/
Текст
СУДОВЫЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов вузов,
обучающихся по специальности
^Судовые силовые установки»
Ленинград
«Судостроение»
1987
ББК 39.45,5.3
С89
УДК 629.12.03-8(075.8)
Рецензенты: кафедра СЭУ ЛКИ, канд. техн, наук К. Л. Ржепецкий
С89 Судовые энергетические установки/Г. А. Артемов, В. П. Во- лошин, Ю. В. Захаров, А. Я- Шквар,—Л.: Судостроение, 1987, 480 с., ил. ИСБН В соответствии с программой рассмотрены многообразные типы энергетических установок (ЭУ> различных судов н отдельные подсистемы ЭУ судовая электро- станция, утилизационные паротурбинные контуры, нодоопреснительные установки н Учебное пособие предназначено для студентов кораблестроительных вузов в факультетов, обучающихся по теплоэнергетическим специальностям.
3605030000—044
-------------- 14—87
048(01)—87
39.455.3
© Издательство «Судостроение», 1987 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое учебное пособие является базой
для последующего изучения специальных вопросов
устройства, теории и проектирования судовых ди-
зельных, паро- и газотурбинных, а также комбини-
рованных энергетических установок в соответствии
с учебными программами.
Особенность методического построения книги
заключается в следующем. Вначале студенты зна-
комятся с функциями ЭУ морских судов, их соста-
вом и характеристиками, назначением отдельных
элементов. Это позволяет приступить далее к изу-
чению общих и специальных вопросов, касаю-
щихся разнообразных типов ЭУ, чему посвящены
гл. 7—10, а также гл. 16. Значительное внимание
уделено таким слабо освещенным в литературе во-
просам, как диапазоны режимов работы ЭУ и их
элементов, влияние типа судна на характеристики
ЭУ и обратное влияние ЭУ на характеристики
судна, потоки энергии в ЭУ. Иными словами, ма-
териал в пособии расположен в таком порядке,
чтобы у студентов сложился взгляд на ЭУ как на
сложную динамически развивающуюся систему,
органически связанную с судном.
Введение, главы 1, 3, 10 и разделы 2.1, 2.6, 7.5
написаны докт. техн, наук проф. Захаровым Ю. В.;
гл. 7, 11, 12, 16, 17 — докт. техн, наук проф. Шква-
ром А. Я.; гл. 2, 4, 8, 13, 15 — капд. техн, наук доц.
Волошиным В. П.; гл. 6, 7, 9, 14 и разделы 13.3,
17.2 — канд. техн, наук проф. Артемовым Г. А.;
раздел 16.2 —капд. техн, наук доц. Нали-
вайко В. С.
Критические замечания и пожелания по улуч-
шению содержания учебного пособия просим на-
правлять по адресу издательства «Судостроение»:
191065, Ленинград, ул. Гоголя. 8.
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
ВД - —вспомогательный двигатель
ВОД — высокооборотный двигатель
ВОУ —водоопреснительная уста
носка
ВРШ — винт регулируемого шаг а
ВФШ — внХт фиксированного шага
ГД --главный двигатель
ГК — главный конденсатор
ГПТУ — газопаротурбинная уста-
> новка
ГРЩ —главный распределительный
ГТГ —газотурбогенератор
ГТД —газотурбинный двигатель
ГТЗА — главный турбозубчатый аг-
регат
ГТУ —газотурбинная установка
ГУП —главный упорный подшил-
ГЭД — гребной электродвигатель
ГЭУ — главная энергетическая ус-
тановка
ДАУ — дистанционное автоматиче-
ское управление
дВС — двигатель внутреннего сго-
рания
ДГ —дизель-генератор
ДРА — двзель-редухторный а) регат
ДРУ — дизель-редукторная уста-
новка
ДУ —дизельная установка
ДЭУ' —дизсль-элсктричсская усга
новка
НГК —испаритель грязных конден-
МИ1П—механизм изменения шага
МКО --машинно-котельное отделе-
ние
МО — машинное отделение
МОД — малооборотный двигатель
ПГТУ — парогазотурбинная уста-
новка
ПК —пропульсивный комплекс
ППП -промежуточный перегрев
пара
ПТУ —паротурбинная установка
ПУ —пропульсивная установка
СОД — среднеоборотный двигатель
СЭС —судовая электростанция
ТВД — турбина высокого давления
ТЗХ —турбина заднего хода
ТНД —турбина низкого давления
ТСД —турбина среднего давления
ТУК —теплоутилизационный кон-
тур
УК — утилизационный котел
УТГ — утилизационный турбогене-
ратор
ЭУ —энергетическая установка
(СЭУ — судовая)
ВВЕДЕНИЕ
Современное судно оборудовано разнообразными машинами и механиз-
мами, которые в совокупности и во взаимосвязи с устройствами я аппаратами
образуют судовую энергетическую установку (СЭУ). С помощью СЭУ обеспе-
чиваются движение судна и его маневры, безопасность плавания н живучесть,
грузовые операции в другие функции в соответствии с назначением судна,
сохранность перевозимого груза, нормальные условия для работы и отдыха
экипажа н пассажиров.
О сложности СЭУ современных судов можно судить по таким данным:
мощность главных двигателей достигает 80 МВт и более; мощности судовой
электростанции бывает достаточно для энергоснабжения небольшого города,
а паровых котлов — для отопления целого городского района; насосы на судне
перекачивают сотня тонн воды, топлива н масла! а длила трубопроводов н ка-
белей составляет десятки километров; подача грузовых насосов па танкерах
достигает 5000 м3 в час.
Для вырабатывания, преобразования и расходования механической, элек-
трической н тепловой энергии СЭУ должна потреблять органическое или ядер-
'ное топливо (в последние годы возрождаются транспортные паруспо-моторные
и с ветровыми двигателями суда, движущиеся частично или полностью за счет
энергии ветра).
Со времен глубокой древности ход судна осуществлялся за счет энергии
ветра. В начале XIX в. парусный флот стали вытеснять самоходные суда с ЭУ,
преобразующими химическую энергию топлива. На протяжении почти 100 лет
практически единственным типом СЭУ были паросиловые установки (ПСУ)
с паровыми поршневыми машинами и паровыми котлами, работавшими на ка-
менном угле или на дровах. В копие XIX и начале XX вв на судах стали
устанавливать паросиловые котлотурбииные и дизельные ЭУ, а в ПСУ с порш-
невыми машинами или турбинами начали использовать жидкое нефтяное топ- В
В 1904 г. был построен первый корабль русского флота с ПСУ «Ласточка»,
а в 1912 г на верфи Путиловского (авода — самый быстроходный в мире
эскадренный ммноносеп «Новик» с паротурбинной установкой (ПТУ) мощ-
ностью 29.5 МВт и скоростью более 37 уз. Первое в мире самоходное судно
с дизельной установкой (ДУ) было создано в России п 1903 г. (нефтеналив-
ное судно «Вандал» с установкой мощностью 250 кВт)
На протяжении 20-х и 30-х годов судовые ПТУ и ДУ постепенно вытес-
няли СЭУ с паровыми машинами, работавшими на угле.
После второй мировой вопли началось развитие газотурбинных (ГТУ) и
ядерных (ЯЭУ) энергетических установок В 50-х годах полностью отказались
от постройки судов с паровыми машинами и от использования каменного угля
в качестве топлива. Па судах стали применять преимущественно ДУ.
В 40-х и 50-х годах в связи с применением ГТУ фактически была совер-
шена техническая революция — резко увеличились агрегатная мощность и ско-
рость судна Было достроено н первое отечественное опытное торговое судно —
сухогруз «Парнжскайк^коммуна» с ГТУ мощностью 9,55 МВт. В настоящее
время ГТУ широко применяются главным образом на легких быстроходных
судах и судах с динамическими принципами поддержания (СПК. СВП), а так-
же па ряде специализированных быстроходных водоизмещающих транспорт-
ных судов.
В 1959 г. было введено в эксплуатацию (и до сих пор функционирует)
построенное в СССР первое в мире надводное судно с ЯЭУ (паротурбинной,
с элсктродвижением) —ледокол «Ленин».
В настоящее время большинство судов оборудовано ДУ и лишь неболь-
шая часть — ПТУ. Дизели сегодня — самые экономичные тепловые двигатели,
позволяющие, кроме того, сравнительно просто механизировать и автоматизиро-
ван, основные производственные процессы на судне
В последние годы уделяется большое внимание топливной экономичности
СЭУ и судов в целом. С этой целью принимают следующие меры' снижают
сопротивление движению судна, уменьшают его скорость; применяют винты регу-
лируемого шага (ВРШ), позволяющие эффективно использовать мощность
в условиях плавания, отличающихся от спецификационных; обеспечивают по-
вышенные средиеэкснлуатаццонные КПД первичных двигателей их работой на
полной или близкой к полной мощности на различных режимах, отбором мощ-
ности главных двигателей на вспомогательные нужды (электрогенераторы, на-
сосы и т. п.), применением соответствующих ошимизируюшггх режим работы
средств автоматизации. Особое значение имеет повышение полноты исполь-
зования энергии топлива, сжигаемого в первичных двигателях. С этой целью
применяют развитую (глубокую) утилизацию теплоты выпускных газов, ох-
лаждающей двигатели среды, горячего наддувочного воздуха для получения
механической энергии (и передачи ее на винт), электроэнергии, пара и горя-
чей воды для опреснительных и отопительных установок, подогрева топлива
и горячего водоснабжения.
В настоящее время дизелестроительныс и судостроительные фирмы стара-
ются решать проблему экономии топлива совершенствованием двигателя и судна
в целом. Фирма МХИ (Япония), например,, при постройке балкера «Синхо
Мару» (Судостроение, 1983, № 2. с 63) для австралийско-японской линии
протяженностью 5760 км обеспечила снижение расхода топлива на 1 т пере-
возимого груза с 10—11 до 5 кг при скорости 12,6 уз. Этого удалось достиг-
нуть благодаря применению дизель-редукторной ЭУ мощностью 13,9 МВт (с по-
нижением частоты вращения ВРШ до 57 об/мин), утилизации теплоты отра-
ботавших газов, снижению воздушного сопротивления надстройки, применению
самополируюшегося противообрастающсго покрытия корпуса судна и других
Рост топливной экономичности СЭУ достигается также повышением пара-
метров работы их главных двигателей (увеличением среднего эффективного
давления в дизелях, температуры газов перед турбиной в ГТУ, давления и
температуры пара в ПТУ и т Д ).
Особое значение имеет решение проблемы сжигания тяжелых высоковяз-
ких и так называемых альтернативных топлив, водотопливных эмульсий.
Эффективность и надежность работы СЭУ зависят от совершенства не
только главных двигателей, но и вспомогательных ЭУ, их элементов.
Все отмеченные выше вопросы освещены в соответствующих главах учеб-
ного пособия.
Глава 1
НАЗНАЧЕНИЕ, классификация
И СОСТАВ СЭУ
1.1. Судовая
энергетическая установка
Судовая энергетическая установка — это сложный комплекс
функционально взаимосвязанных элементов энергетического обо-
рудования, машин и механизмов, с помощью которых на судне
производится выработка, преобразование, передача и использова-
ние различных видов энергии для безопасного и эффективного
функционирования судна в соответствии с его типом и назначе-
нием и нормальных условий жизнедеятельности экипажа и пасса-
жиров.
Представление о составе СЭУ, входящих в нее элементов, вза-
имосвязи СЭУ с судном можно получить из рис. 1.1.
В систему «судно» входят корпус, СЭУ, общесудовые системы,
судовые устройства и т. д. В свою очередь, СЭУ состоит из глав-
ной энергетической установки (ГЭУ), вспомогательных энергети-
ческих установок и электроэнергетической установки. Исполни-
тельная часть ГЭУ, включающая в себя главный двигатель (ГД),
главную передачу, валопровод, движитель, называется пропуль-
сивной установкой (ПУ). Вместе с корпусом судна, с которым ПУ
гидродинамически взаимодействует через движитель, она образует
пропульсивный комплекс (ПК).
Простейшая принципиальная схема СЭУ 1(рсдставлсна на рис 12 Главный
двигатель 5, обслуживаемый рядом систем 20—24 (топливной, масляной, ох-
лаждения, пуска, управления), через валопровод 2 передает мощность на
гребной винт 1, с помощью которого судно движется (или совершает различ-
ные маневры).
В состав СЭУ могут входить утилншционная установка 7, работающая на
выпускных (отходящих) газах 6, с помощью которой вырабатывается либо ме
ханическая энергия, передаваемая на гребной вал и винт, либо электроэнергия
для снабжения судовых электропотребителей, либо водяной пар для судовых
нужд (чаще одновременно и электроэнергия, и пар для теплоснабжения).
Кроме того, в состав СЭУ входят вспомогательная котельная установка 9,
судовая электростанция (СЭС) 11, водоопреснительная установка 16 и др.
В состав СЭУ входят главные и вспомогательные энергетиче-
ские комплексы и установки.
Главной энергетической установкой считают ту часть СЭУ, ко-
торая обеспечивает движение судна. Эту часть называют также
пропульсивной установкой, что для ДУ и ГТУ имеет точное соот-
ветствие (в ПТУ котел входит в ГЭУ, но не относится к ПУ).В со-
став ПУ включены машины и механизмы, с помощью которых
механическая энергия вырабатывается, передается движителю (на-
пример, гребному винту) и преобразуется им в упор (нередко на
движение судна расходуется более 90 % всей потребляемой СЭУ
энергии). На специальных судах, например землесосах и земле-
черпалках, механическая энергия ГД передается рабочей машине,
осуществляющей извлечение и транспортировку грунта, а на рыбо-
промысловых судах мощность ГД, кроме затраты на переход рас-
ходуется и на траление.
На многовальных судах ПУ состоит из нескольких групп дви-
жения по числу движителей (гребных винтов), каждая из кото-
рых, как правило, выполняется автономной.
Рис. 1.2. Простейшая принципиальная схема СЭУ;
Элементы СЭУ, входящие в состав ГЭУ, называются главными.
В зависимости от типа ГЭУ в ее состав могут входить: прежде
всего главные двигатели (дизели, ГТД. главные паровые котлы
пли парогенераторы* и паровые турбозубчатые агрегаты); глав-
ные электрогенераторы и главные передачи (механические, элек-
трические и др.); валопроводы, передающие энергию к судовым
движителям; вспомогательные механизмы, теплообменные аппа-
раты и другое оборудование систем, обслуживающих ГД и
передачи (например, главные конденсаторы — ГК, главные пита-
тельные насосы — ГПН и т. д.); системы дистанционного автома-
тического управления (ДАУ), аварийно-предупредительной сигна-
* В соответствии с принятой терминологией генератора пара обычной (рабо-
тающей па органическом топливе) СЭУ называют паровым котлом, а ядерпой
СЭУ — парогенератором-
9
лизации и защиты ГД и электрогенераторов; машины и системы
автоматизированного централизованного контроля параметров.
Таким образом, в состав ПУ входят (вместе с обслуживаю-
щими их системами и оборудованием) ГД, передачи, валопроводы
и гребные винты.
Вспомогательные ЭУ представляют собой комплексы, предназ-
наченные для удовлетворения энергетических потребностей (в энер-
гии любого вида, за исключением электрической) и обеспечения
заданного функционирования ГЭУ и общесудовых потребителей,
связанных и не связанных с движением судна (рулевые, якорно-
швартовные, грузовые и другие устройства, машины и механизмы;
освещение, отопление, вентиляция и установки кондиционирования
воздуха в судовых помещениях, холодильные установки, обеспечи-
вающие сохранность перевозимого груза и провизии; противопо-
жарная и другие общесудовые системы и т. д.).
В зависимости от типа судна в состав его ЭУ могут быть вклю-
чены несколько вспомогательных установок: вспомогательная ко-
тельная (парогевераторная), водоопреснительная, установка пов-
торного ожижения углеводородных газов (на газовозах) или при-
готовления и подачи их к ГД, холодильная установка для систем
комфортного и технологического кондиционирования ит. д. Кратко
рассмотрим лишь основные из них.
Важнейшими потребителями механической энергии кроме су-
довых движителей являются насосы, компрессоры, вентиляторы,
палубные механизмы и др. Непосредственный привод таких потре-
бителей от первичных двигателей — дизелей, паровых или газовых
турбин — целесообразен только при больших мощностях двигате-
лей или в случае специфических условий эксплуатации судна (на-
пример, на танкерах—паровой турбопривод грузовых насосов, на
крупных промысловых базах и специальных судах—турбопривод
холодильных центробежных компрессоров и т. д.).
В других случаях более удобен, а часто » более экономичен
привод от электродвигателей. Кроме того, на судах много и иных
потребителей электроэнергии. Поэтому в составе СЭУ всегда есть
электроэнергетическая установка — судовая электростанция *,
в которую входят: вспомогательные двигатели, электрические ге-
нераторы (основные, резервные, аварийные), главный и местные
распределительные щиты, специальные устройства (трансформа-
торы, выпрямители, преобразователи и др.) и кабели для подвода
питания к потребителям, системы ДАУ, аварийно-предупредитель-
ной сигнализации и защиты.
В качестве вспомогательных двигателей (ВД)- для привода
электрогенераторов могут быть дизели, паровые и газовые тур-
бины (нередко в составе СЭС имеются те и другие ВД — напри-
* В связи с ростом мощности и значительным усложнением электроэнерге-
тических: устаиовок на ряде современных крупных судов их выделяют в отдель-
ную электроэнергетическую систему (ЭЭС), включающую в себя элементы для
выработки, передачи, трансформации и потребления электроэнергии.
10
мер, iia теплоходах электроэнергия часто вырабатывается в ди-
зель-генераторах и утилизационных турбогенераторах). Электро-
генератор может приводиться в действие и путем отбора мощно-
сти от ГД.
Мощность электростанции зависит от назначения судна и его
размеров. Особенно большая мощность СЭС (сопоставимая с мощ-
ностью ГД) на промысловых и исследовательских судах и базах,
на пассажирских и специального назначения судах (например, на
БМРТ мощность СЭС составляет 60—70 % мощности ГД). Это
объясняется значительными расходами энергии на технологиче-
ские нужды, работу специальною оборудования или на создание
комфортных условий для пассажиров. На универсальных сухогруз-
ных судах и танкерах мощность СЭС обычно составляет 12—25 %
мощности ГД.
Вспомогательная котельная установка обеспечивает потребно-
сти судна в паре, горячей воде, необходимых как для работы СЭУ,
так и для иных целей (паровой привод грузовых и иных насосов,
компрессоров; теплоснабжение установок кондиционирования, хо-
лодильных, опреснителей, подогревателей топлива, перевозимого
груза, систем отопления; горячее водоснабжение и пр.).
В состав вспомогательной котельной установки входят: вспо-
могательные, утилизационные и комбинированные котлы (котло-
агрегаты), вспомогательные машины и механизмы (насосы, вен-
тиляторы и т. п.); теплообменные аппараты и другое оборудова-
ние и приборы систем, обслуживающих котлы или парогенера-
торы; системы ДАУ, аварийно-предупредительной сигнализации
и защиты.
Водоопреснительная установка (БОУ) предназначена для по-
полнения запасов пресной воды на судах с большой автоном-
ностью и дальностью плавания (пополнение утечек в системах
пар — конденсат, пропаривание емкостей, водоснабжение судна).
Водоолреснительные установки могут использовать теплоту, отво-
димую с охлаждающей водой от ГД и ВД, или пар от вспомога-
тельного и утилизационных котлов. В состав ВОУ входят испари-
тели, конденсаторы, подогреватели воды, насосы, эжекторы, цис-
терны, трубопроводы, контрольно-измерительная и регулирующая
аппаратура и т. д.
Установка комфортного кондиционирования воздуха (УККВ)
предназначена для поддержания заданных комфортных (в соот-
ветствии с санитарно-гигиеническими нормами) тепловлажностных
и акустических (уровень и характеристики шума) параметров воз-
духа как в помещениях СЭУ, так и в других помещениях с посто-
янным или периодическим пребыванием в них людей. В состав
УККВ входят кондиционеры, обслуживающие их холодильные ма-
шины, трубопроводы для воздуха, воды, хладагента, воздухорас-
пределители, шумопоглощаюйше устройства и т. д.
Совокупность машин и механизмов, теплообменных аппаратов,
фильтров, емкостей для хранения рабочих тел (воды, топлива,
масла, воздуха), трубопроводов, кабельных трасс, средств
контроля, регулирования и защиты, обеспечивающих нормальное
функционирование основных элементов СЭУ (генераторов пара
н 1аза, ГД и ВД) и их обслуживание, составляет системы СЭУ.
Эти системы могут обслуживать ГЭУ, всиомога!ельные установки
или те и другие одновременно.
В состав систем СЭУ обычно входят: топливные, масляные,
охлаждения, сжатого воздуха, конденсатно-питательные, воздухо-
иодающие, газовыпускные, главного и вспомогательного пара.
В зависимости от типа СЭУ может не иметь какой-либо из пере-
численных систем; например, в дизельной пли газотурбинной уста-
новках без утилизационного контура не будет систем главного н
вспомогательного пара.
Топливная система предназначена для приготовления (очистки,
подогрева, гомогенизации) и подачи топлива к главным и вспомо-
гательным двигателям и котлам, а также его приема с берега, хра-
нения, перекачивания и передачи на берег и на другие суда.
В состав топливной системы входят: цистерны запаса топлива, от-
стойные и расходные цистерны, насосы, фильтры грубой и тонкой
очистки, сепараторы (для очистки от воды и механических загряз-
нений) или гомогенизаторы, подогреватели, трубопроводы с запор-
ной, регулирующей арматурой и контрольно-измерительными при-
борами.
Масляная система служит для приема, хранения, перекачива-
ния, приготовления и подачи масла, предназначенного для смазки
и охлаждения трущихся деталей ГД и ВД и других механизмов,
а также для передачи масла на другие суда. В ее состав входят:
цистерны — чистого масла, отработавшего масла, отстойные и на-
порные, сточно-циркуляционные; фильтры грубой и тонкой очи-
стки, насосы, сепараторы, подогреватели и охладители масла, тру-
бопроводы с запорной, регулирующей арматурой и контрольно-из-
мерительными приборами.
Система охлаждения предназначена для охлаждения агрега-
тов, узлов и деталей ГД и ВД, компрессоров, конденсаторов паро-
вых турбин, холодильных машин и опреснителей, маслоохладите-
лей систем смазки и охлаждения, воздухоохладителей, других теп-
лообменных аппаратов, главных передач, опорных и упорных
подшипников валопровода, для прокачивания дейдвудных труб.
Система охлаждения включает несколько замкнутых и разомк-
нутых контуров, состоящих из соединенных трубопроводами насо-
сов, компрессоров, вентиляторов, фильтров, теплообменных аппа-
ратов, в которых могут циркулировать масло, легкое топливо, воз-
дух, пресная вода, забортная вода. Принцип работы, например,
простейших из этих систем следующий: электровентилятор обду-
вает охлажденным воздухом электрогенератор или гребной элек-
тродвигатель (ГЭД); конденсатор с помощью насоса прокачива-
ется забортной водой, за счет чего в нем происходит конденсация
водяных паров или паров другой жидкости; через самопроточный
главный конденсатор ПТУ при полном ходе судна протекает за-
бортная вода, поступающая в систему охлаждения через специ-
12
альные заборники в корпусе судна (подпор воды при движении
судна).
Это примеры простых (проточных, незамкнутых) систем ох-
лаждения, в которых температура забортной воды на выходе из
двигателей и других машин не должна превышать 50—55 °C во
избежание солеотложений в проточных частях охлаждаемых ма-
шин. В большинстве своем системы охлаждения являются слож-
ными, двухконтурными. Первый контур — замкнутый, циркуляци-
онный. В нем циркулирует, например, пресная вода, охлаждающая
агрегаты, узлы и детали дизеля (или ГТД) с температурой более
50 СС, которая в свою очередь охлаждается в специальном тепло-
обменнике забортной водой. В иных системах при одном внешнем
(втором) контуре имеются два внутренних (первых) контура:
в одном циркулирует пресная вода (охлаждает цилиндровые
втулки, крышки, форсунки и пр.), а в другом —масло (охлаждает,
например, поршни).
Система сжатого воздуха обеспечивает сжатым воздухом необ-
ходимого давления (от 0,3—0,5 до 3,0—7,5 МПа) пуск и реверс
ГД, пуск ВД, работу пневматических систем автоматики и управ-
ления, работу приборов звуковой сигнализации судна (сирена, ти-
фон), продувку кингстонов, работу пневмоинструмента и другие
общесудовые и специальные нужды. Она состоит из баллонов для
хранения сжатого воздуха (воздухохранителей), компрессоров,
главного пускового и редукционного клапанов, воздухопроводов
, с арматурой и контрольно-измерительных приборов.
Конденсатно-питательная система служит для непрерывного
питания котлов или парогенераторов водой необходимого каче-
ства. В современных СЭУ применяют закрытую систему питания
котлов, при которой исключается контакт питательной воды с воз-
духом. Основную часть питательной воды составляет конденсат
отработавшего пара, остальное — добавки опресненной воды (для
компенсации утечек пара и его потерь при продувках котлов, без-
возвратного расхода пара на потребители и т. и.). Поскольку оп-
ресненная вода на судне хранится в открытых емкостях, а в на-
ходящийся под вакуумом конденсатный контур может подсасы-
ваться воздух, то питательную воду приходится освобождать от
кислорода, вызывающего коррозию внутренних поверхностей гене-
раторов пара. Это делают с помощью деаэраторов (дегазаторов).
В состав конденсатно-питательной системы входят: конденсат-
ные, бустерные, дренажные и питательные насосы, вакуум-насосы
или эжекторы, трубопроводы, контрольно-измерительные при-
боры.
Воздухоподающие системы служат для подачи в паровые
котлы, дизели и ГТД воздуха, необходимого для сжигания в них
топлива. В современных котлах наиболее нагретый воздух из верх-
ней части котельного помещения подается вентиляторами по воз-
духопроводам в пространство между двойной обшивкой котлоаг-
регатов. Это снижает потери от излучения теплоты в окружаю-
щую среду и улучшает условия обслуживания котельного отделе-
"" 13
ния. В межкожуховом пространстве воздух частично подогрева-
ется и поступает в воздухоподогреватель, а затем через воздухо-
направляющие устройства — в топку котла.
В ГТУ воздух засасывается компрессорами ГТД из атмосферы
(выше палубы) через воздухоприемные шахты или воздуховоды.
Система снабжается глушителями шума и устройствами (каплеот-
делителями), предотвращающими попадание в компрессоры
вместе с воздухом брызг забортной воды и обледенение приемных
сеток и решеток.
В ДУ компрессор двигателя, имеющий газотурбинный или ме-
ханический привод, засасывает воздух либо из МО, либо с верх-
ней палубы через воздухопровод, либо комбинированным спосо-
бом. После компрессора, а также между его ступенями воздух
охлаждается водой в специальных теплообменниках.
Газовыпускные (газоотводные) системы служат для отвода
в атмосферу отработавших газов от ГД и БД и паровых котлов.
Каждый дизель или ГТД должен иметь отдельный газопровод, по
которому газы выводятся в общую дымовую трубу, расположен-
ную над надстройками судна. В некоторых случаях газы отводятся
за борт ниже ватерлинии и тогда предусматривается устройство,
предотвращающее попадание воды в двигатель. Дымоходы отдель-
ных котлоагрегатов ПТУ соединяются в один дымоход, идущий
к дымовой трубе судна.
В системе газовыпуска предусматривают компенсаторы темпе-
ратурных расширений, глушители шума и искрогасители. Для
предотвращения задымления судна в верхней части дымохода
(вокруг него) создается воздушный заслон с помощью кольцевой
насадки. Воздух, подаваемый электровентилятором, выходит в ат-
мосферу из кольцевой насадки со скоростью, в 2,5—4 раза превы-
шающей скорость дымовых газов; дымовые газы эжектируются
воздухом и отводятся выше вихревой зоны (выше верхних над-
строек судна).
Паровые системы предназначены для подвода пара от пароге-
нератора (котлоагрегата) к главным турбинам (система главного
пара), вспомогательным механизмам и теплообменным аппаратам
(система вспомогательного пара). Паропроводы имеют тепловые
компенсаторы, арматуру (главный стопорный клапан, паровые за-
движки), распределительные коробки.
Кроме главной и вспомогательных ЭУ и систем в состав СЭУ
входит также дополнительное оборудование, обеспечивающее нор-
мальную ее эксплуатацию, обслуживание и ремонт. К нему отно-
сят: системы вентиляции ЛЮ, шумозащитные выгородки и покры-
тия, изоляцию нагретых и холодных поверхностей, площадки,
трапы, поручни и ограждения, подъемные и транспортные устрой-
ства, мастерские и кладовые с запасными частями и матери-
алами.
14
1.2. Судовой
пропульсивный комплекс
В пропульсивный комплекс помимо ПУ входит корпус судна.
Таким образом, к пропульсивному комплексу относят: ГД, глав-
ную передачу, валопровод, движитель (обычно гребной винт) и
корпус судна, постоянно (при движении судна) находящиеся в ди-
намическом взаимодействии (рис. 1.3).
На рисунке обозначено: — эффективная (на выходном
фланце) мощность ГД; Ney — суммарная мощность ГЭУ, переда-
ваемая валопроводу (валопроводам) ПУ, #ву=2Л^д т)п, где т]п —
КПД передачи (механической, гидравлической, электрической);
Рис. 1.3. Схема судового пропульсивного комплекса
ДЕу— суммарная мощность, подведенная к движителю, Дгау =
= Л1еуТ]вт1. где Црп — КПД валопровода: &N и Дп — изменение мощ-
ности и частоты вращения (изменение частоты вращения винта
влияет на работу ГД, изменение мощности ГД влияет на работу
винта); Р и Ре—упор и полезная тяга гребного винта; и — ско-
рость судна; R(v) —сопротивление воды движению судна (соско-
ростью v); 7.в — относительная поступь винта, Хр = ур/(га8Г)в), где
ve — скорость воды в диске гребного винта, пв и Ьв — частота вра-
щения и диаметр гребного винта; t и w — коэффициенты засасыва-
ния и попутного потока для винта, которые в совокупности отра-
жают влияние корпуса судна на работу гребного винта в виде ко-
эффициента Г|к= (1—Z)/([—©), Д^е—изменение полезной
тяги винта.
Прежде чем рассматривать взаимосвязь и взаимодействие эле-
ментов ПК, кратко охарактеризуем их (кроме уже известных кор-
пуса судна и ГД).
В качестве судовых движителей, преобразующих механическую
энергию ГД в упор Р (часть которого составляет полезную тягу),
15
чаще всего применяют гребные винты, которые могут иметь фик-
сированный шаг (ВФШ) и регулируемый шаг (ВРШ, обеспечи-
вающие реверс судка при нереверсивном ГД и позволяющие эф-
фективно использовать мощность ГД в условиях плавания, отли-
чающихся от спецификационных). В случае применения ВРШ на
линии вала устанавливают механизм изменения шага винта
(МИШ). Для мощных ЭУ скоростных судов перспективно приме-
нение соосных гребных винтов противоположного вращения.
В этом случае и валопроводы выполняют также соосными, распо-
ложенными один в другом.
На малых судах прибрежного, смешанного плавания, на реч-
ных (мелкосидящих) судах, портовых буксирах иногда ставят во-
дометные движители, а на скоростных неводоизмещающих судах
с динамическими принципами поддержания (на подводных кры-
льях— СПК, воздушной подушке—СВП)—воздушные винты,
реактивные устройства (сопла).
Судовой валопровод служит для передачи мощности (вращаю-
щего момента) от ГД или от главных передач (например, редук-
торов) к движителям и для передачи упора движителя на корпус
судна через главный упорный подшипник (ГУП). Валопровод
судна обычно состоит из последовательно соединенных упорного,
промежуточных, дейдвудного (гребного) валов, упорного, опорных
и дейдвудных подшипников, тормозного и валоповоротного уст-
ройств, переборочных уплотнений и других элементов.
Главные передачи — это механизмы, устройства или системы,
предназначенные для передачи судовому валопроводу энергии ГД
с преобразованием ее либо без преобразования — в механических
передачах. Нередко они также служат для объединения мощности
нескольких ГД на один валопровод или для разделения мощности
одного ГД на несколько потоков.
Наиболее распространенным типом судового движителя, как
отмечалось, является гребной винт. Оптимальная частота его вра-
щения ив зависит от водоизмещения, осадки и скорости судна,
уменьшаясь с увеличением водоизмещения. Для крупнотоннажных
транспортных судов при умеренных и небольших скоростях она со-
ставляет 50—100 об/мин. Для контейнеровозов при скоростях v
более 10 м/с оптимальная частота вращения гребного вала дости-
гает 140 об/мин в связи с относительно малыми диаметрами вин-
тов (5,4—7,2 м). Оптимальной частоте вращения гребного винта
соответствует наибольшее значение его КПД rjp, которое может
достигать 0,70—0,80.
Частота вращения валов ГД пл (особенно турбин), при кото-
рой достигается наивыгоднейшее соотношение между экономиче-
скими и массогабаритными показателями двигателя, а значит, и
ЭУ, намного превышает оптимальную частоту вращения винта пв.
В таких случаях необходимо включать в линию двигатель — дви-
житель промежуточное звено (передачу) с целью трансформации
частоты вращения и вращающего момента двигателя.
При наличии передачи соблюдается равенство
15
МдПдТМв^МвПв, У' - (1.1)
где Л4Д и Мв — вращающие моменты двигателя и винта^”
Чтобы и для двигателя, и для винта использовать оптимальные
частоты вращения пд и пв, приходится применять передачу с пере-
даточным числом |=Лд/нв и идти на потери в ней энергии, которые
учитываются ее КПД т]п- Общее передаточное число I для турбин-
ных установок может достигать 120; в ДУ обычно г = 6-=-8 и при-
меняются одноступенчатые редукторы. При 15 уже нельзя при-
менять одноступенчатую механическую (зубчатую) передачу, так
как колесо получается очень больших размеров.
В том случае, когда пв совпадает с пл (например, малооборот-
ного— МОД) или мало отличается от нее, применяют непосред-
ственную связь двигателя с валопроводом, на другом конце кото-
рого установлен гребной винт. Тогда гребной винт будет работать
при частоте пв~пд и будет справедливо равенство
МдТ1вп=Л1в, (1.2)
указывающее на то, что значение вращающего момента на сту-
пице гребного винта отличается от момента на валу двигателя
только вследствие сравнительно небольших потерь в подшипниках
валопровода, т. е. трансформация вращающего момента практиче-
ски отсутствует. Обычно т1вп = 0,954-0,97, если машинное отделение
(МО) расположено в средней части судна и, следовательно, вало-
провод лежит на многих опорных подшипниках; =0,974-0,98,
если МО размещено в корме и валопровод короткий.
Итак, все судовые передачи, в зависимости от трансформации
момента и вида энергии, можно разделить на следующие: прямые
(непосредственные); механические (редукторные); гидравлические
(гидродинамические и гидростатические с применением соответ-
ственно гидромуфт и гидротрансформаторов или гидравлического
насоса, приводимого двигателем, и гидромотора, работающего на
гребной винт); электрические (дизель- или турбоэлектрические
установки с главными дизель- или турбогенераторами и ГЭД);
комбинированные (сочетающие в себе разные типы передач).
При прямолинейном движении судна, когда к его корпусу при-
ложена сила 2Ре (суммарная полезная тяга гребных винтов),
справедливо уравнение
2 Ре — R—(т + Дт) dvldt = 0, (1.3)
где т — масса судна; Дт— присоединенная масса воды.
