Недостатки судового дизельного двигателя

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

23.08.2020

Преимущества и недостатки дизель-электрической гребной установки

1. Возможность автоматизации гребной установки. На всех электроходах применяется дистанционное управление с нескольких мест, автоматически поддерживается постоянство мощности при изменении нагрузки на винте, применяются всевозможные автоматические системы защит и контроля за нарушением нормального режима эксплуатации. В конечном счете на электроходе проще осуществить комплексную автоматизацию всех производственных процессов в машинном отделении.

В последние годы на теплоходах используется дистанционное автоматизированное управление дизелем ДАУ и автоматическое управление процессами в машинном отделении, однако все это удалось осуществить на определенном уровне развития электроники и автоматики. Отбор мощности на уровне, близком к 100%, при изменении скорости судна возможен на теплоходе при использовании ВРШ.

2. Возможность применения на электроходах различных типов унифицированных дизель-генераторов, ГЭД и другого оборудования. На всех электроходах отечественной постройки используются серийные дизель-генераторы двух типов; 5ДГ 50 М мощностью 815 кВт, с частотой вращения 740 об/мин, общей массой 24,6 т и ЗД100, мощностью 1325 кВт, с частотой вращения 810 об/мин, общей массой 28,3 т. Этими дизель-генераторами оборудованы суда различных типов с мощностью на валу от 1600 до 5300 кВт: ледоколы, сухогрузные суда, танкеры, спасательные буксиры, рефрижераторы, китобойцы, паромы, земснаряды. На всех судах применяются ГЭД нескольких типов и унифицированные распределительные щиты, возбудительные агрегаты и т. п. Выпуск таких судов большими сериями снижает единичную стоимость каждого судна.

3. Применение нереверсивных дизелей. На электроходах реверсируется ГЭД, а первичные двигатели работают при неизменном направлении вращения, при этом сокращается объем баллонов для сжатого воздуха и может быть уменьшена мощность компрессора. Низкооборотные реверсивные двигатели теплоходов имеют более сложную конструкцию высокую стоимость и большую массу. Количество реверсов ограничено для предотвращения износа и перегрева. Среднеоборотные дизели теплоходов с ВРШ должны иметь возможность реверса на случай отказа си стемы изменения шага.

4. Применение высокооборотных дизелей. Высокооборотные дизель-генераторы позволяют уменьшить массу и габариты ГЭУ, создают удобство размещения оборудования, что увеличивает грузовместимость и уменьшает стоимость установки. Отношение массы дизеля к частоте вращения 125 об/мин составляет 59 кг/кВт, а отношение массы дизеля к частоте вращения 800 об/мин — всего 9 кг/кВт. Таким образом, масса высокооборотного дизеля, применяемого на электроходе, почти в семь раз меньше массы низкооборотного дизеля той же мощности. Выгода в стоимости электрохода может быть получена при крупносерийном строительстве. Стоимость теплохода с ВРШ может оказаться больше, чем электрохода. Следует отметить, что современные электроходы с ГЭУ двойного рода тока имеют массу установки и стоимость больше, чем серийные теплоходы с такими же параметрами.

5. Дробление мощности ГЭУ. На дизель-электроходах число генераторных агрегатов обычно превышает число винтов. Существуют электроходы, где число агрегатов составляет 8, 6, 4, 3 и 2. При необходимости снижения хода часть агрегатов отключается, а оставшиеся работают с полной нагрузкой. При дроблении мощности установки, состоящей из четырех агрегатов, как показано на рис. 1, можно получить 91 % скорости хода при работе трех генераторов, 78% — при работе двух генераторов и 63% — при работе одного генератора. Такие же значения скорости хода можно получить на теплоходе с ВФШ при изменении частоты вращения дизеля, однако при уменьшении скорости хода на 25% удельный расход топлива увеличивается на 4%, а при снижении скорости на 50% — увеличивается примерно на 30-35%.

На теплоходе с ВРШ дизель работает при различных скоростях хода судна с минимальным удельным расходом топлива. При работе двух дизелей через редуктор на ВРШ может работать один дизель в экономическом режиме.

Дробление мощности электрохода позволяет производить ремонты на ходу судна, сберегать моторесурс неработающего дизеля; малогабаритные генераторные агрегаты удобно размещать. В заводских условиях возможна замена агрегата, выработавшего моторесурс.

