лассификация судовых энергетических установок

ЧЕЛПАНОВ И.В.

 

 

Л Е К Ц И Я № 8.1

 

Тема: Судовые энергетические установки

 

Текст лекции по дисциплине «Объекты морской техники»

 

Санкт-Петербург

Введение

Судовая энергетическая установка (СЭУ) — сложный комплекс функционально взаимосвязанных машин, механизмов, элементов энергетического оборудования, предназначенных для автономного генерирования, преобразования, передачи и использования различ­ных видов энергии, обеспечивающих движение судна с заданной скоростью, безопасное и эф­фективное его функционирование по назначе­нию.

Схема на рис. 8.1 даёт представление о составе СЭУ, а также о взаимосвязи элементов, входя­щих в неё. Непосредственно в СЭУ входят:

глав­ная энергетическая установка (ГЭУ), иногда на­зываемая силовой или механической,

вспомо­гательные энергетические установки (ВЭУ) и

электроэнергетическая система (ЭЭС).

Испол­нительная часть ГЭУ, в которую входят главный двигатель (ГД), главная передача, валопровод и движитель, носит название пропульсивной ус­тановки (ПУ). Пропульсивная установка состо­ит из элементов, обеспечивающих движение и маневрирование судна.

	Рис. 8.1. Типовой состав судовой энергетической установки

 

 

Входящие в состав ГЭУ элементы называют­ся главными и в зависимости от её типа их чис­ло и функциональное назначение носят разно­образный характер. В состав ГЭУ, прежде все­го, входят главные двигатели —

внутреннего сгорания (ДВС),

газотурбинные (ГТД),

паровые котлы (ПК),

паропроизводящие установки (ППУ),

главные передачи, а также

валопроводы, движители и

вспомогательные механизмы,

теплообменное и другое оборудование систем, обслуживающих ГД, и

системы дистанционного автоматического управления и контроля парамет­ров ГЭУ.

Вспомогательные энергетические установки предназначены для удовлетворения любого вида энергетических по­требностей (кроме электроэнергии) как для обес­печения непосредственно ГЭУ, так и общесудо­вых потребителей, связанных и несвязанных с пропульсивным комплексом.

В зависимости от назначения и типа судна в состав его ВЭУ может быть включено несколько вспомогательных установок, например, котель­ная, водоопреснительная, холодильная, комп­рессорная, кондиционирования, установка по­вторного сжижения углеводородных газов (для газовозов) и т. п. Каждая из названных ВЭУ предназначена для решения конкретной задачи в системе СЭУ, связанной с преобразованием или передачей какого-либо вида энергии или совер­шением работы в разнообразных механизмах, ап­паратах, устройствах и оборудовании, обеспечи­вающих функционирование СЭУ.

Значительной группой потребителей механи­ческой энергии помимо движителей являются насосы, компрессоры, вентиляторы, палубные механизмы и др. Привод ряда таких потребите­лей от главных двигателей предпочтителен, но не всегда возможен и удобен. В таких случаях предпочтение отдается электроприводу. Поэто­му в составе СЭУ всегда имеется электроэнерге­тическая система, включающая в себя элементы для выработки, передачи, трансформации и потребления электроэнергии. В качестве пер­вичных двигателей для привода электрогенера­торов используются вспомогательные ДВС, па­ровые и газовые турбины. На ходовых режимах электрогенератор может работать путём отбора мощности от ГД (валогенератор).

Мощность судовой электростанции (ЭЭС) в значительной мере зависит от назначения суд­на и характерных режимов её работы. На транс­портных судах её мощность лежит в пределах 12- 25 % от мощности ГД. На промысловых, пасса­жирских судах и базах мощность ЭЭС может со­ставлять до 70 % от мощности ГД.

Для нормального функционирования гене­раторов рабочих тел, двигателей главной и вспо­могательной установок, их индивидуального об­служивания одновременно используются систе­мы СЭУ (ЭС). Эти системы представляют собой совокупность машин и механизмов, теплообменных аппаратов, ёмкостей для хранения расход­ных тел (топлива, масла, воды, воздуха), филь­тров, трубопроводов с арматурой, кабельных трасс, средств контроля, регулирования и за­щиты, предназначенных для обеспечения надёж­ной и безопасной эксплуатации СЭУ.

В зависимости от типа СЭУ перечень обслу­живающих её систем может быть различным, но для установок, работающих на органическом топливе можно выделить ряд систем, традици­онно повторяющихся. К ним можно отнести топливную, масляную, охлаждения, воздухоподающую, газовыпускную и др. Специфика ра­бочих процессов в различных СЭУ требует орга­низации систем, характерных только для данно­го типа установки. Примером могут служить си­стема сжатого воздуха для дизельной установки (ДУ), система пар—конденсат для паротурбин­ной (ПТУ), система воздушного охлаждения для газотурбинной установки (ГТУ) и т. д. В судовой ядерной установке (СЯУ) количество систем резко возрастает в связи с не­обходимостью обеспечения безопасного обслужи­вания радиоактивного оборудования.