Если движение и прямолинейное, и установившееся (o = const,
dv/dt=^O), то
2Pe = R. (1.4)
Для буксирных судов
SP^R+Ra,------- (1.4а)
где R.-, — сопротивление буксируемых объектов.
17
Основные взаимосвязи и взаимодействия между элементами
ПК показаны на рис. 1.3. Их можно выразить так:
Л'д (Яд)** [Л'д (Яд) ЦпПвп ~ Л'в (Пв)]; (Е5)
Wb (Ъ) = Р (vptla) ир/цр] (Л (vne)v/l] = R (v) v/(HT})], (1.6)
где Л'д и Пд — мощность двигателя (будем считать—дизеля) и
частота вращения его вала; NB и пя—мощность, подведенная
к винту, и частота его вращения: rj— пропульсивный коэффи-
циент, = (здесь rip — КПД гребного винта); z—число греб-
ных винтов; т]к — коэффициент, учитывающий влияние корпуса
судна на КПД винта.
Зависимость мощности от частоты вращения вала дизеля
Мд(Яд_) при работе его в составе ПК называют винтовой характе-
ристикой, по которой работает дизель. Она является результатом
взаимодействия элементов ПК- Аналогичную зависимость N0(na)
для вала гребного винта называют винтовой характеристикой
судна. Она является результатом взаимодействия сопротивления
корпуса R я гребных винтов.
Для СЭУ с МОД и непосредственной передачей винтовые ха-
рактеристики дизеля и судна практически не отличаются (разли-
чие только в КПД валопровода т]вп). Для установок с гидравличе-
скими или электрическими передачами разница в винтовых ха-
рактеристиках дизеля и судна может быть существенной, и ее
необходимо принимать во внимание.
Важными характеристиками ПК являются:
— буксировочная (эффективная) мощность, или мощность по-
лезной тяги (EPS),
= (1.7)
которая определяет работу, совершаемую силой сопротивления
в единицу времени при установившемся прямолинейном движении
судна;
— валовая мощность (WPS), которую необходимо подвести
к валам гребных винтов для обеспечения движения судна со ско-
ростью V,
Ув =Л'я/1]=7?(о)»/(ПрПк) = 2/’ер/(г}рТ}к); (1-8)
— эффективная мощность СЭУ
^у=М/Пвп; (1-9)
— эффективная мощность ГД
(1.10)
В тех случаях, когда линия валопровода имеет значительный
уклон или имеется расходимость (по отношению к ДП судна) ва-
лопроводов,
• S = М/(т]п cos a cos р) = N«/ОМэпЧрЛк cos a cos р), (1.10а)
где а — угол наклона линии вала; р — угол расходимости.
18
Каждый из элементов ПК имеет собственные характеристики.
Режим работы ГД определяется взаимодействием этих характери-
стик. Итогом этого взаимодействия является винтовая характери-
стика 1\'ц=[(па), т. е. =f(nn). Форма винтовой характери-
стики зависит в первую очередь от характера изменения зависи-
мости R=j(v). Характеристика R~f(v) —определяющая в работе
ПК и зависит от формы обводов корпуса, состояния моря и по-
годы, обрастания корпуса судна в процессе эксплуатации.
Следующие по значимости для ПК—характеристики гребных
винтов. Наиболее распространенные из них — кривые действия
гребного винта в свободной воде, представляющие собой измене-
ние безразмерных коэффициентов упора Ki, момента К2 и КПД
винта ty, в зависимости от относительной поступи винта Zo.
Собственные характеристики ГД определяют возможную об-
ласть режимов использования и параметры их работы, в том числе
допустимые при этом нагрузки. К собственным характеристикам
S дизеля относятся: внешние, частичные внешние, ограничительные,
нагрузочные, регуляторные и др. Для оценки экономичности ис-
пользуют универсальные характеристики gp = l(Ne, nR)—зависи-
мости удельного эффективного расхода топлива g,. от Ne и нл. Соб-
ственные характеристики дизелей снимаются при стендовых испы-
таниях на заводах-изготовителях и характеризуют дизель как
независимый первичный двигатель.
В результате взаимодействия характеристик корпуса R-=f(v)
с характеристиками гребных винтов P = f(n, v) и Na=f(v, п, т])
образуется винтовая характеристика, определяющая режим ра-
боты ГД
N'-ZP'fv, пв) ц/(пПвп1]п) = К (v) »/(2глт]а|1т]п). (1.11)
Обобщая экспериментальные материалы по винтовым характе-
ристикам, представляют их в виде степенной зависимости с по-
стоянным коэффициентом С:
N = Cnm (1.12)
и получают выражения в относительном виде
Nl/N2 = (nl/ni)m- (1.13)
= (1.14)
где N=NX/Nn; п-=Пх/п„; индексы «п» и «х» относятся к полной
мощности и полной частоте вращения и к их текущим значениям;
m — параметр, значение которого близко к числу 3.
Эти зависимости могут быть использованы для отображения
как собственных характеристик двигателя, так и винтовых харак-
теристик двигателя и судна, если считать, что и пП соответ-
ствуют 100 % мощности и частоты вращения двигателя (МЛ, па)
или гребного винта (NB, пв)- При жесткой непосредственной связи
между ГД и гребным винтом можно принять Л?Д = Л7В.
19
Представление характеристик в относительных величинах
удобно для обобщения опытных данных и пользования ими, осо-
бенно при сравнительном анализе различных вариантов техниче-
ских решений в судовой энергетике.
1.3. Классификация СЭУ
Общепринятой классификации СЭУ вследствие их большого
разнообразия не существует. Однако их различают по основным
признакам:
— роду топлива; работающие на органическом (нефть, газ,
уголь, синтетические топлива и т. п.) и ядерном;
— роду рабочего тела; паровые (пар) и газовые (продукты
сгорания органического топлива или нагретый газ);
— типу ГД: дизельные, паротурбинные, газотурбинные, комби-
нированные;
— способу передачи мощности к движителям: с прямой (непо-
средственной), механической (редукторной), гидравлической, элек-
трической и комбинированной передачами;
— числу валопроводов: одновальные и многовальные;
— числу ГД, работающих на один вал: одномашинные и мно-
гомашинные;
— способу обеспечения реверса судна: с реверсивным ГД;
с нереверсивным ГД и рсверсредуктором или реверсивной муфтой;
с нереверсивным ГД и обеспечением заднего хода с помощью
ВРШ;
— степени автоматизации, способу управления и обслужива-
ния: неавтоматизированные и частично автоматизированные СЭУ
с местным постом управления и постоянной вахтой в МО; авто-
матизированные СЭУ с 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 обслужива-
нием (степень автоматизации А1).
Дадим некоторые пояснения и дополнения к такой классифи-
кации СЭУ.
В ДУ главный двигатель—дизель. Это самый экономичный и
универсальный в использовании судовой ГД, поэтому он широко
применяется. Различают малооборотные дизели — МОД (пи =
= 50---350 об/мин), работающие непосредственно на винт (через
валопровод — прямая передача), среднеоборотные — СОД (пД =
= 3504-750 об/мпи) с передачей мощности па винт через зубча-
тую или гидравлическую передачу и зысокооборотные — ВОД
(Пд = 750н-2500 об/мин) с зубчатой или электрической (через
ГЭД)| передачей мощности на винт. Совместно с зубчатой переда-
чей дизель образует дизель-редукторный агрегат (ДРА) и сама
ДУ в этом случае называется дизель-редукторной (ДРУ). Со-
вместно с электрогенератором дизель составляет дизель-генератор
(ДГ) и ДУ называют днэель-электрической.
20
Применение паротурбинного двигателя сопряжено с необходи-
мостью включать в состав установки паровой котел пли пароге-
нератор, в котором за счет сжигания органического углеводород-
ного топлива или за счет тепловой энергии ядерного реактора вы-
рабатывается водяной пар для паровой турбины. На судах приме-
няются тот и другой варианты, чаще первый.
Паротурбинные установки могут быть с зубчатой и электриче-
ской передачами. В первом случае совместно с зубчатой передачей
паровая турбина образует главный турбозубчатый агрегат
(ГТЗА), а во втором (совместно с электрогенератором)—глав-
ный турбогенератор.
На некоторых пароходах (старых, относительно мелких су-
дах— портовых буксирах и г. и.) применена паровая машина—
малоэкономичный морально устаревший и громоздкий ГД, хотя
надежный, всережимный. Особенно цепными качествами паровой
машины следует считать возможность больших перегрузок по мощ-
ности и мноюкратнос увеличение вращающего момента при сни-
жении частоты вращения вала, что для некоторых судов, в част-
ности ледового плавания, очень важно и благоприятно.
Главный двигатель газотурбинной установки — газотурбинный.
В нем необходимое для работы газовой турбипы рабочее тело —
газ с относительно высокими давлением и температурой — полу-
чают за счет теплоты сжигаемого органического топлива. Воз-
можна работа ГТУ и на горячих газах, нагреваемых за счет теп-
лош ядерного реактора.
Газотурбинные установки открытого (незамкнутого) цикла
подразделяют на установки с камерами сгорания и со свободно-
поршневыми генераторами газа (СПГГ), которые нашли приме-
нение только на отечественных лесовозах одной серии. В совре-
менных ГТУ энергия на движитель передается посредством
зубчатой, гидравлической или комбинированной передач. Агрегат
газовая турбина—электрогенератор называют газотурбогенера-
тором.
Дизельные установки работают на органическом топливе.
Паро- и газотурбинные установки, как отмечалось, могут работать
как на органическом, так и на ядерном топливе. Паро- или газо-
турбинная установка, работающая на ядерном топливе, называ-
ется ядерной или атомной и обозначается ЯПУ (АПТУ) или
ЯГТУ (АГТУ).
Комбинированной СЭУ считается такая, в которой применены
два типа ГД (обычно паровая и газовая турбины, а также дизель
и паровая турбина) с термодинамически связанными циклами ра-
боты, т. е. когда энергия из одного цикла (контура установки) пе-
редастся в другой цикл (контур). Например, если с помощью теп-
лоты выпускных газов ГТД генерируется пар для ПТУ, работаю-
щей на гребной вал или на компрессор ГТД, то СЭУ называется
комбинированной газопаротурбинной установкой — ГПТУ (основ-
ной цикл — газовый; такую установку называют и ГТУ с тепло-
утилизационным контуром—ТУК). Если основным циклом будет
21
паровой, а дополнительным — газовый, установка называется ком-
бинированной парогазотурбинной—ПГТУ (например, выпускные
газы высокопацорпою парового котла идут в газовую турбину, ко-
торая приводит компрессор, подающий воздух в топку котла).
К комбинированным СЭУ можно отнести и ДУ с ТУК, мощ-
ность паровой турбины которого передается на гребной вал или
используется для привода электрогенератора (в свою очередь,
электроэнергия расходуется на общесудовые потребители и па
привод ГЭД). Такую установку можно назвать дизель-паротур-
бинной.
Комбинированные установки применяют с целью повышения
КПД СЭУ, т. е. уменьшения удельного расхода топлива ge,
г/(кВт-ч). Так, в ГТУ с ТУК на судах типа «Капитан Смирнов»
за счет утилизации теплоты ГТД достигнуто повышение мощности
СЭУ (а значит, пропорциональное снижение g<.) более чем на 20%
(достигнутое ge = 230 г/(кВт-ч) приближает такие ГТУ по топ-
ливной экономичности к ДУ).
Установки комбинированного типа применяются в тех случаях,
когда судно имеет два ходовых режима, резко отличающихся по-
требляемой мощностью и продолжительностью. Смешанной уста-
новкой иногда называют СЭУ, состоящую из разнотипных ГД
с термодинамически не связанными циклами. В таких установках
ГД одного типа (дизель, паровая турбина — маршевые двигатели)
обеспечивают длительный экономический ход, а двигатели другого
типа (обычно газотурбинные — форсажные двигатели) — достиже-
ние полной (форсированной и относительно кратковременной) ско-
рости. В форсированном режиме могут работать совместно марше-
вые и форсажные двигатели.
В начале 60-х годов в некоторых случаях применяли установки
смешанного типа с паротурбинными агрегатами экономического
хода и с ГТД, подключаемыми в форсированном режиме. В пос-
леднее время отдают предпочтение установкам условного смешан-
ного типа с отдельными ГТД экономического хода и с легкими
форсажными ГТД (условного потому, что в СЭУ установлены не
разнотипные, а однотипные ГД).
Многовальные СЭУ применяют при большой мощности ГД (на-
пример, на атомных и дизель-электричсских отечественных ледо-
колах, на скоростных транспортных судах типа «Капитан Смир-
нов»), На современных морских транспортных судах чаще всего
устанавливают одновальные СЭУ (дизельные с прямой передачей,
дизельные и паротурбинные с зубчатой передачей).
1.4. Состав СЭУ, работающих
на органическом топливе
На орт аттическом топливе работают СЭУ всех типов, т. е. ди-
зельные, паро- и газотурбинные, комбинированные и смешанные.
Распространенные па судах дизельные ЭУ разнообразны, их
состав зависит от типа судна и применяемого ГД, способа пере-
дачи энергии на гребной вал, осуществления реверса судна н т. п.
22
Представление о составе ДУ можно получить из рис. 1.2, где по-
казана ДУ с прямой (непосредственной) передачей мощности от
МОД на гребной винт, с утилизацией теплоты, вспомогательными
котельной и водоопреснительной установками, судовой электро-
станцией и основными системами, обслуживающими ГД. Такой со-
став (с теми или иными различиями, дополнениями, особенно-
стями, связанными с типом ГД и передачи и т. п.) имеют боль-
шинство ДУ относительно крупных судов.
Дизельные установки. Дизельные установки различают по сле-
дующим основным признакам:
По типу ГД: с МОД, СОД, ВОД и комбинированные дизель-
газотурбинные (ДГТУ), в которых применены маршевые дизели
и форсажные ГТД (для ускорения до полного хода и кратковре-
менного повышения мощности).
По типу движителя: с гребными ВФШ; с гребными ВРШ; с со-
осными гребными винтами противоположного вращения; с крыль-
чатым движителем; с водометным движителем.
По типу передачи мощности на движитель:
— с прямой передачей (чаще всего это реверсивный МОД, вы-
ходной фланец которого жестко соединен с валопроводом и ВФШ,
либо нереверсивный МОД в сочетании с ВРШ; тогда в ступице
ВРЩ или на валопроводе устанавливается МИШ, рис. 1.4, а);
— с механической (редукторной) передачей (СОД или ВОД
с нереверсивным или реверсивным редуктором, рис. 1.4, в);
— с гидравлической передачей (возможно применение гидро-
муфт и гидротрансформаторов; гидравлического насоса, приводи-
мого дизелем, и гидромотора, работающего на гребной винт, или
водометного движителя);
— с электрической передачей (дизель-элсктрические установки
с ГДГ и ГЭД, рис. 1.4, б);
— с комбинированной передачей (например, электрической и
редукторной, рис. 1.4, г, рсдукгорпой и гидравлической).
По числу гребных валов:
— одновальные (наиболее распространенные установки
с МОД — на морских и с СОД или ВОД — на речных судах);
— многовальные (чаще двухвальные и реже трехвальные уста-
новки) .
По числу ГД, работающих на один вал: одномашинные; много-
машинные, из которых наиболее широко применяются установки
с двухмашинными, реже с трех- и четырехмашппными дизель-ре-
дукторными агрегатами (рис. 1.4, в, двигатели № 1,. .., № 4 обо-
значены в порядке возможной последовательной совокупности их
работы на редуктор).
По способу обеспечения реверса судна: с реверсивным ГД и
ВФШ; с нереверсивным ГД, с рсверсредуктором или реверсивной
муфтой и ВФШ; с нереверсивным ГД и обеспечением заднего хода
с помощью ВРШ.
На транспортных морских судах наиболее распространенной
является одновальная ДУ с МОД и прямой передачей на винт.
23
a.)
Рис. 1.4 Схемы основных типов ДУ с передачами: а — прямой;
б — электрической; в — механической (редукторной); г —комбини-
рованной (электрической и редукторной):
1 — гребной винт; 2— гребной вал, 3 — дейдвудная труба; 4 — промежуточ-
ный вал; 5 —опорные подшипники: б —ГУП; 7 — ГД (МОЛ для варианта
о. СОД для варпавга о); 8 — ГЭД; 3 —главные ДГ; 10 — эластичная
соединительно-разобщительная муфта; I/ — редуктор
24
Ёсе шйре применяются также ДРУ с СОД, позволяющие значи-
тельно (в 3—5 раз) уменьшить'высоту МО [что важно для паро-
мов, судов с горизонтальной погрузкой-выгрузкой и др.) и полу-
чить другие положительные качества (отбор мощности от
редуктора на электрогенератор и вспомогательные механизмы, из-
менениё-суммарной мощности в широком диапазоне и т. дД7 Они
используются как на транспортных (включая суда ледового пла-
вания), так и на промысловых судах, а также на судах вспомога-
тельного флота (буксирах, земснарядах и др.).
Двухвальные ДУ с прямой передачей применяются на речных,
пассажирских теплоходах, паромах, буксирах.
Грехвальные ДУ с прямой передачей имеют ограниченное при-
менение, например, на крупнотоннажных контейнеровозах при ско-
рости до 25—30 уз и суммарной мощности СЭУ более 45—50 МВт.
Четырехвальные ДУ с прямой передачей на судах практически не
применяются.
ДДизель-редукторные установки с ВОД устанавливают на мало-
тоннажных судах и быстроходных катерах.
Дизельные установки с гидропередачей используются на судах
ледового плавания, речных судах, буксирах, малых'паромах, для
подруливающих устройств и привода активных рулей на крупно-
тоннажных морских судах, на специальных судах, где требуется
обеспечить возможность работы СЭУ в широком диапазоне нагру-
зок и высокие тяговые характеристики на пониженных частотах
вращения 1ребного винта.
Дизель-электрические установки целесообразно применять на
судах, где требуется быстрое изменение режима работы. К ним
относятся линейные ледоколы, суда активного ледового плавания,
большие рыболовные траулеры, паромы и др. Особенно мощные
ДЭУ (до 35 тыс. кВт и более) устанавливают на ледоколах. Для
ДЭУ главными двигателями могут быть СОД и ВОД.
Электроэнергией судно с ДУ обеспечивается автономными ДГ,
утилизационными турбогенераторами (УТГ) и валогенераторами.
Последние могут приводиться от промежуточного вала с помощью
текстропной передачи, от ведомой шестерни редуктора (только на
ходу судна) или от его ведущей шестерни (как на ходу, так и на
стоянке).
Для показанного на рис. 1.4, в варианта ДУ можно использо-
вать только один (№ 1) дизель, два (№ 1 и № 2), три (№ I,
№ 2 и № 3) или все четыре дизеля, работающие на редуктор.
Кроме того, от редуктора могут приводиться валогенератор, грузо-
вые насосы и другие вспомогательные механизмы (например, на-
сосы систем, обслуживающих ГД).
В смешанной, например дизель-газотурбинноч, установке по-
мимо маршевых дизелей применен и форсажный газотурбинный
двигатель ФГТД (см. рис. 1.4, в), работающий через понижаю-
щую передачу на общий редуктор 11 и далее на ВРШ.
На судах используются и другие схемы ДУ: со встроенным
в двигатель реверсредуктором, с колонковым редуктором (когда
25
линии вала ГД и гребного винта расположены на разных уров-
нях), с угловым редуктором, с редуктором-разделителем мощности
от одного ГД на два потока, с двухскоростным или планетарным
редуктором и т. д. Такие схемы рационально применять на быст-
роходных катерах для заглубления гребного винта. В качестве
примера на рис. 1.5, а показана одна из разновидностей подобных
ДУ, которые можно устанавливать на палубе в корме относи-
тельно небольших судов и барж.
Установка состоит из двух агрегатов, каждый из которых включает
(рис ] 5, б): дизель 7 марки МАН-В и B6I. 20/27 мощность 525 кВт (п=
1000 об/мин), редактор 8, промежуточный вал 9 с шарнирным подсоединением
обоих концов, вертикальную колонку 2 с гребным валом и винтом 1 В зави-
симости от осадки судна за!лубленис 1ребного вннта (положение колонки),
а значит, н промежуточного пала изменяется Колонка перемещаеюя с по-
мощью гидравлической системы Дизель установлен в металлическом кожухе 5.
Остальными позициями на рис. 1.5,6 обозначены: в — электровентилягоры (для
продувания моторного отсека — кожуха); 3 — газовыпускиая труба с глуши-
телем; 4 — трубы с грибовидными головками для забора всасываемого воздуха.
КПД дизельной установки определяется зависимостью
Ч? = Ч^Чо^Ч^Ч». у = Ч/РмЧлЧв. у = адпТ)в. у, (1.15)
где — термический КПД дизеля; т|о<> тр — относительный инди-
каторный (внутренний) и абсолютный индикаторный КПД дизеля
(ГД); г]ч, — механический и эффективный КПД дизеля, т)е=
= т|'Чм (применяют и относительный эффективный КПД дизеля
4oe=4O'4M); Лв. у — коэффициент, учитывающий дополнительные за-
траты энергии (на вспомогательные механизмы и др.); т]п — КПД
передачи.
КПД судового пропульсивного комплекса с ДУ находят из
уравнения
Ч« = Че ЧвпЧ - Ч/ЧвпЧрЧк — ЧеЧпЧв.уЛвпЧрЧк> ( К 16)
где т]вп — КПД валопровода; т| — пропульсивный коэффициент;
Лр— КПД винта: т]к— коэффициент влияния корпуса.
Паротурбинные установки применяются на ряде типов судов.
Их привлекательная особенность, несмотря на малую энергетиче-
скую эффективность, — возможность работы на дешевых низко-
сортных топливах. Установка работает по закрытому циклу. Рабо-
чим телом является вода (в паровой и жидкой фазах). В состав
простейшей ПТУ (рис. 1.6, а) входят паровой котел ПК, паровая
турбина Т, конденсатор Кн, питательный'насос И, редуктор Р,
главный упорный подшипник ГУП и валопровод с гребным винтом
(З.в — забортная вода).
Теоретически ПТУ работает по идеальному циклу Ренкина —
рис. 1.6, б (с изоэнтропийным расширением 1—2 и постоянством
давлений pj и Р2 подвода и отвода теплоты в цикле). В паровом
котле за счет теплоты сжигаемого топлива вода при p[ = const на-
гревается до температуры кипения (процесс 3'—4), кипит при по-
стоянных температуре и давлении (4—5), затем большая часть
пара направляется в пароперегреватель котла и перегревается до
26
27
заданной температуры Т} (5—I), а часть насыщенного (или пере-
гретого) пара поступает к вспомогательным механизмам ВМ (тур-
богенератор, грузовые насосы н т. п.). Удельная теплота, затра-
ченная на 1 кг пара в котле, кДж/кг, определяется зависимостью
‘Ji-ii — ia', (1-17)
где I) и j3, — энтальпии пара и воды в точках / и 3' цикла.
Перегретый пар с давлением р{ и температурой 7\ поступает
в турбину, расширяется в ней (теоретически—но изоэнтропий-
Ному процессу /—2, в действительности — по политропному про-
цессу 1—2д). Полученная механическая энергия от вала тур-
Рис, 1 6. Принципиальная схема (а) и никл (б) простейшей ПТУ
бииы Т через редуктор Р передается на гребной винт, упор кото-
рого воспринимается ГУП Для движения судна, Удельная работа,
кДж/кг, турбины, выраженная через соответствующие энтальпии
в идеальном цикле, равна
h = ii~h, (1-18)
а в реальном
= (1.19)
Внутренние потери в турбине определяются выражением
Л/д --= /т—/л=г2д—j2_. (1.20)
Понятно, что они идут на увеличение энтальпии пара за турбиной,
так как /2д=12г+Д1д.
Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, где при
постоянном давлении р2 конденсируется (процесс 2—3 или 2д—3),
отдавая забортной воде 3. в удельную теплоту:
в идеальном цикле
<h—ii—/а» (1-21)
28
в реальном цикле
12д - i3 = qs + Д/д. (1.22)
Конденсат (питательная вода) насосом Н из конденсатора пода-
ется в паровой котел ПК (туда же поступает конденсат от кон-
денсаторов вспомогательных .механизмов и пресная питательная
добавочная вода, компенсирующая невозвратный расход пара и
его потери в контуре ПТУ).
Термический К.ПД цикла ПТУ (цикла Рснкипа)
П< = (?1—^)/?i = y- = (h“-»s)/(h“i3’)^Ui—-'з)- (123)
Индикаторный КПД (условно*) реального цикла ПТУ
Т]^ — =(h —ГмЖ —*з-) = (‘1 —>2дЖ— М- (I -24)
В выражениях (1.23) и (1.24) замена и — iy на 1,—i3 возможна
потому, что удельная работа /н питательного насоса пренебрежимо
мала по сравнению с затрачиваемой (подводимой) теплотой
в цикле q} или с работой /т (считаем, что i3, ~!3, в насосе повы-
шается давление воды от pz до Pi и практически не изменяются ее
температура и энтальпия).
Термический КПД цикла Ренкина учитывает, как известно,
только одну неизбежную потерю энергии в виде теплоты <72, отво-
димой так называемому нижнему, или холодному, источнику, т. е.
окружающей среде (забортной воде) в конденсаторе. Внутренние
(индикаторные) потери в турбине учитывают относительным ин-
дикаторным (внутренним) КПД
"Пог = = (h1 1гд)/(й‘—Т2), (1.25)
а произведение трт]о: представляет собой абсолютный индикатор-
ный КПД ПТУ 7], = Т|/Т|0;.
Однако реальные процессы преобразования энергии в ПТУ со-
провождаются потерями энергии и в других ее элементах.
Турбозубчатый агрегат включает в себя турбину и зубчатую
передачу (редуктор). Его относительную эффективность можно
оценить относительным эффективным КПД т]о<- = т]мТ]п, где т]ч —
механический КПД турбины; т]п — КПД передачи.
Кроме того, следует учитывать потери энергии (теплоты) в па-
ровом котле (парогенераторе) т|п. к, а также потери давления и
теплоты в пароперегревателе, паропроводах и конденсатно-пита-
тельном трубопроводе, утечки пара, затраты энергии па привод
вспомогательных механизмов (турбонасосы, турбогенераторы и
другие механизмы, питаемые паром от главного парового
котла) — коэффициентом т]в у.
* Условность реальности цикла в том. что s данном случае учитывается не-
обратимость только в процессе расширения пара в турбине.
29
Тогда КПД ПТУ определится зависимостью
=№.к1]огадв № ЛеЛп.кЛв.у, (1-26)
тде эффективный КПД главного турбозубчатого агрегата равен
(1-27)
Нередко под полезной понимают мощность, подведенную
к винту, но нс на выходном фланце ГТЗА. Тогда
Т]е ЛеЛп. кЛв. уЛвп (1 -26а)
КПД судового пропульсивного комплекса с ПТУ
л!1К = Л«ЛвиЛ Л^ЛвпЛрЛк ЛеЛп. кЛв. уЛвпЛрЛк. (1 -28)
где т| — пропульсивный коэффициент.
Реальные судовые ПТУ более сложные, чем простейшая. В них
предусматриваются меры и соответствующее дополнительное обо-
рудование для повышения энергетической эффективности: регене-
ративный подогрев питательной воды, промежуточный перегрев
пара и т. д. Более сложны, разумеется, и термодинамические
циклы для таких ПТУ.
В связи с остротой вопроса перевода котлов ПТУ на угольное
отопление в настоящее время ведутся в этой области интенсив-
ные работы. Уголь считают наиболее вероятным альтернативным
топливом для СЭУ в будущем. При новых ценах на нефтяное
топливо и уголь, действующих с 1982 г., с учетом разницы в теп-
лоте сгорания Qup нефтяных топлив и углей, каждый I кДж энер-
гии, полученной при сжигании угля, на 20—30 % оказывается де-
шевле. Это обстоятельство может сделать применение угля рен-
табельным и на судах малого водоизмещения («Судостроение»,
1983, № 11, с. 26, 27). За рубежом уже построены суда с ЭУ, ра-
ботающими на угле. Эти ЭУ мощностью 9—18 МВт имеют упро-
щенные тепловые схемы без промежуточного перегрева пара,
с деаэратором, подогревом питательной воды до 140—150 °C,
при начальных параметрах пара 6 МПа и 495 °C. Котлы рабо-
тают на высококачественном угле с теплотой сгорания QKp—22-ь-
4-25 тыс. кДж/кг, коэффициентом избытка воздуха а—1,3 и КПД
т|п. к =«82,5 %, снабжены автоматически действующими самоочи-
щающимися цепными колосниковыми решетками с пневматиче-
скими питателями и роторными распределителями угля. Судо-
вые ПТУ с такими котельными установками имеют расход топ-
лива (в пересчете на QH!>=41 900 кДж/кг, приблизительно как
у нефти) порядка 305—315 г/(кВт-ч), что примерно соответст-
вует эффективности современных ПТУ без промежуточного пе-
регрева пара.
Газотурбинные установки. В судовой энергетике преимущест-
венное распространение получили ГТД, работающие по открытому
циклу с подводом теплоты при постоянном давлении.
В состав простейшей ГТД (рис. 1.7, а) входят компрессор К,
камеры сгорания КС и турбина Т, соединенная жесткой механи-
зм
чёской связью одновременно с компрессором и потребителем по-
лезной энергии (в данном случае — редуктором Р, валопроводом
и гребным винтом). Такая установка называется идповальной
или блокированной.
Компрессор всасывает атмосферный воздух с параметрами pi
и Т; (точка 1 в цикле на рис. 1.7, б), сжимает его до давления
Р2 и подает в камеру сгорания. Теоретически сжатие изоэнтро-
пийное с показателем процесса k (процесс /—2'), в действитель-
ности оно политропное с показателем п (процесс I—2). Работа
сжатия, кДж/кг, в компрессоре:
теоретическая
С = ir-h-CfT, *— 1); (1.29)
действительная
(1.30)
где лк — степень повышения давления в цикле; сР — изобарная
теплоемкость, кДж/ (кг • К).
Вместе с воздухом в /(С подается топливо, при сгорании ко-
торого при постоянном давлении р2 = р3 образуются газы с необ-
ходимой температурой Г3= (8OO-9-IOOO) +273 К. Подводимая в КС
теплота
?кс = ?1 = ^э—it- (1-31)
Из КС газы поступают в турбину, где, расширяясь изоэнтро-
пийно (3—4') или политропно (3—4), производят работу:
I’ = I,- I,. _ сгм\ (1 - 1‘-ц ‘); (1.32)
1Т = 1, - срКТ, (1 -<. (1.33)
Здесь Z — степень повышения температуры в цикле, к=Тз!Т\.
31
Полезная работа цикла равна разности работ турбины и ком-
прессора:
lo — l-r — ln', (1-34)
Iq~It—-1к==/тПт— Jk/t)ki (1.35)
где Лт, л» — внутренние КПД турбины и компрессора.
Термический КПД цикла тр представляет собой отношение
полезной работы цикла к затраченной энергии (теплоте):
— 4>/^1~(1т—^к)/(|'з—“'J = I лк , (1.36)
где т = (k— 1) /k.
Внутренний КПД реального цикла ГТУ с учетом также и по-
терь теплоты в камере сгорания (ее КПД т]кс)
Л|~(/т-ЧчкЛ1- (1-37)
Относительный внутренний КПД ГТД
(1.38)
а его эффективный КПД
Т]г = т1<1>т1п, (1.39)
где т|м— механический КПД агрегата; т]п — КПД передачи (ре-
дуктора).
КЙД ЭУ с ГТД
Т]/=ЛеЛв.у (1.40)
КПД судового пропульсивного комплекса с ГТУ
уЛвпЛрЛк-
С целью повышения эффективности работы ГТУ их услож-
няют, вводя новые элементы, обеспечивающие раздельный при-
вод компрессора и гребного винта (разделяют на турбинные сту-
пени), регенерацию и утилизацию теплоты, промежуточные ох-
лаждение и подвод теплоты и т. п.
В ЭУ транспортных судов применяют ГТУ трех основных ти-
пов: с легкими ГТД авиационного типа; с ГТД промышленного
типа (тяжелыми, используемыми в стационарной практике);
с ГТД, работающими с теплоутилизационным контуром (ГТУ
с ТУК) •
В качестве легких двигателей используют авиационные ГТД,
конвертированные для судовых условий, или разрабатывают спе-
циальные (судовые) двигатели. Создан ряд отечественных газо-
турбинных агрегатов, что позволило строить суда с исключи-
тельно высокими маневренными качествами.
Состав комбинированных и смешанных СЭУ зависит от типа
маршевой и дополнительной (форсажной и др.) ЭУ.
Более подробно СЭУ всех типов рассмотрены в соответствую-
щих главах книги. На рис. 1.8 приведены сравнительные удель-
32
ные расходы тяжелого топлива для ЭУ разных типов и парамет-
ров (ПТУ и ДУ) при полной нагрузке, включая эквивалент по
расходу смазочного масла. Удельный расход ge, г/(кВт-ч), пред-
ставляет собой отношение полного часового расхода топлива на
главные двигатели СЭУ к эффективной (на выходном фланце
редуктора) мощности СЭУ. Судовые
ГТУ с ГТД третьего поколения при
начальной температуре газа t3 —
= 1100 °C имеют удельный расход
топлива до 240 г/(кВт-ч) без исполь-
зования ТУК и примерно 195—
200 г/(кВт-ч) с их использованием
(по существу это комбинированные
ГТУ). При меньших температурах
газа (/з = 8404-940 °C) ge значительно
выше: 300—370 г/(кВт-ч).
Рис. 1.8. Зависимость удельного расхода тя-
желого топлива от агрегатной мощности ПТУ
и ДУ при различных рабочих параметрах:
I — ПТУ фирмы «Джеверал электрик» без ППП
(давление 5,9 МПа, температура 510 °C)* 2—то же,
с ППП (6,2 МПа. 538 °C); 3 — ПТУ фирмы «Сталь—
Лаваль» с ППП (10,3 МПа. 538 °C); 4 — ПТУ
фирмы «Сталь — Лаваль» типа VAP (а — 10.1 МПа,
6 — 12,6 МПа. в —14.1 МПа, 600’0; 5—дизель
L90GF; 6 — дизель RTA-84 (без учета расхода
масла)
Глава 2
ПОКАЗАТЕЛИ СЭУ
2.1. Мощностные показатели
К абсолютным мощностным показателям относятся суммар-
ная мощность 2А^д гд пропульсивной установки, суммарная
мощность NPv ГЭУ, передаваемая валопроводам, а также суммар-
ная мощность Nj, подведенная к движителям, и мощность Мсэс
СЭС, кВт.
Для СЭУ с прямой передачей от ГД к движителю эффектив-
ная мощность Меу ГЭУ и NBy составляют
М-£МГД;
W-Wtta,______ . .
где т|вп—КПД валопровода. I
2 за.д,*5» \1^ 33
Для СЭУ с непрямой передачей
Л',’ -2>,гдть,
где т)ц— КПД передачи от ГД к валопроводу (для упрощения
записи уравнений условно считаем, что т]п в многомашинных и
т)вп в многовальных установках одинаковы).
На современных транспортных судах Ney достигает: в ДУ 50,
в ПТУ 90, в ГТУ 40 тыс. кВт.
Для судна в целом используют и такой показатель, как бук-
сировочная мощность, или мощность полезной ТЯГИ,
Уд АД W1 - £
где ц — пропульсивный коэффициент; др— КПД гребного винта;
т]к — коэффициент влияния корпуса судна на работу винта.
Если валовые линии не имеют ни наклона, ни расходимости,
то суммарная мощность ГД выражается зависимостью =
= ЛГ/?/ (г)пТ]впТ1рТ)к).
