Лекция 14. Взаимосвязь типа судна и ЭУ

Влияние типа судна на состав и основные параметры СЭУ. Дизельные установки судов транспортного, промыслового и технического флота.

Передача мощности от двигателя к движителю.Мощность главных двигателей передается на движитель с помощью валопровода и электрической передачи. При элект­ропередаче происходит двойное превращение энергии, что делает ее КПД ниже КПД валопровода. Кроме того, к недо­статкам электрического привода относится сложность оборудо­вания и необходимость увеличения числа обслуживающего пер­сонала. Поэтому на речных судах основным видом передачи мощности от двигателя к гребному винту является валопровод.

Взаимодействие главного двигателя с гребным винтом и корпусом судна.Главный двигатель, соединенный с гребным винтом, рабо­тает в гидродинамическом комплексе: двигатель — винт — кор­пус. Все элементы этого комплекса, называемого пропульсивным или движительным, взаимосвязаны. Поэтому от правиль­ного их сочетания зависят эксплуатационные показатели судна, которые оцениваются в виде КПД движительного комплекса где: N_R — буксировочная мощность, затрачивае­мая на движение судна с заданной скоростью; N_e — эффектив­ная мощность главного двигателя. Величина для современ­ных транспортных судов находится в пределах 0,5—0,7.

Для увеличения КПД движительного комплекса необхо­димо, чтобы корпус имел такие обводы подводной части, при которых сопротивление воды движению судна было бы наи­меньшим, и чтобы элементы гребного винта соответствовали главному двигателю.

Если диаметр и шаг винта превышают требуемые для дан­ного случая размеры, то это приведет к перегрузке двигателя на номинальном режиме. Для характеристики указанного не­соответствия введено понятие «тяжелого» винта, т. е. винта, для работы которого с номинальной частотой вращения у дви­гателя не хватает мощности. При таком несоответствии двига­тель работает с пониженной частотой вращения, что является неэкономичным.

Если диаметр и шаг винта будут меньше требуемых для данного случая размеров, то при номинальной частоте враще­ния двигателя винт потребляет мощность меньшую, чем может развить двигатель. Для характеристики такого несоответствия введено понятие «легкого» винта. При легком винте двигатель при номинальной частоте вращения не развивает номинальной мощности, что приводит к недоиспользованию мощности.

Судовые энергетические установки. Вопрос о том, удастся ли получить высокие скорости у судов обычного или необычного типа, зависит прежде всего от прогресса в судовом машиностроении. Наибольшая мощность применяемых на судах энергетических установок составляет 85 тыс. кВт (на 30-узловом транспортном судне). Для 35-узлового судна потребуется уже мощность порядка 140—180 тыс. кВт.

Наибольшие из построенных до сего времени энергетических установок имеют мощность 175 тыс. кВт (на пассажирском судне) и 265 тыс. кВт (на авианосце). Однако корабли обоих этих типов не могут сравниваться с транспортными судами, ибо эксплуатируются в совершенно иных условиях. Превышения указанных мощностей можно ожидать, когда речь идет о больших трансокеанских судах на воздушной подушке, для которых потребуются мощности порядка 350—550 тыс. кВт. Мощность тепловой электростанции, обеспечивающей электроэнергией город с миллионным населением, составляет около 200 тыс. кВт. Для размещения агрегатов и подсобных служб такой электростанции требуется производственная площадь около 10 тыс. м², на борту же судна для размещения установки можно выделить только от 1000 до 1500 м² площади. Отсюда вполне очевидно, что развитие судового машиностроения должно ориентироваться на двигатели с большой концентрацией мощности, требующие незначительных площадей и кубатуры.

Какие типы главных двигателей имеются в настоящее время и появятся в будущем? Если говорить об обычных транспортных судах, то на них в подавляющем большинстве случаев стоят дизели и значительно реже паротурбинные установки.

Газовые турбины и атомные установки, широко используемые в военном кораблестроении, до сих пор практически не нашли применения в торговом флоте

По мере дальнейшего роста скоростей и размеров судов вопрос об увеличении мощности судовых энергетических установок делается все более актуальным.

Одновременно к установке должны предъявляться следующие требования:

— малый объем, необходимый для ее размещения;

— относительно высокая надежность;

— длительный срок службы;

— низкий расход топлива.

Энергетическая установка должна, кроме того, легко поддаваться автоматизации.

Из всех двигателей непосредственно на гребной винт могут работать только малооборотные дизели с частотой вращения 100—200 об/мин (в некоторых случаях до 300 об/мин). Все остальные типы двигателей вследствие слишком высокой для гребного винта частоты вращения требуют понижающего редуктора. Это создает условия для применения многомашинных установок, когда на один гребной винт через редуктор работает сразу несколько двигателей и мощность, передаваемая на винт, возрастает. Если 2 - 4 среднеоборотных дизеля будут работать на один редуктор, то мощность, передаваемую на один гребной винт, уже сейчас можно довести до 55 тыс. кВт.