лассификация судовых энергетических установок

Применяемые на судах энергетические уста­новки могут быть классифицированы по основ­ным признакам:

— по роду топлива: работающие на органичес­ком (нефть, газ, уголь, синтетические топлива и т. п.) или ядерном топливе;

— по типу термодинамического цикла: откры­тый, закрытый, бинарный;

— по роду рабочего тела: паровые и газовые;

— по типу ГД: внутреннего сгорания, паротур­бинные, газотурбинные, комбинированные, смешанные;

— по способу передачи мощности к движите­лям: с прямой (непосредственной), механичес­кой, гидравлической, электрической и комби­нированной передачами;

— по числу валопроводов: одно- и многовальные;

— по числу ГД, работающих на один вал: од­номашинные и многомашинные;

— по способу обеспечения реверса судна: ревер­сивным главным двигателем, реверс-редуктором или реверсивной муфтой, винтом регулируемого шага;

— по степени автоматизации, способу управ­ления и обслуживания:

– неавтоматизированные и частично автоматизированные СЭУ с местным постом управления и постоянной вахтой в ма­шинном отделении (МО);

– автоматизированные СЭУ с дистанционным автоматизированным управлением (ДАУ), с постоянной вахтой в цен­тральном посту управления (ЦПУ) и периоди­ческим обслуживанием в МО (степень автомати­зации А2);

– автоматизированные СЭУ с ДАУ, без постоянной вахты в ЦПУ и МО и с периодичес­ким обслуживанием (степень автоматизации А1).

На практике в качестве основного признака различия современных СЭУ используют тип ГД. Под этим углом зрения рассмотрим наиболее рас­пространенные из них.

В ДУ главный двигатель — дизель (двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением смеси топлива и окислителя от сжатия). Дизель на современных судах получил самое широкое применение вследствие, прежде всего, высокой экономичности. Различают малооборотные ди­зели — МОД (п = 50+350 об/мин), работающие через валопровод непосредственно на винт (пря­мая передача); среднеоборотные — СОД (п = 350-750 об/мин) и повышенной оборотности (п = 750-1500 об/мин) с передачей мощности на винт через понижающую зубчатую или гид­равлическую передачи и высокооборотные — ВОД (п > 1500 об/мин) с зубчатой или электричес­кой (через гребной электродвигатель) передачей мощности на винт. Сочетание дизеля с зубча­той передачей называют дизель-редукторной установкой, а с электрогенератором — дизель-элек­трической.

Термин «паротурбинный двигатель» означа­ет наличие в составе ПТУ парового котла или парогенератора, в которых генерируется водяной пар за счёт окисления органического топлива в ПТУ или за счёт тепла, выделяемого в ядерном реакторе (ЯПТУ).

ПТУ применяются в сочетании с зубчатой или электрической передачами. В первом слу­чае паровая турбина, редуктор и конденсатор образуют главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА), а во втором — главный турбогенератор.

Здесь уместно вспомнить о паровой машине (ПМ), долгие годы служившей основным ГД, который на сегодня морально устарел и не эко­номичен. К достоинствам ПМ следует отнести возможности больших перегрузок её по мощнос­ти и хорошие тяговые характеристики по моменту, что для некоторых типов судов (например, для ледоколов, буксиров) немаловажно.

Газотурбинные установки открытого цикла подразделяют на установки с камерами сгора­ния (КС) и со свободнопоршневыми генерато­рами газа (СПГГ). Последние применялись толь­ко на одной серии отечественных лесовозов. Га­зотурбинный ГД работает на газе с относительно высоким давлением и температурой, получае­мыми за счёт теплоты сжигаемого органическо­го топлива. Возможна работа ГТУ и на высоко­температурных газах, отводящих тепло из актив­ной зоны газоохлаждаемого ядерного реактора, по аналогии с паротурбинной, называемой в этом случае ЯГТУ. В ГТУ энергия на движи­тель может передаваться посредством зубчатой, гидравлической или комбинированной передач. Агрегат газовая турбина—электрогенератор назы­вают газотурбогенератором.

В комбинированной СЭУ применяют два разнотипных ГД (обычно паровая и газовая турбины, дизель и паровая турбина) с термодина­мически связанными циклами, т. е. когда энер­гия одного контура установки передаётся в дру­гой контур (так называемые бинарные циклы). Так, например, если теплота уходящих из ГТУ газов расходуется на генерацию пара для ПТУ, работающей на движитель или на вспомогатель­ные механизмы, то такая установка называется комбинированной газопаротурбинной установ­кой — ГПТУ (основной цикл — газовый, такую установку ещё называют ГТУ с теплоутилизаци­онным контуром — ТУК). Если же основным циклом будет паровой, а газовый — дополни­тельным, установка называется комбинирован­ной парогазотурбинной — ПГТУ. Например, вы­пускные газы высоконапорного парового котла являются рабочим телом в газовой турбине, ко­торая является приводом компрессора, подаю­щего окислитель в топку котла. К комбиниро­ванным СЭУ можно отнести и ДУ с ТУК, мощ­ность паровой турбины которой идёт на пропульсивные цели или на привод вспомогательного электрогенератора. Такую установку можно на­звать дизель-паротурбинной.

Целесообразность применения комбиниро­ванных установок состоит в значительном улуч­шении экономических характеристик СЭУ (умень­шение удельного расхода топлива, повышение КПД за счёт более глубокой степени утилизации тепловых потоков и рациональной организации тепловых схем).

Смешанной установкой называют СЭУ, со­стоящую из разнотипных главных двигателей с термодинамически не связанными циклами. В таких установках главные двигатели одного типа (паровая турбина, дизель — маршевые двигатели) обеспечивают продолжительный по времени эко­номический ход, а двигатели другого типа (обыч­но газотурбинные — форсажные двигатели) — кратковременный форсированный ход с повы­шенной скоростью. Иногда применяются уста­новки так называемого условного смешанного типа с отдельными ГТД экономического хода и с лёгкими форсажными ГТД (условного пото­му, что в состав СЭУ входят не разнотипные, а однотипные ГД).

Многовальные СЭУ применяются при боль­шой мощности ГД. Наибольшее распростране­ние на морских транспортных судах находят одновальные СЭУ (дизельные с прямой передачей и зубчатой передачей).

