для образования пара, или нагрева газа, поступающих затем в паровую или газовую турбины.
Основное звено атомной паро-производящей установки АППУ — реактор, в котором происходит ядерная реакция. В качестве ядерного горючего используют различные расщепляющиеся вещества, у которых процесс деления ядер сопровождается выделением большого количества энергии. К таким веществам относятся изотопы урана, плутония и тория. Наиболее важными элементами судовых реакторов являются (рис. 9.22): активная зона, в которой размещены урановые стержни и замедлитель, необходимый для поглощения энергии выделяющихся при распаде ядер частиц нейтронов; отражатель нейтронов, возвращающий в активную зону часть вылетевших за ее пределы нейтронов; теплоноситель для отбора из активной зоны тепла, выделяющегося при делении урана, и передачи этого тепла другому рабочему телу в теплообменнике; экран биологической защиты, препятствующий распространению вредных излучений реактора; система управления и защиты, регулирующая течение реакции в реакторе и прекращающая ее в случае аварийного роста мощности.
| |
Рис. 9.22. Схема ядерного реактора.
/ — активная зона; 2 — урановые стержни; 3 — замедлитель; 4 — отражатель; 5 — теплоноситель; 6 — биологическая защита; 7 — тепловой экран; 8 — система регулирования
Замедлителем в ядерных реакторах служит графит, тяжелая и обычная вода, а теплоносителем — жидкие металлы с низкой температурой плавления (натрий, калий, висмут), газы (гелий, азот, углекислый газ, воздух) или вода.
В судовых АЭУ получили распространение реакторы, у которых и замедлителем и теплоносителем является дистиллированная вода, откуда и произошло их название водо-водяные реакторы. Эти реакторы проще по устройству, компактнее, надежнее в работе, чем другие типы, и дешевле.
Рис. 9.23. Тепловые схемы ядерных энергетических установок: а – одноконтурная; б – двухконтурная; в – трехконтурная. 1 – реактор 2 – турбина 3 – конденсатор 4 – циркуляционный насос 5 – парогенератор 6 – конденсатный насос 7 – система подогрева фильтрации и подпитки 8 – питательный насос 9 – теплообменник 10 – биологическая защита
В зависимости от способа передачи тепловой энергии от реактора исполнительному механизму (турбине) различают одноконтурную, двухконтурную и трехконтурную схемы АЭУ.
По одноконтурной схеме (рис. 9.23, а) рабочее вещество — паробразуется в реакторе, откуда поступает непосредственно в турбину и из нее через конденсатор с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор.
По двухконтурной схеме (рис. 9.23, б) циркулирующий в реакторе теплоноситель отдает свое тепло в теплообменнике — парогенераторе — воде, образующей пар, который поступает в турбину. При этом теплоноситель пропускают через реактор и парогенератор циркуляционным насосом или воздуходувкой, а образующийся в конденсаторе турбины конденсат прокачивают конденсатным насосом через систему подогрева, фильтрации и подпитки и питательным насосом снова подают в парогенератор.
Трехконтурная система (рис. 9.23, в) представляет собой двухконтурную схему с включенным между первым и вторым контурами дополнительным промежуточным контуром.
Одноконтурная схема требует биологической защиты вокруг всего контура, включая и турбину, что усложняет обслуживание и управление и повышает опасность для экипажа. Безопаснее двухконтурная схема, так как здесь второй контур уже не опасен для экипажа. Поэтому на атомных судах почти всегда применяют двухконтурные схемы. Трехконтурные схемы используют в том случая, если теплоноситель в реакторе сильно активируется и его необходимо тщательно отделить от рабочего вещества, для чего и предназначен промежуточный контур.
Интересны атомные газотурбинные установки, в которых теплоносителем и рабочим телом является газ гелий. Нагретый в реакторе до 700о газ сжимается компрессором и под давлением примерно 4,0 МПа (40 кгс/см2) подводится к двухкорпусной газовой турбине. При этом ТВД приводит в действие компрессор, а ТНД работает на гребной винт. Гелий под действием облучения в реакторе не становится радиоактивным, поэтому отпадает необходимость в биологической защите гелиевого контура. Однако гелий дефицитен, дорог и отличается большой текучестью, что требует особых уплотнительных устройств.