Относительными мощностными показателями СЭУ являются
энергонасыщенность судна
aN-=Nl!D или Одг^Л^/Г),
где D — полное водоизмещение судна, т;
относительная мощность СЭС
«э = А'сэс/Уг-
Значения относительных мощностных показателей ЭУ для
различных судов приведены в прилож. 2.1, а для аа, кроме того,
на рис. 2.1.
Используют в качестве мощностного показателя и степень
электрификации судна Оэц, кВт/т, представляющую собой отно-
шение мощности СЭС к водоизмещению судна порожнем: аэП —
— А^сэс/^пор-
Диапазон составляет: 0,1—0,25 для танкеров и судов для
навалочных грузов; 0,15—0,30 для универсальных сухогрузных
34
судов; 0,25—0,5 для судов с горизонтальным способом грузооб-
работки; 0,25—0,4 для скоростных контейнеровозов, 0,3—0,4 для
ледоколов.
2.2. Показатели энергоэффективности
и автономности
Показатели энергоэффективности (тепловой экономичности)
СЭУ следующие:
— удельный расход топлива gPy, кг/(кВт-ч),
где GTy — суммарный расход топлива на СЭУ на основном рас-
четном режиме, кг/ч (это расход топлива на движение судна и
на технологические нужды, определяемые условиями перевозки
груза, в частности на обработку и сохранение груза, а также на
все виды обслуживания пассажиров и экипажа); Л^эу, Л/о u—
мощности, необходимые для работы вспомогательных механиз-
мов ГЭУ и общесудовых потребителем;
— эффективный КПД установки
ч? - (3600 ОГ + NT,3f + N°. „)]/(O?QE) = 3600/(вИ).
где Q(.p — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
— эффективный КПД ГЭУ
чГУ-36(ЮВД(оГУ«’Л
где Огэу—суммарный расход топлива на ГД на обслуживающие
их вспомогательные механизмы мощностью
— пропульсивный КПД установки
Чгэг - збоолу(аГЭУ«) = ,,гэуч.„ч = Ч.гауч..чгч«.
Ориентировочные значения т)[эу для различных типов СЭУ:
0,47-0,50 (ДУ с МОД и СОД); 0,30—0,38 (ПТУ): 0,40-0,42
(ГТУ водоизмещающих транспортных судов с развитым ТУК).
На практике применяется показатель, который характеризует
не только качество СЭУ, но и свойства гидродинамического ком-
плекса корпус судна — движитель — двигатель. Он называется
удельным расходом топлива на единицу пройденного пути
(кг/милю):
g^gveN?/t\.
Все абсолютные и относительные показатели определяются
мощностью СЭУ, развиваемой на данном режиме. С уменьше-
нием мощности абсолютные показатели непрерывно снижаются.
Зависимость относительных показателей от мощности приведена
на рис. 2.2. Как видно, максимум КПД установки г]еу и минимум
удельного расхода топлива gey соответствуют нагрузкам, близким
к номинальной, т. е. Л',.—0,84-1,0.
35
Минимум gM располагается в области значительно меньших
нагрузок и соответствует скорости, называемой экономической
«эк- Судно, двигаясь с этой скоростью, пройдет наибольший путь
при заданном запасе топлива. Поскольку g„ обратно пропорцио-
нален дальности плавания, последняя может быть увеличена при
плавании с уменьшенными скоростями.
Под автономностью СЭУ понимается суммарная продолжи-
тельность ходовых и стояночных режимов работы, обеспечивае-
мая запасами топлива, масла и технической воды:
£т-<+£ ТС1,
где Txi и Тс, — продолжительность ходовых и стояночных режи-
мов работы, ч.
В свою очередь, время ходового
режима
Тх t = Sitvi,
где s, — дальность плавания, мили,
при i-м ходовом режиме со скоро-
стью Vt, уз.
Характер и относительная про-
должительность режимов работы
СЭУ определяют различную авто-
номность при одних и тех же энср-
Рис, 2.2. Заиошость откоси- готических запасах. В этой связи
тельных показателей энергоэф- па практике часто используют та-
фсктивности СЭУ от ее мощности кой показатель, как расчетная даль-
ность плавания, который условно
выбирают для одного наиболее характерного ходового режима
при принятых запасах. Этот показатель определяет расстояние,
которое может пройти судно при скорости, соответствующей ха-
рактерному ходовому режиму. Так, для судов наливных и перево-
зящих массовые грузы режим полного хода — характерный.
Более сложно выбрать характерный режим, например, для
транспортных рефрижераторов. Эти суда отличаются неболь-
шими затратами времени на переходы, когда работают ГД.
Время работы ГД в районе промысла и стоянки в порту состав-
ляет не более 16—15% ходового времени переходов, а доля ра-
боты постоянно работающих ВД достигает 65—69%. Для раз-
личных типов рефрижераторов эксплуатационное время состав
ляет 72,7—85,9 % (если общее календарное время принять за
100%). Распределяется оно так: 18,6—35.0 (переходы в район
промысла и обратно), 18,6—28,0 (простои в районе промысла),
40,0—54,5 % (простои в порту).
Для грузовых транспортных судов автономность плавания
обычно составляет 45—60 сут, а для промысловых — больше
(60—120 для рефрижера(оров, 104—149 для средних морозиль-
ных траулеров, 125 для рыбопромысловых баз).
зь
2.3. Показатели массы
Масса СЭУ оказывает прямое влияние на основные показа-
тели судна (скорость, дальность плавания, полезное водоизмеще-
ние), а также характеризует в определенной мере эксплуатаци-
онные свойства СЭУ и степень ее технического совершенства.
К абсолютным массовым показателям СЭУ относятся: Gyc —
«сухая» масса установки, т. е. масса всех ее элементов без воды,
масла и топлива, т; Gy—масса в рабочем состоянии, т. е. масса
установки, приготовленной к действию (с водой, топливом, мас-
лом в элементах и трубопроводах), т; G4 — масса запасов топ-
лива, масла и технической воды для СЭУ, т; Gy,3— полная масса
установки с запасами, т, Gv. 3 = Gy + Gs.
В отечественной практике под массой СЭУ понимают сухую
массу установки, определяемую в соответствии со стандартной
методикой. Массы рабочих сред в элементах СЭУ, а также ин-
струмента, расходных материалов и пр., как правило, отдельно
не выделяют, а учитывают в составе аналогичных элементов на-
грузки по судну в целом. Массу запасов рабочих сред учитывают
отдельно от массы СЭУ, поскольку эти запасы определяются не
только типом и мощностью ЭУ, но и дальностью, и автономно-
стью плавания.
Масса СЭУ состоит из масс комплектующего оборудования,
входящего в группы А (главная машинная установка). Д (вало-
провод и движители) и др. В свою очередь, группа состоит из
подгрупп. Например, группа А для ПТУ включает ГТЗА и глав-
ный конденсатор (ГК) в полном сборе, все обслуживающие их
вспомогательные механизмы (ВМ). теплообменные аппараты
(ТА) и устройства; оборудование МКО—вентиляцию, цистерны,
площадки, трапы, ограждения, ЗИП. К группе В относятся испа-
рительные, водоопреснительные, вспомогательные котельные уста-
новки, вспомогательные конденсаторы, ВМ п ТА, входящие в. со-
став этих установок, ЗИП.
В прилож. 2.2 приведен перечень статей нагрузки по СЭУ
(примеры для ПТУ). Примерное распределение массы ДЭУ ле-
докола (в %) таково: 45—50—главные ДГ и ГЭД с обслужи-
вающими механизмами; 5—8 — трубопроводы ЭУ; 3—7 — незави-
симые вспомогательные установки; 8—10—валопровод и греб-
ные винты; 6—10—прочее оборудование (мастерские, площадки
и т. п.); 10—18 — жидкие грузы; 15—20 — электрооборудо-
вание.
Для ледоколов на долю главных ДГ приходится 15—30 %
массы установки. Высокая относительная доля жидких грузов
для этих судов объясняется значительным объемом ледовых ящи-
ков. В ДУ обычных транспортных судов эта статья не превышает
нескольких процентов.
Основную часть массы ДУ составляет группа А (66,2—80%).
При этом для большинства судов масса ЭУ лежит в пределах
71—77%. Распределение массы ЭУ между остальными группами
37
(в %) таково: 4,08-9,5 (Б); 3-13 (В); 1-4 (Г); 9-12 (Д);
0,3-1,9 (Е).
Для ЭУ с СОД масса группы А меньше, чем для ЭУ с МОД,
и составляет 55—72%. Для нефтеналивных судов по сравнению
с другими судами доля группы В больше вследствие более раз-
витой вспомогательной котельной установки.
Зависимости масс основных элементов ДУ приведены на
рис. 2,3. Доля массы ГД от массы ЭУ судов различных типов
примерно 34—58 %. При этом масса СОД составляет 34—49 %,
а масса МОД 44,7—58 %.
Зависимости сухой 6£д и удельной гп^д (отнесенной к
массы ДУ с МОД от его мощности приведены на рис. 2.4, а рас-
пределение массы МОД между ГД и вспомогательными меха-
низмами— на рис. 2,5.
Ориентировочные значения удельной массы современных ти-
пов СЭУ приведены на рис. 2.6 и ниже:
СЭУ
Дизельная с МОД и прямой передачей .......................
Дизе.чь-редукторная с СОД и одноступенчатой зубчатой пе-
редачей .................................................
Дизель-редукторная СПК....................................
Дизель-электрическая ледоколов и судов ледового плавания
Паротурбинная транспортных судов..........................
Турбоапектрическая ледоколов и пассажирских судов . . .
Паротурбинная.............................................
Газотурбинная:
с регенерацией для транспортных судов...............
водоизмещающих легких судов ........................
те. nr/кВт
80—110
60-70
5-7
90-110
60-60
70—90
12-20
25-35
Г 5-10
Г 2—3
1,2-1,5
Удельную массу, кг/кВт, основных элементов СЭУ можно при-
нимать следующей:
Дизели'
МОД, двухтактные, реверсивные ............................. 24—50
тронковые, двухтактные, реверсивные ........................ 27—32
тронковые, четырехтактные, нереверсивные.................... 10—15
высокооборотные, четырехтактные ........................ 2,7—4,0
среднеоборотные, четырехтактные, реверсивные............ 12—16
среднеоборотные, двухтактные, реверсивные ,............. 9—13
Дизель-генераторы:
главные ................................................... 12—15
вспомогательные ..................................... 18—25
Главные паровые турбины с конденсаторами....................... 4—5 *•
Главные котлы................................................. 10—13
ГЭД.......................................................... 14—18’
Зубчатые редукторы: т
одноступенчатые ..................................... 7—8
двухступенчатые ..................................... 5—7
ГТД легкого типа .......................................... 0.3—0,5
ГТД с редуктором тяжелого типа............................. 11—13'
33
Рис 23 Зависимости ware групп А (а), Б (б). В (з), Д (г) ц ДУ (3) от
мощности ГД:
I — ЭУ с СОД: 2 — с МОД
Рис. 2.5. Распределение массы МОД:
Рис 2.4. Зависимости сухой СсД
удельной «егд массы МОД от t
мощности:
/— сухая масса; 2 — удельная масса
I — ГД; 2 — вспомогательные
механизмы
39
Удельная масса энергетических запасов (топлива, масла и
технической воды для СЭУ), кг/кВт, /n3 = G-./Ney обеспечивает
расчетную дальность плавания и автономность судна. В отличие
от теу удельная масса энергетических запасов не является одно-
значной для проектируемой СЭУ, поскольку расчетные дальность
плавания и автономность могут различаться. Ориентировочное
изменение т.-у ДУ с МОД и обычной ПТУ с запасами на семь
и три недели приведено на рис. 2.7. Относительная масса уста-
новки, приготовленной к действию (т. е. когда учитывается масса
Gy=Gyc + G3), составляет тсу = Gy/A/ey, кг/кВт:
Рис. 2 8 Удельная масса СЭУ
различных типов водоизмешающих
судов:
I — ДУ с МОД: 2 — ДУ с сод- 3 —
ПТУ; 4 — ГТУ
Наименьшие значения теу свойственны ГТУ (от 1,2—1,6 до
5—10 кг/кВт для легких быстроходных судов и до 25—35 кг/кВт
для крупных транспортных судов), наибольшие — ДУ (от 60—
70 для ДУ с СОД до 80—110 кг/кВт для ДУ с МОД), промежу-
точные— ПТУ (50—60 кг/кВт).
Малая удельная масса позволяет получить высокую энергона-
сыщенность судна. Для морских судов асу составляет: 0,01 —
0,04 — наливные суда; 0,02—0,08 — сухогрузы; 0,10—0,15 — пас-
сажирские суда; 0,15—0,20 — буксиры и ледоколы. Другим отно-
сительным показателем является относительная масса энергети-
ческих запасов
о. -GJD - (СЖ) (N1/D) = т,а„.
Масса энергетических запасов судов дальнего плавания
обычно превышает массу СЭУ, но, как правило, составляет не
более 20 % водоизмещения судна.
40
Стремясь к снижению материалоемкости СЭУ {рис. 2.8), не-
обходимо учитывать изменение ее показателей энергоэффектив-
ности ge, надежности и ресурса.
На практике применяют следующие меры, позволяющие сни-
зить материалоемкость СЭУ: новые конструкционные материалы
и современные методы антикоррозионной защиты; тщательные
расчеты, обеспечивающие достаточные прочность и жесткость
элементов при наименьших запасах; рациональное конструирова-
ние элементов; совершенствование тепловых схем установок, на-
пример снижение количества ДГ в связи с применением УТГ;
уменьшение количества смен-
но-запасных частей, станков
и т. п. за счет повышения на-
дежности элементов.
2.4. Габаритные показатели
Основными габаритными
показателями СЭУ являются
площадь Гмо, м2, и объем Умо.
м3, помещений для механиз-
мов и оборудования и протя-
100$
Z0»
О
Рис. 2.8. Зависимость массы, ресурса и
экономичности двухтактного МОД
с газотурбонагнетателем от частоты
вращения:
У —прямая передача; 2 — редукторная: 3 —
электрическая;---- — масса; — ,•--ресурс
женность этих помещений по
длине судна Лмо, м. Помеще-
ния СЭУ расположены в ос-
новном корпусе судна, в над-
стройках и рубках. Как пра-
вило, при расчете объемно-га-
баритных показателей СЭУ учитывают в первую очередь площадь
помещений.
Объем помещений для СЭУ определяется типом установки
(рис. 2.9) и ее мощностью, а также типом главной передачи. Для
морских транспортных судов с ДУ и ПТУ удельный объем поме-
щений СЭУ обычно составляет 0,35—0,7 м3/кВт, для неводоизме-
щающих он, как минимум, на один порядок меньше.
При определении полного объема помещений, занимаемых
СЭУ, необходимо дополнительно учитывать объемы туннелей ва-
лопроводов и цистерн запасов топлива, масла и воды, не входя-
щие в объем помещений СЭУ.
Относительными габаритными показателями СЭУ могут слу-
жить:
— относительная длина МО
/у — i-MO^±xi
— энергопасыщенность помещений СЭУ по длине п^, кВт/м,
площади пола nF, кВт/м2, и объему кВт/м3,
nL — (Уе + УсэсУ^мо! (У« + УсэсУ^мо'.
nv = (NJ + УсэсУУмо,
где L±± —длина судна между перпендикулярами, м.
4!
Зависимость энср! онасыщенности помещений от типа СЭУ
следующая:
п... кВт/м3
кВт/м
Дизельная с МОД транспортных су-
дов .............................
Паротурбинная с ГТЗА транспортных
судов ...........................
Паротурбинная легкая судовая . .
Газотурбинная транспортных судов
Газотурбинная легкая судовая . .
1,3—2,2
2,06—2 65
18,5—26
15—30,?, 220—480
22—37
130—185
60—90
185—370
370—550
Рис 2 9 Размещение ЭУ на судне: а —
ГТУ; б- ДУ с ДРА; в - ПТУ
Определение габаритов
СЭУ—процесс весьма тру-
доемкий и длительный. На
начальном этапе проекти-
рования пользуются при-
ближенными зависимо-
стями, позволяющими оп-
ределять габаритные ха-
рактеристики с различной
степенью точности исход-
ной информации. В этой
связи одним из важных по-
казателей является относи-
тельная длина МО /у —
= Lmq/L±j_, поскольку ши-
рину и высоту судна на
участке МО использовать
для других целей не уда-
ется. Если выбран тип СЭУ,
но отсутствуют характери-
стики ГД, суммарнаядлина
ЛАО определяется как
Lyio=lyL ±J . Значения 1У
находят по графикам на
рис. 2.10. Линии 1 и 2
(рис. 2.10, й) относятся
к ДУ с редуктором и без
него. Для ДРУ с двумя
ДВС при среднем расположении МО А является весьма стабиль-
ной и составляет 6.13—0,15 при длине судна 75—150 м. Значи-
тельные колебания при малой длине и кормовом расположении
МО объясняются более сильным влиянием конструкции ГД на
длину МО по сравнению с другими типами расположения, по-
скольку установку необходимо разместить в ограниченном объеме.
Относительная длина МО различных типов ГТУ составляет
0,1—0,19 (получена автором). Для современных сухогрузов отно-
сительная длина МО 14,2—16,8 (ДУ с МОД); 20—30 (пассажир-
ские суда); 13,6—15.8 (танкеры); 35—60 (ледоколы, буксиры);
42
24—28 (суда ледового плавания). Абсолютная длина МО 17—21
(сухогрузы с ПТУ мощностью 11—19 МВт) и 27—34 м (танкеры
с ПТУ мощностью 14,7—29,4 МВт).
I, ±, 1—1 ; v ~ v v >
ilzgjgigzg:
°120 ТОО 160 180 200 Ьд,М
Рис. 2.Ю. Относительная длина МО. а — ДУ:
/ — ДУ с одним две. кормовое расположение (КР); 2 —ДРУ с двумя ДВС, КР. 3 —
ДУ с одним ДВС, среднее расположение (СР).
б — ДУ (с электропередачей) и ПТУ
/ — ДУ, КР. 2 — ПТУ, СР;
/ — сухогруз «Парижская коммуна» (ГТУ, ПТ); 2 —судно «Капитан Смирнов» (ГТУ
С ТУК); з — судно «Айроц Монарх» (ГТУ. ПТ); < —метановоз «Лусаки» (ГТУ, ПТ),
5 —паром «Финнджег» (ГТУ, АТ), 6— паром <Снвц; Прикса (ГтУ, ПТ с в.тектродвя-
После уточнения мощности СЭУ и выбора ГД уточняют длину
МО: Амо = аТрд,
где Z-mo — расстояние между носовой и кормовой переборками
МО на уровне настила двойного дна без учета топливных дип-
танков и рецессов упорного под-
шипника гребного вала; 1гд— —_j t ,,
длина ГД (собственно ДВС для Л . Л - А—j 1
ДУ) и ГТЗЛ или ГГТЗЛ (для Г Чг I 15 Б ? | Т
ПТУ или ГТУ); а — коэффп- Б-(Ъ—U Ck
циепт (табл. 2.1 и 2.2). Т—0 sTl LJ V Ji
Как видно, а изменяется П—, Л J ♦
в широких пределах, что объяс-
няется особенностями компонов- Рис- 2-И. Габаритный чертеж ГТЗА
кн оборудования СЭУ и его рас-
положения. Это хорошо видно у ДЭУ. Табл. 2.1 и 2.2 составлены
для установок, мощность которых более 2,2—3,0 МВг. При мень-
ших значениях мощности а в большинстве случаев оказывается
выше на 30—50 %.
43
На рис. 2.11 приведен в качестве примера габаритный чер-
теж ГТЗА, а в ирилож. 2,3—2.7 — габаритные характеристики ос-
новных типов ГД (габариты ДУ см. в гл. 7).
Таблица 2.1.
Значения коэффициента а для СЭУ
СЭУ Число ГД Расположение
кормовое среднее
Дизельная j 1,95-2,05 1,25—1,45
Дизель-редукторная 1 — 1,75—2,05
а 9 2,65-3,15 1,85—2,10
» 4 2,90—3,10
Дизель-электрическая 1—5 3,5 —3,90* 3,10—3,60*
Паротурбинная 3,80—4,20 2,70—3,00
Газотурбинная с СПГГ 1 3,20-3,70 2,60—2,80**
Таблица 2.2.
Значения коэффициента а для ГТУ
ГТУ Расположен ие
кормовое среднее
от редуктора ГТД в корку от редуктора
На базе авиационного ГТД Промышленная: с регенерацией с электропередачей с регенерацией и промежуточ- ным охлаждением 2,88* 1,53—1,18 2,0—2,33** 1,94 3,93*** 2,27 1,57
ярус (помещение ГЭД)
2.5. Показатели надежности
Надежность представляет собой свойство объекта сохранять
во времени в установленных пределах значения всех парамет-
ров, которые характеризуют способность выполнять требуемые
функции в заданных режимах и условиях применения, техниче-
ского обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
44
Надежность—одно вз важнейших свойств СЭУ и ее элемен-
тов. Понятие «надежность» включает в себя понятия безотказно-
сти, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Безотказность— свойство СЭУ непрерывно сохранять работо-
способное состояние в течение некоторого времени или некоторой
наработки. Работоспособное состояние—такое состояние СЭУ,
при котором значения всех параметров, характеризующих спо-
собность выполнять заданные функции, соответствуют требова-
ниям нормативно-технической и (или) конструкторской докумен-
тации. Нарушение работоспособного состояния СЭУ называется
отказом. Различают отказы независимый, зависимый, внезапный,
постепенный, перемежающийся, конструкционный, производствен-
ный и эксплуатационный.
Основными показателями безотказности являются вероятность
безотказной работы, средняя наработка до отказа и на отказ,
интенсивность отказов и пр. Для ДВС, например, эксплуатацион-
ные отказы обусловлены несоблюдением правил технического об-
служивания и эксплуатации, перегрузками, несоответствием сорта
и качества топлива и масел и пр. Виды отказов некоторых марок
ДВС даны в прилож. 2,8. Средняя наработка на отказ для раз-
личных типов ГД головных судов составляет, тыс. ч: 5,08 (МАН
K8Z70-120E, «Иртыш»); 4,0 (Зульцер 6RD-76, «Новгород»)' 3,33
(Зульцер 6RD-76, «Красноград»); 2,22 (Б и В 9ДКРН 50/110,
«Вытегралес»), Для ВД соответственно 8,76 (Вяртсиля 814Т),
63 (Вяртсиля 614ТК-7); 4,4 (64 25/34); 3,76 (64 18/22); 5 04
(8ND36-1).
Соотношение причин отказов элементов котлов приведено
в прилож. 2.9, а средняя наработка на отказ узлов главных кот-
лов— в прилож. 2.10.
Долговечность—свойство СЭУ сохранять работоспособное со-
стояние до наступления предельного состояния при установлен-
ной системе технического обслуживания и ремонта, Качествен-
ными показателями долговечности являются назначенный срок
службы и ресурс.
Назначенный срок службы—это календарная продолжитель-
ность эксплуатации СЭУ, по достижении которой применение
СЭУ по назначению прекращается, Ресурсы различают средний,
гамма-процентный, назначенный, Например, назначенный ресурс
есть суммарная наработка СЭУ, при достижении которой приме1
нять СЭУ по назначению запрещается. В терминах показателей
долговечности необходимо указывать вид действий после того,
как наступило предельное состояние СЭУ: например, средний ре-
сурс до капитального ремонта, полный средний ресурс (срок
службы). В срок службы входят продолжительности всех видов
ремонтов СЭУ.
Примерные значения среднего ресурса лучших образцов СОД
в зависимости от сорта применяемого топлива составляют: 12—15
до переборки при работе на дизельном топливе и 8—10 тыс. ч —
па тяжелом топливе; 50—60 и 35—40 тыс. ч соответственно до
45
заводского (капитального) ремонта. Анализ показывает, что при
сроке службы судна 14—18 лет может потребоваться один капи-
тальный ремонт (замена) двигателя, а при сроке 20—25 лет —
два.
По данным эксплуатации отечественных ПТУ, средний срок
службы трубопроводов главного пара составляет 15—17, а тру-
бопроводов вспомогательного и отработавшего пара 10—12 лет.
Фактический и расчетный срок службы трубопроводов общесудо-
вых систем СЭУ приведен в прилож. 2.11.
Под ремонтопригодностью понимается свойство СЭУ, которое
состоит в приспособленности к предупреждению и обнаружению
причин возникновения отказов и повреждений, а также под-
держанию п восстановлению работоспособного состояния путем
проведения технического обслуживания и ремонтов.
В cociaee СЭУ есть ремонтируемые и неремонтнруемые эле-
менты. Работоспособность первых при отказе может быть вос-
становлена ремонтом или заменой, а вторых—не подлежит вос-
становлению или не поддается ему.
Ремонтопригодность СЭУ зависит от типа и расположения
установки, трассировки трубопроводов и кабелей, трудоемкости
обслуживания, наличия ЗИП, характера плановых технических ре-
монтов и осмотров, уровня подготовки личного состава и пр.
Основными показателями ремонтопригодности являются вероят-
ность восстановления работоспособного состояния и среднее
время восстановления работоспособного состояния.
Сохраняемость представляет собой свойство СЭУ сохранять
значения показателей безотказности, долговечности и ремонто-
пригодности в течение и после хранения и (или) транспортиро-
вания. К показателям сохраняемости относятся средний срок со-
храняемости и гамма-процентный срок сохраняемости.
Комплексные показатели надежности представлены коэффи-
циентами: технического использования, готовности, оперативной
готовности, планируемого применения, сохранения эффектив-
ности.
Коэффициент технического использования kT и представляет
собой отношение времени пребывания механизма в работоспособ-
ном состоянии и времени простоев, обусловленных техническим
обслуживанием и ремонтом, за тот же период эксплуатации. Чис-
ленное значение и равно вероятности того, что в произвольный
промежуток времени механизм работает, а не ремонтируется.
Коэффициент kT. и, вычисленный за время между плановыми ре-
монтами, называется коэффициентом готовности kr, который оце-
нивает непредусмотренные остановки механизма. Численное зна-
чение kr равно вероятности того, что механизм находится в ра-
ботоспособном состоянии в произвольно взятый момент времени
в промежутках между плановыми техническими осмотрами и ре-
монтами.
Ниже приведены некоторые показатели надежности главных
котлов:
46
Показатели
Средняя наработка на отказ, ч . .
Технический ресурс непрерывной ра-
боты котлов (между котлочистка-
мя), ч ...........................
Технический ресурс между заводски-
ми ремонтами, ч ..................
Среднее время восстановления рабо-
тоспособного состояния, ч ...
Среднее время профилактики (котло-
чистки), ч .......................
Вероятность безотказной работы в те-
, челие рейса средней продолжитель-
ности (336 ч).....................
Потери ходового времени судна из-за
отказа одного котла, ч/отказ . .
Средние трудозатраты на устранение
отказа одного котла, чел.-ч. . . .
Среднегодовые затраты на восстано-
вление одного котла, чел.-ч/год
Среднегодовая стоимость восстановле-
ния одного котла (при стоимости
1 чел.-ч в эксплуатации 1,1 руб.),
руб./год .........................
Коэффициент технического использо-
вания ............................
Коэффициент готовности ...........
КВГ-25 КВГ-25К КВГ-34К
2 020 5 120 3 390
945 988 1 750
10 150 14 700 21 400
30 22 17
66 60 40
0,85 0,936 0,907
14,3 10,6 15,9
28,8 21,7 17,8
72 21,8 32,9
79,2 24 36,2
0 918 0,973 0,949
0,984 0,996 0,994
2.6. Маневренные показатели
Маневренностью (маневренными качествами) судна является
его способность выполнять маневры (например, трогание с ме-
ста и быстрый разгон до полного хода, устойчивое движение на
малом ходу, быструю циркуляцию, способность судна останавли-
ваться на относительно коротком пути при реверсировании греб-
ного винта с полного хода вперед на полный ход назад, т. е.
иметь малый выбег).
Маневренность судна обеспечивается маневренными качест-
вами СЭУ, которые в первую очередь зависят от назначения
судна. К ним относят: продолжительность подготовки исправной
СЭУ к пуску (например, после длительной стоянки); продолжи-
тельность пуска и последующего разгона установки до полной
мощности; продолжительность перехода с одного режима на
другой; продолжительность реверса и возможное число последо-
вательных реверсов; мощность установки на заднем ходу и про-
должительность работы установки; диапазоны возможных режи-
мов работы; характеристику передаваемого движителю вращаю-
щего момента.
Продолжительность подготовки СЭУ к пуску в основном оп-
ределяется временем, необходимым для равномерного прогрева
двигателей, агрегатов, а в случае ПТУ также для подъема дав-
ления пара в котлах, и включает в себя проворачивание механиз-
мов, подготовку к действию систем, обслуживающих главные и
вспомогательные двигатели и агрегаты.
47
Время подготовки к пуску современных ПТУ транспортных
судов составляет не менее 4 ч. Прогрев перед пуском тяжелых
МОД занимает 2,0—2,5 ч. Пуск легких ВОД и ГТД при темпе-
ратуре масла и охлаждающей воды от 15 °C и выше осущест-
вляют без предварительного прогрева. Продолжительность подго-
товки к пуску в этом случае составляет 5—10 мин.
Время, необходимое для доведения мощности до полной,
после пуска, ориентировочно составляет 1,0—1,5 ч для паротур-
бинных агрегатов и М.ОД, около 30 мин для СОД, 3—5 мин для
ВОД и легких ГТД.
Под реверсом судна понимают изменение направления его
движения на противоположное. Реверс ПУ—это изменение на-
правления воспринимаемого корпусом судна упора движителя.
Продолжительность реверса характеризуется временем от начала
выполнения маневра реверсирования до начала работы движи-
теля в режиме, обеспечивающем изменение направления упора.
Продолжительность реверса зависит от инерционных характери-
стик ПК, от способа реверсирования и режима работы ПК до
осуществления реверса. Наиболее тяжелые условия—в случае
реверса на полном ходу при полной загрузке судна,
Способы реверса и типы применяемых реверсивных устройств
(прилож. 2.12) зависят от типа и характеристик (габаритов,
массы, мощности и т. п.) судна и СЭУ. Если на судне применены
ВРШ, для реверса судна не обязательно изменять направление
вращения гребного вала. Направление упора в этом случае из-
меняют перекладкой лопастей ВРШ.
При использовании ВФШ для реверса судна нужно изменить
на противоположное направление вращения гребного вала. Это
достигается с помощью турбин заднего хода — ТЗХ (в ПТУ и
ГТУ), реверсивных дизелей и электродвигателей, реверс-редукто-
ров или реверсивных муфт (при нереверсивных двигателях).
По условиям безопасности движения судна мощность ПК при
работе на задний ход должна быть достаточно большой, а про-
должительность реверса по возможности меньшей, Правилами
Регистра СССР, в частности, предусмотрены следующие требо-
паиия: время перекладки органов управления маневровым уст-
ройством ПТУ при реверсе должно составлять не более 15 с; ТЗХ
должны развивать мощность не менее 40 % полной мощности пе-
реднего хода в течение не менее 15 мин, причем развиваемый
ТЗХ вращающий момент должен составлять не менее 80 % мо-
мента на переднем ходу при частоте вращения не менее 50 % по-
минальной для переднего хода; реверсивные дизели при работе
на задний ход должны развивать мощность не менее 85 % пол-
ной мощности переднего ходй; время перекладки лопастей ВРШ
с полного переднего на полный задний ход не должно превышать
20 с при диаметрах ВРШ до 2 м и 30 с — при больших диа-
метрах.
В ПТУ реверс винта, как правило, осуществляется при по-
мощи ТЗХ за 20—40 с, причем число реверсов не ограничено. Ре-
48
версирование дизелей производится с помощью сжатого воздуха
в течение 10—15 с. Число реверсов дизелей ограничивается за-
пасами сжатого воздуха в пусковых баллонах и подачей воз-
душных компрессоров. Реверс ГТД выполняется обычно посред-
ством ВРШ или реверсивных передач.
Продолжительность реверса на полном ходу для ПТУ круп-
нотоннажных морских судов с реверсивными двигателями состав-
ляет около 60 с, а для установок судов среднего тоннажа—при-
мерно 30 с. Лучшими по времени реверса являются установки
с электропередачей на постоянном токе и с ВРШ.
Реверсирование ГД обычно производится при движении судна
па малом или среднем ходу. Реверс с полного переднего хода на
полный задний ход осуществляется только в аварийных ситуа-
циях.
Время от начала реверса установки до начала движения судна
в противоположном направлении (продолжительность реверса
судна) в десятки раз превышает продолжительность реверса не-
посредственно СЭУ, т. е. гребного винта, а тем более ГД (ревер-
сивного). Длина и время выбега судна зависят от водоизмеще-
ния, обводов корпуса, начальной скорости и мощности заднего
хода. Инерционные свойства судна определяют опытным путем
в течение нескольких рейсов. Принято считать, что судно обла-
дает хорошей маневренностью, если обеспечивается его остановка
с полного переднего хода на расстоянии, не превышающем 4—8
длин корпуса. Время выбега для современных средне- и крупно-
тоннажных судов на полном ходу составляет 10—20 мин, адлина
выбега 2,5—5,0 тыс. w.
Для современных крупнотоннажных судов уменьшение вре-
мени и длины выбега при остановке представляет одну из серьез-
ных проблем, которая еще не получила в полной мере разреше-
ния. Дело в том, что торможение таких судов с полной скорости
работой винта на задний ход малоэффективно. Это объясняется
тем, что за половину времени торможения судно успевает пройти
три четверти длины выбега, причем 75 % его кинетической энер-
гии поглощается за счет сопротивления корпуса. Когда тормоз-
ной эффект работы винта начинает возрастать, судно становится
плохо управляемым.
Тормозной путь определяется такими факторами, как типы
двигателя и движителя, мощность двигателя на заднем ходу, во-
доизмещение судна и его гидравлические качества (обводы и со-
стояние поверхности корпуса). Влияние типа двигателя можно
проиллюстрировать таким примером. Танкер дедвейтом 260 тыс. т,
движущийся со скоростью 15,3 уз, с ДУ мощностью 16,35 МВт
имеет выбег после аварийного реверса (внезапная перемена пол-
ного переднего хода на полный задний) 3,9 км, а с ПТУ—5,1 км.
Время выбега соответственно 17,5 и 25 мин.
Сказанное можно подтвердить результатами реверса танкера
дедвейтом 285 тыс. т, приведенными на рис. 2.12. До переобору-
дования танкер имел ГТЗА мощностью 26,7МВт (ив = 90об/мин),
49
а после переоборудования ДРА 26,5 МВт (89,5 об/мин). При нор-
мальном реверсе выбег судна сократился с 4983 до 3228 м, а при
аварийном—до 2686 м, т, е. почти вдвое. Время остановки судна
уменьшилось с 20 до 13 мин 6 с и II мин 7 с соответственно.
Для более эффективного торможения судна применяют раз-
личные способы гашения его инерции (тормозные системы): по-
воротные щиты в средней части судна (сокращают тормозной
путь на 30%), каналы особой формы в носовой части судна
(~30 %), гидравлические тормозные парашюты (20%) и др.
Важным маневренным качеством ПУ является достаточно ши-
рокий диапазон возможных режимов работы. Это требование
наиболее полно удовлетворя-
ется, когда установка обеспе-
чивает возможность длитель-
ной устойчивой работы по вин-
товой характеристике при ча-
стотах вращения от нуля до
максимальной, а также воз-
можность использования пол-
ной мощности установки в ди-
апазоне от режима свободного
хода (холостой ход двигате-
лей) до швартовного. Таким
условиям в наибольшей мерс
отвеча-ют установки с ВРШ,
установки с ГЭД постоянного
тока и установки с гидро-
трансформаторами.