Перспективны для применения на судах турбореактивные двигатели-движители (для ско­ростных СДПП), безмашинные установки с прямым преобразованием тепловой и химической энергии в электрическую (топливные эле­менты, термоэлектрические, термоэмиссионные генераторы) и магнитогидродинамические гене­раторы (МГДГ), которые в сочетании с турбин­ными установками способны обеспечить КПД СЭУ до 50-60 %. При использовании таких но­вых источников электрической энергии (НИЭЭ) перспективно применять электромагнитные гид­рореактивные движительные комплексы (МГРД), способные преобразовывать электроэнергию в кинетическую энергию движения судна.

8.2. Судовые дизельные энергетические установки (ДЭУ)

Среди существующих СЭУ дизельные установ­ки получили наибольшее распространение. В настоящее время доля их применения в об­щем объёме строящихся судов превышает 98 %. Объясняется это очевидными преимуществами судовых дизелей по сравнению с другими тепло­выми двигателями:

— самой высокой экономич­ностью (их КПД превышает 50 %),

— стабильной работой на различных сортах газообразного и жид­кого топлива, включая тяжёлое с вязкостью 700 сСт и содержанием серы 5 %,

— наилучшей приспособленностью к автоматизации, обеспе­чивающей безвахтенное обслуживание,

— значи­тельным ресурсом и постоянной готовностью к функционированию.

Более того, большое раз­нообразие конструкций и типов судовых ДВС, перекрывающих широкий диапазон агрегатной мощности (8-68000 кВт), частоты вращения (55-2200 мин^-1) и удельной массы (2,2-38 кг/кВт) даёт возможность выбора их в качестве главных двигателей для различных судов, начиная от крупнотоннажных с водоизмещением свыше 300 тыс. т и кончая быстроходными на подвод­ных крыльях и на воздушной подушке. Похожая ситуация наблюдается и с дизелями, которые используются для привода генераторов электри­ческого тока: ассортимент дизель-генераторов на­столько широк, что каких-либо затруднений с комплектацией судовых электростанций нет.

Для ДЭУ характерна максимальная зависи­мость основного комплектующего оборудования, проектного решения и эксплуатационных пока­зателей от устанавливаемого на судне дизеля. В свою очередь, выбор судового ДВС произво­дится с учётом назначения судна, условий раз­мещения главного двигателя в машинном отде­лении, типа судовой передачи. Как правило, окончательный выбор главного ДВС является тех­нико-экономической задачей, решаемой путём сопоставления различных вариантов структурных схем ДЭУ.

В ДЭУ эксплуатируются все типы дизель­ных двигателей, которые по частоте вращения коленчатого вала разделяются на мало-, средне-, повышенной оборотности и высокооборотные.

Малооборотные двигатели (МОД) применя­ются в СЭУ с прямой передачей, поскольку их частота вращения n_дв близка к оптимальной час­тоте вращения гребного винта п_гв. Последняя определяется максимальным КПД винта, в ос­новном, зависит от его диаметра: с увеличени­ем диаметра частота вращения понижается, а КПД растёт (рис. 8.2). Расчёты показывают, что для гребного винта диаметром 3 м наибольший КПД = 0,59 получается только при n_дв = 200 мин^-1, а для винта с диаметром 9 м n_дв = 65 мин^-1 и = 0,68. Что касается винтов диа­метром 11 м и более, то МОД может выполнить условие n_дв = п_гв, вероятнее всего, только в сочетании с редуктором.

Современные судовые МОД — двухтактные, крейцкопфные, реверсивные, длинноходные двигатели рядного исполнения с прямоточно-клапанной продувкой, одноступенчатым газотур­бинным наддувом и с встроенным упорным под­шипником. Ведущими фирмами по количеству выпускаемых МОД являются MAN B&W и Wärtsilä NSD (Sulzer). В России такие двигате­ли делают на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы MAN B&W. Все двигатели упомянутых фирм образуют типоразмерные ряды. Для каждого ряда мощность ДВС дискретно меняется в зависимости от числа ци­линдров (до 12), поэтому широкий мощностной диапазон охватывается минимальным количеством типоразмеров. Благодаря введению типоразмерных рядов, расширяются возможности для выполнения условия n_дв = п_гв, уменьшается стоимость двигателей, сокращаются сроки освоения новых конструкций, прежде всего, за счёт унификации отдельных деталей и узлов.

Среднеоборотные дизели (СОД) используют­ся в СЭУ и в качестве главных, работающих на гребной винт непосредственно или через редук­тор, и в качестве вспомогательных — первичных двигателей для дизель-генераторов. По сравне­нию с громоздкими МОД эти двигатели более компактные, имеют меньшую массу и пример­но равный с ними ресурс. Относительно неболь­шая высота СОД делает их незаменимыми для судов речного флота и морских теплоходов с го­ризонтальной грузообработкой, паромов, трау­леров, рыбоперераба-тывающих баз. В результа­те постоянного совершенствования СОД стано­вятся конкурентами МОД. Есть много приме­ров, когда контейнеровозы одного класса обо­рудуют как МОД, так и СОД, причём установка с СОД оказывается нередко экономически эф­фективнее. Даже на танкерах, где МОД сохра­няют доминирующее положение, пытаются ус­танавливать в качестве главного двигателя СОД. Отмеченная тенденция является следствием боль­шой свободы для обеспечения оптимальной п_гв за счёт выбора передаточного отношения редуктора, поскольку на морских судах СОД исполь­зуют, как правило, в сочетании с механической передачей, а поэтому жесткой связи по часто­там п_гв и n_дв нет. Другое преимущество СОД — возможность создавать многомашинные установ­ки, включающие два и более дизелей и работа­ющие на один гребной винт через суммирую­щий редуктор — позволяет получать спецификационную мощность ДЭУ в широком диапазоне при ограниченном количестве типоразмеров этих двигателей. В свою очередь, многомашинные установки имеют свои преимущества и недостат­ки: они обеспечивают повышенную живучесть ДЭУ, но более трудоёмки в обслуживании, так как затраты на обслуживание растут с увеличе­нием числа цилиндров ДВС.