Опыт эксплуатации первых судов с АЭУ подтвердил их высокие эксплуатационно-технические качества, а постепенное снижение стоимости этих установок и ядерного горючего позволит сделать атомные суда вполне конкурентоспособными с обычными судами. Кроме того, по мере роста скорости морских транспортных судов и связанного с этим значительного увеличения мощности главного двигателя и массы запасов топлива (особенно при большой дальности плавания) эксплуатационно-экономические преимущества судов с АЭУ будут возрастать. Расчеты показывают, что при мощности судовой энергетической установки более 45 000— 75 000 кВт суда с АЭУ становятся более выгодными, чем суда с обычными СЭУ. Именно поэтому в последнее время в ряде стран разработаны проекты новых крупных транспортных судов (контейнеровозов, танкеров и т. п.) и мощных ледоколов с АЭУ, а в Советском Союзе в
Валопровод
Валопровод предназначен для передачи крутящего момента (мощности) от главного двигателя к движителю, а также для восприятия упорного давления, создаваемого движителем, и передачи его от движителя корпусу судна. Это сложная и ответственная конструкция из нескольких жестко соединенных между собой валов, опирающихся на подшипники, установленные на специальных опорах — фундаментах. Валопровод изгибается вместе с изгибом корпуса судна и испытывает при вращении вокруг своей оси большие знакопеременные нагрузки. В связи с этим к конструкции, прочности и качеству монтажа этого важнейшего узла, обеспечивающего ход судна, предъявляются особенно высокие требования, несоблюдение которых может привести к серьезным повреждениям судна.
Основными элементами валопровода являются (рис. 9.25): гребной вал, проходящий через ахтерпик внутрь корпуса судна и предназначенный для крепления гребного винта; вал имеет бронзовую облицовку, защищающую его от коррозии; промежуточные валы, соединенные между собой гребным валом и двигателем с помощью фланцев (носовой промежуточный вал с гребнем, посредством которого передается упорное давление упорному подшипнику, называют упорным валом); главный упорный подшипник для восприятия упорного давления, создаваемого гребным винтом; опорные подшипники, служащие опорами для промежуточных валов; дейдвудное устройство, являющееся опорой для гребного вала и предназначенное для уплотнения места выхода гребного вала из корпуса судна.
| |
Рис. 9.25. Элементы валопровода.
/ — гребной вал; 2 — промежуточный вал; 3 — упорный вал; 4 — главный упорный подшипник; 5 — опорный подшипник; 6 — переборочный сальник; 7 — дейд-вудное устройство
Длина валопровода зависит от размеров судна и места расположения главных двигателей. На судах с кормовым расположением МКО длина валопровода равна 16—20 м. У крупных судов со средним расположением МКО протяженность валопровода равна 50—70 м. В этом случае валопровод проходит через коридор гребного вала, защищающий его от повреждений.
Рис. 9.26. Дейдвудное устройство.
/ — яблоко ахтерштевня; 2 — бакаутовая набивка; 3 — переборка ахтерпика; 4 — сальник; 5 — сальниковая набивка; 6 — носовая латунная втулка; 7 — дейдвудная труба; 8 — кормовая латунная втулка; 9 — гайка
Наиболее ответственным узлом валопровода является д е й д-вудное устройство (рис. 9.26). Оно состоит из дей-двудной трубы, закрепляемой одним концом в вырезе водонепроницаемой переборки ахтерпика, а другим в отверстии яблока ахтерштевня; двух подшипников в виде латунных втулок, внутренняя поверхность которых облицована бакаутом; сальника на переборке ахтерпика, препятствующего попаданию воды через дейдвудную трубу внутрь корпуса.
Бакаут, которым облицовывают дейдвудные втулки, — редкое дерево, обладающее высокой прочностью и способностью смазываться водой, благодаря чему бакаутовые подшипники, смоченные водой, не требуют смазки. Однако из-за высокой стоимости и дефицитности бакаут теперь заменяют другими материалами — текстолитом, лигнофолем, туфнолом. В качестве подшипников применяют также резинометаллические вкладыши. В последнее время на крупных судах стали применять металлические (баббитовые) подшипники, смазываемые маслом и имеющие специальные патентованные уплотнения.