Дизели могут устойчиво
Рис. 2 12 Результаты реверса крупно-
тоннажного танкера:
Z. 4 — аварийный реверс ГТЗА (0 — 16,24 уч
5=4893 м); 2, 5 —нормальный реверс ДРА
(о—15.87 1-3. 5=3228 м); 3, 6 — аварийный
реверс ДРА (р-1587 уз, 5=2685 м)
работать лишь при частоте
вращения вала ;>е менее 25—30 % номинальной. Таким образом,
для ДУ с прямой передачей мощности на ВфШ исключена воз-
можность работы на малых ходах
Во многих случаях возникает
необходимость вводить запрет-
ные зоны по частоте вращения в связи с развитием в этих зонах
опасных резонансных колебаний валопроводов. Наличие запрет-
ных зон ухудшает маневренные качества ПУ; недопустимы за-
претные зоны вблизи частот вращения, соответствующих полной
мощности ПУ.
Существенное влияние на маневренные качества ПУ оказы-
вает характеристика передаваемого движителю вращающего мо-
мента Увеличение этого момента при повышении нагрузки на
движитель является положительным фактором. Подобная благо-
приятная характеристика снойственна, например, турбинным
двигателям и ГЭД постоянного тока.
Маневренность СЭУ и судна в значительной степени зависит
от числа валов (движителей, особенно, если они имеют незави-
симое регулирование работы), числа ГД, типа передачи и сте-
пени автоматизации СЭУ. Маневренность судна заметно улучша-
стся в случае применения вспомогательных движителей — актив-
ных рулей, и подруливающих устройств, влияющих на его пово-
ротливость,— эффективных средств динамического воздействия
на носовую и кормовую оконечности корпуса судна с целью при-
дания крупнотоннажному судну необходимого вращающего мо-
мента относительно центра поворотливости и других точек кор-
пуса,
2.7. Стоимостные показатели
Стоимостные показатели учитывают построечную стоимость
установки и расходы на ее эксплуатацию. Определение стоимост-
ных показателей вызывает определенные затруднения. Напри-
мер, ГД различаются большим разнообразием конструкций, тех-
Рис. 2.13, Стоимость СЭУ: а — ди-
зелей типа ДКРН-3; б -ДЭУ (ди-
зель, генератор и ГЭД)
Рис. 2 14. Стоимость механического
оборудования: а — балкеров и неф-
тснавалочников; б — танкеров:
1 — нефтеиавалочники с ДВС; 2 — то же,
с ГТЗА: 3 — балкеры с ДВС; 4 — то же,
с ГТЗА; 5 —ДВС; 6—ГТЗА; 7 — ГТУ
нологией изготовления, серийностью и т. д. То же можно сказать
и о вспомогательном оборудовании.
В этой связи стоимость СЭУ (традиционного и нового типов)
определяется методом расчета стоимости па 1 т массы по груп-
пам конструктивной разбивки. Выделяют такие группы: ГД;
главные и вспомогательные котлы с механизмами и аппаратурой,
вспомогательные механизмы МО, судовых систем и устройств,
вспомогательные дизели и турбины, теплообменные аппараты и
т. д.; фундаменты и подкрепления; электрооборудование МО; си-
стемы и трубопроводы МО, а также настилы, ограждения, пере-
крытия и т. п.; гребные валы, винты, подшипники, дейдвудпые
устройства; снабжение, запасные части и другое оборудование
МО.
51
Можно определять построечную сюимость путем укрупнен-
ных нормативов на [ кВт мощности ГД. В качестве примера на
рис. 2.13 приведены зависимости стоимости ДВС типа ДКРН и
ДЭУ от частоты вращения и мощности, а на рис. 2.14 — стоимость
судового механического оборудования ЭУ различных типов.
Эксплуатационные расходы морских судов включают в себя
расходы на топливо; смазочные, обтирочные и другие материалы;
техническое обслуживание и ремонт; содержание экипажа, За-
траты на топливо, как отмечалось ранее, в последнее время яв-
ляются определяющими. Они зависят от типа и особенностей ус-
тановки, сорта и цены топлива, эксплуатационных факторов, типа
згъ 2270 IIIIHIII.IIL-Ja^ 1376 г. 237, «7- 7J7. сМ гпптттгГЮ^ 1976г. 23?i □ ъ ШЦ2; судна к др. (рис. 2.15). Расходы на смазочные, обтироч- ные н другие материалы обычно вы- числяют в процентах ог расходов на топливо' 2 5 для ДВС с МОД; 4 для СОД; 0,75 для ГТУ; 0,2 для ПТУ. В основном эта статья расходов оп- ределяется расходами па смазочное масло. Затраты на техническое об-
Рис. 2.15. Изменение основных составляющих эксплуатацион- ных расходов судов для пере- возки массовых грузов: i •— стоимость топлива; 2 — содер- жание экипажа; 3 — ремонт и амортизация; 4 — прочие расходы служиванис и ремонты определяйся трудозатратами судового экипажа, судовой ремонтной бригады н базы технического обслуживания и кате- горией судоремонтного завода. Вели- чина затрат зависит от типа уста- новки, ее расположения, квалифи-
кации машинной комапдь пажа обусловлены типом плавания. и пр. Затраты на содержание экн- судна и ЭУ, ее мощностью, районом •
При определении стоимости установки необходимо учитывать
динамику изменения цен па топливо, отражающую необходимые
затраты на его производство.
2.8. Показатели технологичности,
стандартизации и унификации
Технологичность СЭУ определяется приспособленностью ее
к современным прогрессивным типовым технологическим мето-
дам в сферах ее производства и эксплуатации (ремонт). Такие
методы применяются с целью снижения трудовых и материаль-
ных затрат, сокращения производственного цикла и уменьшения
себестоимости продукции при хорошем качестве исполнения. Это
достигается следующими мерами: перенесением в максимально
возможном объеме механосборочных и монтажных работ на спе-
циализированные заводы судового машиностроения и в сбороч-
но-монтажные цехи судостроительных предприятий; выполнением
основной части монтажных работ по насыщению корпуса судна
52
энергетическим оборудованием на участках предстапельной
сборки корпусных секций и блоков; широкой межпроектной уни-
фикацией сборочно-монтажных единиц энергомеханического обо-
рудования.
В этой связи СЭУ можно представить состоящей из самостоя-
тельных сборочно-монтажных единиц или блоков, что позволяет
значительно расширить фронт работ и создать оптимальные ус-
ловия для их проведения.
В зависимости от принципов компоновки в судостроении при-
меняют следующие сборочно-монтажные единицы:
— панель — агрегатированная единица, состоящая из магист-
ральных или местных трубопроводов, сети кабелей одной или не-
скольких функциональных систем, закрепленных на несущей кон-
струкции;
— агрегат — механизмы, оборудование, аппараты, приборы и
другие технические средства, функционально связанные в целую
(или часть) систему или установку, собранные на общей несущей
конструкции для выполнения самостоятельной функции на судне;
— модуль — унифицированный или стандартный агрегат,
имеющий определенные габаритные размеры и параметрические
характеристики;
— функциональный блок — крупная агрегатированная еди-
ница, состоящая из механизмов и оборудования одной или не-
скольких систем, компоновка которых не зависит от места их
расположения на судне, закрепленных на специальной несущей
конструкции;
— зональный блок — агрегатированная единица, включающая
в себя корпусные конструкции (помещения или их части), меха-
низмы и оборудование различных систем, объединенных по прин-
ципу территориальной общности.
Компоновка из зональных н функциональных блоков широко
используется при постройке современных судов. Так, МО нефте-
рудовоза «Борис Бутома» скомпоновано из трех зональных и 15
функциональных блоков (рис. 2.16).
Одним из важных показателей технологичности СЭУ явля-
ются коэффициенты:
— общей блочности
йб = (Сф-|-Оз)/См,
функциональной блочности
£ф. б — (Оф 4- Сф 3)/0м,
— блочности зональных блоков
£з. б=- Оф. э/Оэ,
где бф — суммарйая масса отдельно монтируемых функциональ-
ных блоков; О,— суммарная масса зональных блоков; Оф. а—
суммарная масса функциональных блоков, входящих в состав зо-
нальных блоков; Ом —общая масса СЭУ.
Другими показателями технологичности СЭУ являются:
53
— удельная трудоемкость сборочно-монтажных рабол
<?т = Т'р/См,
— коэффициент использования материала
£и. м = GC/GH,
где Тр — общая трудоемкость сборочно-монтажных работ по СЭУ,
нормо-ч; Gc — спецификационная масса материалов, предусмат-
Рис. 2.16. Компоновка ЭУ нефтерудовоза «Борис Бутома» зональными и функ-
циональными блоками: a — план платформы; б — план трюма; в — продольный
разрез (вид на левый борг).
риваемая в рабочей документации сборочно-монтажных работ;
G,i — соответственно заказываемая масса материалов, включае-
мая в нормы расхода.
Для оценки агрегатирования используются два показателя:
— уровень агрегатирования
Уа-Та/(Тс+7а),
где Tj — трудоемкость монтажа всех агрегатов на судне, вклю-
чая поставленные агрегаты; Тс—трудоемкость всех монтажных
работ на судне без трудоемкости монтажа агрегатов. Значение
Уа при функциональном агрегатировании составляет 35—38 %,
а при крупноблочном 60 % и более;
64
— объем агрегатирования оборудования
А м. а = [Ун а/(Уи. с + Nv. а)] 100 %,
где ЛГМ а — число единиц оборудования, вошедших в агрегаты
(блоки), в том числе в поставляемые агрегаты; ЛГм.с число единиц
оборудования, которые не вошли в агрегаты (блоки);
— объем агрегатирования труб и арматуры
Ат = [Ут. J(NT. с + NT. а)] 100%,
где jVt. а — количество труб и арматуры, включая манометровые
трубы, в составе агрегатов (блоков), в том числе поставляемых;
Nr. с — количество труб и арматуры, которые не вошли в агре-
гаты (блоки) и панели.
11а некоторых серийных судах Дм а = 90ч-95%, при функцио-
нальном агрегатировании с панельной прокладкой труб Ат не бо-
лее 30%, а при крупноблочном агрегатировании <4Т увеличива-
ется в два с лишним раза.
Применение стандартизованного оборудования СЭУ позволяет
снизить сроки поставки, уменьшить стоимость при серийном про-
изводстве, упростить процесс снабжения запасными частями,
улучшить техническое обслуживание и пр.
Стандартизация — это установление и применение правил
с целью упорядочения деятельности в определенной области на
пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности,
для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюде-
нии условий эксплуатации (использования) и требований без-
опасности. Унификация—рациональное сокращение числа разно-
видностей объектов одинакового назначения за счет комбиниро-
вания признаков и простого сокращения, проводимого в целях
повышения производительности труда, снижения себестоимости
продукции и улучшения ее качества, расширения области приме-
нения и обеспечения взаимозаменяемости.
Уровень и техническая эффективность стандартизации и уни-
фикации определяются несколькими показателями, из которых
Кир—коэффициент применяемости, характеризующий уровень
насыщения СЭУ стандартными, унифицированными, заимствован-
ными и покупными комплектующими изделиями,
Кпр = [(2СТ Sy -[- S3 -|- Sn)/SoaJ 100 %,
Здесь 2<.r,m = SPT4-Sy4-S3+Sn + So — общее число типоразмеров со-
ответственно стандартных, унифицированных, заимствованных,
покупных н оригинальных (применяемых только в данном типе
СЭУ) изделий. Коэффициент применяемости Кпр может быть
представлен в виде стоимостного коэффициента применяемости
Кпр == [(ЕСобщ—ЕСо)/ЕСобд] 100%,
где ЕСобщ и SC„ — суммарная стоимость всех и оригинальных
комплектующих изделий соответственно. Этот коэффициент на-
ходят для каждой группы СЭУ и для судна п целом
55
Коэффициент унификации Ку (подсчитывается только для
судна в целом) представляет собой процентное соотношение
числа типоразмеров стандартных и унифицированных изделий
к общему числу типоразмеров изделий, примененных на судне:
/<у^[(2ст+2у)/20бщ] 100%.
Коэффициент повторяемости Кп— отношение общего числа
изделий, шт., к числу их типоразмеров
К^Х^/Ъ
находится по группам СЭУ и по судну в целом.
Коэффициент специализации 7(сп— характеристика использо-
вания типоразмеров изделий специализированного производства,
поставляемых предприятиями по межзаводской кооперации
(МЗК) и внешним поставкам, от общего числа типоразмеров из-
делий
КСп — (2сп/20бщ) 100%,
где £общ=2сп + 23.с (здесь S3-c —число типоразмеров изделий,
изготовляемых заводом-строителем). Этот коэффициент рекомен-
дуется определять также по числу изделий:
Ко. сп = (So. Сп/30бщ) 100%,
где 20 <•»—число изделий, поставляемых по МЗК и внешним по-
ставкам; S/o6»t = So c>r + 2Z3-c —общее число примененных изде-
лий; S's.c — число изделий, изготовляемых заводом-строителем.
Эффективность стандартизации и унификации характеризу-
ется сокращением времени на разработку рабочей конструктор-
ской документации в связи с применением готовых чертежей на
стандартные, унифицированные, заимствованные и покупные из-
делия. Это оценивается коэффициентом сокращения объема ра-
бочей конструкторской документации K-s, представляющим собой
отношение числа листов чертежей стандартных, унифицирован-
ных, заимствованных и покупных изделий к общему числу ли-
стов всей рабочей конструкторской документации проектируе-
мого судна (изделия):
К. - I(Qc + Qy + + Qn)/(QC -h Q¥ + Q3 + Qn + Qo)l 100%.
Здесь Qc— число условных чертежей стандартных изделий, шт;
Qy, Q3, Qn — то же, унифицированных, заимствованных, покупных
изделий соответственно; Q«— то же, оригинальных изделий, т. е.
вновь разработанных для проектируемого судна (изделия).
Экономическая эффективность стандартизации и унификации
судна (изделий), определяется следующими показателями.
Степень снижения стоимости проектирования судна (изделия)
представляет собой относительную характеристику эконо-
мии средств, получающейся в результате того, что при использо-
вании стандартных, унифицированных, заимствованных и покуп-
56
ных изделий исключается необходимость в разработке конструк-
торской документации:
Яе. лр = [Э,1р/(7< + Эпр)] 100%,
где Эпр — экономия средств при проектировании, руб.; К — отчет-
ные затраты на выполнение рабочей конструкторской документа-
ции разрабатываемого судна (собственная разработка), руб.
Экономия средств при проектировании определяется по фор-
муле
Эпр = 0,8С (QcH- Qy + Qs+ Qn),
где C = 7(/(Qo+0,2 Qc,y.3.n)—среднеарифметическая стоимость
одного листа рабочей конструкторской документации (формат24),
руб.; 0,2Qc.y.s.u — составляющая, учитывающая применение
в анализируемом проекте судна ранее разработанной конструк-
торской документации по стандартным, унифицированным, за-
имствованным и покупным изделиям; 0,8 — коэффициент, учиты-
вающий уменьшение экономии при проектировании вследствие
необходимых затрат на подбор и проработку готовой конструк-
торской документации.
Степень снижения стоимости постройки судна (изделия)
Пс.сл9 есть относительная характеристика экономии средств (%),
получающейся в результате того, что стоимость стандартных,
унифицированных и покупных изделий ниже стоимости ориги-
нальных изделий:
Лс.етр-ГЭзф/^ + Э^)] 100%,
где Э9ф — экономический эффект от стандартизации и унифика-
ции изделий судовой техники при постройке судна, руб.; Ц—
ориентировочная стоимость постройки головного или серийного
судна, рассчитанная проектным предприятием и согласованная
с предприятием-строителем, руб.
Годовой экономический эффект от стандартизации и унифика-
ции изделий судовой техники при постройке судна (изделий)
•1?4ьй Эг = ЭэфЛ^ср,
тда Nov— планируемое среднегодовое число судов (изделий).
Экономический эффект от стандартизации и унификации при
постройке проектируемого судна (изделия) до модернизации оп-
ределяется по степени использования изделий специализирован-
ного производства:
ДЭэф= Эзф [(Ко. eng-Ко. см)^Ко. сп],
где Ко. сп( — коэффициент использования изделий специализиро-
ванного производства на судне (изделии)—прототипе или на
судне (изделии) до модернизации; К0.сп2 — то же, на проекти-
руемом судне (изделии).
В качестве примера в прилож. 2.13 приведены показатели
стандартизации и унификации.
57
2,9. Патентно-правовые показатели
К названным показателям относятся коэффициенты патенто-
способности и патентной чистоты, которые характеризую! соот-
ветственно относительное содержание патентно-способных п па-
тентно чистых комплектующих механизмов, оборудования и комп-
лексов СЭУ.
Судовые механизмы, оборудование и комплексы являются па-
тентоспособными в том случае, если содержат новые технические
решения на уровне изобретений, превышающие достигнутые до
этого мировые стандарты. Патентоспособность характеризует тех-
нический уровень развития СЭУ и ее комплектующего оборудо-
вания.
К патентно-чистым относятся механизмы, оборудование и комп-
лексы, которые не содержат технических решений, подпадающих
под действие патентов, исключительного права па изобретения,
на промышленные образцы, свидетельств на товарные знаки, за-
регистрированные в данной стране и группе стран. При определе-
нии коэффициента патентной чистоты учитывается ограниченный
срок действия патентов. Патентная чистота определяет возмож-
ность беспрепятственной реализации принятых технических реше-
ний в стране и экспорта СЭУ и ее комплектующего оборудования.
При этом необходимо иметь в виду, что по мере истечения сроков
действия патентов степень патентной чистоты того или иного тех-
нического объекта может увеличиваться.
2.10. Эргономические, эстетические
и экологические показатели
Приспособленность СЭУ к обслуживанию машинной командой
судна характеризуется эргономическими показателями, которые
предусматривают создание оптимальных условий работы личного
состава и выполнение требований техники безопасности. Эргономи-
ческие показатели представляют собой комплекс следующих по-
казателей: гигиенических, антропометрических, физиологических,
психологических и психофизиологических.
Гигиенические показатели отражают соответствие СЭУ необ-
ходимым условиям обитаемости в отношении температуры, влаж-
ности и чистоты воздуха, допустимых уровней шума и вибрации.
Нормативные значения гигиенических показателей для морских
судов устанавливаются Санитарными правилами Министерства
здравоохранения СССР.
Обитаемость понимается как степень приспособленности МО
для жизнедеятельности машинной команды при работе всего уста-
новленного в них энергетического оборудования, Обитаемость МО
характеризуется комплексом показателей, к числу которых отно-
сятся микроклимат, уровень шума и вибрации, наличие вредных
излучений, освещенность помещения, безопасность эксплуатации
электромеханического оборудования и др.
58
Нормы оптимальной освещенности помещений, меры по элект-
робезопасности и предупреждению травматизма, а также по за-
щите от радиоактивных излучений изучаются в курсе техники без-
опасности и охраны труда и поэтому здесь не рассматриваются.
Состояние воздушной среды (микроклимат) в помещениях
СЭУ в основном характеризуется температурой, влажностью, со-
держанием вредных примесей и скоростью воздуха, а также ра-
диацией окружающих поверхностей. Для поддержания требуемых
Санитарными правилами параметров воздушной среды в поме-
щениях СЭУ устанавливают системы приточно-вытяжной венти-
ляции и отопления, а в постах управления СЭУ, например, также
системы кондиционирования воздуха (для удаления тепло- и газо-
выделений, подачи свежего воздуха и т. п.),
Санитарными правилами требуется поддержание на рабочих
местах в постах и па площадках управления в МО относительной
влажности воздуха 40—60 % и температуры не выше 25 °C при
холодных и умеренных климатических условиях и не выше 28 °C
при плавании в южных широтах (тропиках). Чистота воздуха
в МО обеспечивается воздухообменом. Трудность поддержания за-
данных параметров воздуха в МО объясняется большими газо-
н тепловыделениями оборудования (самые большие выделения
теплоты в МКО ПТУ: 800—1100 Вт/м3).
Шумность (уровень шума)—один из важнейших показателей,
определяющий степень обитаемости по.мещений СЭУ, возможность
нормального обслуживания механизмов личным составом, пере-
дачи команд и звуковых сигналов, необходимость шумоглушения
и звукоизоляции специальных выгородок (для двигателей, для
обслуживающего персонала).
В прилож 2.14 приведены требования к параметрам воздуш-
ной среды, а в табл. 2 3 — предельные допустимые уровни шума
на морских судах.*
На практике температура воздуха в МО судов различных ти-
пов при плавании в тропиках колеблется в пределах 28—38 °C,
достигая в некоторых случаях 50 °C.
Значительное количество нагретых поверхностей в МО (на-
пример, температура наружных поверхностей ДВС типов МАН и
Зульцер составляет около 50 °C) вызывает интенсивное инфра-
красное излучение, в результате чею у членов команды затрудня-
ется терморегуляция, особенно при физической работе. Тепловые
перегрузки нарушают сердечно-сосудистую деятельность и сни-
жают внимание. Результаты исследований показали, что есть раз-
ница в интенсивности инфракрасного излучения одинаково нагре-
тых поверхностей, но окрашенных в черный или белый цвета.
В связи с этим поверхности в МО, температура которых выше
температуры кожи человека, окрашивают в цвет с возможно боль-
шим коэффициентом отражения.
* Санитарные нормы mvwa на морских судах № 2-10—81.— М.' Минздрав
СССР, 1981.
59
Таблица 2.3.
Предельные допустимые уровни шума на морских судах
Помещение Уровень звукового давления. дБ. в октавных полосах со среднегеометрическими частотами. Гц Эки» валент- ный уровень звука i-^экв н уровень звука Ьд.дБ^
н места работы 63 | 125 | 250 | 500 j !МЮ | 2000 j 4000 8000
Машинное отделение
С постоянной вахтой 99 92 86 83 80 78 76 74 85
Периодически обслу- живаемое (при ди- станционном уп- равлении иа ЦПУ) 107 100 96 93 90 88 86 85 85 (95)**
С безвахтенным об- служиванием (для судов, оборудован- ных средствами ком- плексной автома- тизации управле- ния механизмами) 105 100 97 95 93 91 90 85 (100)**
ЦПУ энергетической установки 83 Пр 74 иавод 68 ствен 63 60 меще 57 55 54 85
Расположенные в МО 99 92 86 83 80 76 76 74 85
Расположенные вне МО 87 79 72 68 65 63 61 59 70
Рабочие места на от- крытых палубах и в трюмах 87 79 72 68 65 63 61 59 70
* Уровень звука L , дБА, допускаетея для ориентировочной оцс нки шума. Значения
его в пп. 2 и 3 таблицы указаны в скобках, в остальных пунктах уровням звука (ГОСТ 12.1.003,76: СНиП 11,12,77). равны эквивалентным
•• Пон уыеиьшеии» времени воздействия шума для ограничена
тентного уровня (В дБД. Использование средств индивидуальной защиты обязательно.
Температурные ощущения человека улучшаются также при
соответствующем освещении. Для создания иллюзии снижения
температуры в МО рекомендуется применять люминесцентные
лампы.
Субъективные ощущения неблагоприятного воздействия шума
несколько снижаются при отсутствии Сильных зрительных раз-
дражений. В этой связи предпочтительнее применять краски сла-
бонасыщенных тонов.
Соответствие размеров и особенностей строения тела человека
расположению и геометрическим элементам оборудования СЭУ
определяется антропометрическими показателями, которые нор-
мируются Правилами Регистра СССР и правилами техники без-
опасности на судах. Эти показатели определяют размеры прохо-
дов и площадок для обслуживания оборудования, размеры и рас-
60
положение трапов и дверей, размещение рабочих частей оборудо-
вания и пультов управления и т. д.
Соответствие СЭУ силовым и скоростным возможностям чело-
века, а также особенностям его органов чувств учитываются фи-
зиологическими и психофизиологическими показателями. Они
могут характеризовать уровень освещенности рабочих мест, види-
мость световых сигналов и шкал приборов (рис. 2.17), слыши-
мость звуковых сигналов, быстроту выполнения типовых операций
управления.
Рис. 2.17. Визуальное наблюдение за работой оборудования ПТУ:
12 — главный редуктор; /3 —панель указателей солености; « — подогреватель топлива;
15— манометр (давление смазочного масла); IS — ГК; П — ГРЩ; 18 —деаэратор; 19 —
Эффективность представления зрительной информации, а также
быстрота и точность управления оборудованием СЭУ зависят от
рационального Применения цвета на пультах управления. Пра-
вильный выбор цвета в МО позволяет создать благоприятные ус-
ловия для зрения, облегчить работу вследствие цветовой марки-
ровки и индикации, улучшить условия терморегуляции при пла-
вании в тропиках, повысить уровень естественной и искусственной
освещенности.
На судах приняты следующие цвета для маркировки трубопро-
водов в зависимости от их назначения или рабочих сред: синий
(газ), голубой (воздух), красно-коричневый (пар), шаровый—
серый (пресная вода), зеленый (забортная вода), коричневый
(жидкое топливо), желтый (масло), черный (загрязнения или от-
работавшая среда), красный (пожарный трубопровод, кислород),
фиолетовый (гидравлические приводы, рабочий газ). На основе
этих цветов имеется 38 цветовых сочетаний маркирующих колец
для различных трубопроводов.
Для механизмов и оборудования систем рекомендуются сле-
дующие цвета: бежевый (топливная), светло-желтый (масляная),
светло-серый (пресная вода), салатный (забортная вода), светло-
голубой (воздушная). Цвет слоновой кости используется для ок-
раски электродвигателей, ДГ, распределительных щитов и дру-
гого электрооборудования.
Рекомендуемые цвета для окраски объектов МО приведены
в прилож. 2.15. Доминирующими тонами являются очень светлые,
слабо- и средненасыщенные холодной зоны спектра (голубой, зс-
леновато-Голубой, голубовато-серый и др.); коэффициент отраже-
ния р = 60ч-75%; длина волны Х = 460-у-520 нм; чистота цвета
(насыщенность) р=5-?20%.
Психологические показатели характеризуют соответствие СЭУ
психологическим возможностям человека. Последние отражают
быстроту формирования рабочих навыков человека в плане опе-
ративного и технического обслуживания СЭУ. При оценке эсте-
тичности СЭУ обращается внимание на совершенство компози-
ционных решений, к которым относятся целостность композиции,
подчиненность отдельных частей целому, совершенство отделки,
организованность линий и ограничивающих поверхностей, упоря-
доченность использования объемов помещений.
Эстетические показатели оказывают влияние на эргономиче-
ские показатели, что проявляется в продуманном расположении
оборудования СЭУ, форме, фактуре и цвете поверхностей в соче-
тании с качественным выполнением отделочных работ и рацио-
нальном освещении.
Из эстетических показателей можно выделить четыре основ-
ных: информационная выразительность, рациональность формы,
целостность композиции и совершенство исполнения.
Информационная выразительность формы включает в себя че-
тыре единичных показателя эстетических свойств: знаковость —
способность формы раскрывать сущность конструкторской идеи,
информировать о назначении изделия, способе его изготовления
и эксплуатации; оригинальность — наличие в форме изделия со-
вокупности признаков, обусловливающих его отличие от подоб-
ных изделий и подчиненных основному композиционному замыслу;
стилевое, соответствие — отражение в форме устойчивых черт, оп-
ределяющих соответствие изделия определенному уровню куль-
турного развития общества; соответствие моде — наличие призна-
ков, характеризующих эстетические взгляды сегодняшнего дня и
отражающих тенденции развития эстетических взглядов в обще-
стве.
Под рациональностью формы понимается целесообразность
формы, т. е. оправданность существования формы с учетом усло-
вий эксплуатации; целесообразность защитных покрытий и отде-
лочных материалов с учетом их физико-механических ч антикорро-
зионных свойств; учет возможностей производства и требований
нормативных материалов применительно к форме; гармоническая
связь с окружающей обстановкой', соблюдение принципов стиле
62
вого единства формы изделия и формообразующих элементов
среды; выбор цветового решения и отделки с учетом связи с окру-
жающей обстановкой.
Под целостностью композиции понимается органическая взаи-
мосвязь следующих композиционных признаков: организованности
объемно-пространственной структуры (композиционная уравнове-
шенность формообразующих элементов, размерная согласован-
ность элементов, пропорциональная организованность формооб-
разующих элементов, масштабность изделия, объемно-пластиче-
ская обобщенность формы и пр.); тектоничности—выявление
в форме изделия закономерностей конструктивного решения; пла-
стичности — выразительность формы, достигаемая нюансировкой
частей и целого; соподчиненности композиционных элементов
формы — выражение в форме главного и второстепенного; цвето-
вого колорита — взаимосвязь и сочетание цветов.
От совершенства исполнения изделия зависит его товарный вид.
Исполнение определяется такими единичными эстетическими по-
казателями качества, как тщательность изготовления видимых эле-
ментов формы: поверхностей, стыков, сопряжений, швов, уплотне-
ний; тщательность нанесения защитно-декоративных покрытий;
четкость исполнения фирменных знаков, указателей, сопроводи-
тельной документации и информационных материалов.
Оценка комплексного эстетического показателя качества
обычно базируется на сравнительном анализе единичных эстети-
ческих показателей рассматриваемого изделия с соответствую-
щими характеристиками аналога, признанного лучшим в данный
момент времени.
Экологические показатели СЭУ в настоящее время полностью
не разработаны. К ним можно отнести отдельные эргономические
показатели по требованиям к шуму, вибрации, чистоте воздуха,
а также ряд специальных показателей. Для судовых ДВС, напри-
мер, специальными показателями будут удельные выбросы окис-
лов азота, окиси углерода, углеводородов [г/квт-ч)] и коэффи-
циент ослабления судового потока (%). Для СЭУ к специальным
показателям следует также относить нормы сброса нефтесодер-
жащих вод, мусора и др.
Глава 3
ГЛАВНЫЕ СУДОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ
И МУФТЫ
3.1. Иазиаченне и типы передач
Передачами называют устройства, с помощью которых энергия
двигателя передается ее потребителю—машине, движителю.
В СЭУ различают главные и вспомогательные передачи. Главные
63
Предназначены для передачи энергии от ГД к движителям, а вспо-
могательные— от ВД (дизелей, турбин, электродвигателей) к ма-
шинам и механизмам вспомогательного назначения (электрогене-
раторам, компрессорам, насосам и т. д,).
Главные передачи, как правило, более сложные, чем вспомо-
гательные. Нередко в их состав входят элементы, используемые
во вспомогательных передачах. Поэтому рассмотрим именно глав-
ные передачи.
Связь вращающих моментов и частот вращения ГД и гребного
винта при наличии и отсутствии передачи выражается уравне-
ниями (1.1) и (1.2).
Современные судовые передачи имеют ряд особенностей, к ко-
торым относятся их способность передавать вращающий момент
и частоту вращения без изменения, изменять только частоту вра-
щения или совместно и то, и другое. Эти особенности могут быть
оценены двумя показателями:
— коэффициентом трансформации вращающего момента
к=
где Mi и М2 — вращающие моменты на входном и выходном ва-
лах передачи;
— передаточным числом
I = пг/пг,
где П] и «2 — частота вращения входного и выходного валов.
С помощью этих показателей можно выразить и КПД пере-
дачи
1)n=W^=(Mt/Mi) (Па/П1)=Л/Л
где Ni и — мощность на входном и выходном валах передачи.
Мощность, подводимая к ступице гребного винта,
Л^в — ЦвпЦпЛ^д;
частота вращения винта
я» = лд/4,
где Nt и — мощность и частота вращения вала двигателя;
Пвп-КПД валопровода.
Все передачи в зависимости от изменения указанных пока-
зателей при различных режимах работы двигателей и гребных
винтов можно разделить на три группы:
1. Передачи, обеспечивающие при всех условиях работы греб-
ного винта и двигателя постоянство коэффициента трансформации
момента и передаточного числа (K=const, t=const). Это свой-
ственно односкоростным механическим передачам, к которым от-
носятся зубчатые редукторы, кулачковые и фрикционные муфты,
шинно-пневматические муфты. Наиболее простой вариант такой
передачи — непосредственное соединение МОД с судовым вало-
проводом, когда Л=1 и г=1 (непосредственная, или прямая, пе-
редача).
64
2. Передачи, обеспечивающие при всех условиях работы винта
и двигателя постоянство коэффициента трансформации момента
и переменное передаточное число (X=const, i = var). Это гидро-
динамические и электромагнитные муфты скольжения.
3. Передачи, обеспечивающие изменяемость передаточного чи-
сла и коэффициента трансформации момента (/( = var, i = var).
Одновременное изменение К и i при различных условиях работы
винта и двигателя наблюдается в гидротрансформаторах, гид-
ростатических системах и электропередачах, а также в многоско-
ростных зубчатых редукторах. В гидротрансформаторах и элект-
ропередачах К и i изменяются плавно, а в многоступенчатых ре-
дукторах — ступенчато.
Обычно главные судовые передачи классифицируют так.
В зависимости от трансформации момента: прямые, при кото-
рых не происходит трансформации передаваемого вращающего
момента (Л=1); непрямые, предусматривающие трансформацию
вращающего момента (/(=/= 1).
Прямые передачи могут быть жесткими, если фланец вала
двигателя жестко соединен с фланцем судового валопровода, и
эластичными, если между двигателем и валопроводо.м установ-
лена эластичная муфта (электромагнитная, гидравлическая, пнев-
матическая и т. п.).
Непрямые передачи могут быть механическими, если транс-
формация вращающего момента двигателя производится посред
ством механических устройств (зубчатых редукторов), гидравли-
ческими (гидродинамическими и гидростатическими)—при транс-
формации вращающего момента с помощью гидродинамических
трансформаторов или объемных насоса и мотора, электриче-
скими— при трансформации момента с помощью электрических
машин.
Различают передачи и в зависимости от того, происходит ли
в них трансформация вида энергии или нет:
— без трансформации вида передаваемой энергии (прямые и
все типы механических передач);
— с трансформацией вида энергии (гидродинамические и
электрические передачи);
— комбинированные, состоящие из элементов с трансформа-
цией и без трансформации передаваемого вида энергии (различ-
ные сочетания прямых, механических, гидродинамических и элек-
трических передач).
В некоторых передачах, кроме того, может быть суммирова-
ние мощности нескольких двигателей или, наоборот, разделение
мощности одного двигателя на несколько (например, два) пото-
ков. От типа передачи во многом зависят эксплуатационные свой-
ства и показатели СЭУ в целом.
Таким образом, с учетом изложенных выше особенностей все
судовые передачи можно разделить на следующие:
— прямые (непосредственные, K=l, t = I);
— механические (редукторные: К — const — одноступенчатые,
3 Заказ № 65
K=var— многоступенчатые, многоскоростпыс; i = const или i —
= var);
— гидравлические (с применением гидромуфт и гидротранс-
форматоров, гидравлического насоса, приводимого двигателем, и
гидромотора, работающего на гребной винт; tf=const иля К—var,
i==var);
— электрические (дизель- или турбоэлектричсские установки
с главными дизель- или турбогенераторами и гребными электро-
двигателями, /(=var, i = var);
— комбинированные,
Прямые передачи применяются в установках главным обра-
зом с МОД при Пд = 90-?140 об/мин (на небольших морских,
а также речных судах, рыболовных траулерах и буксирах при-
меняют МОД к СОД с Пд, равным соответственно 200 —250 и
275—350 об/мин с прямой передачей). Возможны следующие ва-
рианты: выходной фланец реверсивного дизеля жестко (или эла-
стично) соединен через валопровод с ВФШ; выходной фланец не-
реверсивного дизеля соединен через валопровод с ВРШ (в сту-
пице ВРШ на валопроводе размещен МИШ).