Выпускаемые СОД пред­ставляют собой четырёхтактные, тронковые, в большинстве нереверсивные двигатели с газотур­бинным наддувом и числом цилиндров от 6 до 9 в рядном и от 12 до 18 в V-образном исполне­нии. Поставляются на рынок в агрегатированном виде, при котором на дизеле непосредствен­но закреплены насосы, фильтры, охладители, терморегуляторы, исполнительные устройства автоматизации. Более удобными для монтажа на судне представляются дизель-редукторные агре­гаты (ДРА): дизель и редуктор смонтированы на общей подмоторной раме со всеми узлами, обес­печивающими функционирование агрегата. ДРА бывают одно- и двухмашинные, реверсивные и нереверсивные. Реверс осуществляется, чаще всего, реверс-редуктором. Масса ДРА превышает массу дизелей примерно на 25-35 %. В ДРА достаточно просто осуществляется привод валогенератора.

Двигатели повышенной оборотности (ПОД), наряду с СОД, применяются в качестве главных на судах с ограниченной высотой машинного отделения — на небольших паромах, контейне­ровозах, ролкерах, буксирах различного назна­чения. Эти двигатели с механической переда­чей образуют одно- и двухмашинные агрегаты. Особых преимуществ такие агрегаты не дают. По массогабаритным показателям они превосходят аналогичные агрегаты с СОД, но уступают им по топливной экономичности и шумности. Меж­ду тем, установки с ПОД получили наибольшее распространение на судах с электродвижением. Здесь, они в качестве главных дизель-генераторов значительно упрощают компоновку машин­ного отделения и позволяют получать требуемую мощность ДЭУ путём установки нескольких дви­гателей с относительно небольшой агрегатной мощностью.

Во многом характеристики ПОД и СОД сов­падают. Исключение касается лишь реверсиро­вания: все ПОД делают нереверсивными, а реверс, в случае применения винтов фиксиро­ванного шага (ВФШ), осуществляют при помо­щи реверс-редуктора, который в отличие от пре­дыдущего встраивают непосредственно в дизель.

Высокооборотные двигатели (ВОД) не поль­зуются повышенным спросом в морском и реч­ном флотах по причине низкой топливной эко­номичности, больших трудозатрат на техничес­кое обслуживание и незначительного ресурса. Однако при всех недостатках они очень компакт­ные и лёгкие, что предопределяет область их применения: суда ограниченного водоизмещения (многочисленные катера, яхты) и наиболее бы­строходные суда (например, суда на подводных крыльях).

Общие сведения о рассмотренных типах су­довых дизелей, которые применяются в ДЭУ как главные, представлены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Основные параметры судовых дизелей

 

 

Принцип действия четы­рёхтактного ДВС показан на рис. 8.3. В четырёхтактном двигателе рабочий цикл осу­ществляется за два поворота коленчатого вала, т. е. за че­тыре хо-

Рис. 8.3. Принцип действия четырёхтактного дизеля

 

да поршня. Механи­ческая работа совершается только за время одного такта, три остальных служат для под­готовки. При первом 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 вто­рого такта при закрытых вса­сывающих клапанах предвари­тельно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счёт чего повыша­ются температура и давление. Топливный 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.

Топливо впрыскивается не­задолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыс­нутое и тщательно распылён­ное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняю­щуюся смесь.

Третий такт является ра­бочим. Во время процесса сго­рания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над пор­шнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизе­лях с наддувом — от 5,89 до 7,85 МПа. Под давлением си­лы, возникающей за счёт дав­ления газов, поршень движет­ся вниз, газы расширяются и производят при этом механи­ческую работу. Во время чет­вёртого такта открывается выпускной клапан и отрабо­тавшие газы выходят наружу.

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

В рабочий цикл двухтакт­ного дизеля входят два такта, или один оборот коленчатого вала. Первый такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении (рис. 8.4). 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 за-крывает­ся и выпускной клапан, воз-дух в цилиндре сжимается. Этот про-цесс не показан на рис. 8.4.

Впрыскивание топлива и вос-пламенение происходит точно так же, как и в четырёхтактном ДВС.

Во время второго такта — рабо-чего (или расширения) — расширяю-щиеся газы совершают механическую работу. 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 двига-теля понимают подачу к цилиндрам большего коли­чества воздуха, чем требуется для заполнения всего ци-линд­ра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощ­ности двигателя без увеличе­ния его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.

Наддув можно осущест­влять за счёт предварительно­го сжатия воздуха перед ци-линдром.

Во всех выпускаемых че­тырёхтактных судовых ДВС предварительное сжатие воз­духа происходит с помощью центробежного ком-прессора, который приводится в дей­ствие га-зовой турбиной, рабо­тающей на отработавших газах дизеля.

Принцип действия компрес­сора показан на рис. 8.5. По­ступивший из компрессора воздух проходит через фильт­ры. После открытия впускного клапана сжатый воздух пода­ётся через воздушный коллек­тор к соответствующим ци­линдрам.

В двухтактных дизелях предварительное сжатие воз­духа происходит в центро­бежных компрессорах, в про­странстве под поршнем (рис. 8.4), а также в поршне­вых компрессорах, приводи­мых в действие двигателем. Давление наддувочного воз­духа достигает 0,14—0,25 МПа. На рис. 8.6 показан в разрезе главный малооборотный ди­зель с наддувом.