Дальнейшее увеличение мощности может быть достигнуто путем применения многовальных установок с двумя или тремя гребными винтами. Но для того, чтобы повышенную мощность перспективных главных двигателей превратить с помощью гребных винтов в толкающий судно упор, требуется еще исследовательская работа в области самих гребных винтов.

В настоящее время максимальная мощность, которую гребной винт может переработать, составляет у гражданских судов около 45 тыс. кВт и у боевых кораблей — примерно 65 тыс. кВт на один винт. Дальнейшее повышение мощности винтов только за счет увеличения их диаметров невозможно, так как диаметр гребного винта должен быть меньше осадки судна. Например, гребной винт 250 000-тонного танкера с энергетической установкой мощностью 24 тыс. кВт имеет диаметр 9,4 м и массу почти 60 т. Большие размеры гребных винтов создают значительные технологические трудности при отливке. Новые пути увеличения мощности открывает применение соосных, расположенных один за другим гребных винтов противоположного вращения.

Рис. 14.1 Судовые энергетические установки:

1 — низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт; 2 — дизель-редукторная установка; 3 — паротурбинная установка; 4 — газовая турбина; 5 — атомная установка; 6 — газотурбинная установка с электрической передачей на винт

В этой связи нельзя не упомянуть часто применяемые гребные винты в насадках. Благодаря окружающей его кольцевидной насадке, винт может при одинаковой мощности и равных условиях эксплуатации обеспечить транспортному судну увеличение упора до 6%. Это немаловажное преимущество может использоваться, однако, только на тихоходных судах. На быстроходных применение винтов в насадках невыгодно, так как собственное сопротивление насадки перекроет выигрыш.

В будущем для достижения больших скоростей здесь могут применяться гребные винты, имеющие более высокий коэффициент полезного действия, чем у водометных движителей, состоящих из центробежного насоса и сопла. Водометные движители найдут применение в особенно благоприятной области — на быстроходных судах на подводных крыльях.

До сих пор остался без ответа вопрос о том, какого именно типа энергетические установки будут преимущественно применяться в будущем. Сравнение массы и стоимости энергетических установок представляет в благоприятном свете многомашинные установки со среднеоборотными дизелями и, пожалуй, прежде всего газовые турбины. Если в качестве главного судового двигателя принять газовую турбину, то можно уменьшить массу установки на 50% по сравнению с паровой турбиной и на 60% по сравнению с тихоходным дизелем, непосредственно работающим на гребной винт. При мощности 30 тыс. кВт экономия массы составляет от 1000 до 1500 т.

Сравнение габаритов дает такие результаты: газовая турбина 20 тыс. кВт имеет длину 7 м, высоту 1,5 м, а массу всего 8,5 т. Длина же тихоходного дизеля примерно 20 м, высота около 10 м, а масса почти 1000 т. Если сравнивать энергетические установки в целом, а не только главные двигатели, разница будет несколько меньше, так как для газовой турбины требуются редуктор и сложная система каналов для подвода свежего воздуха и отвода отработавших газов.

Диапазон мощностей свыше 35 тыс. кВт до настоящего времени занимают паровые турбины. Однако и здесь в перспективе с ними будут конкурировать газовые турбины. Преимущественная сфера применения мощных двигателей — по-видимому, быстроходные контейнеровозы и суда с горизонтальной погрузкой. Скорости свыше 30 уз требуют мощностей от 55 до 100 тыс. кВт. При меньшем пределе газовая турбина будет иметь массу 20 т, в отличие от 1400-тонной паротурбинной установки. Еще более важной является экономия площади. Длина машинного отделения газотурбинного судна при указанной мощности будет вдвое меньше, чем у паротурбинного. Благодаря этому грузовместимость газотурбинного судна возрастет на 10—20%. Примерно в такой же степени возрастет количество перевозимого груза.

Рис. 14.2 Движители для передачи большой мощности или для быстроходных судов:

1 — трехвальная установка; 2 — гребной винт в насадке; 3 — соосные гребные винты противоположного вращения; 4 — водометный движитель

С применением электрической передачи газовые турбины позволяют осуществить совершенно новые принципы компоновки машинных отделений. Например, в очень небольшом и низком помещении в корме можно расположить гребной электродвигатель, приводящий гребной винт через редуктор, Этот двигатель будет получать питание от главной электростанции — генераторов электрического тока, приводимых непосредственно газовыми турбинами. Поскольку главная электростанция может находиться в любом месте судна, ее можно разместить в сравнительно небольшом машинном отделении на палубе. При этом резко сократится длина воздушных и газоотводных каналов, газовые турбины будут легко доступны и замена их после истечения срока службы не составит ни малейшего труда.

Однако для того, чтобы такой проект мог быть осуществлен, необходимо существенное снижение цен на электрооборудование. Кроме того, следует иметь в виду, что электрическая передача всегда связана с большими потерями мощности. Особую проблему представит также борьба с шумом, создаваемым работающими в надстройке на главной палубе газовыми турбинами.

Кроме указанных, газовая турбина имеет и другие преимущества: малые расходы на обслуживание, возможность быстрой замены (в течение 4—6 ч), быстрая готовность к действию и, разумеется, большая концентрация мощности в очень малом объеме.