Прямым передачам в ДУ при всех их достоинствах свой-
ственны три существенных недостатка: 1) отклонение от опти-
мального значения пв снижает пропульсивный КПД т]гэу глав-
ной ЭУ (на крупнотоннажных судах с МОД п3 = 1054-110, дости-
гая иногда 220 об/мин, а оптимальная па = 80ч-85 об/мин, что
уменьшает Т)гэу на 5—8%); 2) при использовании МОД уста-
новки с прямыми передачами имеют неблагоприятные массогаба-
ритные показатели; 3) сложность (или невозможность) привода
вспомогательных механизмов (валогенераторов, насосов и др.)
от ГД.
Несмотря на это, ДУ с МОД и прямой передачей занимают
доминирующее положение в транспортном флоте, что объясня-
ется следующими их достоинствами: конструктивной простотой и
высокой надежностью передачи; высоким КПД передачи; высо-
кой экономичностью ГД и возможностью использования высоко-
вязких дешевых сортов топлива; небольшим расходом масла
[0,8—1,0 г/(кВт-ч)]; низкими эксплуатационными расходами; вы-
соким ресурсом.
В состав прямой передачи входят жесткие или упругие муфты
и валопровод. Мощные крейцкопфные дизели обычно соединяются
с валопроводом только с помощью жестких фланцевых муфт.
В многовальных установках с МОД иногда используют соедини-
тельно-разобщительные муфты, включать и выключать которые
можно только на стоянке,
3.2. Механические передачи
В качестве механических чаще всего используют зубчатые пе-
редачи с постоянным передаточным числом. Зубчатые передачи,
снижающие частоту вращения, называются редукторами, а по-
ев
вышающне частоту вращения — мультипликаторами (их устрой-
ство принципиально не отличается от устройства редукторов и
применяются они главным образом для привода электрогенера-
торов и вспомогательных механизмов и здесь не рассматрива-
ются).
Редукторы широко применяются в турбинных и дизельных
установках. Их достоинства состоят в относительно малой потере
передаваемой мощности, компактности и высокой надежности.
С помощью редуктора на судах осуществляется как привод
одного гребного винта от нескольких двигателей, так и привод
двух винтов от одного двигателя (разделительный редуктор)
а также привод различных вспомогательных механизмов (валоге-
нераторов, насосов и т. п.).
Зубчатое зацепление в судовых передачах обычно выполняют
косозубым двухвенечным с противоположным наклоном зубьев.
В отличие от зацепления с прямыми зубьями такие передачи
имеют меньшую шумность. Угол наклона зубьев принимают 25—
40°. Окружные скорости по среднему зацеплению допускаются
до 70—80 м/с. Передачи располагаются в закрытых сварных кор-
пусах и имеют принудительно-циркуляционную смазку.
Типы и конструкции судовых редукторов весьма разнообразны.
Они выполняются одно- или многоступенчатыми с цилиндриче-
скими ступенями (колесами) с внешним зацеплением и с плане-
тарными ступенями. Редуктор только с цилиндрическими ступе-
нями внешнего зацепления называют переборным, только с пла-
нетарными ступенями — планетарным, а если он включает в себя
и те, и другие ступени,— планетарно-переборным.
Одно-, двух-, трех- и чстырехмашинные дизель-редукторные
установки одно- и двухвального исполнения могут отличаться на-
личием отдельно установленного или встроенного в редуктор
упорного подшипника, а также конструкцией встроенных или от-
дельно установленных соединительно-разобщительных муфт (же-
сткого, фрикционного, шинно-пневматического, гидродинамического
или электромагнитного типов).
Переборные редукторы одномашинных агрегатов обычно вы-
полняют одноступенчатыми со смещением ведущего и ведомого
валов в одной горизонтальной (рис. 3.1) или в одной вертикаль-
ной (рис. 3.2) плоскости. Однако, если необходимо соосное рас-
положение двигателя и валопровода, применяют двухступенчатые
конструкции редукторов (рис. 3.3), хотя передаточное число не-
большое и этого не требуется.
Конструкции основных узлов редукторов указанных типов при-
мерно идентичны (за исключением корпусов). Корпус редуктора
с расположением валов в одной вертикальной плоскости состоит
из трех частей с горизонтальными разъемами по осям обоих ва-
лов. Корпус редукторов, у которых валы расположены в горизон-
тальной плоскости, выполняют из двух частей.
Шестерни (ведущие) и колеса (ведомые) изготовляют косо-
зубыми с закалкой или азотированием по профилю и с последую-
3’ 67
щим шлифованием. Осевые усилия, возникающие при работе косо-
зубых колес, воспринимаются опорно-упорными роликоподшипни-
ками. Главные упорные подшипники, встраиваемые в передачу,
также могут быть роликовыми, шариковыми или типа Митчелл.
Редукторы переборные одномашинной установки выпускаются
в диапазоне мощностей от нескольких сотен кВт до 7—8 МВт 6—
10 типоразмеров. При большой мощности двигателей (7—18 МВт)
в целях повышения надежности и снижения габаритов применяют
редукторы с разделением мощности на два потока и последую-
щим их сведением на ведомый вал (рис. 3.4).
Вращающий момент ведущей шестерни /, распределенный между двумя
шестернями (колесами) 3 первой ступени, передается через торсионные валы 2
Рис 3 1. Одномашинный редуктор со смещением валов в одной
горизонтальной плоскости-
1—фланец ведомого вала. 2— корпус; 3 — ведущие вал; 4 — плита
(фланец) для установки редуктора вл судовой фундамент; 5 — масля-
на шестерни 4 второй ступени и далее на главное колесо 6 редуктора. Оси всех
шестерен и колес расположены в горизонтальной плоскости. В редуктор встроен
упорный подшипник 5 типа Митчелл
Если не сводить на один ведомый вал разделенные потоки
мощностей, то при соответствующем соотношении диаметров ве-
дущей шестерни и колес можно получить редуктор одномашинной
установки с разделением мощности на два валопровода, распо-
ложенных симметрично относительно оси двигателя. Такие ре-
дукторы применяют на судах с ограниченной осадкой.
В многомашинных дизельных и других установках используют
разнообразные конструкции суммирующих редукторов, объединяю-
щих для работы на один винт oj> двух до четырех двигателей.
Наиболее распространенные из этих редукторов двухмашинные —
для судовых СОД (рис. 3.5).
Для большинства редукторов двухмашинных установок харак-
терна простейшая схема зацепления: ведущие шестерни находятся
в непосредственном зацеплении с зубчатым колесом, а оси всех
валов размещены в горизонтальной плоскости разъема корпуса.
При таком расположении валов обеспечивается максимальное рас-
стояние между двигателями. Однако в случае, когда межосевое
б*
кого насоса
Рис. 3.2. Одномашинный
редуктор со смещением
валов в одной вертикаль-
ной плоскости:
Рис. 3 3. Двухступенчатый одномашинный редуктор.
/ — корпус; 2, 7. 10. 17 — колеса и шестерни; 3, 6, 13— ведущий, промежуточный
и ведоммй валы; 4, .5, 8. 9. 11, 12, /6 — опорно упорные подшипники, Н —масля
ный насос: 15 — привод насоса
расстояние редуктора определяется не условиями прочности за-
цепления, а шириной дизелей и размерами прохода между цями,
иногда устанавливают промежуточные шестерни.
Рис. 3 4. Схема редуктора
с разделением передаваемой
мощности па два потока
Встроенные в редуктор муфты 2 устанавливают на ведущих торсионных
валах 6, находящихся внутри наружных полых валов ведущих шестерен Хотя
это усложняет и удорожает конструкцию, но существенно повышает податли-
вость коленчатого пала двигателя, что благоприятно сказывается на работе за-
цепления муфт и подшипников Привод валогеператоров осуществляется от ва-
лов 3 через мультипликатор и соединительно-разобщительную кулачковую (зуб
чатую) муфту 4. Частота вращения валов 3
равна 1,0—1,5 тыс. об/мин
На рис. 3.6—3.8 показаны схемы одно- и
двухступенчатых певерспвных двухмашинных
передаточных редукторов комбинированных СЭУ
с автономными маршевыми и форсажными дви-
гателями.
Маршевая установка (МУ) ледокола «Полар
Стар» является дизель электрической, а форсаж-
ная (ФУ) — газотурбинной. Редукторы форсаж-
ных ГТД выполняются с разделением мощности
и снабжаются зубчатой и фрикционными разоб-
щительными муфтами (см рис 3.6). При работе
МУ зубчатая муфта (со стороны фланца б).
установленная между редуктором ФУ и ГЭД,
должна быть разобщена. Форсажный ГТД с ре-
дуктором соединен через фрикционную разобщи-
тельную муфту 5 Если предполагается подклю-
чение ФУ на ходу (через муфту 5). то заранее,
когда валы (фланец 6) еще не вращаются,
включается зубчатая муфта и редуктор начинав!
работать Реверс о этой установке осуществля-
ется с помощью электропередачи или ВРШ.
Редуктор дизель-газотурбинной установки (рис. 3.7) выполнен
для маршевого дизеля одноступенчатым, а для форсажного
ГТД—двухступенчатым с разделением мощности. Все колеса од-
новенечные с геликоидальной нарезкой. Двигатели подключаются
к редуктору с помощью механических самосинхронизирующихся
муфт. Смещение передачи 1-й ступени в корму позволило разме-
стить соединительно-разобщительную муфту 5 ГТД над большим
колесом 2-й ступени редуктора и обеспечить компактность пере-
дачи. Реверс в такой установке осуществляется с помощью ВРШ.
На общий редуктор (рис 3.8) смешанной газо-газотурбинной
установки (ГГТУ) работают один маршевый двигатель типа
«Тайн» РМ1А (Уе=«3 МВт) и один форсажный двигатель типа
«Олимп» ТМ-ЗВ (M.ss20 МВт). Оба они снабжены самосинхро-
низирующимися соединительно-разобщительными муфтами. Парал-
лельная их работа не предусматривается. Реверс осуществляется
с помощью ВРШ. В современных СЭУ, в том числе комби-
нированных и смешанных, этот способ реверса наиболее распро-
страненный, Он позволяет ограничить вращаюший момент двига-
телей при разгоне судна и улучшить условия параллельной работы
двух машин. Однако ввиду сложности конструкции и высокой
стоимости ВРШ, особых условий эксплуатации судна, ограничения
Рис 3.5. Конструкция двухмашинного суммирующего редук-
тора со встроенным» фрикционными многодисковыми соеди-
нительно-разобщительными муфтами и двумя валоотборамп-
Рис 3 7. Схема редуктора ди-
зель-газотурбннной установки
2, 5 — соединительно разобщитель-
ные, муфты дизеля и ГТД; 3 — ше-
стерня дизеля; 4 — передача 1-й
ступени ГТД; S - форсажный ГтД.
7 — передача 2-й ступени ГТД
71
по мощности и ряда других причин для реверса могут быть ис-
пользованы другие методы, в частности реверсивные механические
передачи.
При мощности ДУ до 3000—4000 кВт с нереверсивными дизе-
лями применяют реверсредукторы. Реверсирование ведомого вала
в редукторе с внешними цилиндрическими зацеплениями достига-
ется применением двух переборов шестерен: одного — для перед-
него хода, другого — для заднего, включаемых в работу посред-
ством дисковых фрикционных муфт. КПД таких реверсредукторов
составляет от 0,90—0,92 для трехступенчатых до 0,965—0,975 для
одноступенчатых.
На рис. 3.9 представлены две типовые схемы реверсивных зубчатых пере
Дач. В одной из них (рис. 3 9, а) для обеспечения заднего хода кримеиепа про-
72
ной муфты 2, установленной между маховиком 1 (или фланцем) двигателя и
редуктором Опа позволяет ограничить пик вращающего момента валопровода
при его колебаниях и амплитуду вибрации при работе передачи с частотами
вращения, близкими к критическим
Иногда для улучшения маневренных качеств СЭУ реверсивные
передачи снабжают тормозом фрикционного типа (для заторма-
живания гребного вала), который включается сразу же после вы-
ключения одной работающей муфты и выключается немедленно
после остановки гребного винта до включения другой фрикцион-
ной муфты. В этом случае время реверса гребного винта (от мо-
мента выключения муфты переднего хода до начала вращения
гребного винта в противоположном направлении) можно сокра-
тить в 3—4 раза. Конструкция тормоза не отличается от конструк-
ции многодисковых фрикционных муфт, за исключением того, что
ведомые диски тормоза закреплены в неподвижном корпусе ре-
дуктора.
Наиболее разработаны в настоящее время реверсивные меха-
нические передачи и комбинированные передачи на основе ре-
версивных гидравлических преобразователей вращающего мо-
мента (ГПМ). Уместно отметить, что хотя механические реверсре-
дукторы известны давно, создание судовых реверсредукторов
большой мощности связано с появлением всережимных ГТУ и
главным образом комбинированных и смешанных СЭУ. На
рис. 3.10 показана схема реверсивной передачи ПГТУ.
На общий ВРШ работают паровая турбина МУ, присоединенная к фланцу
1. И форсажный ГТД, присоединенный к фланцу 5 На всех режимах паровая
турбина работает через муфту 2 и обычный двухступенчатый редуктор 3, 4
Форсажный ГТД на режиме переднего хода работает через механическую
муфту 6, 1-ю ступень передачи 9, муфту 12 и 2 ю ступень передачи 13, так что
вся мощность суммируется на выходном фланце 14 зубчатой передачи Меха-
ническая муфта 11 при этом разобщена
Форсажный ГТД подключается па ходу с помощью автоматической муфты
12 с обгонным устройством. Реверсирование возможно двумя способами- с по-
мощью ТЗХ МУ и с помощью форсажного ГТД В первом с |учае форсажный
ГТД, если он находился в работе, автоматически отключается, во втором — ис-
пользуется реверсивная передача ГТД, а паровая турбина остается подключен-
ной к редуктору и вращается от ГТД. Для уменьшения вентиляционных потерь
в конденсаторе поддерживается вакуум. Пар к эжекторам может быть подве-
ден также от вспомогательной котельной установки
Прп маневрировании, когда работает только ГТД, муфта 6 разобщается и
вводится в зацепление муфта 41 Переключение производится дистанционно
Реверсирование осуществляется с помощью гидравлических муфт 7 и 8 При
заполнении маслом муфты 7 работает передача 9 переднего хода, при запол-
нении муфты 8— передача 10 заднего хода. С целью уменьшения габаритов
гидромуфт, размещенных в корпусе передачи, мощность ГТД прп маневриро-
вании ограничена. При реверсировании с помощью передачи остановка вала
происходит за 15 с и примерно за 45 с достигаются полные обороты заднего
хода.
Нередко по режимам эксплуатации судов требуется изменение
частоты вращения гребного винта при той же частоте вращения
вала двигателя. Это достигается применением ВРШ или. напри-
мер, двухскоростного редуктора.
73
На рис. 3.11,а—в представлены характеристики двухскорост-
ной редукторной передачи ДУ. Индекс н означает, что частота вра-
щения п, мощность У и вращающий момент М относятся к номи-
нальному режиму работы двигателя (индекс /) или гребного вала
(индекс 2). В связи с тем что в зубчатых передачах М21М\= п,/п2
и механические потери в двухскоростном редукторе приблизи-
тельно одинаковы, их КПД можно принимать постоянными. Ха-
рактеристики построены для работы ПК с двухскоростным ре-
дуктором: ц = 1, Ki —1 (кривая /); i2=2, Л2 = 2 (без учета механи-
ческого трения, кривая 2). При работе по номинальной 1 и утя-
желенной 2 винтовым характеристикам (рис. 3.11,6) двигатель
может развивать полную частоту вращения и полную мощность
при соответствующем переключении скоростей редуктора. 11а
рис. З.П,в показаны соответствующие соотношения вращающих
моментов на фланце двигателя Мi и гребном винте Мг. На пер-
вой скорости Kj=J, а па второй К2 —2
Удельные массы судовых переборных редукторов изменяются
в диапазоне 6,5—11,0 кг/кВт, причем меньшие .значения харак-
терны для более мощных установок: Удельная мощность оценива-
ется следующими значениями: по объему НО—280 кВт/м3, по пло-
щади 275—680 кВт/м2, по длине 1400 —4700 кВт/м, по ширине
1100—3700 кВт/м.
В турбинах современных СЭУ пй составляет 5000—7500 для
ТВД и 2200—4000 об/мин для ТНД. Мощность ПТУ и ГТУ ско-
ростных грузовых судов и супертанкеров возросла в настоящее
время до 24—44 МВт на один вал, а частота вращения гребных
винтов снизилась до 80—85 об/мин, что привело к существенному
возрастанию вращающего момента, действующего на колесо по-
следней ступени редуктора (до 2—4 МН-м). Если 1акже учесть,
что в настоящее время предельное значение диаметра колеса по-
следней ступени, обработанного с высокой точностью, не превы-
шает 5,3 м, то дальнейшее улучшение массогабаритных характе-
ристик судовых турбинных (и дизельных) установок стало воз-
можным только в связи с переходом к новым, более сложным
кинематическим схемам редукторов, основанным на сочетании ци-
Рис. 3.11. Характеристики двухскоростиой ретукторной пере-
дачи ДУ:
!. 2 — характеристики ПУ при работе соответственно на 1й н 2й
Схемы планетарных зубчатых редукторов представлены на
рис. 3.12. Их преимущество и особенность заключаются в соос-
ности вала двигателя и валопровода.
шестерня 5 второй ступени представляют собой первое звено передачи, а эпи-
цикл У второй ступени и водило 6 первой ступени — второе звено Эпицикл 10
П водило 6 могут быть остановлены (зафиксированы) тормозными барабанами
8 и 9 При остановке эпицикла !0 направления вращения ведущего и ведомого
валов одинаковы, а при остановке водила 6 — про!ивоположны
75
Планетарным редукторам свойственны высокий КПД (0,99 для
одноступенчатых и 0,985 для двухступенчатых), малые общие и
удельные массы {3,5—4,5 кг/кВт по мощности и 0,15—
0,71 кг/(Н*м) по моменту], умеренные габариты (удельная мощ-
ность редукторов достигает 4500 кВт/м при встроенном ГУП),
плавность хода и бесшумность (уровень шума не превышает
86 дБ), а также ряд других достоинств, к числу которых отно-
сятся: распределение нагрузки между несколькими сателлитами,
т. е. разделение передаваемой мощности на несколько потоков;
рациональное использование пространства внутри эпицикла; зна-
чительно меньшие диаметры зубчатых колес, чем у обычных ре-
дукторов.
Рис 3 12 Схемы планетарных зубчатых передач: а — с закрепленным эпицик-
лом; б — с закрепленным водилом; в--с закрепленной солнечной шестерней;
г — двухступенчатой реверсивной
По сравнению с переборными редукторами в планетарных не-
сколько сложнее осуществить дополнительную передачу мощно-
сти к валогенераторам, масляным насосам и валоповоротным уст-
ройствам. Тем не менее в ряде редукторов предусмотрены такие
передачи. Масляные насосы приводятся обычно от специального
зубчатого вепца, напрессованного на водило и на фланец ведо-
мого вала. ВалоповоротныЯ механизм может быть выполнен
с вертикально установленным электродвигателем, который через
конические шестерни и соединительно-разобщительную зубчатую
муфту приводит во вращение ведущий вал редуктора. Отбор мощ-
ности на валогенераторы в планетарных редукторах осуществля-
ется от входного вала посредством повышающей передачи с внеш-
ним зацеплением.
Планетарные редукторы находят все большее применение в су-
довых турбинных, а также в дизельных установках. Для повы-
шения передаточного числа их можно комбинировать с обычными
зубчатыми передачами (рис. 3-13), т. е. создавать планетарно-
переборные редукторы. Судовые редукторы выполняют с исполь-
зованием не только планетарных ступеней, одно из звеньев кото-
рых не вращается, но и дифференциальных, в которых все звенья
находятся во вращении и участвуют в передаче мощности. По-
добные редукторы установлены на танкерах типа «Крым» (мощ-
ность ПТУ 22,1 МВт).
76
Если использовать дифференциал в качестве 1-й ступени, то
мощность от каждой турбины ПТУ можно выводить на колесо
последней ступени редуктора тремя потоками, что позволяет су-
щественно снизить массу и габариты всего редуктора, а также
уменьшить размеры указанного колеса. Кроме того, применение
многопоточных редукторов с дифференциально-замкнутыми бло-
ками позволяет унифицировать ГТЗА различных мощностей и на-
значения с широким диапазоном частоты вращения гребного вала.
В представленной па рис. 3.14 схеме показан дифференциальны» блок
только для одной турбины, число блоков соответствует числу турбин при од-
ном колесе 1. Мощность Л'т каждой турбины подводится через торсионный вал
9 к солнечной шестерне 12 дифференциального блока 11, где она разделяется
на два неравных потока Д', и Лг. Первый поток мощности Nt через сателлиты
5 и водило 4 (в блоке их четыре), жестко закрепленное на фланце центральной
шестерни 3, подводится к колесу 1 третьей ступени. Второй поток мощности
через внутренние зацепления эпицикла 6 направляется к центральной
шестерне 8 второй ступени, где он раздваивается на два равных потока 0,5
которые через ведомые колеса 7, торсионные валы 10 и ведущие шестерни 2
подводятся также к колесу 1 третьей (последней) ступени. Каждая из трех
шестерен 2 и 3 третьей ступени передает примерно одинаковый вращающий
момент.
Такие редукторы имеют меньшие массу н габариты, чем ре-
дукторы переборного и планетарно-переборного типов.
На судах иногда применяют соосные противоположно вращаю
щиеся винты (ПВВ) и, следовательно, гребные валы. Для их при-
вода в ДУ используют две ступени передачи: 1-я — суммирующий
(в случае двухмашинной установки) или обычный одномашинный
редуктор внешнего зацепления, 2-я — планетарный редуктор диф-
ференциального типа, солнечная шестерня которого насажена на
ведущий вал, являющийся ведомым валом 1-й ступени. Во 2-й
ступени от водила приводится внутренний, а от эпицикла наруж-
77
ный гребные валы, на которые насажены соответствующие греб-
ные винты (задний и передний).
Конструктивная схема передачи мощности на ПВВ для судов с ПТУ по-
казана па рис. 3.15. Такая передача позволяет получить любые соотношения
Рис. 3.15. Конструктивная схема передачи мощности на противоположно вра-
щающиеся вингы (ПВВ) от паровых турбин
суммирующие редукторы внешнего зацепления В 1-й ступени мощность от
турбин 1 и 11 (ТВД и ТНД} через торсионные валы 3 передается па солнеч-
ные шестерни планетарных дифференциальных редукторов, ведомые водила 4
78
и эпициклы 5 которых соединены с шестернями 2 и б второй ступени. Шестерни
2 через колесо 14 приводят внутренний гребной вал 10 (задний гребной винт),
а шестерни 6 через колесо 15 — наружный гребной вал 9 (передний гребной
винт) Реакция упора переднего винта воспринимается упорным подшипником 8,
а заднего — упорным подшипником 13, встроенными в редуктор. Задний ход
обеспечивается ТЗХ 12 Редуктор и валопроводы проворачиваются валопово-
ротным устройством, подключаемым к валу 7.
3.3. Гидравлические передачи
Гидравлическая передача представляет собой совокупность
гидравлических механизмов, с помощью которых энергия враще-
ния ведущего вала (вала двигателя) передается ведомому валу
(валопроводу с движителем). В зависимости от принципа работы
различают передачи гидродинамические и гидростатические.
В гидродинамической передаче энергия от ведущего вала к ве-
домому передается за счет скоростного (динамического) напора
циркулирующей рабочей жидкости (масла, воды, различных сме-
сей). Гидродинамическая передача состоит из центробежного на-
соса и гидротурбины, сближенных так, что их колеса образуют
торообразную полость, заполняемую рабочей жидкостью. В зави-
симости от конструкции и назначения гидродинамические пере-
дачи подразделяют на гидромуфты и гидротрансформаторы.
Гидромуфты применяют для передачи вращающего момента ве-
дущего вала к ведомому без изменения величины и знака момента
W-1).
Гидротрансформаторы предназначены для передачи вращаю-
щего момента двигателя к движителю при изменении величины,
а в ряде случаев и знака этого момента. Если при передаче вра-
щающий момент должен изменяться только по величине, исполь-
зуют гидротрансформатор переднего хода, а если одновременно
должен изменяться и знак момента,— гидротрансформатор заднего
хода. Если применить оба эти гидротрансформатора, получается
гидрореверсивная передача.
Основное отличие гидротрансформатора от гидромуфты со-
стоит в том, что у первого между колесами насоса и турбины уста-
новлен неподвижный направляющий аппарат, жестко связанный
с корпусом передачи. Путем придания соответствующей формы
лопаткам направляющего аппарата можно существенно изменить
момент количества движения рабочей жидкости перед поступле-
нием ее на колесо турбины и таким образом изменить величину
развиваемого турбиной вращающего момента. Если направляю-
щий аппарат расположен между насосом и турбиной, то соответ-
ствующим профилированием его лопаток можно изменить на-
правление вращения турбины по отношению к насосу. Таким
образом, направляющий аппарат определяет характеристики пере-
дачи с гидротрансформаторами.
В гидростатической (объемной) передаче энергия вращения
ведущего вала преобразуется в гидравлическом насосе объемного
типа (ведущее звено) в гидростатическое давление рабочей жидко-
79
сти (минерального масла или синтетической жидкости), которое
по трубопроводу передается к гидравлическому двигателю (ведо-
мое звено), где преобразуется в энергию вращения ведомого вала
(движителя). В этом случае можно исключить из комплекса дви-
гатель—валопровод—движитель значительную часть валопровода,
заменив его магистральным трубопроводом рабочей жидкости.
С помощью гидростатической передачи энергия не только вра-
щательного, по и других видов движения (возвратно-поступатель-
ного, возвратно-поворотного и т. п.) может передаваться от ве-
дущего звена к ведомому. Гидростатическая передача входит
в состав гидропривода различных судовых (и также несудовых)
машин н механизмов.
Конструктивная схема гидромуфты представлена на рис. 3.16, а. Колесо
центробежного насоса I жестко закреплено на ведущем валу 5 двигателя Для
большей герметичности муфты колесо насоса с помощью болтов соединено
с вращающимся кожухом 2, имеющим уплотнение по ведомому валу 4 Ко-
лесо 3 гидротурбины насажено на ведомый вал 4. Колеса насоса и турбины
имеют обычно плоские радиальные лопатки Рабочая полость гидромуфты за-
полняется рабочей жидкостью (как правило, минеральным маслом).
Если 1идромуфта заполнена жидкостью, то последняя под действием цент-
робежных сил при вращении колеса насоса будет перемещаться вдоль лопа-
ток от центра к периферии, приобретая кинетическую энергию. Затем жидкость
поступает на лопатки гидротурбины, где кинетическая энергия жидкости пре
образуется в механическую работу вращения ведомого вала Если из муфты
выпустить рабочую жидкость, то ведомый вал 4 остановится (при работающем
ведущем вале 5).
Гидромуфты применяют для эластичной связи между двигате-
лем и движителем (двигателем и редуктором), фильтрации и демп-
фирования крутильных колебаний в системе валопровода, а также
для некоторого снижения частоты вращения, отключения и вклю-
чения движителя при необходимости (время опорожнения гидро-
муфты составляет примерно 3 с, время ее заполнения — около
7 с).
Поскольку между насосом и турбиной отсутствует какой-либо
элемент, способный воспринять реакцию циркулирующей рабочей
жидкости, вращающий момент в гидромуфте передается без из-
менения величины (и, конечно, знака), т. е. AfH=AfI=AfT = M2
и К=М2/М1 = Г
Жидкость, циркулирующая через насос и турбину, преодоле-
вает сопротивление движению, вследствие чего теряется часть
энергии; происходит скольжение колеса турбины (л2) по отно-
шению к колесу насоса (п,) и мощность WT = W2 турбины на ведо-
мом валу становится меньше мощности Л'п—насоса на ведущем
валу, т. е. iVT = iV2 = ^242<VFI = iVi=Af1nl.
Отношение
S = [(«! — п^/щ] 100% = (1 — Па/гц) 100%
называется скольжением, гидромуфты. При полном заполнении
гидромуфты маслом (г —1) на номинальном режиме работы оно
составляет 2—3 %,
80
Гидравлический КПД гидромуфты определяется зависимостью
T|r4 = NT/NH-M2n2/(M1nl)-! n^/ny,
следовательно,
S = (l —Пгм) 100%; Т]1М- 1—(S/100).
Для указанных условий т|гм = 0,97-г0,98. Потери на трение в под-
шипниках и сальниках и потери на вентиляцию учитываются ме-
ханическим КПД т]Чех Значит, полный КПД гидромуфты будет
Т]п- м ==Т]гмГ|мех.
Заметим, что приведенные зависимости справедливы при ука-
занных высоких значениях т)гм и относительно малых потерях,
учитываемых т]Мех. При больших потерях точнее будет Vi = /VhT]u.m-
Характеристики гидромуфты M=f(S) при различной степени
наполнения с жидкостью и постоянной частоте nt вращения дви-
гателя приведены на рис, 3.16, б. Точка А соответствует номи-
нальному режиму работы установки при целиком заполненной
муфте (е=1) и является точкой пересечения номинальной харак-
теристики гребного винта (кривая 7) с нагрузочной характери-
стикой муфты (кривая 2), соответствующей номинальному значе-
нию вращающего момента 2йГ=Л111=1, С изменением наполнения
е муфты момент М2 = МТ па ведомом валу и частота его вращения
«2 уменьшаются (точки At, Л2, Лз). Таким образом, за счет изме-
нения с можно регулировать скольжение S и частоту п? враще-
ния гребного винта в некоторых пределах.
Однако более выгодным и распространенным при эксплуата-
ции судов является другой способ регулирования частоты враще-
ния— изменением подачи топлива на двигатель, При этом в слу-
чае изменения режимов работы по кубической винтовой характе-
ристике КПД гидромуфты поддерживается посюянпым.
81
Опыт эксплуатации установок с гидромуфтами показывает, что
они устойчиво и экономично работают при о0,33; в диапазоне
значений е=1,04-0,5 КПД гидромуфты снижается незначительно
(на 4—5%).При меньших степенях наполнения е их работа, хотя
и становится несколько неустойчивой, однако остается достаточно
надежной при уменьшении е до 3 % (но при этом КПД падает до
0,40—0,45).
При работе гидромуфты рабочая жидкость в ней нагревается
вследствие потерь энергии. Для поддержания постоянной темпе-
ратуры жидкости от нее нужно отводить тепловой поток
Q™ = (1—Лгм)
Это осуществляется путем частичной циркуляции жидкости через
охладитель, прокачиваемый забортной водой, с помощью авто-
номного насоса. В этом случае обеспечивается также поддержа-
ние постоянного напора рабочей жидкости. При заклинивании
гребного винта (п2 = 0, ^гг) = 0) в охладителе нужно отводить теп-
ловой поток, эквивалентный полной мощности двигателя Угд =
= УН-
Гидромуфты имеют следующие основные свойства: независи-
мость вращения ведомого и ведущего валов, плавное трогание
с места и плавный разгон, ограничение крутильных колебаний,
бесшумность работы, надежность в эксплуатации, высокий КПД
на номинальном режиме, простота автоматизации и управления.
Гидромуфты широко применяются в СЭУ. Наиболее часто они
используются в ДУ, особенно в многомашинных, в сочетании
с зубчатыми передачами, а иногда и прямыми передачами.
Выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью
гидромуфты отличаются большим разнообразием форм проточ-
ных частей и конструктивного исполнения органов регулирования
степени наполнения. Конструкция этих органов оказывает сущест-
венное влияние как на маневренные качества передачи (быстроту
опорожнения и наполнения, удобство изменения частоты враще-
ния), так и на габариты муфты (особенно на ее длину). Сте-
пень относительного заполнения рабочей полости изменяется регу-
лированием потока жидкости на входе в гидромуфту и на выходе
из нее.
Большие гидромуфты чаще выполняют в виде отдельных агре-
гатов с собственным фундаментом и подшипниками. Гидромуфты
в составе днзель-редукторных агрегатов могут компоноваться
в корпусе передачи, а также бытб подвесными или полуподвес-
ными (вне редуктора).
Устройство гидрозубчатой передачи, где в общем корпусе 1
размещены шестерни И суммирующего редуктора и гидромуфты,
показано на рис. 3.17. В этой передаче гидромуфты выполняют
функцию упругого соединительно-разобщительного звена между
дизелями и ведущими шестернями.
Отличие гидротрансформатора от гидромуфты, как отмечалось
выше, в том, что он имеет неподвижный направляющий аппарат,
82
который может быть расположен по ходу жидкости после насоса
(перед турбиной) или перед ним (после турбины). В первом слу-
чае может быть обеспечено обратное вращение турбинного ко-
леса. Включение направляющего аппарата в контур циркуляции
гидротрансформатора позволяет увеличивать момент количества
движения рабочей жидкости, а значит, и момент Мт на валу тур-
бины в сравнении с моментом Мн на валу насоса.
Рис. 3 17. Устройство гпдрозубчатой передачи.
Гидротрансформаторы позволяют осуществлять реверс ведо-
мого вала, т. е. валопровода. Это достигается либо применением
двойного перемещаемого направляющего аппарата переднего и
заднего хода (ПХ и ЗХ) в однополостном гидротрансформаторе,
либо установкой отдельных гидротрансформаторов ПХ и ЗХ.
Время изменения направления вращения вала с помощью однопо-
лостного трансформатора при работе установки на полный ход
вперед составляет 8—10 с, до принятия полной нагрузки на заднем
ходу 35 с.
Схема устройства реверсивной установки с двумя гидротранс-
форматорами представлена на рис. 3.18, а Здесь для реверса
с tlX на ЗХ производятся опорожнение трансформатора ПХ и за-
полнение трансформатора ЗХ. При реверсе с ЗХ на ПХ соверша-
ются обратные действия. Практически опорожнение трансформа-
тора можно обеспечить за 3 с, заполнение примерно за 7 с, общую
83
продолжительность реверса в течение 15—20 с. Трансформаторы
могут быть расположены в одном корпусе,
Уравнение баланса энергии для гидротрансформатора:
У-t — УнЦг. — УцТЬ. ’>
где т)п т — полный (общий) КПД трансформатора; тр. т —его гид-
равлический КПД; т]<>б и т]мих — КПД, учитывающие объемные и
механические потери в гидротрансформаторе. Отсюда получаем
1]п т = NJNU — М^щЦМ^п,,) — K/i,
где К = МТ/МН —коэффициент трансформации момента; /<=1,12-7-
-г-1,80 для одноступенчатых гидротрансформаторов при т]п. т = 0,9
Рис. 3 18 Схема устройства реверсивной усыновки с двумя гидротрансформа-
торами (<i) и их нагрузочно скоростные характеристики (б):
и передаточном отношении i = rc1I/nT= 1,25-4-2,00 па расчетном
режиме.
Большая потеря энергии жидкости при движении в направ-
ляющем аппарате, а также более высокие гидравлические и
объемные потери в процессе циркуляции являются основными при-
чинами низкого КПД гидротрансформаторов в сравнении с гидро-
муфтами. На расчетном режиме общий (полный) КПД гидро-
трансформаторов переднего хода достигает 0,85—0,92. а заднего
хода 0,65—0,70 (большие значения относятся к крупным гидропе-
редачам, рассчитанным на мощности в несколько тысяч кВт и ра-
ботающим на маловязких жидкостях — главным образом на воде).