Двухтактные дизели из­готовляют в виде многоци­линдровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами. Диаметр цилиндров больших двухтакт­ных дизелей достигает 1000 мм, ход —

Рис. 8.6. Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля: a – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b – одновременно происходит сжатие и всасывание; с – рабочий такт и предварительное сжатие; d – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана

 

1500-2000 мм. 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. Двухтактные дизели имеют очень большие размеры и массу. Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например, 14720 кВт, масса составляет 600-800 т.

Четырёхтактные дизели (рис. 8.7 и 8.8) 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.

 

Рис. 8.8. Четырёхтактный дизель (рядный двигатель). 1 — наддувочный агрегат; 2 — охладитель наддувочного воздуха; 3 — трубопровод от­работавших газов; 4 — трубопровод наддувоч­ного воздуха; 5 — трубопровод охлаждающей воды; 6 — масляный трубопро- провод; 7 — топлив­ный трубопровод; 8 — распределительный вал; 9 — приводное колесо; 10 — проме- жуточные шестерни; 11— приводное колесо коленчатого вала; 12— коленчатый вал; 13 — шатун; 14— поршень; 15 — цилиндровая гильза; 16— камера охлаждающей воды; 17— крышка цилиндра; 18— вы- пускной клапан; 19 — впускной клапан; 20 — топливный клапан; 21— штанга; 22— топ­ливный насос; 23— маслоразбрызгивающее кольцо; 24— масляная ванна картера; 25— ста­нина двигателя; 26—блок цилиндров.

 

8.2. Судовые ядерные энергетические установки (ЯЭУ)

Первые соображения о возможности исполь­зования ядерных реакций в энергетике появи­лись в научно-технической литературе в конце 1940-х годов. Преимущества ядерной энергии в судостроении, заключающиеся в возможности иметь корабли неограниченного радиуса действия без использования кислорода и пополнения го­рючим, наиболее эффективны для подводного кораблестроения.

Первым кораблём с ядерной энергетической установкой была подводная лодка «Наутилус» (США), которая вступила в строй в 1954 г. В составе ЯЭУ был применён ядерный реактор водо-водяного типа, в качестве главного двига­теля — паровой паротурбинный агрегат. Парал­лельно с «Наутилусом» создавалась вторая ядер­ная подводная лодка «Сивулф» с принципиаль­но иной реакторной установкой (США). В составе ЯЭУ использовался реактор с жидкометаллическим теплоносителем — сплавом натрия и калия, при этом в целях безопасности передача и преобразование энергии в реакторной установке осуществлялась по трёхконтурной схеме. Науч­ное и инженерное руководство проектом осуще­ствлялось группой учёных и инженеров во главе с адмиралом Риковером.

В СССР разработка первой ядерной подвод­ной лодки началась по проекту 627 в 1952 г. В разработках по этой проблеме принимали уча­стие сотни научно-исследовательских институтов, проектных и производственных предприятий раз­личных отраслей.

Общее научное руководство работами по про­екту осуществлял А. П. Александров. Главным конструктором корабля был В. Н. Перегудов, главным конструктором энергетической установ­ки П. Д. Дегтярёв. Работами по созданию ядер­ной паропроизводящей установки руководил Н. А. Доллежаль, а рабочее проектирование ре­акторной установки выполняла конструкторская организация под руководством И. И. Африкантова. Подводная лодка проекта 627 была сдана в эксплуатацию в 1958 г. Новизна и сложность проблемы привела к необходимости для приня­тия решения об оптимальном типе ЯЭУ не ограничиваться научными и опытно-конструктор­скими разработками, а осуществить постройку опытных подводных лодок с различными типа­ми ЯЭУ. Так, в 1955 г. была начата разработка проекта 645 подводной лодки с жидкометаллическим теплоносителем в реакторе. Главный кон­структор А. К. Назаров. Научное руководство осу­ществлялось А. И. Лейпунским и коллективом Физико-технического института им. А. Ф. Иоф­фе. Проектирование реакторной установки ве­лось под руководством Б. М. Шолковича. Опыт­ный корабль проекта 645 был сдан в эксплуата­цию в 1963 г. В отличие от американского про­екта в составе энергоустановки была применена двухконтурная реакторная установка с теплоно­сителем — сплавом свинец-висмут. Результаты опытной эксплуатации позволили перейти к се­рийной постройке сначала подводных лодок, а затем и надводных боевых кораблей с ЯЭУ.

В СССР было начато гражданское судостро­ение с ЯЭУ. Первым подобным судном был ле­докол «Ленин». Главный конструктор В. И. Неганов. Ледокол вступил в строй в 1959 г., положив начало серийному строительству ледоко­лов с ЯЭУ и далее ядерного транспортного суд­на «Севморпуть».

Судовые ядерные энергетические установки включают в свой состав следующие основные энергетические комплексы, функционально свя­занные между собой:

— ядерные реакторные установки (ЯРУ), паропроизводящие установки (ППУ);

— главные турбинные установки (ГТУ);

— вспомогательные энергетические установки (ВЭУ);

— средства и системы радиационной безопас­ности (СРБ);

— электроэнергетическую систему (ЭЭС);

— систему автоматического, дистанционного управления и контроля (САУиК).

Функциональная схема судовой ядерной энер­гетической установки представлена на рис. 8.9.

Помимо общих требований, предъявляемых к судовым энергетическим установкам и отвеча­ющим этим требованиям характеристикам уста­новки, к ЯЭУ предъявляют ряд дополнитель­ных требований.