6. Повышенные маневренные качества. ГЭУ постоянного тока применяются на судах с наиболее тяжелым режимом работа: при частом реверсировании, резком изменении момента на гребном винте вплоть до заклинивания, необходимости создания большого вращающего момента на винте при очень малой частоте его вращения. Как уже говорилось выше, регулировочные, перегрузочные и реверсивные качества электрохода постоянного тока лучше, чем теплохода. Количество реверсов теплохода ограничено до 18 — 20 из-за ограниченной емкости баллонов сжатого воздуха. Реверсирование с полного хода для теплохода является аварийным режимом и доится значительно дольше, чем на электроходе. При заклинивании гребного винта на теплоходе необходим новый воздушный запуск дизеля. Минимальная устойчивая частота вращения дизеля ограничена и составляет 30 — 40% от номинальной. Маневренные качества теплохода с ВРШ значительно лучше, однако перегрузочные возможности и быстрота реверсирования хода судна остаются бесспорными преимуществами электродвижения.

7. Возможность отбора мощности для питания собственных нужд. Эта задача полностью разрешается на электроходах двойного рода тока управляемыми выпрямителями. Иногда генератор постоянного тока используется для питания мощных насосов. На теплоходах с ВРШ применяется валогенератор, который работает на ходу судна и приводится от гребного вала через редуктор. Мощность валогенератора используется для питания собственных нужд. На стоянке судна работают вспомогательные дизель-генераторы. На электроходе с единой станцией на стоянке работает один из главных дизель-генераторов.

8. Отсутствие жесткой связи первичного двигателя с винтом. На электроходе винт непосредственно связан с ГЭД, причем длина валопровода значительно сокращается благодаря размещению ГЭД в кормовом отсеке. Отсутствует туннель гребного вала, уменьшаются потери на трение в подшипниках гребного вала, уменьшается вибрация кормы судна, возникающая при длинном валопроводе во время дифферента судна, удары льда о винт на первичном двигателе не отражаются. На судах с горизонтальной погрузкой (ро-ро) размещение ГЭД в корме судна позволяет уменьшить высоту машинного отделения.

Дизель-генераторы могут быть размещены в самом носу судна т. е. в месте, неудобном для грузовых помещений.

9. Бесперебойная работа ГЭУ при оголении гребного винта. В штормовую погоду при килевой качке происходит частичное оголение винта. Дизель, работая практически вхолостую, повышает частоту вращения, что может привести к срабатыванию предельного регулятора скорости и к остановке дизеля, после чего необходим новый запуск. При попадании винта в воду на нем возрастает момент сопротивления пропорционально квадрату возросшей частоты вращения и дизель вследствие внезапной перегрузки может остановиться. На дизель-электроходе оголение винта не вызывает перебоев в работе гребной установки, так как ГЭД быстро приспосабливается к изменению нагрузки с помощью системы автоматического регулирования.

10. Возможности получения максимального к. п.д. винта путем подбора наивыгоднейшей номинальной частоты вращения ГЭД. При выборе оптимального гребного винта необходимо знать следующие основные данные судна: осадку, скорость хода, буксировочную мощность и частоту вращения винта. Различные судовые дизели одинаковой мощности имеют примерно одинаковую номинальную частоту вращения, поэтому винты подбираются по буксировочной мощности, а оптимальной частотой вращения приходится пренебрегать. ГЭД электроходов выпускаются на заданные мощности, и их номинальная частота вращения обеспечивает оптимальную частоту вращения винта, что дает возможность получить максимальные к. п. д. гребного винта.

1. Высокая стоимость и большая масса установки. Современные ГЭУ двойного рода тока с неуправляемыми и управляемыми выпрямителями; имеют стоимость и массу установки больше, чем энергетическая установка теплохода. В то же время стоимость энергетической установки теплохода с классом автоматизации А1 и А2 (безвахтенное обслуживание машинного отделения) достаточно велика. Благодаря преимуществам ГЭУ с единой станцией во время эксплуатации большие строительные расходы полностью окупаются.

2. Недостатки высокооборотного дизеля. Основным недостатком высокооборотного дизеля следует считать малый моторесурс до капитального ремонта. Для дизелей ГЭУ моторесурс составляет 20 тыс. — 30 тыс. ч. Низкооборотные дизели имеют моторесурс до 100 тыс. ч. Однако объем и стоимость ремонта дизелей ГЭУ во много раз меньше, чем низкооборотных дизелей теплоходов. Уровень шума высокооборотных дизелей значительно выше, чем низкооборотных. Высокооборотные дизели требуют более дорогого и высококачественного топлива и масла. В настоящее время поставлены очень высокие требования в отношении незагрязнения среды обитания. Высокооборотные дизели, работающие на качественном топливе, в меньшей степени загрязняют атмосферу.