Судовые движители
Движителем называют такое судовое устройство, которое, используя работу двигателя, создает в воде упор — силу, способную двигать судно в заданном направлении.
Движители судов с механическим двигателем делятся на лопастные и водометные.
К числу лопастных судовых движителей относятся гребные вингы, крыльчатые движители и гребные колеса, создающие силу упора за счет отбрасывания своими лопастями струи воды в сторону, противоположную движению судна. Водометные движители создают упор за счет отбрасывания воды, забранной специальным насосом. Так как и лопастные, и водометные движители создают движущую силу за счет реакции отбрасываемых назад масс воды, их называют реактивными. Среди судовых движителей наибольшее распространение получили гребные винты.
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
Рис. 9.27. Гребной винт (а) и схема его действия (б).
1 — ступица; 2 — лопасть; 3 — обтекатель. У„ — окружная скорость элемента
в
лопасти; v — скорость поступательного перемещения гребного винта вместе с судном; V — результирующая скорость от сложения скоростей V и v; a — угол между результирующей скоростью V и хордой элемента лопасти (угол атаки); R — подъемная сила, возникающая на элементе лопасти; Р — упор гребного винта (горизонтальная составляющая силы R); Т — окружная составляющая сил, действующих на гребной винт
Рис. 9.28. Общий вид неподвижной направляющей насадки диаметром
Гребные винты изготовляют из нержавеющей стали, бронзы, латуни и их сплавов, а также из капрона, нейлона и стеклопластика (в основном для малых судов).
Гребной винт характеризуют следующие геометрические элементы:
диаметр — определяется в зависимости от возможной глубины погружения оси гребного вала (обычно, диаметр гребного винта не превышает 70 % осадки судна в полном грузу); наиболее крупные винты имеют диаметр до 9—10 м;
дисковое отношение — отношение площади всех лопастей винта к площади диска винта; может быть больше единицы, но у винтов морских транспортных судов оно обычно равно 0,45—0,60;
шаг винта — шаг винтовой поверхности, образующей нагнетающую поверхность лопасти винта.
На засасывающей стороне лопасти при быстром вращении винта благодаря увеличению скорости набегающего потока воды создается разрежение, причем по мере увеличения скорости вращения давление может понизиться настолько, что даже в холодной воде начнется образование пузырьков воздуха (известно, что с уменьшением давления температура кипения воды понижается). Такое вскипание холодной воды на засасывающей стороне лопасти называется кавитацией. Начальная стадия кавитации очень опасна для гребных винтов, так как возникающие при вскипании воды пузырьки воздуха, попав в зону более высокого давления, мгновенно конденсируются и производят сильнейшие гидравлические удары по лопасти винта, вызывая эрозию (местное изъязвление поверхности). В этих условиях работа гребного винта недопустима. Однако по мере дальнейшего увеличения скорости вращения винта зона кавитации распространяется уже на всю лопасть и даже выходит за ее пределы — наступает так называемая вторая стадия кавитации, которая не представляет опасности для прочности винта, но зато несколько уменьшает его КПД. Чтобы устранить кавитацию, увеличивают ширину (площадь) лопастей и глубже погружают сам винт; кроме того, делают гребные винты переменного шага (уменьшая его к комлю и концам лопасти). При проектировании быстроходных винтов, если устранить кавитацию полностью по техническим причинам невозможно, создают условия полностью развитой кавитации (во второй
стадии).
| |
Для повышения эффективности гребных винтов применяют направляющие насадки и пропульсивные наделки на руль.
Рис. 9.29. Схема Рис. 9.30. Пропульсивная наделка (/) на руль
действия направляющей насадки
Направляющие насадки бывают неподвижными и поворотными и применяются сейчас не только на малых судах и буксирах, где они особенно эффективны, но и на крупных транспортных судах типа «Крым» (рис. 9.28). Насадка, имеющая в сечении профиль, аналогичный профилю крыла, создает при движении воды дополнительный упор, как это видно из схемы сил, приведенной на рис. 9.29. Кроме того, насадка улучшает условия подтекания" воды к диску винта, в результате чего увеличивается скорость подтекающей воды,' уменьшаются концевые потери от перетекания воды через край лопасти и, следовательно, повышается КПД винта (до 20—30 %). Применение направляющей насадки увеличивает скорость на 2 — 4 %. Важным преимуществом насадки является выравнивание поля скоростей в диске винта, что уменьшает нагрузки на вало-провод.