К основным общим требованиям можно от­нести:

— технико-экономические;

— массогабаритные; совокупность требований, объединяемых поня­тием надёжность СЭУ;

— отработанность техничес­ких решений;

— необходимость проведения и объём научно-исследовательских и опытно-конструктор­ских работ;

— технологичность.

К дополнительным требованиям следует от­нести:

— безопасность ЯЭУ для личного состава, пассажиров и окружающей среды;

— удобство экс­плуатации;

— самозащищенность установки при со­четании применения пассивных (без потребления энергии от внешних источников) и актив­ных элементов в системах безопасности;

 

Рис. 8.9. Функциональная схема судовой ядерной энергетической установки: ЯР — ядерный реактор; Пг — парогенератор; СЦТ — система циркуляции теплоносителя; СКД — система компенсации давления теплоно­сителя; СР — система расхолаживания активной зоны при нормальной экс- плуатации; СПод — система подпитки контура циркуляции; СОхл — система охлаждения оборудования ЯРУ; СД — система дренажа, сбора и хранения радиоактив­ных отходов; СЯБ — система ядерной безопас- но­сти; СРБ — система радиационной безопасности; САР и Ох — система аварийного расхолаживания и охлаждения активной зоны; ССАДЗО — систе­ма снижения аварийного давления в защитном ограждении; ГТА — главный турбинный агрегат; ГКУ — главная конденсационная установка; ДУУ— дроссельно-увлаж-нительное устройство; ССм — система смазки оборудования ПТУ; КПС — конденсатно-питательная система; Ппр — паропрово­ды; ГП — главная передача; Вп — валопровод; Дв — движители; РПг — резервный пароге­нератор для движения судна; ПгНД — парогене­ратор низкого давления для обслуживания СЭУ и бытовых целей; ОУ — опреснительная установ­ка; ВКУ — вспомогательная котельная установка на органическом топ-ливе; ЭГ — электрогенера­торы различных типов; ГТр — преобразователи тока; СРЭ — средства распределе-ния электроэнер­гии; САУ и К — система автоматического управ­ления и контроля, включающая локальные системы управления ЯРУ, ПТУ, ЭЭС, ВЭУ, ком­плексную систему управления СЯЭУ, локальные и комп-лексные системы контроля оборудования и энергоустановок, системы диагностического кон­троля состояния энергооборудования

 

 

— сокра­щение или отсутствие заводских ремонтов за срок службы;

— при снятии с эксплуатации ядерного суд­на должна быть предусмотрена возможность де­монтажа реакторной установки крупными бло­ками при обеспечении безопасности при демон­таже и транспортировке блоков реакторной уста­новки;

— разработка технологии утилизации бло­ков оборудования ЯЭУ.

Паротурбинные установки ЯЭУ транспортных судов и ледоколов создавались на базе опыта по­стройки подобных установок судов и кораблей на органическом топливе и общие характеристи­ки их могут быть проиллюстрированы на приме­ре ПТУ ледоколов класса «Арктика» и лихтеровоза «Севморпуть» (рис. 8.10).

Энергетическая установка ледоколов — турбоэлектрическая. В её составе два главных тур­богенератора переменного тока мощностью по 27,5 МВт. В электропередаче использованы ста­тические выпрямители тока, действующие на три гребных электродвигателя постоянного тока. Для обслуживания электроэнергией потребителей ЭУ судового назначения предусмотре-

 

 

ны пять турбо­генераторов мощностью по 2000 кВт и резерв­ный дизель-генератор мощностью 1000 кВт.

Тепловая схема ЭУ ледоколов выполнена ре­генеративной с подогревом питательной воды в деаэраторе. Для подогрева используется отрабо­тавший пар турбоциркуляционных и турбопитательных насосов.

Принципиальная типовая схема ЭУ ледоко­ла приведена на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Принципиальная тепловая схема ЭУ ледокола «Арктика»: 1 — главный турбогенератор; 2 — турбопривод питательного насоса; 3 — турбопривод циркуляцион­ного насоса; 4 — дроссельно-увлажнительное устройство; 5 — стояночный конденсатор; 6 — уравни­тельная цистерна; 7 — деаэратор; 8 — парогенератор; 9 — питательный насос; 10 — разводочный питательный насос; 11 — подпиточный насос; 12 — вспомогательный турбогенератор (ВТГ); 13 — конденсатный насос ВТГ; 14 — эжектор ВТГ; 15 — эжектор уплотнений ВТГ; 16 — опреснительная установка; 17 — подогрева-тели опреснительной установки; 18 — парогенератор низкого давления (ПГНД); 19 — подогреватель ПГНД; 20 — дроссельно-увлажнительное устройство главного конденса­тора; 21 — конденсатный насос; 22 — конденсатный насос стояночного конденсатора; 23 — главный эжектор; 24 — эжектор уплотнений главной турбины; 25 — ионообменный фильтр

 

В принципиальной схеме ЯЭУ лихтеровоза получила дальнейшее развитие система регене­рации теплоты. В ПТУ предусмотрено три сту­пени регенеративного подогрева питательной воды паром, отбираемым из проточной части двухкорпусного ГТЗА. Температура питательной воды, поступающей в парогенератор, 170 °С, что является оптимальным для принятых в ЯЭУ параметров пара и характеристик ГТА. Исполь­зование в составе установки винта регулируемого шага повысило эффективность принятой тепловой схемы ПТУ. Потребность оборудования ЯЭУ и судна в электроэнергии обеспечивается тремя турбогенераторами по 2000 кВт и двумя резервными дизель генераторами мощностью по 600 кВт.