3. Увеличенный штат машинной команды. На отечественных электроходах при полном штате механиков и мотористов ГЭУ и электрооборудование обслуживают три-четыре электромеханика и несколько электриков. На теплоходе электрооборудование обслуживает один электромеханик и один — три электрика. На зарубежных ГЭУ штат машинной команды меньше, чем на теплоходе, благодаря сокращению числа механиков и мотористов.

4. Повышенный расход топлива из-за потерь в электропередаче в режиме полного хода. Потери в электропередаче и кабеле достигают 12—17%, поэтому перерасход топлива на электроходе по сравнению с теплоходом должен быть в таких же пределах. Однако на электроходе средний и малый ход создаются при отключении части агрегатов и полной загрузке оставшихся в работе.

Источник

Судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС)

Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива

Читайте также:  Оптимальная температура масла двигателя

ИА Neftegaz.RU. Первые судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) появились в начале 20-го века. Датское судно Зеландия, построенное в 1912 г, имело дизельную установку с 2-мя дизелями мощностью по 147,2 кВт.

В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС.

Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт.

Дизельная энергетическая установка состоит из 1-го или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов.

В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на 4-тактные и 2-тактные.

Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.

По частоте вращения ДВС разделяются на:

В 60-х гг одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.

Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами).

Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке.

Кроме главного двигателя предусмотрены еще 2 вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы.

Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов.

Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю.

При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей.

Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла.

Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла.

Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла.

Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.

Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения.

Принцип действия 4-тактного ДВС показан на рисунке ниже.

В 4-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 поворота коленчатого вала, т. е. за 4 хода поршня.

Механическая работа совершается только за время 1-го такта, 3 остальных служат для подготовки.

При 1-м такте поршень движется в направлении коленчатого вала.

Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр.

В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время 2-го такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление.

Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива.

При достижении давления 19,62-39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94-3,43 МПа и температура 550-600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92-4,91 МПа и 600-700°С.

Принцип действия 4-тактного дизеля.

Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения.

Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. 3-й такт является рабочим.

Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу.

Во время 4-го такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.

4-тактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

Принцип действия 2-тактного дизеля.

В рабочий цикл 2-тактного дизеля входят 2 такта, или 1 оборот коленчатого вала.

1-й такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении.

Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисунке.

Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в 4-тактном ДВС.

В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова.

Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.

Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания.

Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за 1 рабочий цикл.

Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.

Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром.

Во всех выпускаемых 4-тактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.

В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14-0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.

2-тактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами.

Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт.

В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах.

2-тактные дизели имеют очень большие размеры и массу.

Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600-800 т.

Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:

— увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);

— уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);

— уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).

Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.

Источник

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ, устройства для обеспечения движения кораблей, катеров и других судов. К движителям относятся гребной винт и гребное колесо. В качестве судовых энергетических установок используются, как правило, паровые машины и турбины, газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания, в основном дизельные. На крупных и мощных специализированных судах типа ледоколов и подводных лодок часто применяются атомные энергетические установки.

По-видимому, первым предложил использовать энергию пара для движения судов Леонардо да Винчи (1452–1519). В 1705 Т.Ньюкомен (Англия) запатентовал первую довольно эффективную паровую машину, но его попытки использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса оказались неудачными.

ТИПЫ СУДОВЫХ УСТАНОВОК

Пар – традиционный источник энергии для движения судов. Пар получают при сжигании топлива в водотрубных котлах. Чаще других применяются двухбарабанные водотрубные котлы. В этих котлах имеются топки с водоохлаждаемыми стенками, пароперегреватели, экономайзеры, а иногда и воздухоподогреватели. Их КПД достигает 88%. См. также КОТЕЛ ПАРОВОЙ.

Дизели впервые появились в качестве судовых двигателей в 1903. Расход топлива в судовых дизелях составляет 0,25–0,3 кг/кВт Ч ч, а паровые машины расходуют 0,3–0,5 кг/кВт Ч ч в зависимости от конструкции двигателя, привода и других конструктивных особенностей. Дизели, особенно в сочетании с электроприводом, очень удобны для применения на паромах и буксирах, поскольку обеспечивают высокую маневренность. См. также ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ.