Пропульсивная наделка на руль (рис. 9.30) упорядочивает поток воды за ступицей и повышает КПД винта, а также улучшает условия работы руля.
Принятый шаг гребного винта является наивыгоднейшим только при работе винта в одном — расчетном — режиме. При работе в других, отличных от расчетного, режимах винт будет, как говорят, «тяжелым» или «легким» (при этом имеют в виду не весовые, а гидродинамические характеристики гребного винта). «Тяжелым» называют винт в том случае, если его шаг больше, чем наивыгоднейший шаг в данном режиме хода, например, если у судна увеличилось сопротивление из-за обрастания корпуса или волнения моря и ветра или если шаг винта был выбран большим, чем требовалось. «Легкий» винт, наоборот, имеет шаг, меньший требуемого. Так, винт, спроектированный для условий плавания судна с полным грузом, будет «легким» при плавании этого судна в балласте, когда его водоизмещение, а следовательно, сопротивление воды, меньше, чем при движении с полным грузом.
Обычно гребные винты проектируют несколько облегченными по сравнению с требуемыми для идеальных условий эксплуатации (при этом имеют в виду, что по мере обрастания корпуса и увеличения сопротивления в реальных эксплуа -тационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).
Правильный выбор шага винта важен потому, что «тяжелый» винт не дает возможности двигателю даже при достижении полной мощности развить полные обороты из-за перегрузки, и судно, затрачивая в единицу времени топливо на полную мощность, не разовьет запроектированной скорости. Иными словами, расход топлива на милю увеличится. «Легкий» же винт, наоборот, развивает полные обороты еще до того, как двигатель станет работать на полную мощность. Следовательно, судно и в этих условиях не сможет развить расчетную скорость.
| |
В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (траулерах, паромах, буксирах), вместо винтов фиксированного шага применяют более сложные гребные винты регулируемого шага.
Рис. 9.32. Схема ВРШ. / — ползун; 2 — шатун; 3 — кривошипный' диск; 4 — шток; 5 — поршень; 6 — золотниковый регулятор; 7 — привод управления; 5 — масляный насос; 9 — электродвигатель; 10 — масляная цистерна
Схема поворота лопасти
| |
Винт регулируемого шага (ВРШ) (рис. 9.31) имеет лопасти, поворачивающиеся вокруг их вертикальной оси. Их можно устанавливать под любым углом, образуя шаг, необходимый для данного режима работы судна. ВРШ позволяет не только наивыгоднейшим образом использовать двигатель судна в разных условиях эксплуатации, но и удерживать его на месте, не выключая двигателя, если все лопасти расположены в плоскости диска винта в так называемом нейтральном положении, или осуществлять реверс (задний ход), не меняя направления вращения вала двигателя. Последнее обстоятельство особенно важно при использовании нереверсируемых главных двигателей (газовых и паровых турбин), так как позволяет отказаться от необходимых в этом случае турбин заднего хода или реверсивных муфт. ВРШ состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) в кормовой оконечности судна и привода механизма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе. Управляют МИШ дистанционно из рулевой рубки и с крыльев ходового
мостика.
Механизм поворота лопастей (рис. 9.32) состоит из ползуна и шатунов, соединенных с кривошипными дисками, на которых закреплены лопасти. Усилие для поворота лопастей передается через шток в гребном валу на ползун, а от него через шатуны — кривошипным дискам, которые, вращаясь, поворачивают лопасти.
Рис. 9.33. Крыльчатый движитель и схема его работы
Движение штоку, на конце которого расположен поршень, передается давлением масла (его можно подавать под одну или другую сторону поршня, в зависимости от необходимого направления изменения шага). Рабочее давление масла создается масляным насосом высокого давления (2,0 МПа или 20 кгс/см2), работающим от гребного вала или специального электромотора. Направление подачи масла изменяется золотниковым устройством, привод которого связан с постом управления в рулевой рубке.
Применение ВРШ позволяет за счет повышения КПД двигателя в разных условиях эксплуатации снизить на 10—15 % расход топлива и увеличить в среднем на 2—3 % среднюю рейсовую скорость. Возможность быстрого перехода с переднего на задний ход улучшает маневренные качества судна и примерно в 1,5 раза сокращает выбег при экстренном торможении, повышая тем самым безопасность плавания. Важным преимуществом ВРШ является и то, что его съемные лопасти можно легко заменять, не выводя судно из эксплуатации.