Принципиальная схема ЯЭУ лихтеровоза приведена на рис. 8.12.

 

 

Рис. 8.12. Принципиальная схема СЭУ лихтеровоза: 1— парогенератор; 2 — турбина высокого давления; 3 — сепаратор пара; 4 — турбина низкого давления; 5 — главный конденсатор; 6 — дроссельно-увлажнительное устройство; 7 — конденсатный насос; 8 — эжектор уплотнений ГТЗА; 9 — эжектор конденсатора- ГТЗА; 10 — стояночный конденса­тор; 11— конден-сатный насос стояночного конденсатора; 12 — эжектор уплотнений ВТГ; 13 — эжек­тор ВТГ; 14 — вспомо-гательный турбогенератор (ВТГ); 15 — конденсатор ВТГ; 16 — конденсатный насос ВТГ; 17 — парогенера-тор низкого давления; 18 — эжектор опреснительной установки; 19 — ионообменный фильтр; 20 — цистерна горячих конденсатов; 21 — дренажный насос; 22 — вспомо­гательный котел; 23 — подогреватель питатель-ной воды низкого давления; 24 — деаэратор; 25 — питательный насос; 26 — дренажный насос сепаратора па-ра; 27 — подогреватель опреснителя; 28 — подогреватель питательной воды среднего давления; 29 — подогре-ватель питательной воды высокого давления

 

 

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 паропроизводящей 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. Основными элемен­тами судовых реакторов являются (рис. 8.13):

— 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 её 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 её в случае аварийного роста мощности.

Замедлителем в ядерных реакторах служит графит, тяжёлая 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, надёжнее в ра­боте, чем другие типы, и дешевле.

В зависимости от способа передачи тепловой энергии от реак­тора исполнительному механизму (турбине) различают однокон­турную, двухконтурную и трёхконтурную схемы АЭУ.

	Рис. 8.14. Тепловые схемы ядерных энергетических установок: а – одноконтурная; б — двухконтурная; в — трёхконтурная. 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

 

По одноконтурной схеме (рис. 8.14, а)рабочее вещество — пар — образуется в реакторе, откуда поступает непосредственно в турбину и из неё через конденсатор с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор.

По двухконтурной схеме (рис, 8.14, б)циркулирующий в реак­торе теплоноситель отдаёт своё 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.

Трёхконтурная схема (рис. 8.14, в)представляет собой двух­контурную схему с включённым 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. Трёхконтурные схемы используют в том случае, если теплоноситель в реакторе сильно активируется и его необходимо тщательно отделить от рабочего вещества, для чего и предназначен промежуточный контур.

Ядерная безопасность.Состав и конструкция ядерного реактора, его активной зоны и системы управления должны исключать возможность неконтролируемого разгона реактора и возмож­ность ядерного взрыва при всех эксплуатацион­ных и аварийных условиях, в том числе, при изменении ориентации судна в пространстве (крен, дифферент, опрокидывание), а также при воздействии ударных (динамических) нагружений.

Рис. 8.15. Система безопасности ЯЭУ

 

 

Радиационная безопасностьпредполагает при­менение на судах специальных конструкций и систем, а также введение организационно-тех­нических мероприятий, исключающих облуче­ние радиоактивными излучениями лиц на борту судна дозами, превышающими нормы радиаци­онной безопасности, распространение радиоак­тивных загрязнений в пределах судна и окружа­ющей среды, как при нормальной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях.

На схеме рис. 8.15 представлены основные ре­шения в этом направлении.

Системы аварийного расхолаживания и охлаж­дения активной зоны.Введение специальных си­стем безопасности предполагает предотвращение опасного развития аварийных ситуаций, а также уменьшение опасности аварийных повреждений. В данном случае предусматривается отвод выделяющегося тепла от активной зоны при останов­ленном реакторе, если нормальный канал рас­холаживания через главный конденсатор ПТУ не действует. При этом рассматривают два состоя­ния первого контура ЯППУ: с сохранением плотности коммуникаций первого контура и с нару­шением их плотности. Условием теплоотвода яв­ляется максимальное использование естественной циркуляции теплоносителя и рабочих сред или же применение автономных источников энергии.

При первом состоянии первого контура ППУ предполагается отвод теплоты в теплообменни­ки систем очистки теплоносителя по схеме: пер­вый-третий-четвертый контуры, через специ­альный конденсатор расхолаживания по схеме: первый-второй-четвертый контуры и с помо­щью теплообменника цистерны аварийного рас­холаживания с последующим выпариванием воды из цистерны. Схема передачи теплоты следую­щая: первый контур — вода цистерны аварийного расхолаживания — окружающая среда.

При втором состоянии первого контура ППУ возможно применение системы высокого давле­ния с подачей в активную зону воды от гидро­аккумуляторов или насосами из цистерны конденсатно-питательной системы ПТУ.

Система низкого давления предполагает ре­циркуляцию воды насосами через активную зону после конденсации пара, вытекающего через повреждения первого контура, на поверхности защитного ограждения ЯУ.

Система снижения давления в защитном ог­раждении (ЗО).Конструкция защитного ограж­дения отвечает международным требованиям ра­диационной безопасности и локализует газовую и аэрозольную радиоактивность, проникающую в ЗО в результате нарушений плотности первого контура ядерной реакторной установки (ЯРУ). Системы снижения давления в ЗО ограничива­ют давление паро-воздушной среды при полном или частичном выбросе теплоносителя первого контура в объём ЗО. В результате действия сис­тем осуществляется конденсация пара и охлаж­дение воздуха и, как следствие, снижение дав­ления внутри ЗО. Величина давления опреде­ляется при проектировании ЯЭУ и принимается в расчетах прочности конструкций ЗО. При нор­мальном состоянии ЯРУ в ЗО поддерживается специальной системой некоторое разряжение, препятствующее выходу радиоактивных газов че­рез возможные неплотности ЗО в помещения судна. Следует отметить, что как при проекти­ровании оболочки, так и при её изготовлении применяются специальные технологические ре­шения, обеспечивающие её эксплуатационную плотность.