Поршневые паровые машины.

Времена поршневых машин, когда-то служивших самым разнообразным целям, прошли. По КПД они существенно уступают как паровым турбинам, так и дизелям. На тех судах, где еще стоят паровые машины, – это компаунд-машины: пар расширяется последовательно в трех или даже четырех цилиндрах. Поршни всех цилиндров работают на один вал.

Паровые турбины.

Судовые паровые турбины обычно состоят из двух каскадов: высокого и низкого давления, каждый из которых через понижающий редуктор вращает вал гребного винта. На военно-морских судах часто дополнительно ставят небольшие турбины для крейсерского режима, которые используют для повышения экономичности, а при максимальных скоростях включаются мощные турбины. Каскад высокого давления вращается со скоростью 5000 об/мин. См. также ТУРБИНА.

На современных паровых судах питательная вода из конденсаторов в подогреватели подается через несколько ступеней нагрева. Нагрев производится за счет тепла рабочего тела турбины и отходящих топочных газов, обтекающих экономайзер.

Почти все вспомогательное оборудование имеет электрический привод. Электрогенераторы с приводом от паровых турбин обычно вырабатывают постоянный ток напряжением 250 В. Используется и переменный ток.

Читайте также:  Первый паровой двигатель создал

Если передача мощности от турбины на винт осуществляется через редуктор, то для обеспечения заднего хода (обратное вращение винта) применяется дополнительная небольшая турбина. Мощность на валу при обратном вращении составляет 20–40% основной мощности.

Электропривод от турбины к гребному винту был очень популярен в 1930-е годы. В этом случае турбина вращает высокооборотный генератор, а выработанная электроэнергия передается на малооборотные электродвигатели, которые вращают гребной вал. КПД зубчатой передачи (редуктора) примерно 97,5%, электропривода – около 90%. В случае электропривода обратное вращение обеспечивается просто переключением полярности.

Газовые турбины.

Газовые турбины появились на судах значительно позже, чем в авиации, поскольку выигрыш в весе в судостроении не так важен, и этот выигрыш не перевешивал высокую стоимость и сложность монтажа и эксплуатации первых газовых турбин. См. также АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА.

Газовые турбины используют на судах не только как главные двигатели; они нашли применение в качестве приводов для пожарных насосов и вспомогательных электрогенераторов, где выгодны их небольшой вес, компактность и быстрый запуск. В военно-морском флоте газовые турбины широко применяются на небольших скоростных судах: десантных катерах, минных тральщиках, судах на подводных крыльях; на больших кораблях их используют для получения максимальной мощности.

Современные газовые турбины обладают приемлемым уровнем надежности, стоимости эксплуатации и производства. Учитывая их малый вес, компактность и быстрый запуск, они во многих случаях становятся конкурентоспособными с дизелями и паровыми турбинами.

Дизельные двигатели.

Впервые дизель как судовой двигатель был установлен на «Вандале» в Санкт-Петербурге (1903). Это произошло всего через 6 лет после изобретения Дизелем своего двигателя. На «Вандале», ходившем по Волге, было два гребных винта; каждый винт устанавливался на одном валу с 75-кВт электродвигателем. Электроэнергия вырабатывалась двумя дизель-генераторами. Трехцилиндровые дизели мощностью по 90 кВт имели постоянную частоту вращения (240 об/мин). Мощность от них нельзя было передавать непосредственно на гребной вал, поскольку не было реверса.

Пробная эксплуатация «Вандала» опровергла общее мнение, что дизели нельзя применять на судах из-за опасности вибраций и высоких давлений. Более того, расход топлива составил только 20% от расхода топлива на пароходах того же водоизмещения.

Внедрение дизелей.

За десять лет, прошедших после установки первого дизеля на речное судно, эти двигатели подверглись значительному усовершенствованию. Увеличилась их мощность за счет повышения числа оборотов, увеличения диаметра цилиндра, удлинения хода поршня, а также разработки двухтактных двигателей.

Число оборотов существующих дизелей составляет от 100 до 2000 об/мин; высокооборотные дизели применяются на небольших быстроходных катерах и во вспомогательных дизель-генераторных системах. Их мощность варьируется в столь же широком диапазоне (10–20 000 кВт). В последние годы появились дизели с наддувом, что увеличивает их мощность примерно на 20%.

Сравнение дизельных двигателей с паровыми.