На рис. 3.18, б показаны примерная нагрузочно-скоростная ха-
рактеристика и кривая изменения полного КПД гидротрансфор-
матора. Зависимость Мп характеризует момент на валу насоса
при постоянной частоте его вращения, а кривая k = M7/M,I — вра-
щающий момент на валу турбины. Как видно, при практически
постоянном Мц (а значит, постоянном моменте на валу двигателя)
84
Мт на валу турбины по мерс уменьшения частоты вращения ве-
домого вала возрастает. Точка А характеризует нормальный ре-
жим работы, при котором КПД гидротрансформатора достигает
наибольшего значения.
Таким образом, гидротрансформаторы обеспечивают автома-
тическое изменение пт/пн в пределах от 0 до 1 в зависимости от
нагрузки (момента) ведомого вала при пракгически постоянной
п первичного двигателя или при изменении ее в узком интер-
вале, обусловливаемом са чорсгулируемостъю рабочего процесса.
Это важно для СЭУ с резко переменными нагрузками двигателей
(например, для ледоколов).
В многоступенчатых гидротрансформаторах при соответствую-
щем профилировании лопаток направляющих аппаратов переда-
точное число i на нормальном режиме работы может достигать
10 и 12. Если в СЭУ необходимо иметь I больше этих значений
(например, в установках с ВОД, паровыми и газовыми турби-
нами), гидротрансформаторы используют в сочетании с зубчатой
передачей.
Применение гидротрансформаторов в СЭУ позволяет обеспе-
чить: редуцирование п в диапазоне i=l,2-^12,0, автоматическое
изменение i в широких пределах в зависимости от нагрузки (от
сопротивления движению судна, например, при работе во льдах)
при практически постоянной п ГД; высокие тяговые характери-
стики, обусловленные возрастанием момента на ведомом валу
с уменьшением п; отсутствие жесткой связи между ведомой и
ведущей частями гидропередачи, что исключает перегрузки дви-
гателя и ударные воздействия винта, а также практически устра-
няет взаимную передачу крутильных колебаний; высокие манев-
ренные качества; низкий уровень шума передачи.
Затруднения в использовании гидротрансформаторов возни-
кают при длительной их работе в режимах, отличающихся от рас-
четного, в связи со сложностью отвода большого количества теп-
лоты от рабочей жидкости (из-за относительно низкого КПД).
Многие достоинства гидротрансформаторов, отмеченные выше,
присущи и электрическим передачам постоянного тока. Однако
гидротрансформаторы имеют меньшую массу, чем электропере-
дачи.
регулированием частоты вращения движителя путем изменения количества
подаваемой жидкости к мотору. Вращающий момент на валу гидромотора пс
зависит от частоты вращения двигателя Реверс гидромотора осуществляется
специальным золотником, меняющим порядок иодачи жидкости в цилиндры
мотора Продолжительность реверса не превышает 10 с
Вторая схема (рис. 3 19, б) применяется на малых судах с установками
мощностью до 200—250 кВт или в подруливающих устройствах крупных судов
В этом случае гидромотор 7 размещают в випторулевой колонке (в тоннеле
85
подруливающего устройства). Рабочее масло от насоса подводится ^герез канал
в баллере 6 руля 8. Такой вариант гидропередачи позволяет обходиться без
деидвудного устройства и гребного вала, что упрощает установку
Гидростатические передачи применяют в главных установках
мощностью 1500—2000 кВт и более на судах, где требуются ча-
стые маневрирование и буксировка (паромы, буксиры, катера,
малые промысловые суда), а также для привода подруливающих
и активных рулей.
КПД гидростатической передачи составляет 0,83—0,88 и мало
изменяется на режимах частичных нагрузок.
Рис 3.)9 Схемы установок с гидростатической передачей « — объемная с не-
зависимым гребным гидромотором, б —с гребным гидромотором, расположен-
ным в вшпорулевон колонне
3.4, Электрические передачи
Электрические передачи осуществляют двойное преобразова-
ние энергии: механическая энергия ГД преобразуется в электри-
ческую в электрогенераторах, которая передается гребным элект-
родвигателям, преобразующим ее в механическую энергию греб-
ного вала и винта. Большие потери энергии при этом можно не-
сколько сократить уменьшением длины валопровода и числа его
опорных подшипников (последние два фактора являются досто-
инствами электропередачи).
Такая передача проста и подобна гидростатической с греб-
ным гидромотором (вместо трубопровода—электросеть).
Электропередачи бывают на постоянном и переменном токе,
а также комбинированными: с генераторами переменного тока
электродвигателями постоянного тока и безмашинными статиче
скими преобразователями переменного тока в постоянный. В за-
висимости от типа ГД различают дизель-электрические и турбо-
электрические установки.
В завцсимос(и от типа и назначения судна, особенностей его
устройства, типа ГД электрическая передача позволяет использо-
вать мощность нескольких многооборотных главных турбо- или
дизель-генераторов для привода одного или нескольких малообо-
ротных ГЭД. Это повышает надежность СЭУ и позволяет приме-
86
нять высоко- и среднеоборотные нереверсивные первичные двига-
тели. Благодаря отсутствию механической связи между главными
электрогенераторами и ГЭД их частоту вращения можно выби-
рать оптимальной, а первичные ГД в этом случае защищены от
внешних (ударных и других) воздействий со стороны гребного
винта,
Возможность использования главных генераторов для пита-
ния других электропотребнтелей судна — еще одно достоинство
электропередач.
Важным положительным свойством электропередачи постоян-
ного тока является наиболее благоприятное для привода ВФШ
преобразование момента и частоты вращения вала первичных ГД
независимо от их типа. Такая электропередача может саморегу-
лироваться по вращающему моменту при изменяющемся сопротив-
лении движению судна. Двигатели постоянного тока обеспечи-
вают увеличение момента при уменьшении частоты вращения
вплоть до полной их остановки с использованием при этом пол-
ной мощности генераторов и первичных ГД.
Электропередачи на постоянном токе имеют высокие манев-
ренные качества, самый быстрый по сравнению с передачами дру-
гих типов реверс, высокие пусковые моменты; полное заторма-
живание гребного винта (прекращение вращения) при использо-
вании такой передачи осуществляется в течение 5—16 с, а выбег
судна при его номинальной начальной скорости обычно нс превы-
шает 6—7 длин корпуса. Подобные характеристики наиболее бла-
гоприятны для судов с высокой маневренностью
Пропульсивные установки с электропередачами постоянного
тока управляются легко и просто. Реверс и управление ГЭД про-
изводятся путем управления системой возбуждения генераторов,
в которой используются токи сравнительно небольшой силы. Это
важное преимущество передач постоянного тока, позволяющее
создать гибкую систему дистанционного управления.
Электропередачам свойственны и недостатки: сравнительно
низкий КПД (произведение КПД генератора, электросети и дви-
гателя; 0,84—0,88 для постоянного тока и 0,88—0,93 для пере-
менного); значительные массы (для передач постоянного тока
в 1,5 раза большие, чем для переменного), увеличенные габариты
и значительная стоимость электродвигателей и генераторов; мень-
шая надежность машин постоянного тока по сравнению с ма-
шинами переменного тока; жесткость для ВФШ нагрузочно-ско-
ростных характеристик ГЭД переменного тока (их применяют
с ВФШ); прямая зависимость в передачах переменного тока ча-
стоты вращения ГЭД от частоты вращения первичных двигате-
лей; уменьшение частоты вращения ГЭД приводит при этом
к уменьшению мощности, развиваемой ПУ.
Как видно, электропередачи переменного тока лишены наи-
более важного достоинства, присущего передачам постоянного
тока,— улучшенных тяговых характеристик ЭУ и маневренных
характеристик судна. Кроме того, необходимость изменения ча-
87
стоты вращения первичных двигателей для изменения частоты
вращения ГЭД и возможность осуществления реверса только за
счет переключений в цепях главного тока значительно усложняет
систему управления передачами переменного тока. В связи с этим
электропередачи постоянного тока применяют на судах, где тре-
буются частое изменение скорости и режимов работы с измене-
нием мощности (ледоколы, транспортные суда ледового плава-
ния, отдельные буксирные и морские рыбопромысловые суда),
а электропередачи переменного тока — на судах, движители кото-
рых большую часть времени работают па постоянных режимах
без изменения скорости, а также ца других судах в сочетании
с ВРШ.
Поскольку генераторы переменного тока проще по конструк-
ции, меньше по габаритам, имеют более высокий КПД и более
удобны в эксплуатации, чем генераторы постоянного тока, в по-
следнее время все шире начинают применять комбинированные
электропередачи с генераторами переменного тока и ГЭД посто-
янного тока. Однако для них требуются преобразователи тока,
что снижает экономичность и увеличивает массу и габариты СЭУ.
3.5. Комбинированные передачи
Комбинированные передачи применяют в целях улучшения
технико-экономических и эксплуатационных показателей СЭУ,
а также обеспечения качеств, которые требуются в соответствии
с назначением судна.
Сочетания типов передач могут быть самыми разнообразными.
Рассмотрим некоторые из них. На рис. 3-17 показано устройство
гидрозубчатой передачи, где вместо гидромуфты может быть при-
менен и гидротрансформатор. На ледоколах и транспортных судах
ледового плавания используются различные варианты гидрозуб-
чатых передач; два дизеля через редуктор и гидротрансформатор
работают на винт; два дизеля через свои гидротрансформаторы
работают на общий редуктор и винт; мощность турбины в !-й сту-
пени редуктора распределяется между двумя гидротрансформа-
торами, которые работают на общую 2-ю ступень зубчатой пере-
дачи и далее на винт, и т. д.
На рис. 320 представлены еще два вариант комбинированных передач
В первом (рис З.ЙО, а) с целью уменьшения массы ГЭД и удобства их рас
положения применены четыре легких пысокооборотпых электродвигателя 2.
работающих на один редуктор 3 и получающих электропитание от главных
ДГ 4. Во втором варианте (рис. 3 20, б) возможны четыре схемы работы уста
новки: 1) ГД 5 по прямой передаче через муфту 6 работает на гребной вал и
винт (муфта 7 включена, нормальный ход судна); 2) ГД работает так же, но
часть его мощности потребляется электродвигателем 2, работающим в режиме
генератора (навешенный валогенератор): 3) на гребной вал работают как
ГД 5, так и электродвигатель 2 через муфту 7 и зубчатую передачу 3 (режим
максимальной скорости судна); 4) ГД отключен с помощью муфты 6 а на
гребной вал работает только электродвигатель 2, обеспечивая судну малый
ход (позицией 1 обозначен ГУП).
88
Такие варианты работы возможны на рыбопромысловых судах,
где применяются также схемы «отец и сын» («отец» — дизель
мощный, «сын» — дизель менее мощный).
На рис. 3 21 показана схема смешанной СЭУ с комбинированной переда-
чей на траулерах типа «Тропик». Для различных режимов работы судна пре-
дусмотрены следующие варианты работы СЭУ. При переходе к району лова
с максимальной скоростью на ВРШ 1 через суммирующий редуктор 3 работают
Рис. 3 20. Комбинированные передачи: a — электромеханическая; б —прямая
с электромеханической
два ГД 5 (через электромагнитные муфты 4) и ГЭД 2 постоянного тока, полу-
чающий питание через шины 6 от вспомогательных ДГ 8. В этом случае име-
ется резерв электрической мощности, так как траловая лебедка и другие по-
требители 7 не работают-
Рис. 3.21, Ком-
биниро в а и и я
электромехани-
ческая передача
на траулерах
типа «Тропик»
На режимах частичных нагрузок резерв мощ-
ности ГД может быть использован для привода
ГЭД, работающего в режиме генератора и обеспе-
чивающего энергией электродвигатели траловой
лебедки. Во время ярусного лова, когда судно ло-
жится в дрейф, необходимые маневры судна мо-
гут быть выполнены только при работе ГЭД.
Вариант комбинированной передачи для смешанной ди-
зель-газотурбинпой СЭУ представлен на рис. 3.22. Здесь
применен двухскоростяой редуктор переборного типа, к ше-
стерням которого через гидромуфты подключены дизели Г
маршевой установки, а через шестерню 9 и колесо 11—
форсажная газовая турбина (ГТД) 10. На экономических хо-
дах мощность от дизелей 1 передается через фланец 15 к ва-
лопроводу с ВРШ через гидромуфту 5 и шестерни 4 и 7,
а на полных ходах —через гидромуфту 2 в шестерни 3 и 6.
В первом случае ГТД отключается ог редуктора с помощью
муфты 13. При переходе судна с экономической скорости на
полную ГТД подключают так' вначале гибкий торсионный
вал 12, проходящий внутри пустотелого вала шестерни 8,
самосинхропизирующаяся муфта 13 с обгонным устройством
типа SSS (см. рис. 331) и связанная с ней шестерня 8 вра.
щаются вхолостую (без нагрузки); затем, когда частота пращения шестерни 8
совпадет с частотой вращения вала колеса 7 редуктора, автоматически вклю-
чается муфта 13 и ГТД принимает нагрузку. После этого гидромуфты 5 опо-
рожняются, частота вращения дизелей повышается до полной и муфты 2 вклю-
чаются в работу. Реакция упора гребного винта воспринимается подшипни-
Рис. 3.22. Схема комбинированной передачи дизель-газотурбинной установки
3.6. Соединительные
и соединительно-разобщительные муфты
Для соединения отдельных элементов комплекса двигатель —
редуктор—валопровод—винт используют муфты соединительные
и соединительно-разобщительные.
Соединительные муфты жестко или эластично соединяют от-
дельные элементы и во время работы установки не допускают их
разъединения.
Соединительно-разобщительные муфты в отличие от соедини-
тельных обеспечивают соединение отдельных элементов (валов)
или их разобщение во время работы установки (вращения соеди-
няемых элементов).
Конструкции тех и других муфт разнообразны. Соединитель-
ные муфты подразделяют на неподвижные и подвижные. Непо-
движные муфты применяют для жесткого соединения двух валов,
исключающего их взаимные перемещения. Подвижные соедини-
тельные муфты различных конструкций допускают некоторое от-
клонение осей валов в радиально-осевом направлении. Они могут
быть жесткими подвижными компенсирующими (например, сдво-
енная зубчатая муфта на рис. 3.23), упругими компенсирующими
с металлическими пружинными элементами (например, упругая
муфта типа «Гейслингер» на рис. 3.24), упругодемпфирующими
с резинотканевыми или капроновыми упругими элементами
(рис. 3.25). Кроме того, соединительные муфты разделяются на
неразъемные (разбираемые только во время демонтажа, ремонта
и т. д.) и разъединяемые (вручную, механически от привода) во
время бездействия установки. Конструкция разъединяемой зубча-
той муфты, служащей для отключения гребного вала от редук-
90
?215
Рис 3 23. Сдвоенная зубчатая муфта-
у цилиндрические концы соединения валов: 2— зубчатые втулки, а- крышки
с уплотнениями, Ч зубья втулок; 5 —обоймы с зубьями: 6 — свертныс болты
для крепления фланцев обойм; 7—пробка для заполнения внутренней части
муфты смазкой; 8 — торцеяьте крышки
Рис 3.24. Упругая муфта типа «Гейслингер»
тора в ДРУ, где ГД используются для привода грузовых насосов,
показана на рис. 3.26.
Упругодемпфирующие (эластичные) муфты, установленные
между двигателем и редуктором, обеспечивают: уменьшение дина-
Рис 3 25 Упругодемпфирующие муфты а — эластичная оболочковая
мических нагрузок в зацеплений благодаря демпфированию кру-
тильных колебаний и сглаживанию неравномерного вращающего
момента дизеля; снижение нагрузок на подшипники и валы ре-
92
дуктора и дизеля, возникающих из-за деформаций корпуса судна;
облегчение центровки при монтаже в связи с тем, что конструк-
ция муфт допускает более широкие пределы аксиальных и ради-
альных смещений осей валов.
Приведем краткие сведения о конструкциях муфт, показанных
на рис. 3.23—3.26. Зубчатые (подвижные) муфты допускают про-
дольное смещение торцов валов без нарушения совпадения гео-
метрических осей последних, радиальное смещение осей (1 —
8 мм) и их небольшой угловой перекос (до 1°). Они не восприни-
мают упора, поэтому их можно устанавливать только между упор-
ным подшипником валопровода и ГД.
,3 I)
Рис. 3.26. Разъединяемая зубчатая муфта: а —муфта вклю-
чена; б — муфта выключена
Муфта состоит из двух зубчатых втулок 2 (рис. 3.23) с наружными зубь-
ями 4, которые закрываются посредством двух соединительных болтов 6 обой-
мами 5 с зубьями, входящими в зацепление с зубьями втулок. Профиль зубьев
эвольвентный с углом зацепления 20°. Во внутреннюю полость муфты залипают
масло для уменьшения трения и износа зубчатого зацепления Для предотвра-
щения вытекания масла предусматривают крышки 3 с мягким уплотнением.
Из муфт с металлическими упругими элементами наиболее распространена
демпфирующая муфта типа «Гейслингер» (рис. 3.24). Упругодемпфирующим
элементом этой муфты служат пакеты плоских пружин 6, соединяющие веду-
щую и ведомую полумуфты. На ведущей полумуфте 1 пакеты пружин 6 уста-
новлены в продольных пазах, а в наружную обечайку 5 ведомой части они
вмонтированы посредством конического кольца 4 и разделительных клиновид-
ных вставок 7, стянутых с торцов дисками 2, 8 и болтами 3.
Полости, в которых размещены пакеты пружин, заполнены маслом, посту-
пающим из масляной системы дизеля через центральное отверстие к ведущей
полумуфте 1. Во время работы масло замедляет деформацию пружин и, сле-
довательно, взаимное перемещение полумуфт, в результате чего уменьшается
амплитуда колебаний передаваемого вращающего момента
Конструкции, представленные на рис 3 25, а, б, имеют хорошие компенси-
рующие и демпфирующие свойства. Муфты подобного типа (эластичные не-
разъемные) способствуют устранению погрешностей монтажа, а также гасят
колебания валопровода; их часто применяют для соединения с валопроводами
ГД, устанавливаемых на амортизаторах. Резинотканевые оболочки этих муфт
могут передавать вращающие моменты до 104 Н-м и работать при изломах
до 3° н поперечных смещениях до 3 мм В валопроводах установок со средне-
оборотными двигателями ставят фланцевые (рис 325, б) и вгулочио-палицевые
муфты.
43
Широкое распространение в судовых ДРУ получили муфты типов «Вул-
кан» п «Спирофлекс» (рис 3 25, в it г). Упругим звеном муфты «Вулкан» слу
жат две резппокордные типы 2, которыми соединены ведущая и ведомая по
лучуфты Шины крепят к полумуфтам посредством болтов, прижимных флан-
цев, диска и втулки-барабана.
Упругое звено муфты «Спнрофлекс» (рис 3.25, а) представляет собой два
упругих резиновых элементов.
Зубчатая разъединяемая муфта (рис 3.26) состоит из двух ступни с губ-
чатыми венцами 2 и 4, первая из которых присоединена к фланцу 1 валопро-
вода, а вторая — к фланцу 5 вала редуктора Ступицы могут быть соединены
втулкой 3 со средним диском и внутренними зубьями, перемещающейся в осе-
вом направлении и постоянно находящейся в зацеплении с зубчатым венцом 2
Из зацепления с губьями венца 4 муфта (через втулку 3} выводится посред-
ством ходовых винтов 6 с пневматическим приводом 7.
Такие подвижные соединительные муфты применяются в ПТУ
для соединения роторов турбин с шестернями зубчатых передач.
Они допускают некоторое радиальное смещение роторов турбин
по отношению к шестерням передачи. Смещение валов может воз-
никнуть в процессе эксплуатации турбоагрегатов вследствие изме-
нения их температуры, деформации судовых фундаментов и из-
носа подшипников.
Соединительно-разобщительные муфты могут быть фрикцион-
ными, шинно-пневматическими, электромагнитными, зубчатыми
с обгонным устройством и других типов. Широкое применение
в СЭУ нашли фрикционные муфты, принцип работы которых ос-
нован на действии сил трения, возникающих между рабочими по-
верхностями ведущего и ведомого звеньев.
Муфта (рис. 3 27) состоит из ведомых дисков 3 с зубьями па наружной
поверхности, входящими в зацепление со шлицами 4 на барабане /, который
смонтирован на ведомой валу, и ведущих дисков 2, закрепленных аналогично
на ведущем валу 7. Число и диаметр дисков зависят от передаваемого двига-
телем момента
Муфта па рисунке показана в разобщенном (выключенном) состоянии.
Для включения муфты необходимо плотно сжать диски; в целях лучшего сцеп-
Основпые достоинства фрикционных муфт заключаются в от-
сутствии в них потерь мощности, а также в возможности распре-
деления передаваемого момента между большим числом дисков,
что повышает надежность работы муфты, Имеются и другие кон-
струкции фрикционных муфт.
94
бан 2 иуф1ы с помощью фланца 1 соединяется с ведущим валом, <; корпус •/
через фланец 6 — - с ведомым вадом 7 Между корпусом и барабаном помещена
полая резиновая шина 5 (двухстенная с многослойным кордом 10, как пока-
зано на рисунке справа) Она закреплена на корпусе и имеет на стороне, обра-
щенной к ободу барабана, фрикционные пластины накладки 3, закрепленные
1 2 3 4
Рис. 3.27. Фрикционная муфта
Рис 3,28. Шинно-ппсвматическая муфта
домому валу. Соединение получается надежным и может быть плавным или
практически мгновенным (в зависимости от давления подаваемого воздуха).
Для разобщения валов воздух из муфты выпускается
Шинно-пневматические муфты не рассчитаны на скольжение,
однако они допускают соединение и разобщение валов при работе
двигателя на пониженной частоте вращения.
Электромагнитная соединительно-разобщительная муфта (рис. 3 29) со
стоит из двух частей- ведущей 2 с катушками возбуждения 1 (индукторами).
95
к которым через контактные Кольца 3 подводится постоянный ток, и ведомой
4 — короткозамкнутого ротора, соединенного с ведомым налом 5
При вращении индуктора возникает вращающееся магнитное
моле, в результате чего в короткозамкнутой обмотке ротора ин-
дуцируется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем, со-
здает вращающий момент, передаваемый ротором ведомому валу.
Частота вращения ведомого вала при полной нагрузке двигателя
примерно на 1,4—1,7% меньше, чем ведущего. Затраты энергии
на возбуждение муфты составляют 1,0—1,5 % передаваемой ею
мощности, а общий КПД таких муфт равен 0,97—0,98.
К достоинствам электромагнитных муфт, конструкции которых
могут отличаться ог рассмотренной, относятся мгновенность дей-
ствия, удобство дистанционного управле-
ния, легкость и простота обслуживания.
Конструктивно соединение двигателя
и редуктора, редуктора и вала может
быть обеспечено установкой между ними
следующих муфт: соединительной упру-
гой муфты; упругой соединительной и
соединительно - разобщительной муфт,
установленных последовательно; одной
муфты (комбинированной), выполняю-
щей одновременно обе функции; эластич-
ной муфты с расположением разобщи-
тельной муфты в редукторе.
Рис. 3.29. Электромаг-
нитная муфта
Пример комбинированной муфты типа «Ву-
лкан» показан на рис. 3.30. В конструкции со-
четаются фрикционный разобщительный элемент
4 и упругое звено. Соединительно-разобщительным элементом являются двух-
копусные фрикционные барабаны 3 и 2. Наружный (ведущий) барабан соеди-
нен с фланцем двигателя, а внутренние (ведомые) 2—с ведомым валом по-
средством упругих резинокордных шин 1. Внутренние конусы перемещаются
в осевом направлении, обеспечивая соединение или разобщение муфт. Сцепление
муфт происходит при подаче сжатого воздуха в полость 5 пневмоцилиндра по
штуцеру 6 и шлангу 7. Полость образована вертикальными и цилиндрическими
соосными поверхностями, выполненными на дисках ведомых конусов. При сни-
жении давления воздуха муфты разъединяются Конструкция таких муфт по
зволяет установить на них автоматические устройства, предохраняющие муф)Ы
от перегрузок.
Гидравлические муфты рассмотрены в разд 3.3 при изложении
устройства гидродинамических передач.
В случае применения многомашинных установок, когда к ре-
дуктору могут подключаться отдельные двигатели и отключаться
от него при работающих остальных, широко используются со-
единительно-разобщительные муфты с обгонным устройством
типа SSS (рис. 3.31).
Муфта состоит из трех частей' полумуфты 2, насаженной на шлицы веду
щего вала 1 и имеющей зубья внутреннего зацепления; скользящей полу-
муфты 4 с внутренней геликоидальной нарезкой, внешними зубьями 7 зацеплс
ния п храповиками 3; ведомой части — проставки 6 с наружной геликоидаль-
96
ной нарезкой, соединенной с фланцем ведомого вала 5. Храповики 3 прижи-
маются к зубьям ведущей полумуфты 2 пружинами 8
Пои подключении ведущего вала 1 к уже вращающемуся (от других двн
гателей) ведомому валу 5 частота вращения второго первоначально будет
Рис. 3.30. Комбинированная муфта типа «Вулкан»
превышать частоту вращения первого. В этом случае храповики обгонного уст-
ройства проскакивают по зубьям яолумуфты 2. С возрастанием частоты вра-
щения двигателя и, следовательно, ведущего вала 1 наступает совпадение ча-
стот вращения валов 1 и 5. Храповики входят в зацепление с зубьями полу-
муфты*^ 2 и возникает момент, приводящий к «навинчиванию» скользящей
4 Заказ № 568 97
полумуфты 4 на проставок 6 ведомого вала 5 до упора (фланца). При этом
с перемещением полумуфты 4 наружу, вправо, храповики выходят ш оцепле-
ния и вместо них вводягси основные зубья 7 подвижной полумуфты 1, после
чего полумуфта 2 через полумуфту 4 и проставок 6 передает полный вращаю-
щий момент от ведущего вала I к ведомому 5. Храповики в муфте установ-
лены так, что при их зацеплении зубья полумуфты 4 оказываются точно про-
тив впадин зацепления полумуфты 2.
В процессе синхронизации и включения муфты храповой механизм пере-
дает момент, необходимый для перемещения цолумуфты 4 вдоль геликоидаль-
ной нарезки После отключения двигателя и замедления вращения ведешего
вала 1 подумуфта 4 выходит из зацепления с полумуфтой 2.
3.7. Параметры и выбор передач и муфг
Некоторые параметры (передаваемые мощности, КПД, сколь-
жение, энсргонасыщенность и т. и.) но ряду передач и муфт были
рассмотрены в предыдущих параграфах этой главы. Здесь при-
ведем обобщенные данные по параметрам и принципы выбора
типа (и размера) передач и муфт.
Как уже отмечались, КПД современных- зубчатых- передач при
полной нагрузке рп. н составляет 98—99 для одноступенчатых
передач и 96—97 % для двухступенчатых, При мастичных нагруз-
ках КПД передач уменьшается в соответствии с приближенной
зависимостью
tin = (1—Nln/Nj) (1 —Ли. н) (П1/П1„)а,
где jVm и TV) — передаваемая мощность при полной и частичной
нагрузках; «щ и п( — частота вращения ведущего вала при пол-
ной и частичной нагрузках.
В целях предварительной оценки массогабаритных характери-
стик выбираемых для данной СЭУ редукторов можно использо-
вать обобщенные зависимости на рис. 3,32—3.34, включающие по-
следние данные о редукторах с передаточным числом 2,65 и 4,07
для дизелей мощностью 3300—9900 кВт при л = 530 об/мин. Более
подробные сведения об этих редукторах приведены в табл. 3.1 —
3.3 в соответствии с рис. 3.35,
В качестве обобщающего параметра — аргумента для построе-
ния графиков принято отношение передаваемой мощности N к ча-
стоте вращения входного вала. В качестве обобщенных показате-
лей редукторов использованы длина L, ширина В и масса G ре-
дуктора, отнесенные к моменту М на входном валу.
Энергетические показатели гидромуфт и гидротрансформато-
ров рассмотрены в разделе 3.3. На рис. 3.36 дополнительно при-
ведена зависимость КПД гидромуфт от степени их заполнения
рабочей жидкостью. Габаритные размеры гидромуфт в основном
определяются наибольшим, или активным, диаметром круга цир-
куляции Да, м, т. е. наибольшего (внешнего) диаметра циркуля-
ционной зоны насосного и турбинного колес:
D. = Кю’МЫр),
где Nk—мощность насосного колеса, кВт (если гидромуфта уста-
новлена сразу после двигателя, то УП = У€); йц — коэффициент
98
и массы (в) судовых одномашинных редукторов с внешним зацеплением
g,£/W ^2 4- — - м/(Н 0,8 \ L— 2^' j-Vs, 1-407 и2,62 „L_l_i=d <Д g)h, \\ ^!(Нн) ^i.^5 ’,2 yW- — 2 " «4| ^0 16 24 0 в 16, 24 Н/п, ^6^4 Л'Д «Stn^a/w^ Рис 3 33 Обобщенные зависимости утельных длины (а), ширины (б) и массы (в) судовых двухмашинных редукторов с внешним зацеп- лением i/S——।—1— ,V/W 4?W ш, \ B/M нг/(Н-к) Л аз —\J7' ‘•’4 g 12 Рис 3 34 Обобщенные зави- симости Для удельных длины (L/M), ширины (В/Л!) и массы (0/Л1) судовых планетарных редуьюроп
4*
99
Таблица 3.7.
Габаритные размеры, мм, одномашинных переборных редукторов
[см. рас. 3.35, al
При < - 2,65
3300; 3850 700 750 1350 750 1050! 450 1300 930 2230 ц 40
4400 750 800 1400 800 1100 475 1400 930 2330 12 53
4950 800 850 1450 840 1140 500 1450 930 2380 15 58
5500 850 900 1500 880 изо 530 1500 940 2440 16 68
6600 900 950 1550 900 1200 560 1500 960 2460 18 72
7700 1000 1060 1650 990 1290 630 1600 1000 2600 23 94
8800 1060 1100 1700 1030 1330 630 1650 1000 2650 26 110
9900 1120 1150 1800 1070 1370 670 1750 1060 2810 30 120
При i = 4,07
3300 850 900 1500 940 1240 530 1500 940 2440 16 68
3850 900 950 1550 980 1280 560 1500 960 2460 18 72
4950 1000 1060 1650 1060 1360 6.40 1600 1000 2600 23 94
5600; 6600 1120 1150 1800 ИЗО 1430 670 1750 1060 2810 30 120
7700; 8800 1250 1250 2000 ГАЧО 1530 710 1900 1150 3050 41 145
9900 1320 1320 2100 1290 1590 710 2000 1200 3200 48 160
Таблица 3.2,
Габаритные размеры, мм, двухмашинных переборных редукторов
Гем, рнс. 3.35, 61
При i = 2,65
3300 1255013740110701 10401 5601 2830 I 820 1 3650 1 26,5 ] 80
3850 2550 3600 1070 1040 800 2860 830 3690 27,5 80
4400 I 2550 3600 11070 I 1040 I 800 2900 I 860 I 3760 29,5 80
4950 ! 2550| 3600 | 10701 1040 I 800 I 2970 | 900 | 3870 | 32,5 | 80
При i — 4,07
3300 3000 4000 1350 1300 900 2820 890 3710 30,5 80
3850 3000 4000 1350 1300 900 2890 950 3840 32,5 80
4400 3000 4000 1350 I3OO 900 3000 1030 4030 36,5 80
4950 3000 4000 1350 1300 900 3080 1080 4160 39,5 80
5500 4500 52UU 1950 1900 1100 3510 750 4260 46,5 125
6600 4500 5200 1950 1900 1100 3600 300 4400 49,5 125
7700 4ЫИ1 5200 1950 1900 КОО 4000 850 4850 56,0 175
8800 4500 5200 1950 1900 КОО 4050 900 4950 60,0 175
9900 4500 Ь200 1950 1900 1100 4160 960 5120 64,5 175
100
Таблиц./ И.З.
Габаритные размеры, мм, планетарных редукторов [см. рнс. 3.35, в|
' При । = 2,65
3300; 3850- 4480 I 2340 [ 2000 I 1000 I 950 I 850 I 640 I 13,0 I 50
4950 2720 ) 2000 1000 950 I 900 770 I 14,5 75
5500; 6600 I 2720 I 2000 I 1000 | 950 | 900 I 770 | 14,5 ! 75
7700; 8800; 9900 | 3220 | 2200 | (150 | 1060 ! (100 | 900 1 20 | 100
При i = 4,07
| 2530 I 2120 | 1060 I 1040 I 950 I 640 I 13,5 | 50
2880 2120 1080 I 1040 1 1050 I 760 18 I 75
I 2880 I 2120 1080 1040 1050 760 I 18 I 75
3460 I 2300 I 1150 [ ИЗО [300 910 I 25 | 100
мощности /для гидромуфт с лопастями, загнутыми назад, можно
принимать Ан~ 1,15, где S— скольжение, %, для муфт с радиаль-
ными лопатками ^ = 0,65); р — плотность жидкости, кг/м3; пк —
частота вращения ведущего вала, об/мин.
Длина гидромуфты ЛГм, м, приближенно
Z.rM = (0,5-r-0,6)Da.
Масса заполненной гидромуфты, т, ориентировочно
С„-0,46Й.
Массу масла G4, т, массу опорожненной гидромуфты G0.r4, т,
можно приближенно определить по формулам
а, « 0,ISO,1’’2; С„ ™ = 0,5iZ>«55.
Активный диаметр круга циркуляции гидротрансформато-
ров ориентировочно может быть определен по зависимости (3.1);
для трансформаторов ПХ k, 1 = 24-5, для трансформаторов ЗХ
*„=5-4-8.
При грубой оценке массогабаритных показателей можно
использовать следующие зависимости удельной длины
мм/(кН-м), и удельного диаметра D/М, мм/(кН-м), гидромуфт
от момента Л), кН-м, при « = 3004-600 об/мин:
L/M = 740М-0’82; DIM = угООМ'1-1-68.
а удельную массу определять по графику на рис. 3.37.
Показатели электропередачи зависят от характеристик входя-
щего в них оборудования: электрогенераторов, электросети и
электродвигателей. Суммарная мощность главных электрогенера-
торов 2АГ, кВт, и приводящих их ГД SAP, кВт, определяется по
формулам
S/Vr = S/V, эд/ПгэдЗДпр; SNe=
где S/Vгэд—суммарная мощность ГЭД, кВт; т)гэд — КПД элек-
101
Рис. 3.35. Габаритные размеры редукторов одномашинных (а), двухма-
шинных с внешним зубчатым зацеплением (б) и планетарных (s)
102
Тродвигателей (пгэд =0,924-0,94 для постоянного тока при Л'ГЭд=-*
= 6004-5000 кВт, г)ГЭд =0,954-0,97 для переменного тока при
/7рэд =10004-4000 кВт и более); т]с — КПД сети (кабельной), т|с =
= 0,984-0,99; т)Пр—КПД выпрямителей или преобразователей ча-
стоты, т|пр = 0,984-0,99; т|Г — КПД электрогенераторов (ijr=
= 0,914-0,95 для постоянного тока при Мг = 3004-2500 кВт и выше,
т)г = 0,954-0,975 для переменного тока при 10004-5000 кВт и
более); r|u — КПД передачи между двигателем и электрогенера-
тором.