Системы снижения давления в ЗО, перечис­ленные в схеме на рис. 8.15, не нуждаются во внеш­них источниках энергии.

Так, при конденсации пара в теплообмен­никах для охлаждения используется вода из цис­терны аварийного расхолаживания AЗ реактора при естественной циркуляции воды. Подача воды в систему душирования может осуществляться из гидропневмоцистерны.

Заполнение кессона реактора водой охлажда­ет корпус реактора, защищая его от расплавле­ния при запроектной аварии и при расплавле­нии активной зоны реактора.

8.3. Судовые паротурбинные энергетические установки (ПТУ)

Судовая паротурбинная установка производит механическую, тепловую и электрическую энер­гию, которая используется для обеспечения дви­жения судна, собственных нужд ПТУ и общих судовых потребителей. ПТУ может работать на органическом топливе (как элемент котлотурбинной установки — КТЭУ) и применяется в соста­ве АЭУ.

Совокупность элементов установки и способ их взаимодействия называется тепловой схемой. В современных ПТУ реализуется закрытый тер­модинамический цикл Ренкина. В качестве ра­бочей среды чаще всего используется водяной пар.

Парогенератор. В парогенераторе осуществляется подвод тепла к рабочей среде. Тепло в парогенераторе может быть получено за счёт сжигания органического топлива (КТЭУ) либо подведено от реактора (ЯЭУ). В ЯЭУ применяются двухконтурные схемы с реакторами типа ВВРД. Пар для ПТУ производится во втором контуре парогенератора, который представляет собой теплообменник поверхност­ного типа.

В КТЭУ применяются высоконапорные пря­моточные парогенераторы и парогенераторы с естественной циркуляцией. Воздух в парогенератор подаётся турбонаддувочным агрега­том или высоконапорным вентилятором.

Паровая турбина. В паровой турбине потенциальная энергия пара преобразуется в механическую энер­гию ротора. В ней происходит непрерывный во времени рабочий процесс. Вращающий момент на роторе создаётся за счёт динамического взаи­модействия рабочей среды с лопаточным аппа­ратом. Паровая турбина работает на перегретом и влажном паре. Величина предельной влажности пара ог­раничена 14-16 %. Это необходимо для умень­шения эрозионного износа деталей, связанного с взаимодействием деталей турбины с каплями влаги. Кроме того, 1 % влажности пара снижа­ет эффективность рабочего процесса на ~1 %.

Паровые турбины, энергия которых используется для обес­печения движения судна, называются главны­ми турбинами, остальные паровые турбины — вспомога­тельными. Ротор паровой турбины может быть непосред­ственно соединён с валом приводного механиз­ма (прямодействующие ПТ) либо через зубча­тую передачу. Совокупность турбины и редуктора составляет турбозубчатый агрегат (ТЗА). Рабочий процесс в главной турбине может быть реализован в одной (однокорпусный агрегат), двух (в турбинах вы­сокого – ТВД и низкого – ТНД давления) и трёх турбинах. Для повышения КПД на режимах ма­лых ходов в паровой турбине могут размещаться специальные ступени малого хода. Иногда для этой цели применяется специальная маршевая турбина. Для обеспечения реверса турбины используется спе­циальная турбина заднего хода (ТЗХ), которая обычно размещается в корпусе ТНД.

Конденсатор и конденсационная установ­ка. В конденсаторе за счёт отвода тепла к окружаю­щей среде пар конденсируется. Конденсационная установка предназна­чена для

— конденсации отработавшего пара в конденсаторе и сохранения питательной воды для парогенератора;

— создания и поддержания заданного разрежения на выходе из паровой турбины;

— удаления из питательной воды кислорода и других газов (деаэрации в деаэраторе или в тёплом ящике). В состав конденсацион­ной установки входят:

— конденсатор, циркуляционный на­сос (ЦН) или самопроточная система циркуля­ции для подачи охлаждающей воды;

— конденсатный насос (КН) для удаления конденсата;

— воз­душный насос (ВН) (обычно пароструйный эжек­тор) для удаления воздуха.

По назначению конденсаторы разделяются на главные и вспомогательные, по конструктивно­му устройству и способу конденсации — на по­верхностные и смесительного типа. В СПТУ чаще применяются поверхностные конденсаторы.

Питательный насос (ПН) повышает давле­ние питательной воды до значений выше давле­ния в парогенераторе.

Вспомогательное оборудование (ВО) обеспечи­вает работу основного оборудования и выработ­ку электрического тока. Оно включает в себя: системы (масляную, конденсатную, питатель­ную, циркуляционную, укупорки и отсоса от уплотнений паровой турбины, отсоса паровоз­душной смеси из конденсатора, регулирования и защиты) с необходимыми ёмкостями (цистернами), теплообменными аппаратами (ТА) (маслоохладите­ли, маслоподогреватели, регенеративные подо­греватели питательной воды; вспомогательные конденсаторы), арматурой и фильтрами; вспомогательные механизмы (ВМ) (масляные, конденсатные, циркуляционные, охлаждающие на­сосы, сепараторы и эжекторы). Вспомогатель­ный электрогенератор может приводиться от спе­циальной турбины или от главной турбины (так называемый валогенератор). ВМ могут приво­диться от ВТ или от электродвигателей.