Дизели имеют преимущество над паровыми двигателями на небольших судах благодаря своей компактности; кроме того, они легче при одинаковой мощности. Дизели расходуют меньше топлива на единицу мощности; правда, дизельное топливо дороже топочного. Расход дизельного топлива можно уменьшить дожиганием отработанных газов. На выбор энергетической установки влияет и тип судна. Дизельные двигатели запускаются гораздо быстрее: их не надо предварительно разогревать. Это очень важное преимущество для портовых судов и вспомогательных или резервных силовых установок. Однако есть преимущества и у паротурбинных установок, которые надежнее в эксплуатации, способны длительное время работать без регламентного обслуживания, отличаются меньшим уровнем вибраций благодаря отсутствию возвратно-поступательного движения.

Судовые дизели.

Судовые дизели отличаются от прочих дизелей только вспомогательными элементами. Они непосредственно либо через редуктор вращают гребной вал и должны обеспечивать обратное вращение. В четырехтактных двигателях для этого служит дополнительная муфта обратного хода, которая входит в зацепление при необходимости обратного вращения. В двухтактных двигателях с обеспечением обратного вращения проще, поскольку последовательность работы клапанов определяется положением поршня в соответствующем цилиндре. В небольших двигателях обратное вращение получают с помощью муфты сцепления и зубчатой передачи. На некоторых сторожевых кораблях и амфибиях длиной менее 60 м ставят реверсивные гребные винты (см. ниже). Для того чтобы число оборотов двигателя не превысило безопасный предел, все двигатели оборудованы ограничителями частоты вращения.

Электрическая тяга.

Термином «суда с электрической тягой» называют суда, у которых одним из элементов системы преобразования энергии топлива в механическую энергию вращения гребного вала является электрическая машина. Один или несколько электродвигателей соединяются с валом винта напрямую или через редуктор. Питание электродвигателей осуществляется от электрогенераторов, приводом которых служит паровая или газовая турбина либо дизель. На подводных лодках в подводном положении питание электродвигателей осуществляется от аккумуляторов, а в надводном – от дизель-генераторов. Электрические машины постоянного тока обычно устанавливаются на небольших и на высокоманевренных судах. Машины переменного тока используются на океанских лайнерах.

Турбоэлектроходы.

На рис. 1 представлена схема турбоэлектропривода с котельной установкой для получения пара. Пар вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор. Выработанная электроэнергия подается на электродвигатели, которые связаны с гребным валом. Обычно каждый турбогенератор работает на один электродвигатель, который вращает свой винт. Однако такая схема позволяет легко подсоединить к одному турбогенератору несколько электродвигателей, а следовательно, несколько гребных винтов.

Судовые турбогенераторы переменного тока могут вырабатывать ток с частотой в пределах 25–100% максимальной, но не более 100 Гц. Генераторы переменного тока вырабатывают ток напряжением до 6000 В, постоянного – до

Дизельэлектроходы.

Дизельэлектрический привод по существу не отличается от турбоэлектрического, за исключением того, что котельная установка и паровая турбина заменены дизельным двигателем.

На небольших судах обычно на каждый винт работают один дизель-генератор и один электродвигатель, однако при необходимости можно отключить один дизель-генератор для экономии или включить дополнительный для увеличения мощности и скорости.

КПД. Электродвигатели постоянного тока на низких оборотах создают больший крутящий момент, чем турбины и дизели с механической передачей. Кроме того, у двигателей и постоянного и переменного тока крутящий момент одинаков как при прямом, так и при обратном вращении.

Полный КПД турбоэлектропривода (отношение мощности на гребном валу к энергии топлива, выделяющейся в единицу времени) ниже, чем КПД турбинного привода, хотя турбина и соединена с гребным валом через два понижающих редуктора. Турбоэлектропривод тяжелее и дороже механического турбинного привода. Полный КПД дизельэлектропривода примерно такой же, как у механического турбинного привода. Каждый тип привода имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому выбор типа двигательной установки определяется типом судна и условиями его эксплуатации.

Электроиндукционная муфта.