Рис. 3 36. Зависимость гидрав-
лического КПД т]РМ гидромуфт
от степени заполнения в
Рис. 3.37. Зависимость удельной
(отнесенной к моменту) массы
гидромуфты от момента М и ча-
стоты вращения п
Массогабаритные характеристики электропередач определя-
ются выбором по каталогам соответствующих электрических
машин и электроаппаратов. При отсутствии необходимого серий-
ного оборудования и приближенной оценке можно воспользо-
ваться следующими зависимостями:
удельная масса G/Д', кг/кВт:
главных электрогенераторов
GrWr = (48004-5200)/^;
ГЭД (при пгэд = 1104-200 об/мин)
G гэд/№ гЭд = (2200 4- 3200)/лГЭд.
Ширина В, м, указанных устройств
Вг —0,84 V'Wr/nr +0,75; Вгэд = 1.2^^гэд^гэд + 0Д
Ориентировочная длина электрогенераторов и электродвигате-
лей, м: £—(0,94-1,3) В — одноякорных, £=(1,24-1,3) В — двухъ-
якорных.
ЮЗ
Для привода электрогенераторов в ДУ на ходовых режимах
целесообразно использовать ГД. Частота вращения ГД па ходо-
вых режимах может изменяться в широком диапазоне (обычно
от 40 до 100% номинальной частоты) и зависит от принятой ско-
рости судна, степени обрастания корпуса, волновой и ветровой
нагрузок. В установках с ВРШ частота вращения ГД может под-
держиваться стабильной изменением угла установки лопастей.
Отклонение частоты вращения ГД от номинального значения при
изменении условий и режимов эксплуатации может быть мини-
мальным. В установках с ВФШ колебания частоты вращения ГД
в условиях эксплуатации могут быть значительными. Сказанное
затрудняет использование на судах валогенераторов переменного
тока.
Для стабилизации частоты вращения электрогенераторов при
изменяющейся частоте вращения ГД применяют тиристорные
стабилизаторы частоты электрогенераторов п редукторы (муль-
типликаторы) с постоянной частотой вращения выходного вала.
Тиристорные стабилизаторы имеют сложную электронную си-
стему управления частотой и пока не получили широкого распро-
странения на судах. Редукторы (для МОД — мультипликаторы)
с постоянной часююй вращения выходного вала выполняют
планетарного типа с гидравлическим или электрическим управле-
нием частотой вращения солнечных шестерен. На рис. 3.38 по-
казана кинематическая схема такого редуктора с гидравлическим
управлением частотой вращения вала солнечных шестерен 5.
Управляющее устройство 3 электронного типа получает сигнал от
информационного датчика частоты вращения 4 и путем переклю-
чения клапанов в гидронасосе 2 изменяет частоту вращения
гидравлического двигателя 1, который через шестерни связан
с эпициклом ведущего вала (6, 7— сателлиты). Ниже при-
ведены значения частоты вращения ведущего п->, ведомого П2
валов и вала солнечных шестерен па (об/мии):
«1 ....... 1100 1200 1250
па ........ 1200 1200 1200
пс ........ 2200 1200 700
Как показывают результаты испытания таких редукторов на
стендах и в судовых условиях, даже при резких колебаниях ча-
стоты вращения вала ГД (от 75 до 104% номинальной частоты)
колебания частоты вращения выходного вала редуктора не пре-
вышают 1 %.
В табл. 3.4 приведены параметры судовых зубчатых передач
с постоянной частотой вращения выходного вала. Как видно, эти
передачи имеют достаточно высокий КПД (94—96 %) и приемле-
мые массогабаритные показатели. Применение их на судах
с МОД позволяет снизить затраты на топливо при производстве
электрической энергии на 20—30 % с использованием более деше-
вых сортов тяжелого топлива. Срок окупаемости передач состав-
ляет 2—3 года.
104
Выбор передачи зависит от многих факторов: назначения, типа
судна и ЭУ, условий плавания и режимов работы СЭУ, мощности
и числа ГД, требований по массогабаритным и экономическим по-
казателям и т. п.
Общие требования к главным судовым передачам следующие:
высокая надежность, высокий КПД на эксплуатационных режи-
мах, минимальная масса и габариты; минимальные затраты па
изготовление, обслуживание и ремонт; доступность для осмотра,
разборки и ремонта в судовых условиях; допустимые уровни
шума и вибрации; приспособленность к автоматизации управле-
Выполнить одновре-
менно все требования,
нередко взаимно проти-
воречивые, практически
невозможно. Кроме того,
к передачам могут
предъявляться и специ-
фические требования, на-
пример по характеру
изменения вращающего
момента и частоты вра-
щения в условиях экс-
плуатации, суммирова-
нию мощностей двигате-
Рис. 3.38 Кинема шческая
схема редуктора с постоян-
ной частотой вращения вы-
ходного вала
Таблица 3.4.
Параметры зубчатых передач с постоянной частотой вращения
выходного вала
Параметры Номинальна» мощность, кВт
500 750 1(100 1400
Масса, кг 2500 3500 4500 6000
Частота вращения выход- ного вала, об/мин 1500 1000 1000 1000
Габариты, м 1.0Х0.85Х XI,37 |,22Х0,93Х 4,65 1,4Х 1.31Х Х2.17 1,6Х1,68Х Х2.65
Удельная масса, кг/кВт 5,0 1,5
КПД передачи 0,94 0,95 0,95 0,96
105
лей многомашинных установок, защите двигателей от динамиче-
ских нагрузок (при плавании во льдах) и т. д.
Для судов морского транспортного флота (танкеров, универ-
сальных сухогрузов, лесовозов, транспортных рефрижераторов
и др.) характерны установившиеся режимы плавания и работы
СЭУ. Наиболее важны для них такие требования, как простота,
высокая надежность и экономичность, компактность. Поэтому на
этих судах чаще всего применяют прямую передачу (СЭУ с
МОД) или механическую передачу (планетарные редукторы —
для ПТУ и ГТУ, переборные редукторы — для СОД).
К передачам судов ледового плавания, рыбопромыслового
флота предъявляются более жесткие требования в отношении
маневренности (из-за частой смены режима работы двигателей),
достижения больших тяговых усилий на пониженных частотах
вращения гребного вала (вплоть до заклинивания), обеспечения
длительных средних и малых ходов и т. п. На таких судах при-
меняют электрические, комбинированные гидромеханические или
электромеханические передачи.
На транспортных судах речного, озерного и смешанного плава-
ния, для которых характерны сравнительно невысокая мощность
установки и ограниченные габариты МО, отдают предпочтение
редукторным передачам.
К ЭУ пассажирских судов предъявляются повышенные требо-
вания по массогабаритным показателям, надежности и маневрен-
ности. Таким требованиям в наибольшей степени удовлетворяют
многовальные редукторные установки. На пассажирских судах
малого и среднего водоизмещения при ограничении по размерам
гребных винтов могут быть использованы установки с дизелями
повышенной и высокой частоты вращения.
Окончательный выбор передачи делают на основе вариантных
расчетов для предварительно принятых компоновок ПУ сопостав-
лением по основным показателям, к которым относятся: общая и
удельная массы главной ЭУ, мощностная насыщенность установки
на единицу длины, площади и объема МО; возможная частота
вращения гребного вала; пропульсивные КПД и КПД передачи;
ресурс установки; удельные расходы топлива и масла; стоимость
ГЭУ; приведенные затраты на ЭУ или судно с определенными
типом и параметрами ЭУ и передачи. При этом должны быть
удовлетворены специфические требования, обусловленные назначе-
нием судна и условиями его эксплуатации.
Предпочтение отдается такому типу передачи, которая обеспе-
чивает минимальные приведенные затраты, удовлетворение специ-
фическим требованиям, серийный выпуск соответствующего обо-
рудования и оптимальные значения большого числа перечислен-
ных выше показателей.
При выборе типа муфты учитывают приведенные выше их до-
стоинства и недостатки. Сравнительно оценить массогабаритные
показатели различных муфт для дизельного агрегата мощностью
1650 кВт при п-375 об/мнн можно на рис. 3.39. Удельная масса
по моменту, кг/'(кН-м), различных муфт лежит в диапазоне;
0,005—0,425— муфты типа «Гейслингер», 0,0083—0,047 — типа
«Вулкан», 0,017—0,04 — упругие муфты типа «Спирофлекс»,
0,012—0,038—шинно-пневматические (следует учитывать также
время их включения 7—15 с и выключения 6—16 с, а также рас-
ход воздуха па одно включение ~1 кг); 0,02—0,060—комбини-
рованные (сочетающие в себе фрикционные разобщительные эле-
менты и упругое соединительное звено) типов «Вулкан» и
«Пневмофлекс», 0,093—0,150 — электромагнитные (их удельная
масса по мощности 1,51—2,46 кг/кВт); 0,10—0,60 — гидромуфты.
Рис 3 40. Высокоэластичная соединительная муфта типа «Спирофлекс» (ха-
рактеристики муфты см. н табл. 3.5)
Таблица 3.5.
Характеристики высокоэластичимх муфт типа «Спирофлекс»
(см. рис. 3.40]
Передавав- мощность, кВт муфты Переда- ваемый момент (при п =530 об/инн). мм L/M ммДкН-ы) D, мм О,'М. мм/(кИ и) Масел муфты
удельнаи, кг/СкНм)
3300 260—N 59,5 490 8,24 1090 18,3 1026 17,3
3850; 4400 4950 280 -N 69,4- 79,3 89,2 525 7,56; 6,62 5,89 1180 17,0, 14,9 13,2 1275 18,4; 16,2 14,3
5500 330—N 99,2 535 5,40 1225 12,3 1400 14,1
6600 350—N 119,0 575 4,84 1350 11,3 1787 15,2
7700 370—N 138,8 605 4,35 1450 10,4 2223 16,1
8800; 9900 390—N 158,7; 178,5 670 4,21; 3,76 1580 9,95; 8,85 2895 18,2; 16,2
107
При этом следует иметь в виду, что чем больше передаваемый
муфтой вращающий момент и частота вращения, тем меньше ее
удельная масса.
В табл. 3.5 приведены характеристики высокоэластичных муфт
типа «Спирофлекс» для дизельных агрегатов с СОД мощностью
3300—9900 кВт при п = 530 об/мин (конструкция муфты показана
на рис. 3.40). Обращает на себя внимание тот факт, что удельная
масса этих муфт для всего диапазона мощностей составляет 14,3—
18,4 кг/(кН-м) и значительно уменьшена в сравнении с однотип-
ными муфтами (которые выпускались ранее и у которых она
равна 17— 40 кг/(кП• м).
Глава 4
СУДОВОЙ ВАЛОПРОВОД
4.1. Назначение, состав
и основные элементы
Валопровод предназначен для передачи вращающего момента
ГД движителю, восприятия осевой силы и передачи сс корпусу
судна с целью обеспечения его движения. От надежной работы
валопровода зависит эффективность и безопасность эксплуатации
судна (особенно одновинтового).
Состав валопровода, его длина и число валовых линий об-
условлены: типом, мощностью и расположением ЭУ; требова-
ниями, предъявляемыми к ЭУ (надежность, маневренность и пр.);
условиями размещения, обслуживания, проведения монтажных и
ремонтных работ.
В состав валопровода входят следующие элементы: валы и их’
соединения, опорные и упорные подшипники, дейдвудные устрой-
шва п переборочные уплотнения, специальные устройства п меха-
низмы, вспомогательное оборудование. При этом, если отдельные
элементы (например, упорный подшипник с упорным валом и пр.)
встроены в ГД, они в состав валопровода не включаются.
На рис. 4.1, а и б дана схема расположения валопровода одяо-
п двухвальных СЭУ. На кормовом конце гребного вала закреплен
гребной винт. На выходе из корпуса судна установлено дейдвуд-
ное устройство, состоящее из дейдвудной трубы, жестко соединен-
ной с корпусом, опорных подшипников и сальниковых уплотнений.
Оно препятствует попаданию забортной воды в МО или в коридор
гребно! о вала.
Длина гребного вала может достигать 30 м. Поскольку по ус-
ловиям металлургического производства невозможно изготовить
цельную заготовку такой длины, ее делят примерно на две равные
части. Носовая часть, проходящая через дейдвудную трубу, на-
зывается дейдвудным валом, а кормовая — гребным валом. Такое
108
сочетание валов характерно для двухпальиых судов с острыми
обводами кормовой оконечности. В этом случае кормовая часть
дейдвудной трубы заканчивается короткой втулкой — мортирой,
в которой размещен опорный подшипник для дейдвудного вала;
гребной вал опирается на подшипник кронштейна.
Гребной и упорный валы соединяются посредством промежу-
точных валов. При выборе их длины для конкретного судна не-
обходимо учитывать следующее: удобство проведения погрузочно-
разгрузочных, сборочных и демонтажных работ; местоположение
опорных подшипников; унификацию заготовок валов, тсхнико-эко-
номическую целесообразность изготовления заготовок и обра-
ботки валов; данные расчета центровки валопровода.
На судах также применяют валопроводы с одним промежуточ-
ным валом (кормовое расположение МО) или без него (малые
109
суда, катера). Промежуточные валы опираются па один пли два
опорных подшипника. Если вал опирается на один подшипник, то
для проведения монтажных работ применяют монтажный под-
шипник.
Упорный вал соединяется с промежуточными валами через
фланец одного из валов, изготовленный с припуском (обрабаты-
вается по замерам на месте), или через проставочный вал. Такое
соединение позволяет компенсировать неточности корпусных кон-
струкций, облегчить монтажные и ремонтные работы, унифициро-
вать заготовки промежуточных валов. Кроме того, проставочный
вал проектируют как слабое звено, которое может выйти из строя
при ударе гребного винта о лед или в другом случае перегрузки
валопровода.
Упорный вал предназначен для восприятия реакции упора
двигателя и передачи ее корпусу судна через ГУП. В зависимости
от принятой схемы ГУП может быть встроен в ГД, в редуктор или
размещен в отдельном корпусе.
В многовальных установках быстроходных судов кормовые
опорные подшипники промежуточных валов выполняют в виде
опорио-упорных. В этом случае вал называется вспомогательным
упорным (ВУВ). При нормальной эксплуатации работают опор-
ные части подшипника, а при аварии — упорные (например,
в случае поломки одного из ГД). Для возможности движения
судна при работе остальных ГД с жесткой передачей и с целью
снижения потерь в подшипниках валопровода предусмотрено раз-
общение валопровода от движителя через быстроразъемное со-
единение.
Упорные подушки ВУВ имеют значительно меньшую поверх-
ность, так как воспринимают реакцию нагрузки свободно вращаю-
щегося винта. Поэтому во избежание подплавления при нормаль-
ной эксплуатации эти подушки должны быть отведены от упор-
ного гребня на 10—20 мм с помощью червячной передачи,
смонтированной на корпусе подшипника.
Самым коротким валопровод будет при кормовом расположе-
нии МО, либо при центральном пли носовом расположении —
в случае использования электрической передачи. При любом
другом расположении МО и других типах передач длина вало-
провода может достигать 90—100 м. В этих случаях валопровод
прокладывают через грузовые помещения в водонепроницаемом
туннеле от кормовой переборки МО до носовой переборки ахтер-
пика, Туннель защищает валопровод от возможных повреждений
при проведении грузовых работ, однако уменьшает полезный
объем судна и создает неудобства при выполнении грузовых
работ.
Габариты туннеля (коридора гребного вала) должны быть
достаточными для обслуживания и проведения монтажных и
ремонтных работ (свободный проход между поручнями и перебор-
кой туннеля не должен быть меньше 500 мм). В местах выхода
валопровода через кормовую переборку МО, а также через другие
но
водонепроницаемые переборки ставят переборочные водонепро-
ницаемые сальники, Отсеки отделяют водонепроницаемыми
дверями, которые закрываются со стороны МО. Для безопасного
обслуживания вращающегося валопровода его ограждают поруч-
нями. Коридор оборудуют двумя выходами —один в МО, другой
в районе дейдвудпой трубы через специальную вертикальную
шахту на верхнюю палубу.
4.2. Расположение валопровода на судне
Валовой линией валопровода называется прямая, соединяю-
щая центры выходного фланца ГД (редуктора) и диска гребного
винта. Ее положение на судне зависит от расположения движителя
относительно корпуса судна и местонахождения ГД.
Рис. 4 2. Углы уклона и расходи-
мости валовой линии валопрово-
дов симметричной двухвальной
СЭУ-
1. 2 — горизонтальная и вертикальная
валопровода
При усоновке движителя требуется обеспечить определенные
зазоры между движителем и корпусом судна. Это необходимо для
нормальных условий работы ПУ и обеспечения удовлетворитель-
ных вибрационных характеристик.
В зависимости от числа автономных движителей суда бывают
одно-, двух-, трех- и чстырехвальными. Предпочтение отдают
одновальной упаповке, при которой обеспечиваююя высокий про-
111
пульсивный коэффициент и экономическая эффективность, хоро-
шие массогабаритные показатели, простота и удобство в обслужи-
вании.
Применение многовальных установок объясняется следующим:
невозможностью передачи большой мощности одному гребному
винту из-за увеличения его диаметра выше допустимого (контей-
неровозы, суда с горизонтальным способом обработки и с малой
осадкой); обеспечением необходимых маневренных свойств судов
целевого назначения (ледоколы, буксиры, паромы), а также
112
маневренности и управляемости на заднем ходу крупнотоннаж-
ных судов (танкеры и др.); повышением надежности ЭУ (пас-
сажирские суда и пр.).
Условия размещения движителей, ГД и передач приводят к не-
обходимости располагать линии валопроводов под углом к основ-
ной и диаметральной (ДП) плоскостям судна (рис. 4.2). Угол а
между валовой линией валопровода и основной (горизонтальной)
плоскостью называется углом уклона, а угол между валовой
линией валопровода и ДП судна — углом сходимости или рас-
ходимости. Наличие углов аир приводит к уменьшению полез-
ного упора Р, развиваемого винтом, и, следовательно, силы тяги,
равной Pcosacosp, Поэтому рекомендуется выбирать а = 0-=-5°,
0=0+3°
Величина а не должна превышать значения, приведенного
в технических условиях на поставку ГД. При выборе р необ-
ходимо иметь в виду, что местонахождение точки пересечения
линий бортовых валопроводов с ДП судна оказывает влияние на
маневренные свойства судна. Рекомендуется располагать эту
точку в нос от центра вращения судна, а ГУП — как можно ближе
в нос судна на линии валопровода.
В случае несимметричного расположения двухвальных СЭУ
(см. рис. 4.1, б) а и р для валопроводов левого и правого борта
различны, при этом значения их для СЭУ левого борта принима-
ются большими. В установках с тремя и четырьмя валопроводами
113
принимают сочетания аир, обеспечивающие требуемый пропуль-
сивный коэффициент.
Направление вращения винтов выбирают из условий их без-
опасной работы, маневренности и управляемости судна. Направ-
ление вращения гребного винта одновальной установки определя-
ется направленном вращения двигателя. Обычно принято правое
вращение винта, если смотреть на него с кормы. В двухвальных
установках ВФШ вращаются на переднем ходу наружу из верх-
него положения лопасти, благодаря чему уменьшается вероят-
ность повреждения винта и его заклинивания при движении судна
в битом льду. Для одно- и двухвальных судов с ВРШ, направле-
ние вращения которых на переднем и заднем ходу остается не-
изменным, лучшие маневренные свойства достигаются вращением
внутрь из верхнего положения лопасти.
В трех- и четырсхвальных установках бортовые винты враща-
ются наружу. Направление вращения среднего винта трехваль-
ной установки определяется вращением ГД, а средних винтов
четырехвальной установки — по результатам их сравнительных
модельных испытаний.
На ледоколах и паромах иногда устанавливают носовые винты
(рис. 4.3). Опыт эксплуатации ледоколов показал, что при устрой-
стве носовых винтов снижается сопротивление льда движению
ледокола и значительно повышается его скорость. Иногда на
ледоколах ставят два носовых винта.
На рис. 4.4 приведены примеры расположения валопроводов
с движителями, отличными от гребного винта.
4.3. Конструкции основных элементов валопровода
Промежуточные и упорные валы изготовляют из углеродистых
(в основном) и легированных сталей с временным сопротивле-
нием /?»,в не более 800 МПа, а гребные валы — из сталей с R,„B
не более 600 МПа. Конструкции валов приведены на рис. 4.5.
Валы выполняют коваными, Если они передают значитель-
ные вращающие моменты, их изготовляют с внутренним сверле-
нием (для облегчения вала, устранения возможных дефектов
металла, лучших условий термообработки). Внутренние поверхно-
сти валов покрывают двумя слоями сурика и ставят заглушки
(кроме валов ВРШ). Валы диаметром до 150—200 мм часто из-
готовляют из проката.
Длина промежуточных валов в зависимости от диаметра 6—
12 м. В местах установки подшипников и переборочных уплотне-
ний делают шейки. Для удобства монтажа ГУП упорный вал вы-
полняют по возможности коротким.
Гребные и дейдвудные валы должны быть надежно защищены
от контакта с морской водой. Для этой цели применяют об-
лицовку либо по всей длине валов (сплошную), либо только
в районе шеек подшипников кронштейна и дейдвудной трубы (не-
114
сплошную), защищая остальные участки валов стеклоп.тастико-
выми покрытиями на базе эпоксидных смол.
На облицовках делают выточки для лучшего сцепления их
с покрытием, Толщина покрытия зависит от вида вала и условии
эксплуатации. Так, для дейдвудных валов минимальная толщина
покрытия равна 2, а максимальная 3 мм; для гребных валов, на-
ходящихся в воде и воспринимающих ударные нагрузки (ледо-
колы и пр.), она составляет 3—5 мм.
Рис 4 5. Конструкции валов: a — упорного; б — промежуточ-
ного с фланцами; в — промежуточного с конусами для муфт;
г — гребного;
I — облпцовка; 2 — покрытие
Облицовки обычно изготовляют из бронзы марок Бр.ОЮЦ2
(для валов диаметром 300 мм), Бр.О8Н4Ц2 (для гребных валов
диаметром 500 мм на бакаутовых и резиноэбонитовых подшипни-
ках), Бр.О5Ц5С5 (для гребных валов диаметром до 350 мм на
капролоновых, резинометаллических и древесно-текстолитовых
подшипниках). Облицовку гребных валов диаметром 120—150 мм
выполняют из латуни марок ЛЦ40МцЗЖ, ЛЖМц59-1-1, бронзы
марок Бр.А9Мц2Л и Бр.АЭЖЗЛ.
На судах с валами диаметром до 500 мм проходят проверку
биметаллические облицовки с наплавкой па стальные рубашки
нержавеющей стали (толщина слоя 5—6 мм).
Выбор типа соединения валов определяется принятыми схе-
мами валопровода и проведения монтажных работ, условиями его
работы. Тип соединения оказывает влияние на конструкцию валов,
стоимость и трудоемкость изготовления валопровода.
115
Гребной и дейдвудный валы диаметром более 300 мм соеди-
няют посредством глухого конического соединения (рис. 4.6, а),
Его недостатки состоят в сложности конструкции, значительных
материалоемкости и трудоемкости (ручные пригоночные работы).
Рис 4 6. Типы соединений валов, а — глухое коническое:
б — продольно свсртной муфтой:
в — фланцевой полумуфтой
/, з —гребной и промежуточный валы; 2 — фланцевая полумуфта, 4 — кре
полумуфты; 6—шпонка
г — фланцевое:
д — фланцевыми полумуфтами:
1 — полумуфта, 2— вал 3 - шпонка, 4—гайка; 5 —П’тифт;
е — быстроратъемное.
/—вил; 2 — 1<>Яка отжимная; — копинеский болт; 4— гайка; J—<лгсциа.
Ж — бесфланцевое втулочное:
Продольно-свертные муфты (рис. 4.6, б) используют для со-
единения гребных валов диаметром менее 300 мм с цилиндриче-
скими хвостовиками, Нагрузка в соединении передастся силами
трения и с помощью шпонок.
Принятая схема демонтажа и выгрузки валопровода определя-
ется числом валовых линий на судне, которые оказывают влияние
на выбор типа соединения гребного и промежуточного валов, Так,
в одновальных установках гребной и дейдвудный валы выполняют
116
единым валим — гребным. Валы соединяются фланцами или бес-
фланцевыми втулочными муфтами. В кормовой части i ребного
вала имеется конус для посадки движителя. Для выгрузки греб-
ного вала наружу приходится частично демонтировать штевень и
снимать перо руля. Чтобы исключить эти трудоемкие операции,
гребной вал выгружают внутрь судна.
В двухвальпых установках выгрузку валов производят наружу
(поскольку руль не является препятствием), если носовой конец
гребного вала снабжен конусом для насадки полумуфты
(рис. 4.6, в). Нагрузки передаются посредством сил трения на со
Прягаемых конических поверхностях. При значительных контакт-
ных давлениях на поверхностях необходимость в шпонке и гайке
(обеспечивающей сопряжение и удерживающей полумуфту) от-
падает. Для выполнения такого соединения требуются значитель-
ные затраты труда.
Широкое pacnpoeipaneHHC получило фланцевое соединение
валов (рнс. 4.6, г). Выбор этого соединения определяется диамет-
ром вала. При изготовлении фланцев совместно с валом увеличи-
вается материалоемкость заготовки и, чтобы снизить ее, при-
меняют съемные фланцевые полумуфты (рис. 4.6, д). Их изготов-
ляют из тех же марок сталей, что и валы.
В качестве крепежа фланцевых соединений рекомендуется при-
менять цилиндрические болты (работающие на растяжение),
обеспечивающие передачу нагрузки за счет сил трения между
фланцами. Число болтов в соединении составляет 6—12 и опре-
деляется диаметром соединяемых валов. Болты и гайки делают
из сталей марок 35, 40, 45, 35Х, 40Х, ВСт5.
Конические болты, работающие на срез, допускается при-
менять в обоснованных случаях, например, в быстроразъемных
соединениях (рис. 4.6, е). Такие болты имеют нарезку с обоих
конусов. Для разобщения валов нужно отдать гайку и с помощью
отжимной гайки вывести бол г из соединения. Время разобщения
соединения 0,3—0,5 ч.
В валопроводах большой протяженности целесообразно при-
менять подшипники качения вместо подшипников скольжения для
снижения потерь мощности, передаваемой на винт. Использование
подшипников качения определяет тип соединения валов—бес-
фланцевое втулочное (рис. 4.6, ж) или с помощью съемных флан-
цевых полумуфт. Это простое соединение состоит из наружной
втулки с внутренней конической расточкой (1:100) и промежуточ-
ной тонкостенной гильзы с наружной расточкой. Гильзу и втулку
свободно надевают на соединяемые цилиндрические концы валов.
При монтаже соединения в зазор между гильзой и втулкой на-
гнетают масло (под давлением 100 МПа) через каналы, чго при-
водит к увеличению диаметра втулки и уменьшению диаметра
гильзы. Это позволяет перемещать втулку в осевом направлении
гидравлическим домкратом по наружной поверхности гильзы на
расчетную величину. После снятия давления втулка плотно об-
жимает гильзу и концы валов. Нагрузка в соединении передается
117
за счет сил трепня. Упорное kO.ti.uo домкрата фиксируется с по-
мощью проточек на втулке, а перемещение гильзы по валу ограни-
чивается упором. Демонтаж соединения осуществляют в обратном
порядке. В отечественном флоте такое соединение применено на
судах типов «Ленинский комсомол» и «Киргизстан».
Несмотря на простоту, подобный вид соединения валов не
получил широкого применения. Это объясняется необходимостью
высокоточного изготовления элементов из высокопрочных мате-
риалов, применения специальной технологии, не допускающей за-
диров, оснастки, а также значительными габаритными размерами
соединения по диаметру (на 60—70 % больше по сравнению
с валами, что исключает возможность использования такого со-
единения для гребного и дейдвудного валов). Кроме того, немало-
важное значение имеет предубеждение, основывающееся на со-
мнении в надежной работе соединения за счет сил трения. Пред-
полагают, что воздействие вибрации судна, пульсирующего упора,
переменных напряжений и другие экстремальные условия могут
нарушить надежность соединения, работоспособность которого
определяется только силами трения.
Был предложен новый тип бесфланцевого втулочного соедине-
ния (рис. 4.7) с дополнительными элементами — штифтами, зам-
ками и эксцентриками. При нормальных условиях вращающий
момент и реакция упора винта передаются за счет сравнительно
небольших сил трения между гильзой и концами валов. В экстре-
мальных условиях’, когда внешние силы превышают силы трений,
в действие вступают дополнительные элементы, которые воспри-
нимают часть нагрузки и обеспечивают необходимый запас проч-
ности.
Преимуществом бесфланцевого втулочного соединения со
штифтами (рис. 4.7, а) являются сравнительно малые габаритные
размеры и меньшая точность изготовления, Кроме того, не требу-
ется специальной обработки конических поверхностей. Соединение
пригодно и для полых валов с введением в отверстия валов цилин-
дрической вставки, закрепленной двумя штифтами одного раз-
мера. Вставка может быть выполнена как хвостовик одного из
валов,
Штифтовое крепление можно применять для соединения греб-
ного вала с дейдвудным. С этой целью в его состав дополнительно
включают обтекатели и торцевые уплотнители.
Отличительной особенностью соединения, приведенного на
рис. 4.7, в, являются торцевые поверхности валов, выполненные
в виде замков так, что выступы одного из них входят во впадины
Другого. Конфигурация замков определяется условиями эксплуа-
тации: симметричная (7, II), несимметричная {III, IV), воспри-
нимающая реакцию упора {II, IV) или не воспринимающая реак-
цию упора {I, III).
На рис. 4.7, б, соединение с эксцентриком, выполняя роль •
вставки, является силовым элементом, передающим вращающий
момент.
118
Соединение без гильзы представлено па рис. 4.7, г. Оно более
простой конструкции, но сложной технологии изготовления из-за
необходимости трех идентичных конических поверхностей. Вместо
вставки можно применять замок.
Результаты исследований показали преимущество бесфланце-
вых соединений с дополнительными элементами по сравнению
с применяемыми.
Гребной винт закрепляется на гребном валу (рис. 4.8) прп
помощи конического соединения (только для ВФШ) и фланцевого
Рис. 4 7. Бесфланцевое соединение с дополнительными эле-
ментами а — птулочпо-штифтовое'
б — втулочно-эксцентриковое (в — эксцентриситет); в —
втулочно замковое;
г—прессовое соштифтами и вставкой
О © ®
(предпочтительно для ВРШ). Чтобы обеспечить усталостную
прочность вала, переходы от одного сечения к другому выполняют
плавными, поэтому окончание шпоночной канавки имеет ложко-
образную форму. Конусное крепление бывает и бесшпоночным,
в этом случае вращающий момент передается посредством сил
трения между коническими поверхностями соединения. Винт
можно насаживать на конус завертыванием гайки, с помощью
параллельных клиньев, установленных между ступицей и гайкой,
путем подогрева ступицы паром и с помощью гидропресса. Конус
гребного вала выполняют с конусностью не более 1:12 (со шпон-
кой), 1:15 (без шпонки, с концевой гайкой) и 1:50 (без шпонки и
без концевой гайки). Концевую резьбу делают правого исполнения
независимо от направления вращения вала, гайку стопорят для
предотвращения самоотвинчивания. Уплотнительные кольца пре-
дохраняют поверхности конуса вала от воздействия морской воды.
Обтекатель заполняют консервациониой смазкой, а полости его
крепежа заливают цементом.
Н9
Дейдвудное устройство состоит из дейдвудных подшипников,
уплотнений и трубы, гребного (или дейдвудного) вала, систем
смазки и охлаждения и прибора для замера просадки гребного
вала. Классифицируют эти устройства по числу, месту расположе-
ния и типу подшипников (качения и скольжения), на которые
опирается гребной вал: а) с двумя дейдвудными подшипниками;
Рис, 4.8. Крепление гребных винтов: а — фиксированного шага:
I — обтекатель; 2— гайка; 3, 6 — уплотнительные кольца; Г — гребной вант; 5-
б — регулируемого шага.
6-- штанга;
б) с двумя дейдвудными подшипниками и одним выносным
(рис. 4.9); в) с одним лейдвудным подшипником и одним вынос-
ным.
Дейдвудную стальную трубу выполняют литой, литосварной,
кованой н кованосварной. Ее заводят в корпус судна с носа или
с кормы судна и крепят к корпусу сваркой или фланцами на
шпильках.
Подшипники качения в качестве дейдвудных применяются
редко (преимущественно для валов малого диаметра). Обычно
используются подшипники скольжения с неметаллическими и ме-
таллическими вкладышами. Неметаллический подшипник изготов-
ляют, как правило, из бакаута, обладающего хорошими анти-
120
фрикционными свойствами. Этот материал представляет собой
плотную и твердую древесину гваякового дерева (Южная Аме-
рика) с косым переплетением волокон. В связи е дефицитом ба-
каута широко используются его заменшели: древесно-слоистые
пластики, текстолиты, термопластические материалы (капролон,
капрографит), наборы из резинометаллических и резиноэбонито-
вых сегментов.
Дейдвудный подшипник представляет собой латунную или
бронзовую втулку, устанавливаемую в трубе с небольшим натя-
гом и фиксируемую дополнительно. Внутреннюю поверхность
Рис. 4 9. Дейдвудное устройство с двумя дейдвудными подшипниками и одним
выносным (нс показан):
втулки облицовывают бакаутом (рис. 4.10) или его замени |елем
в виде вкладышей сегментной формы. Их набирают по схеме
«бочка» или «ласточкин хвост». Нижние вкладыши из бакаута
имеют торцевое расположение волокон (износостойкость выше),
а верхние — продольное. Чем меньше вкладышей (особенно по
схеме «бочка»), тем прочнее выполнен набор. Неметаллические
подшипники смазываются и охлаждаются забортной водой.
В дейдвудных металлических подшипниках применяют чугун-
ные втулки с заливкой их внутренних поверхностей высокооловян-
ным баббитом и охлаждаемых маслом. Эти подшипники выдер-
живают большие давления: 0,7—10 МПа (против 0,2—0,3 МПа
у неметаллических), что обусловливает их меньшую длину и
отсутствие облицовки гребного вала, так как кольцевой объем
между трубой и валом заполнен маслом.
В связи с применением, масла конструкция должна быть та-
кой, чтобы предотвращались ею утечки и, следовательно, воз-
можная авария подшипников. Таким требованиям отвечают уп-
лотнения типа «Симплекс-компакт» (рис. 4.11). В кормовом
уплотнении установлены три манжеты, две из которых предотвра-
щают попадание забортной воды, а одна — утечки масла; в носо-
121
вом уплотнении предусмотрены две манжеты. Уплотнение осуще-
ствляется по наружной поверхности втулок прижимом манжет
кольцами и под действием давления масла в системе, которое
превышает давление забортной воды па 0,02—0,03 МПа. Наруж-
ная манжета кормового уплотнения прижимается к втулке под
действием гидростатического давления забортной воды. Втулку
Рис. 4 11. Дейдвудпое уплотнение типа
жета:
носового уплотнения крепят к кольцу, состоящему из двух поло-
вин и установленному с натягом на гребном валу. Уплотнения-
этого типа применяют на крупнотоннажных судах с большой
осадкой (танкер «Крым» и др.). Конструкция подшипника крон-
штейна аналогична конструкции дейдвудного подшипника с водя-
ной системой охлаждения и смазки.
Переборочные уплотнения вала, проходящего через водоне-
проницаемые переборки, представляют собой сальник с проса-
ленной пеньковой набивкой (рис. 4.12).
В качестве опорных подшипников валов обычно применяют
подшипники скольжения с индивидуальной смазкой. Масло пода-
ется с помошью фитилей, колец, а также комбинированным спо-
собом — с помощью дисков. Применение фитильной смазки осно-
вано на свойстве капиллярности и принципе сифона. Кольцевая
122
смазка представляет собой циркуляционную смазку без давления.