К недостаткам ВРШ относятся сложность конструкции, более высокая стоимость и несколько меньший (на 1—3 %), чем у винтов фиксированного шага, КПД из-за большего диаметра ступицы, в которой размещается механизм поворота. Однако, несмотря на эти недостатки, ВРШ является перспективным типом движителя не только для промысловых и технических, но и для крупных транспортных судов: на крупнотоннажных танкерах типа «Крым» установлен ВРШ диаметром
Крыльчатый движитель (рис. 9.33) представляет собой диск, вмонтированный заподлицо с днищевой обшивкой и приводящийся во вращение вокруг вертикальной оси судовым двигателем. По окружности диска перпендикулярно к нему расположены четыре — восемь погруженных в воду лопастей, каждая из которых вращается вместе с диском, а также вокруг своей оси. Путем соответствующей установки привода управления поворотом каждой лопасти вокруг своей оси можно при неизменном направлении вращения диска создать упор в любом направлении (см. схему на рис. 9.33). Поэтому суда, оборудованные крыльчатым движителем, не имеют рулей. Несмотря на сложность изготовления и невысокий КПД, крыльчатые движители незаменимы на тех судах, для которых необходима высокая маневренность при малых скоростях движения (на плавучих кранах, буксирах и пр.). Управление крыльчатым движителем осуществляется из ходовой рубки и с крыльев ходового мостика.
Вспомогательные
механизмы
К вспомогательным судовым механизмам относятся механизмы и теплообменные аппараты, обслуживающие главную энергетическую установку, двигатели генераторов электрического тока, вспомогательные котлы, вспомогательные конденсаторы, опреснительные и испарительные установки и рефрижераторные машины.
К механизмам, обслуживающим главную энергетическую уста
новку, относятся различные насосы, номенклатуру, тип и привод которых определяют в зависимости от типа главной энергетической установки, а также котельные и машинные вентиляторы, имеющие электро- или турбопривод.
Насосами называют механизмы, предназначенные для перекачивания жидкостей по трубопроводам. Работа насоса заключается в двух, следующих один за другим, процессах: всасывании и нагнетании. Всасывание происходит только в том случае, если давление внутри приемной полости насоса меньше, чем давление, под которым находится всасываемая жидкость. Поэтому насос, приемная полость которого находится выше уровня всасываемой жидкости, должен создавать в приемной полости разрежение, т. е. работать с подсосом.
Судовые насосы различают: по конструктивным признакам и способу перемещения жидкости — поршневые, центробежные, осевые, шестеренчатые, винтовые, струйные (рис. 9.34); по типу двигателя, приводящего в действие насос, — паровые, турбинные, электрические; по роду перекачиваемой жидкости — водяные, топливные, масляные.
Рис. 9.34. Судовые насосы (схемы): а — поршневой; б — центробежный; в — осевой; г — шестеренчатый; д — винтовой; е — струйный
Для прокачивания воды через различные теплообменники — конденсаторы, охладители, парогенераторы — используют циркуляционные насосы, обычно центробежного типа с электроприводом. Подается котельно-питательная вода в главные паровые котлы питательными турбонасосами центробежного типа. Топливная система и система смазки обслуживаются насосами поршневого, шестеренчатого, кулачкового или червячного типа. У двигателей внутреннего сгорания некоторые топливные и масляные насосы имеют привод от коленчатого вала главного двигателя. Такие механизмы называют навешенными. Навешивание вспомогательных механизмов начинают применять и в паротурбинных установках (питательные насосы, валогенераторы и пр.).
Котельные вентиляторы — вдувные центробежного типа осуществляют дутье воздуха в топку котла.
Машинные вентиляторы, обеспечивающие воздухообмен в МКО, бывают вдувными или вытяжными. Вдувные предназначены для подачи в МКО свежего воздуха, вытяжные — для удаления нагретого воздуха из верхней части помещения. Машинные вентиляторы бывают центробежными или осевыми.