В этом случае передача мощности от двигателя к гребному винту производится электромагнитным полем. Принципиально такой привод подобен обычному асинхронному электродвигателю, за исключением того, что и статор и якорь электродвигателя в электромагнитном приводе сделаны вращающимися; один из них связан с валом двигателя, а другой – с гребным валом. Элемент, связанный с двигателем, представляет собой обмотку возбуждения, которая питается от внешнего источника постоянного тока и создает электромагнитное поле. Элемент, связанный с гребным валом, представляет собой короткозамкнутую обмотку без внешнего питания. Оба элемента разделены воздушным промежутком. Вращающееся магнитное поле возбуждает в обмотке второго элемента ток, что заставляет этот элемент вращаться, но всегда медленнее (со скольжением), чем первый элемент. Возникающий крутящий момент пропорционален разности частот вращения этих элементов. Выключение тока возбуждения в первичной обмотке «разъединяет» эти элементы. Частоту вращения второго элемента можно регулировать, меняя ток возбуждения. При одном дизельном двигателе на судне использование электромагнитного привода позволяет снизить вибрации благодаря отсутствию механической связи двигателя с гребным валом; при нескольких дизельных двигателях такой привод повышает маневренность судна за счет переключения гребных винтов, поскольку направление их вращения легко изменить.

Атомные энергетические установки.

В реакторной установке, как и в обычном паровом котле, имеются насосы, теплообменники и другое вспомогательное оборудование. Особенностью ядерного реактора является его радиоактивное излучение, которое требует специальной защиты обслуживающего персонала.

Безопасность.

Вокруг реактора приходится ставить массивную биологическую защиту. Обычные защитные материалы от радиоактивного излучения – бетон, свинец, вода, пластмассы и сталь.

Существует проблема хранения жидких и газообразных радиоактивных отходов. Жидкие отходы хранятся в специальных емкостях, а газообразные поглощаются активированным древесным углем. Затем отходы переправляются на берег на предприятия по их переработке.

Судовые ядерные реакторы.

Основными элементами ядерного реактора являются стержни с делящимся веществом (ТВЭЛы), управляющие стержни, охладитель (теплоноситель), замедлитель и отражатель. Эти элементы заключены в герметичный корпус и расположены так, чтобы обеспечить управляемую ядерную реакцию и отвод выделяющегося тепла.

Горючим может быть уран-235, плутоний либо их смесь; эти элементы могут быть химически связаны с иными элементами, быть в жидкой или твердой фазе. Для охлаждения реактора используется тяжелая или легкая вода, жидкие металлы, органические соединения или газы. Теплоноситель может быть использован для передачи тепла другому рабочему телу и производства пара, а может использоваться непосредственно для вращения турбины. Замедлитель служит для уменьшения скорости образующихся нейтронов до значения, наиболее эффективного для реакции деления. Отражатель возвращает в активную зону нейтроны. Замедлителем и отражателем обычно служат тяжелая и легкая вода, жидкие металлы, графит и бериллий.

На всех военно-морских судах, на первом атомном ледоколе «Ленин», на первом грузо-пассажирском судне «Саванна» стоят энергетические установки, выполненные по двухконтурной схеме. В первичном контуре такого реактора вода находится под давлением до 13 МПа и поэтому не вскипает при температуре 270 ° С, обычной для тракта охлаждения реактора. Вода, нагретая в первичном контуре, служит теплоносителем для производства пара во вторичном контуре.

Читайте также:  Неисправный двигатель на бмв

В первичном контуре могут использоваться и жидкие металлы. Такая схема применена на подводной лодке ВМС США «Си Вулф», где теплоносителем является смесь жидкого натрия с жидким калием. Давление в системе такой схемы сравнительно невелико. Это же преимущество можно реализовать, используя в качестве теплоносителя парафинообразные органические вещества – дифенилы и трифенилы. В первом случае недостатком является проблема коррозии, а во втором – образование смолистых отложений.

Существуют одноконтурные схемы, в которых рабочее тело, нагретое в реакторе, циркулирует между ним и главным двигателем. По одноконтурной схеме работают газоохлаждаемые реакторы. Рабочим телом служит газ, например, гелий, который нагревается в реакторе, а затем вращает газовую турбину.

Защита.

Ее главная функция – обеспечить защиту экипажа и оборудования от излучения, испускаемого реактором и другими элементами, имеющими контакт с радиоактивными веществами. Это излучение делится на две категории: нейтроны, выделяющиеся при делении ядер, и гамма-излучение, возникающее в активной зоне и в активированных материалах.

В общем случае на судах имеются две защитные оболочки. Первая расположена непосредственно вокруг корпуса реактора. Вторичная (биологическая) защита охватывает парогенераторное оборудование, систему очистки и емкости для отходов. Первичная защита поглощает большую часть нейтронов и гамма-излучение реактора. Это снижает радиоактивность вспомогательного оборудования реактора.

