СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

 

 

Судовая энергетическая установка - это комплекс механизмов, аппаратов, устройств и трубопроводов, предназначенных для обеспечения движения судна с заданной скоростью, а также для снабжения энергией различных механизмов, систем, устройств и др.

Основная часть энергии расходуется на приведение судна в движение; для этой цели на судне имеется главный двигатель, который вырабатывает механическую энергию, потребляемую судовым движителем. Механическая энергия в главном двигателе почти всегда получается в результате преобразования тепловой энергии, образующейся при сжигании топлива. Такие двигатели называются тепловыми и подразделяются на две основные группы - двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и паровые. ДВС используют энергию газов, образующихся при сжигании топлива в двигателе или в специальном генераторе газа; к ним относятся дизели и газовые турбины. Паровые двигатели используют энергию пара, который образуется в паровых котлах при сжигании в них топлива; к ним принадлежат паровые машины, широко применявшиеся раньше, но в настоящее время почти исчезнувшие, и паровые турбины. На подводных лодках, реже - на надводных кораблях и гражданских судах, применяются атомные энергетические установки, использующие энергию деления атомов тяжелых элементов (уран и др.) для получения пара, вращающего турбину. Встречаются комбинированные установки, например, дизель-газотурбинные. Имеются также вспомогательные установки.

В зависимости от способа превращения тепловой энергии в механическую двигатели подразделяются на поршневые, у которых возвратно-поступательное движение поршней, на которые действует давление газов - продуктов сгорания, преобразуется во вращательное движение коленчатого вала; турбинные, у которых газ действует на лопатки рабочего колеса, насаженного на вал; реактивные, создающие тягу как реакцию струи газов, вытекающих из сопла двигателя.

К судовым энергетическим установкам предъявляются довольно разнообразные требования, в том числе экономичность, компактность, надежность, большой моторесурс (продолжительность работы без капитального ремонта), быстрая готовность к работе.

На современных гражданских судах в качестве главных двигателей почти исключительно применяются дизели, как наиболее экономичные, хотя сравнительно тяжелые и громоздкие. Более разнообразны энергетические установки военных кораблей, которые обладают высокой мощностью и должны эффективно работать как на полном, так и на экономическом ходу.

Дизельная ЭУ состоит из дизеля, топливоподающей системы, системы смазки, системы охлаждения, пусковой системы. Дизель имеет несколько цилиндров, объединенных в единый блок. Цилиндры опираются на неподвижную часть - станину, установленную на фундаменте, который передает возникающие при работе дизеля нагрузки на корпус. Нижняя часть станины с фундаментной рамой образует картер.

Внутри каждого цилиндра перемещается поршень, который с помощью шатуна передает движение коленчатому валу. Рабочий процесс в цилиндре ДВС состоит из последовательно сменяющих друг друга процессов всасывания воздуха в цилиндр, сжатия воздуха, сопровождающегося его нагревом, впрыска топлива, воспламенения и расширения горячих газов (рабочий ход), выхлопа отработавших газов. Эти процессы могут происходить или за четыре хода поршня из одного крайнего положения в другое, или за два (вверх и вниз) - такие дизели называются соответственно четырехтактными и двухтактными. Четырехтактные двигатели несколько более экономичные, но и более громоздкие при равной мощности.

ДВС могут быть простого действия, если рабочий цикл совершается только в верхней полости цилиндра, и двойного действия, если в обеих. Они бывают малооборотные (до 250 об/мин), среднеоборотные (300 - 600 об/мин) и высокооборотные. С ростом оборотов (частоты вращения) уменьшаются размеры дизеля, его мощность, моторесурс, несколько ухудшается экономичность, но при постоянной частоте вращения гребного винта требуется редуктор больших размеров. Малооборотные дизели работают непосредственно на гребной винт. Различают также крейцкопфные и тронковые дизели: первые имеют шатун с ползуном, вторые - без ползуна. У карбюраторных двигателей, в отличие от дизелей, топливо воспламеняется не само, а от электрической искры. К.п.д. судовых дизелей - до 45 %.

Паротурбинные установки включают паровые котлы с системами подачи топлива, воды, воздуха и отвода пара и дыма (отработавших газов), паровые турбины, к которым подводится пар от котлов, конденсаторы, где отработавший пар снова превращается в воду, и другие элементы.

Котлы современных судов работают, как правило, на жидком топливе (мазуте), более дешевом, чем дизельное топливо. Котел состоит из корпуса, топки и газоходов. В корпусе находятся вода (внизу) и пар (вверху). В топке сжигается топливо. Дымовые газы выходят в дымовую трубу по газоходам.

Паровые котлы могут быть огнетрубными (огонь в трубах, вода снаружи), водотрубными (вода в трубах, огонь снаружи) и комбинированными. На современных судах устанавливаются только водотрубные котлы. Для повышения экономичности паротурбинной СЭУ стремятся повысить параметры пара: температуру и давление на выходе из котла. Так, на отечественных крупнотоннажных танкерах давление пара составляет 80 атм. (8 МПа), а температура - 515⁰С. К.п.д. котлов достигает 93 %.

Паровая турбина преобразует потенциальную энергию сжатого пара в кинетическую энергию скоростной струи пара, а затем в механическую работу вращения вала. Турбина состоит из одного или нескольких соединенных колес, насаженных на общий вал с радиально расположенными криволинейными рабочими лопатками. Вращающаяся часть с лопатками называется ротором, а неподвижная - статором. В турбине давление пара уменьшается во много раз, а объем соответственно увеличивается, поэтому турбины делают двух- и трехкорпусными (турбина высокого, среднего и низкого давления, которые отличаются по своим размерам и связаны общим паропроводом). В связи с тем, что турбина может вращаться только в одну сторону, для получения заднего хода приходится делать турбину заднего хода, мощность которой меньше основной, или устанавливать винт регулируемого шага. Турбины бывают активными (увеличение скорости струи происходит только в неподвижном направляющем аппарате турбины) и реактивные (расширение струи пара происходит также в рабочем колесе благодаря специальному профилированию лопаток).