Компрессоры служат для получения сжатого воздуха, применяемого для пуска двигателей внутреннего сгорания, а также для работы пневматического инструмента в судовых мастерских и других целей. На судах потребляют сжатый воздух низкого давления (для инструмента) — 0,4—0,6 МПа (4— 6 кгс/см2); среднего давления (для пуска двигателей) — 2,0— 3,0 МПа (20—30 кгс/см2); высокого давления (для специальных целей)— 15,0—20,0 МПа (150—200 кгс/см2).
По конструкции компрессоры могут быть поршневыми, лопастными (турбокомпрессоры) и струйными, одноступенчатыми и многоступенчатыми (последние — для получения сжатого воздуха высокого давления). Приготовленный компрессором сжатый воздух поступает в баллоны, откуда расходуется по назначению.
В качестве двигателей генераторов электрического тока на
судах используют четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины мощностью от 35 до 1500 кВт.
Вспомогательные котлы предназначены для подачи пара на бытовые нужды — к вспомогательным механизмам с паровым приводом, к теплообменным аппаратам, для мойки и пропаривания танков и цистерн, в систему парового пожаротушения и т. д. (см. с. 259).
Опреснительная и испарительная установки служат для приготовления пресной воды из морской воды; первая — для бытовых нужд экипажа, вторая — для питания котлов.
Наличие на судне опреснительной установки позволяет отказаться от приема больших запасов пресной воды (до
Опреснение морской воды происходит по принципу дистилляции (выпаривания), а испарение — путем нагрева ее паром от главных или вспомогательных котлов до температуры кипения (в испарительных установках вакуумного типа температура кипения ниже 100°, в опреснительных — выше 100°, так как только при этой температуре уничтожаются вредные микробы). Пар может быть или первичный, или отработавший во вспомогательных механизмах; на дизельных судах для этой цели используют тепло охлаждающей воды. На судах применяют опреснительные (или испарительные) установки производительностью от 2 до 15— 20 т/ч (на турбоходах — до 40—50 т/ч) одноступенчатые. Многоступенчатые благодаря более рациональному использованию тепла экономичнее применять на установках очень большой производительности.
Рефрижераторные установки служат для охлаждения помещений, в которых хранятся скоропортящиеся продукты, — рефрижераторных кладовых (на всех судах), рефрижераторных трюмов (на специальных судах), а также для охлаждения воздуха в системе кондиционирования. Рефрижераторная установка состоит из холодильной машины, трубопроводов охлаждения и холодильных камер (трюмов) или кондиционеров.
Холодильные машины компрессорного типа состоят из компрессора, конденсатора, испарителя, электромотора, водяного насоса, термостата, различных трубопроводов и контрольно-регулирующих приборов. В качестве хладагентов в судовых машинах используют аммиак, углекислоту и, чаще всего, фреон. При работе установки пары фреона сжимаются в компрессоре, откуда уже сжатый фреон поступает в конденсатор; здесь он отдает образовавшееся при сжатии тепло циркулирующей в конденсаторе воде, конденсируется и превращается в жидкость. Затем жидкий фреон поступает в испаритель, где он превращается в газ. Это сопровождается поглощением тепла, которое фреон отбирает от стенок испарителя, охлаждая его. После этого газообразный фреон снова поступает в компрессор, и процесс повторяется. В связи с тем, что в каждом цикле постепенно понижается температура, в холодильных машинах предусматривают специальные термостаты и другие контрольно-регулирующие приборы, автоматически выключающие и включающие установку.
Судовые холодильные установки, у которых испаряющийся хладагент циркулирует по трубам батарей охлаждаемого помещения, называют установками с непосредственным охлаждением. Если проникновение хладагента в охлаждаемое помещение нежелательно (например, при применении токсичных хладагентов), то применяют установки с рассольным охлаждением. В этом случае помещения охлаждаются циркулирующим в батареях холодным рассолом, имеющим низкую температуру замерзания. Пройдя по трубам помещения, нагретый рассол поступает в испаритель, где отдает полученное тепло, и вновь поступает в охлаждаемое помещение.
В установках кондиционирования воздуха иногда применяют пароэжекторные холодильные установки, в которых рабочим телом является вода. Эти установки безопасны в токсическом отношении, но они менее экономичны и не позволяют охлаждать помещение ниже —15 °С.
| |
| |