Первичная защита может представлять собой двухоболочечный герметичный резервуар с пространством между оболочками, заполненным водой, и наружным свинцовым экраном толщиной от 2 до 10 см. Вода поглощает большую часть нейтронов, а гамма-излучение частично поглощается стенками корпуса, водой и свинцом.

Основная функция вторичной защиты – снизить излучение радиоактивного изотопа азота 16 N, который образуется в теплоносителе, прошедшем через реактор. Для вторичной защиты используются емкости с водой, бетон, свинец и полиэтилен.

Экономичность судов с атомными энергетическими установками.

Для боевых кораблей стоимость постройки и эксплуатационные расходы имеют меньшее значение, чем преимущества почти неограниченной дальности плавания, большей энерговооруженности и скорости кораблей, компактности установки и сокращения обслуживающего персонала. Эти достоинства атомных энергетических установок обусловили их широкое применение на подводных лодках. Оправданно и применение энергии атома на ледоколах.

СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

Существует четыре основных вида судовых движителей: водометные движители, гребные колеса, гребные винты (в том числе с направляющей насадкой) и крыльчатый движитель.

Водометный движитель.

Водометный движитель – это, по существу, просто поршневой или центробежный насос, который засасывает воду через отверстие в носу или днище корабля и выбрасывает через сопла в кормовой его части. Создаваемый упор (сила тяги) определяется разностью количеств движения струи воды на выходе и входе в движитель. Водометный движитель был впервые предложен и запатентован Тугудом и Хейсом в Англии в 1661. Позднее разные варианты такого двигателя предлагали многие, но все конструкции были неудачными из-за низкого КПД. Водометный движитель применяется в некоторых случаях, когда низкий КПД компенсирутся преимуществами в других отношениях, например для плавания по мелководным или засоренным рекам.

Гребное колесо.

Гребное колесо в самом простом случае – это широкое колесо, у которого по периферии установлены лопасти. В более совершенных конструкциях лопасти могут поворачиваться относительно колеса так, чтобы они создавали нужную пропульсивную силу при минимальных потерях. Ось вращения колеса расположена выше уровня воды, и погружена лишь его небольшая часть, поэтому в каждый данный момент времени только несколько лопастей создают упор. КПД гребного колеса, вообще говоря, возрастает с увеличением его диаметра; не редкость значения диаметра 6 м и более. Частота вращения большого колеса получается низкой. Невысокое число оборотов соответствовало возможностям первых паровых машин; однако со временем машины совершенствовались, их скорости возросли, и малые обороты колеса стали серьезным препятствием. В итоге гребные колеса уступили место гребным винтам.

Гребные винты.

Еще древние египтяне использовали винт для подачи воды из Нила. Есть свидетельства, что в средневековом Китае для движения судов использовали винт с ручным приводом. В Европе винт в качестве судового движителя впервые предложил Р.Гук (1680).

Конструкция и характеристики.

Важнейшим параметром, определяющим рабочие характеристики гребного винта, является отношение шага винта к его диаметру. Следующие по значимости – количество лопастей, их ширина, толщина и форма, форма профиля и дисковое отношение (отношение суммарной площади лопастей к площади описывающего их круга) и отношение диаметра втулки к диаметру винта. Экспериментально определены диапазоны изменения этих параметров, обеспечивающие хорошие рабочие характеристики: шаговое отношение (отношение шага винта к его диаметру) 0,6–1,5, отношение максимальной ширины лопасти к диаметру винта 0,20–0,50, отношение максимальной толщины лопасти вблизи втулки к диаметру 0,04–0,05, отношение диаметра втулки к диаметру винта 0,18–0,22. Форма лопасти обычно яйцевидная, а форма профиля – плавно обтекаемая, очень похожая на профиль крыла самолета. Размеры современных гребных винтов варьируются от 20 см до 6 м и более. Мощность, развиваемая винтом, может составлять доли киловатта, а может превышать 40 000 кВт; соответственно, частота вращения лежит в диапазоне от 2000 об/мин для малых винтов до 60 для больших. КПД хороших винтов составляет 0,60–0,75 в зависимости от шагового отношения, числа лопастей и других параметров.

Применение.