Паровые турбины быстроходные (до 6000 об/мин), поэтому для передачи мощности к гребному винту необходим зубчатый редуктор, обычно двухступенчатый, или другой механизм. Турбина с редуктором образуют главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА). К.п.д. обычных турбин - около 30 %.

Пар низкого давления из турбины поступает в конденсатор, внутри которого находятся трубки, по которым с помощью циркуляционного насоса или за счет скоростного напора при ходе судна прокачивается холодная вода. Давление внутри конденсатора пониженное. Пар превращается в воду и вновь подается в котел.

Газотурбинные установки объединяют в себе преимущества паровых турбин и ДВС. В отличие от паровой турбины, в газовой турбине рабочим телом является не пар, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС, превращение энергии рабочего тела в механическую происходит в результате не возвратно-поступательного, а вращательного движения.

Газовая турбина, как и паровая, является нереверсивной, поэтому для реверса требуется или турбина заднего хода, или ВРШ.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из газовой турбины, в которой тепловая энергия горячих газов превращается в механическую; воздушного компрессора, засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов); трубопроводов для подвода воздуха к генератору газа, подачи газов от него в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств, обеспечивающих использование тепла отработавших газов. Имеются также топливная и масляная системы и другие элементы.

В ГТУ с камерой горения воздух засасывается компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого давления, а затем через воздухоподогреватель - в камеру горения, куда также впрыскивается топливо. Продукты сгорания поступают в турбину.

Имеются ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ), работающими по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора и двух буферных цилиндров. В рабочем цилиндре (малого диаметра, расположенном в центре СПГГ) сгорает топливо, в результате чего поршни расходятся - происходит рабочий ход. При этом воздух в компрессорных цилиндрах (большего диаметра, расположенных на продолжении рабочего цилиндра) сжимается; одновременно сжимается и воздух в буферных цилиндрах, меньшего диаметра и расположенных снаружи (по одной линии). Газы из рабочего цилиндра через выпускные окна уходят к турбине, сжатый компрессором воздух подается в рабочий цилиндр, а поршни сближаются под давлением воздуха в буферных цилиндрах.

ГТУ с СПГГ довольно компактны, характеризуются небольшой массой и умеренным расходом топлива, очень быстро готовятся к действию. Высокая температура газов приводит к снижению моторесурса, правда, эти двигатели сравнительно легко заменяются при ремонте. Газотурбинные установки на крупных гражданских судах применяются редко (в СССР были построены газотурбоходы «Капитан Смирнов» с ГТУ мощностью 50 000 л.с. (36800 кВт), сухогруз «Парижская коммуна», серия лесовозов типа «Павлин Виноградов» и некоторые другие). Более широкое распространение получили ГТУ там, где требуются большие мощности при малых габаритах: на небольших скоростных судах, например, СПК и СВП, а также на надводных боевых кораблях, где они нередко комбинируются с дизельными установками: дизели обеспечивают движение экономическим, а ГТУ - полным ходом.

На некоторых типах гражданских судов и военных кораблей нашли применение атомные энергетические установки (АЭУ). АЭУ состоит из паропроизводящей установки (ППУ) и паровой турбины (ГТЗА), через редуктор работающей на гребной винт. Основной элемент ППУ - атомный реактор в виде вертикального цилиндра со сферическими крышками, в котором находятся тепловыделяющие элементы - ТВЭЛы - трубки, содержащие ядерное топливо - обогащенный уран-235. В реакторе происходит регулируемая реакция деления ядер урана с образованием нейтронов, разлетающихся в разные стороны, и g-излучения, представляющего большую опасность. Нейтроны задерживаются замедлителем, который при этом сильно нагревается, а g-излучение - биологической защитой большой толщины и массы.

Реактор охлаждается теплоносителем, в качестве которого почти всегда используется очень чистая вода (бидистиллат – вода, дважды очищенная дистиллированием), хотя известны попытки (в США и в СССР) применения жидкометаллических теплоносителей, которые, обладая рядом важных преимуществ, оказались опасными в эксплуатации. Вода, охлаждающая реактор, закипает при высоких температуре и давлении, образующийся радиоактивный пар течет по трубам первого контура, находящимся внутри биологической защиты. Тепло первого контура передается второму контуру, в трубках которого также циркулирует вода - такие реакторы называют водо-водяными. Пар, образующийся во втором контуре, имеет более низкие параметры (давление и температуру), чем в первом контуре, но радиоактивность его невелика. Этот пар вращает турбину. В остальном принцип работы АЭУ подобен обычной паротурбинной установке.

Сам реактор и биологическая защита имеют большую массу (при умеренных габаритах), но зато расход топлива в АЭУ примерно в 2 000 000 раз меньше, чем в обычных установках. При высокой мощности и значительной дальности плавания АЭУ может оказаться наиболее выгодной. В отечественном гражданском флоте АЭУ широко применяются на ледоколах, на отдельных судах ледового плавания. За рубежом также делались попытки использования АЭУ на гражданских судах, но они закончились неудачами. В военных флотах АЭУ применяются на подводных лодках (например, США отказались от строительства дизель-электрических лодок), авианосцах и некоторых других крупных надводных кораблях, позволяя длительное время плавать с большими скоростями.