Почему же, несмотря на многочисленные преимущества, газовые турбины до сих пор не нашли широкого применения в судовых энергетических установках? Это объясняется следующими причинами:

1) очень велик удельный расход топлива: газовая турбина расходует от 310 до 340 г на 1 кВт-ч, т.е. приблизительно на 40—50% больше, чем дизель.

2) в газовой турбине может сжигаться только легкое и потому дорогое топливо (например, дизельное), в то время как любой мало- или среднеоборотный дизель работает на тяжелом моторном топливе, стоимость которого на мировом рынке составляет около 60% стоимости дизельного топлива;

3) моторесурс, т.е. время между двумя переборками, у газовой турбины составляет всего 1500 ч, что намного ниже, чем у дизелей или паровых турбин.

Рис. 14.3 Энергетические установки с низкооборотным дизелем и газовыми турбинами

Рис.14.4 Газотурбоэлектроход с газовыми турбинами, установленными в надстройке

Таким образом, если судовладелец решил поставить на свое судно газовую турбину, он должен иметь для этого достаточно веские основания. В будущем этот тип двигателей должен все чаще встречаться на быстроходных судах, ибо мощные энергетические установки другого типа окажутся более тяжелыми и займут значительно больше места, что неблагоприятно скажется на грузоподъемности и грузовместимости судна.

Для очень быстроходных судов, особенно для судов на подводных крыльях и на воздушной подушке, газовые турбины представляют собой неизбежную необходимость. Повышения экономичности газовых турбин можно ожидать лишь в связи со снижением удельного расхода топлива. Но поскольку это наступит, по-видимому, не скоро, можно полагать, что в первое время увеличится число дизельных установок с редуктором, которые во многих случаях, особенно на быстроходных судах, заменят самый экономичный двигатель — малооборотный дизель.

Если говорить об энергетических установках завтрашнего дня, нельзя обойти вниманием атомные энергетические установки. Установки такого типа уже доказали свою пригодность в качестве главных двигателей и безопасность эксплуатации на многочисленных боевых кораблях, а также на советских ледоколах «Ленин», «Арктика» и «Сибирь» и на трех гражданских судах. Однако атомные установки до сих пор еще неэкономичны.

Существуют различные мнения о том, начиная с какой мощности атомные энергетические установки становятся экономичнее обычных. Результаты исследований колеблются между значениями 45 и 70 тыс. кВт. Естественно, что исследовательские работы в области применения атомной энергии для движения судов продолжаются; цель этих исследований — сдвинуть границу экономичности к более низким значениям мощности. Оптимистические прогнозы обещают, что через несколько лет атомные установки уже начиная с 15 тыс. кВт станут конкурентоспособными с энергетическими установками других типов.

Поскольку разведанных запасов нефти достаточно для того, чтобы и в 2000 г. покрывать мировые потребности в топливе, очевидно, не будет крайней необходимости в замене энергетических установок обычного типа атомными, особенно когда речь идет о сравнительно «малых» мощностях. Это нерационально уже хотя бы потому, что эксплуатация судов-атомоходов во многих странах мира регламентирована законодательными ограничениями. Эти законы, хотя и преследуют благую цель защиты окружающей среды, тем не менее, затрудняют эксплуатацию таких судов. Во многие порты вход судам с атомными установками вообще запрещен. Необходимые конструктивные мероприятия по обеспечению безопасности, к числу которых относится устройство тяжелого защитного контейнера для атомного реактора и ограждение реакторного отделения достаточным числом водонепроницаемых переборок на случай столкновения судов, не только сопряжен с увеличением массы, но и сильно увеличивают стоимость атомной установки по сравнению с установками обычного типа.

Атомные энергетические установки в будущем смогут стать экономичными там, где требуются большие мощности и где грузы перевозятся на дальние расстояния. У универсальных сухогрузных судов, многих специализированных транспортных и пассажирских судов такие предпосылки отсутствуют. Поэтому вопрос о применении атомной энергии на судах такого типа пока не стоит. В то же время немалая часть контейнеровозов со скоростями 30 уз и более, а также супертанкеров и больших судов для перевозки навалочных грузов к концу века перейдет на атомную энергию.

Однако ожидают, что теперешние установки с водяным реактором под давлением и паровой турбиной уступят место газоохлаждаемым высокотемпературным реакторам в сочетании с газовой турбиной.

До XXI века широкого применения атомной энергии в морском торговом флоте не предполагается. Для последующего периода возникают дополнительные проблемы.

Поиски новых первичных источников энергии являются важной задачей. Известно, что уже появились и работают достаточно мощные батареи, составленные из топливных элементов. Однако, поскольку у двигателей этого типа трудно будет добиться большой концентрации мощности, их применение и в будущем, по-видимому, ограничится автомобильным и железнодорожным транспортом. Таким образом, и в дальнейшем наибольшее значение будут иметь двигатели внутреннего сгорания, а также газовые и паровые турбины.

Вопросы для самопроверки

Как влияет тип судна на состав и основные параметры СЭУ?

Особенности энергетических установок судов транспортного и технического флота.

Лекция 15.