На судах ставят один, два или четыре гребных винта в зависимости от размеров судна и требуемой мощности. Одиночный винт обеспечивает более высокий КПД, поскольку отсутствует интерференция и часть энергии, затрачиваемой на движение судна, восстанавливается гребным винтом. Это восстановление выше, если гребной винт установлен в середине спутной струи сразу за ахтерштевнем. Некоторое увеличение пропульсивной силы может быть достигнуто с помощью разрезного руля, для чего верхнюю и нижнюю части руля немного отклоняют в противоположные стороны (соответственно вращению винта), с тем чтобы использовать поперечную составляющую скорости струи после винта для создания дополнительной составляющей силы в направлении движения судна. Применение нескольких винтов увеличивает маневренность судна и возможности поворота без использования рулей, когда винты создают упор в разных направлениях. Как правило, реверсирование упора (изменение направления действия пропульсивной силы на обратное) достигается реверсированием вращения гребных двигателей, но существуют и специальные реверсивные винты, которые позволяют реверсировать упор без изменения направления вращения валов; это достигается поворотом лопастей относительно втулки с помощью механизма, расположенного во втулке и приводимого в действие через полый вал. Гребные винты изготавливают из бронзы, отливают из стали или чугуна. Для работы в соленой воде предпочтительнее сплав бронзы, легированной марганцем, поскольку он хорошо поддается шлифованию и успешно противостоит кавитации и воздействию соленой воды. Спроектированы и созданы высокоскоростные суперкавитирующие винты, у которых вся засасывающая поверхность занята зоной кавитации. При малых скоростях такие винты обладают несколько меньшим КПД, однако они значительно эффективнее обычных при высоких скоростях. См. также КАВИТАЦИЯ.

Винт с направляющей насадкой.

Винт с насадкой – обычный винт, установленный в коротком сопле, – изобретен немецким инженером Л.Кортом. Насадка жестко соединена с корпусом судна или выполнена с ним как одно целое.

Принцип действия.

Был сделан ряд попыток установить винт в трубе для улучшения его рабочих характеристик. В 1925 Корт обобщил результаты этих исследований и существенно усовершенствовал конструкцию: он превратил трубу в короткое сопло, диаметр которого на входе был больше, а форма соответствовала аэродинамическому профилю. Корт установил, что такая конструкция обеспечивает значительно больший упор при заданной мощности по сравнению с обычными винтами, поскольку струя, ускоряемая винтом, при наличии насадки сужается в меньшей степени (рис. 3). При одинаковых расходах скорость за винтом с насадкой (v + u ў ) меньше, чем за винтом без насадки (v + u). Поэтому идеальный КПД винта с насадкой возрастает в отношении (2v + u)/(2v + u ў ).

Преимущества.

Преимущество винта с направляющей насадкой над обычным винтом проверено практикой. Выигрыш выше, когда скорость судна (v) невелика, а винт тяжело нагружен, т.е. велика скорость скольжения (u). В связи с этим винты с насадкой чаще ставят на буксирах, траулерах и аналогичных судах, которые буксируют тяжелые грузы с малой скоростью. Для таких судов выигрыш на единицу мощности, создаваемый винтом с насадкой, может достигать 30–40%. На быстроходных судах винт с насадкой не имеет преимуществ, поскольку небольшой выигрыш в КПД теряется из-за увеличения сопротивления на насадке.

Крыльчатые движители.

Такой движитель представляет собой диск, на котором по периферии перпендикулярно плоскости диска размещены 6–8 лопатообразных лопастей. Диск установлен заподлицо с днищем корабля, а в поток опущены только лопасти движителя. Диск с лопастями вращается относительно своей оси, и, кроме того, лопасти совершают вращательное или колебательное движение относительно своей продольной оси. В результате вращательного и колебательного движений лопастей вода ускоряется в требуемом направлении, и создается упор для движения судна. Такой тип движителя имеет преимущество перед гребным винтом и гребным колесом, поскольку может создавать упор в любом желаемом направлении: вперед, назад и даже вбок без изменения направления вращения двигателя. Поэтому для управления судами с крыльчатым движителем не требуется рулей или других механизмов. Хотя крыльчатые движители не могут заменить гребные винты по универсальности применения, в некоторых специальных случаях они весьма эффективны.

Акимов Р.Н. и др. Справочник судового механика. М., 1973–1974
Самсонов В.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М., 1981
Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые дизельные установки (спр.). Л., 1986
Артюшков Л.С. и др. Судовые движители. Л., 1988
Батырев А.Н. и др. Корабельные ядерные установки зарубежных стран. СПб., 1994

Источник