Кольца бывают свободно висящими и закрепляемыми навалу.
Свободно висящее кольцо вращается за счет сил трения между
ним и валом, а после образования масляного слоя — за счет вяз-
кости масла. Для более равномерного
распределения смазки по длине вкла-
дыша применяют комбинированную си-
стему смазки — фитильно-кольцевую
(рис. 4.13,а). Выбор схемы системы
смазки определяется окружной ско-
ростью шейки вала и вязкостью масла.
Так, фитильная смазка применяется до
скоростей 1,5 м/с, свободно висящие
кольца — при скорости более 0,5 м/с, за-
крепленные кольца — при малых скоро-
стях и большой вязкости. Если окружная
скорость 3—10 м/с, следует использовать
подшипники с дисковой системой смазки
(рис. 4.13,6).
Рис. 1 12 Переборочное уп-
лот ненис:
са; 5 -- вал
Рис. 4 13 Опорный подшипник скольжения:
а —фитильно-кольцевая смазка
1— корпус; 2 — крышка корпуса; 3 - масляная
7 — крышка
б—дисковая смазка:
I — корпус; 2 — смазочаыЯ диск; 3 — крышка
сальника; 4 — манжета; 5 —крышка; б — маело-
улавлнватель; 7 — прибор для измерения иро-
123
Рис, 4.16. Упорный подшипник ка-
чения:
>ышка: 2 — крышка уплотнитель-
3— шарвхоподтипяик; 4 —манжета;
отбойные кольца; 6 — упор-
прокладка; 8 — корпус; У —
;0 — змеевик охлаждения
( Централизованную систему
----1 смазки применяют редко, в ос-
) новиом при больших окруж-
----1 пых скоростях и удельных
давлениях. На валопроводах
диаметром 0,5—0,6 м исполь-
зуют также подшипники каче-
ния с жидкой смазкой
(рис. 4.14).
Главные упорные подшип-
ники обычно выполняют как
одногребспчатые подшипники
скольжения с самоустанавли-
вающимися упорными подушками (рис. 4.15). Эти подшипники
воспринимают значительные упоры. Их смазка индивидуальная
или централизованная (для тяжелонагруженных ГУП). Упорные
подшипники качения (рис. 4.16) применяют редко, в основном для
валов диаметром до 0,3 м и ограниченных упорах.
(24
4.4. Специальные устройства, механизмы
и вспомогательное оборудование валопровода
Специальными устройствами, предназначенными для стопоре-
ния валопроводов, являются валоповоротное, тормозное и стопор-
ное. Два последних устанавливают в случае применения несамо-
тормозного валоповоротного устройства, а также по требованию
заказчика.
Эти устройства должны обеспечивать стопорение валопровода
на максимально возможном ходу судна во время парциальной
работы ГД многовальной установки, а также буксировку судна
со скоростью до 10 уз. Стопорение валопровода должно происхо-
дить на режиме «Стоп».
Выбор типа тормозного устройства определяется диаметром
фланца вала и значением вращающего момента, развиваемого
застопоренным гребным винтом. Например, на двухвинтовых лих-
теровозах типа «Алексей Косыгин» каждая линия валопровода
снабжена тормозным и стопорным устройствами. Тормоз обеспе-
чивает стопорение неработающей валовой линии при скорости
судна до 10 уз и плавании под работающим вторым двигателем
на малых нагрузках. При движении судна только под первым
двигателем на полной нагрузке торможение неработающей вало-
вой линии осуществляется с помощью специально разработан-
ного стопорного устройства.
Валоповоротное устройство предназначено также для прово-
рачивания валопровода на стоянках (рис. 4.17). Это устройство
устанавливают на валопроводе в случае отсутствия его в составе
ГД или главной передачи (например, при электродвижении) и
размещают между ГУП и ГД или главной передачи. Частота вра-
щения при проворачивании составляет 0,3—1,0 об/с, валопово-
ротный механизм приводится в действие асинхронными электро-
двигателями переменного тока. На малотоннажных судах приме-
няются механизмы с ручным приводом с частотой не менее
0,05 об/с. Валоповоротное устройство одновременно используется
для проворачивания ГД. Перед пуском установки устройство от-
ключают и стопорят. Во избежание пуска ГД при включенном
валоповоротном устройстве оно снабжено соответствующей бло-
кировкой.
Тормозное устройство (рис. 4.18) представляет собой простую
бугельную конструкцию, надежную и удобную в эксплуатации,
работающую по принципу сухого механического трения. Тормоз
размещен на фланцевом соединении гребного или дейдвудного
вала с промежуточным. Для обеспечения большого тормозного
момента фланцы, используемые в качестве тормозного диска,
имеют увеличенный диаметр по сравнению с фланцами других
соединений того же валопровода.
Зашита от электрохимической коррозии стальных поверхностей
корпуса судна и пера руля в районе расположения гребного вала,
а также гребного винта, металлической защитной обшивки греб-
125
ного вала и поверхностей дейдвудной трубы достигается установ-
кой протекторов. В зависимости от места расположения цинковые
и алюминиево-магниевые протекторы выполняют в виде двух полу-
колец или отдельных элементов. Первые закрепляют на защитном
кожухе дейдвудной трубы, вторые — так же или на гайках трубы.
Протекторы обоих типов можно устанавливать в районе яблока
ахтерштевня.
К системе электрохимической защиты валопровод подключа-
ется с помощью токосъемного устройства (рис, 4.19), предназна-
ченного для замыкания вращающихся элементов валопровода на
корпус судна и размещаемого на кормовом промежуточном валу.
Рис 4.18 Тормозное устройство:
— гайка тяги; 2 — тяга; 3, 5 — ШТЫрв
ги и бугеля; 4, 8 ~ бугели с голов-
й для штыря и тяги; 5 — фундамент;
7 — фрикционные колодки
Рис. 4 17. Схема валоповоротного
устройства, встроенного в редуктор
ГТЗА:
1 — фланец промежуточного вала; 2, 3—
2-я и 1 я ступени зубчатой передачи
ТВД; 4, 5 —2 я и 1-я ступени червяч-
ной передачи: 5—асинхронный рсВерснэ
ный электроивпгателъ
На судне с двумя гребными валами или более следует преду-
сматривать устройства, препятствующие в случае поломки вы-
ходу гребного вала из дейдвудною сальника, либо другие устрой-
ства, предотвращающие затопление МО в случае потери гребного
вала.
Ограничительное устройство, препятствующее выходу греб-
ного вала из дейдвудного сальника, показано на рис. 4.20. Оно
состоит из двух частей, образующих массивное кольцо, диаметр
которого больше, чем диаметр вала. Устройство устанавливают
на носовом конце гребного (или дейдвудного) вала за фланце-
вым или другим соединением.
С целью увеличения инерции гребных винтов и сглаживания
пиков вращающих моментов па ледоколах и судах активного ле-
дового плавания между промежуточными валами валопровода
можно устанавливать маховики.
Гребные винты с регулируемым шагом в зависимости от типа
силового органа для поворота лопастей — МИШ бывают тидрав~
лическими, электромеханическими, механическими и ручными.
Большинство ВРШ имеет гидравлический МИШ, механический и
126
ручной приводы применяют только для винтов малой мощности.
Механизм изменения шага может быть установлен на линии вало-
провода внутри судна или в ступице винта. Для ВРШ с гидрав-
лическим МИШ поршень и цилиндр чаще всего располагают на
линии валопровода внутри судна (рис. 4.21). Гребной вал имеет
максимальный диаметр 940, минимальный 850 мм, максимальный
диаметр расточки полости составляет 600, минимальный 475 мм.
ВРШ обычно применяют на судах с высокой маневренностью
(буксиры, паромы, траулеры и др.) или в многомашинных уста-
новках для использования полной мощности. В последнее время
их стали устанавливать на ледоколах, где с целью увеличения
махового момента па валопроводах ставят ледовый маховик.
Рис. 4.20. Ограничитель-
ное устройство:
/ — части устройства; 2 —
Смазка, охлаждение н прокачка неметаллических дейдвудных
подшипников осуществляются подачей забортной воды в дейдвуд-
ную трубу от насоса системы охлаждения ГД (резервируемого
пожарным насосом) с последующим сливом за борт (рис. 4.22).
Вода подводится к трубе через водораспределительное кольцо
с целью равномерного распределения воды по всему сечению
трубы и предотвращения вихреобразовачия. В зимнее время
трубу прокачивают подогретой водой либо обогревают паром или
водой, залитой в ахтерпик. Для судов, работающих на мелководье,
в систему вводят фильтр грубой очистки и циклонный сепаратор,
улавливающие взвешенные в воде абразивные частицы. Опорные
подшипники промежуточных валов прокачивают индивидуально.
Подшипник гребного вала охлаждается и смазывается забортной
водой, поступающей из дейдвудной трубы, если есть кожух между
мортирой и кронштейном, а если его нет, то — естественным про-
током или подводом по трубам.
Смазку металлических дейдвудных подшипников уплотнений
типа «Симплекс-компакт» выполняют с естественной и принуди-
127
Рис. 4.23. Схема системы масляной
смазки дейдвудного устройства с уп-
лотнениями «Симплекс-компакт» (ре-
зиновые манжеты):
1 ~ дейдвудиое устройство; 2 — напорные
цистерны; 3 — фонарь; 4 — охладитель;
5 — фильтр; 6 — насос; 7 — стояночная
цистерна
Рис 4 22. Схема системы
смазки, охлаждения и
прокачки подшипников
дсйдвудпого устройства
и охлаждения опорных
лодшишшков промежу-
точных валов:
I — гребной нал; 2 — дейд-
вудная труба; дейдвуд
ные подшипники; 4 — под-
шипники валов; 5 — подо-
греватель; 6 — ГД
гельной циркуляцией масла, посгоянсшо давления ктброго обес-
печивается напорными Штернами. Система прпнудшельной цир-
куляции масла применяется при окружной скорости гребного вала
более 5 м/с и старческом давлении масла в трубе более 0,08 МПа
или когда температура масла в МО больше 40 °C. При плава-
нии судна в балласте повышается давление масла на манжеты
в кормовом уплотнении, что приводит к их преждевременному
старению. Поэтому при разнице между осью валопровода и гру-
зовой ватерлинией более 14 м приме-
няют две цистерны (рис. 4.23), располо-
женные соответственно на 3 м выше гру-
зовой А и балластной Б ватерлиний.
Контрольно-измерительные приборы
валопровода предназначены для заме-
ров: частоты вращения (тахометрами);
температуры элементов валопровода
(термометрами сопротивления и обыч-
ными); просадки гребного и промежу-
точного валов (микрометрами, рис. 4.24);
передаваемого вращающего момента
(торсиометрами, динамометрами).
Для турбинных установок вследствие
постоянства вращающего момента на
установившемся режиме мощность ГД
определяется с высокой степенью точно-
сти измерением угла закручивания вало-
провода. С этой целью используются,
торсиометры, которые по принципу ра-
боты бывают механическими, световыми,
оптическими, электрическими и акусти-
ческими.
Вращающий момент находится из выражения для угла закру-
чивания вала <р, рад;
где М — вращающий момент, Н-м; G— модуль упругости мате-
риала вала, Н/м2; !р — полярный момент инерции сечения вала,
м4; L — длина базового участка вала, м.
Из-за неоднородности материала вала, обусловливающей не-
стабильность значений модуля упругости, формула дает недоста-
точно точные результаты. Поэтому вал предварительно тарируют,
например световым методом. На расстоянии 1,5—2,5 м на нем
устанавливают диски с вертикальной прорезью шириной 1—3 мм
и высотой 20—25 мм каждый (точно один против другого, кота
вал не вращается). За одним из дисков ставят лампу направлен-
ного (на диск) свечения, а за другим — окуляр. При работе вал
будет закручиваться на некоторый угол, н диски сместятся один
относительно другого. Для восприятия светового луча окуляр
3-ikis № Р,Ь8
129
следует переместить в сторону вращения вала. Далее по замерен-
ной частоте вращения вала и вычисленному вращающему моменту
находят мощность.
4.5. Условия работы валопровода
и его КПД
Валопровод кроме усилий от собственной массы и массы
гребного винта (рис, 4.25) подвергается действию нагрузок, оп-
ределяемых гидродинамическими процессами, которые сопровож-
дают работу гребного винта при взаимодействии его с корпусом,
и механическим воздействием корпуса как деформируемой си-
стемы. В связи с этим все нагрузки можно разделить на три
группы: основные, дополнительные и случайные.
Рис. 4 25. Условная геометрическая — жесткая (а) и действительная — упругая
(б) линии валопровода ГТЗА судна «Максим Горький»
Основными нагрузками на валопровод являются собственная
масса валопровода, массы насаженного на него гребного винта
и других закрепленных на валах деталей; вращающий момент
ГД, передаваемый гребному винту; реакция упора гребного винта,
передаваемая валопроводом ГУП.
К дополнительным нагрузкам относятся усилия, возникающие
вследствие работы гребного винта в косом потоке и при качке
судна; гидродинамической и механической неуравновешенности
гребного винта; деформации корпуса судна; неточности монтажа
валопровода.
К случайным нагрузкам относятся удары лопастей гребного
винта о льдины или другие твердые тела.
Собственная масса валопровода, массы гребного винта и дру-
гих закрепленных на валах деталей действуют в одном направле-
нии и являются по отношению к вращающемуся валопроводу пе-
ременной нагрузкой, вызывающей усталостные явления в мате-
риале. Она изменяется по симметрично-переменному циклу
с периодом Т=1/п, где п — частота вращения, об/с.
Вращающий момент, развиваемый ГД, для каждого режима
работы может носить постоянный характер (турбина, электро-
двигатель) или циклический — изменяющийся во времени (ДВС).
130
При работе гребного винта с равным шагом лопастей и по-
стоянной частотой вращения в равномерном поле скоростей воз-
никают гидродинамические силы. Они вызывают постоянный по
величине упор, который совпадает по направлению с осью вра-
щения винта, и постоянный момент относительно этой оси в пер-
пендикулярной к ней плоскости вращения.
В эксплуатации гребной винт, расположенный вблизи корпуса
судна, работает в неравномерном потоке, что обусловливает пе-
риодическое изменение гидродинамических сил, действующих на
каждую лопасть. Теперь эти силы вызывают периодически изме-
няющийся упор и вращающий момент. Направление упора уже
не совпадает с осью вращения винта, а момент действует не
в плоскости вращения винта. Таким образом, на гребной вал дей-
ствуют кроме периодически изменяющегося вращающего момента
и упора еще периодически изменяющиеся поперечные силы и мо-
мент, изгибающие этот вал. Период изменения указанных нагру-
зок равен Т=1/пг, где г—число лопастей гребного винта,
На рис. 4.26 приведены графики, отражающие амплитуды ко-
лебаний гидродинамических нагрузок, возникающих при работе
одновальной СЭУ.
Гребные валы судов, валопроводы которых имеют углы уклона
или сходимости, работают в косом потоке, В этом случае на них
действуют поперечная сила и изгибающий момент, возрастающие
с увеличением значения названных углов. При качке движуще-
гося судна на волнении гребной винт работает в косом потоке,
что вызывает знакопеременную поперечную силу и изгибающий
момент. Эти нагрузки имеют место при неточности изготовления
винта и лопастей, а также при плавании судна в балласте.
Плавание в балласте обусловливает неполное погружение
гребного винта, в связи с чем из-за разницы упора при полном и
частичном погружении лопастей возникает дополнительный изги-
бающий момент от смещения центра приложения упора, который
зависит от степени погружения винта, его диаметра и формы ло-
пастей. Поэтому даже на спокойной воде при входе лопасти в воду
каждый раз возникает ударное напряжение, что нередко приводит
к поломкам гребных винтов и валов, даже при снижении скорости
судна (к концу 1948 г. были заменены гребные валы на 583 судах
типа «Либерти» из 2580. Причем 100 валов внезапно разрушились
в море и аварии сопровождались потерей гребного винта. Имею-
щаяся информация по 93 судам позволила установить, что в 81
случае суда шли в балласте).
В процессе эксплуатации возникает механическая неуравно-
вешенность (дебаланс) гребного винта в результате неравномер-
ной коррозии и эрозии, а также механических повреждений (за-
гибы, выкрашивание кромок лопастей, отломанные части), что
практически не поддается учету. Износ поверхностей лопастей от
истирания считается незначительным. Наибольший дебаланс —
при поломке одной из лопастей, когда механическая и гидродина-
мические неуравновешенности суммируются.
Б*
13!
Под действием массы груза и давления воды происходит де-
формация корпуса судна, Опоры валопровода, жестко связанные
с корпусом, смещаются вслед за деформацией корпуса. В неко-
торых случаях деформация корпуса может привести к расцент-
ровке валопровода. С другой стороны, монтаж валопровода ведут
в пределах заданных значений изломов и смещений, определяю-
щих допустимую расцентровку. Значения их выбирают исходя из
того, чтобы изгибающие напряжения знакопеременного характера
при работе валопровода не превышали 25—35 МПа.
а)
т5'\ А А А
Ч/ V
-25 ‘OU 180 360
Положение грешного Винта,град Положение грешного Винта.,грид
Рис. 4 26. Изменение гидродинамических нагрузок валопровода одновальной ус-
тановки за один оборот гребного винта (% среднего значения): а — вращаю-
щего момента; б — упора; в, г — изгибающего момента в вертикальной и гори- •
зонтальной плоскостях соответственно (% среднего значения вращающего мо-
мента);
----— четырсхлопастной вякг,--------- — ггятилопастней вият
Забортная вода, являясь агрессивной средой, оказывает небла-
гоприятное влияние на усталостную прочность материалов греб-
ных валов. Последние, работая в условиях знакопеременных на-
грузок, разрушаются. Наиболее часто разрушения наблюдаются
в результате фреттинга на конических поверхностях валов под
ступицами гребных винтов.
Усталостную прочность материалов гребных валов повышают
поверхностным пластическим деформированием, устройством
шпоночного паза ложкообразной формы на конусе и др.
Плавание во льдах является характерным режимом работы
ледоколов, буксиров и судов ледового плавания. Удары о лед
можно считать переменными нагрузками, оказывающими влияние
на усталостную прочность валопроводов. Из-за многообразия ле-
довых нагрузок они не поддаются расчету.
Такие нагрузки впервые экспериментально были определены
п огпеавы во время похода ледокола «Леонид Брежнев» к Се-
132
верному полюсу. Опытлые данные свидетельствуют о том, что
имеются два типа нагрузок, различающихся по характеру и ве-
личине, Первые — относительно стабильные гидродинамические
нагрузки при работе винта в свободной воде, вторые — нерегуляр-
ные ледовые нагрузки, особенностью которых являются значи-
тельные переменные составляющие осевой силы, вращающего н
изгибающего моментов. При этом амплитуды переменного вра-
щающего момента превышают в отдельных случаях номинальный
момент ГЭД в 6—10 раз, а амплитуды переменных напряжений
изгиба и суммарный изгибающий момент в гребном вале возра-
стают в 8—15 раз по сравнению с работой в чистой воде. Пере-
менная осевая сила больше полного швартовного упора в 1,5—
2,5 раза, что приводит к явно видимым перекладкам гребня упор-
ного вала в ГУП *.
Тормозящее действие льда вызывает снижение частоты вра-
щения валопровода и возрастание среднего вращающего момента
на нем. Было установлено, что в отдельных случаях средний вра-
щающий момент превышал в 2,0—2,3 раза номинальные значения.
Такие явления кратковременные и снижают частоту вращения
валопровода не более чем на 30—50 %. Полученные результаты
позволили дать рекомендации по необходимому усилению валов
судов этого класса.
При суммировании характеристик усилий, действующих на
валопровод (вращающий и изгибающий моменты, реакция упора
гребного винта), можно констатировать, что они не являются
постоянными, а изменяются за один оборот по несимметричному
циклу, Кроме того, эти усилия также непостоянные при измене-
нии условий эксплуатации (загрузке судна, волнении моря, ре-
жиме нагрузки двига1еля и пр.).
Пульсации вращающего и изгибающего моментов, а также
реакции упора при вращении валопровода могут усиливаться
вследствие резонанса при совпадении собственных частот свобод-
ных колебаний валопровода с частотами возмущающих сил и
приводить к поломке вала. Валопровод может иметь три вида
резонансных колебаний: крутильные, продольные и поперечные из-
гибные, на которые, пользуясь специальной литературой, рассчи-
тывают судовые валопроводы. Крутильные колебания возникают
в основном из-за неравномерности передачи момента от двига-
теля к валопроводу. Причинами возникновения продольных ко-
лебаний являются несовпадение центров тяжести вращающихся
масс с геометрической осью вращения валопроводов и работа
гребных винтов в неравномерном поле скоростей. В случае резо-
нанса этот вид колебаний может привести к сильному износу
дейдвудных подшипников и уплотнений, рабочих шеек и облицо-
* Меркулов В. Л , Тимофеев В. И , Яковлев М. В. Исследование нагрузок
на валопроводах ледоколов и транспортных судов ледового плапанця//Судо-
строепие, 1981, №3, с 22—25.
133
вок гребных винтов. При недостаточной жесткости конструкции
судового фундамента ГУП также могут возникать продольные
колебания валопровода. Они оказывают неблагоприятное влияние
на работу главных передач (могут способствовать интенсивному
изнашиванию зубьев редуктора) и двигателей. Рассчитывать ва-
лопровод на эти колебания следует в случае вероятности дости-
жения ими опасных значений.
Напряжения изгиба, обусловленные поперечными изгибными
колебаниями, определяются теми же факторами, что и напряже-
ния кручения. Расчет на поперечные изгибные колебания явля-
ется необходимым для всех валопроводов.
Направление упора гребных винтов оказывает влияние на ос-
новные усилия и вызываемые ими напряжения в валопроводе.
Если судно движется вперед, то основные усилия вызывают кру-
чение, поперечный и продольный изгибы, если назад — кручение,
растяжение и поперечный изгиб. При той же схеме движения
судна критическая частота вращения по поперечным изгибным
колебаниям валопровода будет соответственно меньше (система
сжимается) и больше (система растягивается).
КПД валопровода определяется зависимостью
Т]вп = Np/Ne'
где NP, Nc —мощности, подведенные к гребному винту и к вало-
проводу. В общем случае Ne' меньше эффективной мощности ГД
на величину потерь в передаче, учитываемых КПД передачи r|u.
Обозначив механические потери мощности (трение в опорных и
упорных подшипниках, переборочных и дейдвудном сальниках)
NM. в, получим
п„п - W- л. .Ун',
Численное значение г)вп определяется мощностью, передавае-
мой гребному винту, числом, конструкцией и схемой системы
смазки опорных и упорного подшипников, усилием затяжки пере-
борочных и дейдвудпого сальников.
Для режима полного хода КПД валопровода составляет
0,97—0,98 и 0,95—0,97. Первый диапазон соответствует коротким
валопроводам, второй — длинным. При этом верхние значения
характерны для установок большей мощности. На долевых ре-
жимах эксплуатации ГД (по винтовой характеристике) п»п изме-
няется в связи с изменением абсолютных и относительных потерь
на преодоление трения в подшипниках и сальниках валопровода.
4.6. Определение
основных размеров валов
Правила Регистра СССР рекомендуют формулу для определе-
ния диаметра dnp, мм, промежуточного вала
dnP > F j/ NJn .
134
Здесь I — коэффициент, зависящий от типа механической уста-
новки и принимаемый 95 — для механических установок с рота-
тивными механизмами или с ДВС, оборудованными гидравличе-
скими или электромагнитными муфтами; 100 — для других типов
механических установок с ДВС; Ne—расчетная мощность па
промежуточном валу, кВт; п — расчетная частота вращения про-
межуточного вала, об/с.
Регистр СССР рекомендует выполнять диаметр упорного вала
выносного подшипника скольжения на расстоянии одного диа-
метра упорного вала в обе стороны от гребня вала, а для подшип-
ников качения в пределах корпуса подшипника — не менее 1,1 dnp.
Расчетный диаметр гребного вала, мм,
<tp> 10» J/ NJn ,
где k—коэффициент, определяемый конструкцией вала. Так,
для участка вала от носовой кромки кормового дейдвудного под-
шипника или кормового кронштейнового подшипника в корму до
ступицы гребного винта или носового торца фланца гребного вала
(но во всех случаях не менее 2,5 dnp) k равен 1,22, если применено
бесшпоночное соединение гребного винта с валом или в случае
соединения винта с фланцем, откованным заодно с валом; 1,26,
если применено шпоночное соединение гребного винта с валом.
Значение А = 1,15 принимается для любого исполнения конструк-
ции вала — его участка от носовой кромки кормового дейдвудного
подшипника или кормового кронштейнового подшипника в пос до
носового торца носового уплотнения дейдвудной трубы.
Значение k увеличивается на 2%, если гребной вал выполнен
с водяной смазкой и без сплошной облицовки. По согласованию
с Регистром СССР допускае>ся уменьшение dip в случае их по-
верхностного упрочнения.
При изготовлении промежуточных, упорных и гребных валов
из сталей с временным сопротивлением ктв>400 МПа их диа-
метр может быть уменьшен. Определяется он по формуле
d, = d |/560/(Лт ъ + 160) ,
где dM—уменьшенный диаметр вала, мм; d— расчетный диа-
метр вала, мм; Rm»— временное сопротивление материала вала,
МПа (RmB^800 МПа для промежуточного и упорного валов,
Лтн^бОО МПа для гребного вала).
Диаметры валов ледоколов и судов с ледовыми усилениями
увеличиваются в соответствии с рекомендациями табл. 4.1. Кроме
того, drp, мм, ледоколов и судов с ледовыми усилениями в районе
кормовых подшипников должны удовлетворять следующему ус-
ловию:
dn > a-yjbsR^R,,, в,
135
где а — коэффициент, равный 10,8 при диаметре ступицы вин-
Tasg0,25D; 11,5 — при диаметре ступицы винта >0,25.0 (D —
диаметр гребного вала); s и b — соответственно наибольшая тол-
щина, мм, и ширина, м, спрямленного цилиндрического сечения
лопасти в расчетном корневом сечении, мм; Rmn— временное со-
противление материала лопасти, МПа; Rmu— верхний предел те-
кучести материала гребного вала, МПа.
Таблица 4.1.
Коэффициент увеличения диаметра вала ледоколов и судов
с^ледовымн усилениями, мм
Вал Ледоколы Суда с ледовыми усилениями
Бортовой Средний УЛА УЛ Л1 л> ЛЗ
Промежуточный и упор- 1,20 1,18 1,15 1,12 1,08 1,04 1,0
Гребной 1,50 1,45 1,30 1,20 1,15 1,08 1,05
При эксплуатации рыбопромысловых судов средова лова вы-
зывают дополнительные нагрузки на гребные валы. Для судов
с кормовым тралением (опирающихся ла дейдвудные подшипники
с водяной смазкой и вращающих ВРШ) йГр рассчитывают как
для судов с ледовыми усилениями категории Л1 (не менее).
При наличии отверстий в валах в соответствии с существую-
щими рекомендациями выполняют диаметр осевого сверления по-
лого вала не более 0,4 наружного диаметра соответствующего
вала и др.
Толщина бронзовой облицовки гребного вала должна быть не
менее, мм,
s=0,03drP + 7,5,
где drp' — диаметр гребного вала под облицовкой, мм. Толщина
облицовки между подшипниками может быть снижена на 25%.
Для соединения фланцев валов применяют плотно пригнан-
ные цилиндрические болты. Диаметр болтов, мм, должен быть не
менее определенного по формуле
de = 0,65 V£р . + 160)/(®Rm б),
где б/Лр — диаметр промежуточного вала, определенный с учетом
ледовых усилений, указанных в табл. 4.1, мм; Rma — временное
сопротивление материала болта, МПа, которое следует принимав
в диапазоне 7?mn^#m6«SU,7RmB, но не более 1000 МПа; i —число
болтов в соединении; D — диаметр центровой окружности соеди-
нительных болтов, мм.
136
Расстояние между серединами смежных подшипников при от-
сутствии в пролете сосредоточенных масс принимают из условия
5,5 у/d^l^d. V d, где I—расстояние между подшипниками, м;
d— диаметр вала между подшипниками, м; X—коэффициент,
равный 14 при п500 об/с и 300 л/п при п>500 об/с (п —но-
минальная частота вращения валопровода).
Учет других условий для расчета элементов валопровода дан
в Правилах Регистра СССР. Расчеты крутильных, продольных и
изгибных колебаний, а также проверочный расчет нагрузок на
подшипники валопровода и изменение их при эксплуатации при-
ведены в специальной литературе,
Глава 5
ТОПЛИВА И МАСЛА,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СЭУ
5.1. Виды, свойства
и характеристики топлив
В энергетических установках морских судов применяют в ос-
новном жидкое нефтяное топливо, являющееся продуктом перера-
ботки сырой нефти. Нефть нагревают при атмосферном давлении
или в вакуумных установках (прямая перегонка), в результате
чего она разделяется на фракции, отличающиеся одна от другой
плотностью. Вначале отделяются легкие дистиллятные фракции,
к которым относятся бензин, керосин и дизельное топливо. За-
тем остаточные нефтепродукты прямой перегонки подвергают
крекингу: нагревают их до 400 °C при высоком давлении и выдер-
живают в присутствии катализаторов. При этом крупные моле-
кулы дробятся и, таким образом, получается дополнительное ко-
личество дистиллятных фракций.
Топлива, применяемые в СЭУ, подразделяют на дистиллятные
и тяжелые, К дистиллятным относят дизельные и газотурбинные
топлива. Тяжелые топлива являются смесями дистиллятных с ос-
таточными топливами. Они имеют повышенную вязкость и под-
разделяются на средневязкие (моторные) н высоковязкие (ма-
зуты). Топлива, применяемые в СЭУ, делят на четыре группы:
— дизельные, относящиеся к категории дистиллятных и со-
стоящие из керосино-газойлевых и солярных фракций нефти;
— моторные, получаемые смешением керосино-газойлевых
фракций с мазутами;
— флотские мазуты, получаемые при прямой перегонке нефти
или смешением остаточных нефтепродуктов с дистиллятными топ-
ливами:
137
— котельные мазуты, представляющие собой остаточный про-
дукт перегонки или крекинга нефти.
Качество жидкого топлива определяется физико-химическими
свойствами: фракционным составом, температурами застывания
и вспышки, плотностью, испаряемостью, содержанием воды и ме-
ханических примесей, наличием сернистых соединений и смоли-
стых веществ, теплотой сгорания и др.
Фракционный состав особое значение имеет для установок
с ДВС. Чем шире диапазон фракций, из которых состоит топливо,
тем хуже оно сгорает и тем сильнее нагарообразование. Кроме
того, фракционный состав оказывает существенное влияние на
пусковые свойства дизелей и на степень изнашивания их тру-
щихся деталей. Для двигателей, работающих большую часть вре-
мени на переменных режимах, необходимо применять топливо
с более узким фракционным составом.
Температура застывания топлива определяет необходимость
его подогрева при использовании. При понижении температуры
в топливе происходят изменения, наиболее важные из которых —
выпадение кристаллов в виде тугоплавких парафиновых углеводо-
родов при температуре помутнения, а при отрицательных темпе-
ратурах— выпадение кристаллов льда из растворенной в топ-
ливе воды. Кроме того, снижается вязкость основной массы
топлива, а при температуре, близкой к температуре застывания,
оно переходит в коллоидное состояние. В СЭУ применяются
топлива, имеющие минусовую и плюсовую температуру засты-
вания.
Понижения температуры застывания на 10—20 °C можно до-
стичь введением депрессорных присадок, которые предотвращают
образование парафиновых структур. В судовых установках обычно
используют топлива с температурой застывания не ниже 10 °C,
хотя в отдельных случаях эта температура бывает и значительно
выше.
Температура вспышки определяет огнеопасность топлива. Чем
выше упругость паров и легче фракционный состав, тем ниже
температура вспышки, т. е. низшая температура, до которой надо
нагреть топливо, чтобы его пары воспламенялись при поднесении
открытого пламени. Согласно Правилам Регистра СССР в СЭУ
применяют топливо с температурой вспышки в закрытом тигле не
ниже 65 °C.
При использовании тяжелых сортов топлива в двигателях их
предварительно подогревают для снижения вязкости. В открытых
системах температура подогрева должна быть ниже температуры
вспышки топлива, цо крайней мере, на 15 °C. В топливных систе-
мах, находящихся под давлением, возможен подогрев до 120—
140 °C, однако не выше температуры термической стабильности
топлива.
В системе СИ вязкость топлива измеряется мм2/с (сСт). Од-
нако в литературе можно встретить и другие единицы изме-
рения.
138
15
20
25
30
40
50
100
Соотношения различных единиц измерений вязкости
1,39 38,9 42,6
1,83 52,5 59,2
2,32 68,8 77,7
2,87 86,9 98,2
3,46 106,7 119,7
4,07 126,0 141,9
5,33 166,7 187,0
662 208,3 233,0
13,16 417,0 465,2
Плотность топлива, кг/м3, составляет: 0,831—0,864 (дизель-
ное), 0,892—0,932 (моторное) до 0,97 (мазуты).
Испаряемость топлива при бункеровке, хранении, подогреве
в процессе топливоподготовки способствует потере легких фрак-
ций и образованию с воздухом взрывоопасных и ядовитых сме-
сей. При одной и той же температуре испаряемость топлива
растет с увеличением в нем легких фракций.
Содержание воды в свободном состоянии и механических при-
месей в топливе считается вредным, так как оказывает сущест-
венное влияние на работу топливной аппаратуры, особенно пре-
цезионных пар, вызывая их коррозию и задиры на поверхности
трения. В поставляемых на суда легких сортах топлив механиче-
ских примесей обычно не содержится, а в тяжелых их количество
(по массе) составляет от 0,1 до 1,5%. Вода в топливе (в неболь-
шом количестве) является катализатором процесса горения. Од-
нако нежелательность ее присутствия в топливе связывают в ос-
новном с агрессивными действиями на поверхности топливной
аппаратуры, что может привести к заклиниванию плунжерных
пар.
В последнее время проводится ряд работ по сжиганию в судо-
вых установках водотопливных эмульсий с целью улучшения
распыливания, интенсификации процесса горения и экономии-
топлива, снижения коксо- и нагарообразования и теплонапряжен-
ности дизеля, уменьшения загрязнений окружающей среды. Водо-
топливные эмульсии готовят путем смешения или гомогенизации,
добиваясь их мелкодисперсности и стойкости.
Большое содержание воды в топливе приводит к заметному
уменьшению теплоты сгорания топлива, а также к опасности по-
явления в холодное время года ледяных пробок в трубопроводах.
Поэтому одно из требований при топливоподготовке—удаление
воды из топлива.
В топливе имеются примеси различных солей и окислов кис-
лот, после сжигания которых образуется минеральный остаток —
зола. Свойство топлива образовывать после сжигания минераль-
ный остаток называют зольностью. Количество золы в топливе
для легких сортов составляет 0,01—0,025%, для тяжелых 0,04—
0,03%.
139
Коррозионная агрессивность топлива характеризуется его кис-
лотностью, которая измеряется в миллиграммах КОН на 100 мл
топлива и составляет для легких сортов 5—10. Тяжелые сорта
топлива (мазуты) обычно не содержат водорастворимых кислот
и щелочей.
Присутствие сернистых соединений в топливе неблагоприятно
для установок всех типов вследствие разрушающего действия
конденсирующихся паров серной кислоты и коррозионного воз-
действия самого топлива. Сернистые соединения в топливе интен-
сифицируют образование нагара и лаковых отложений на деталях
двигателей, что способствует коррозии топливной аппаратуры,
проточных частей турбин и теплообменных поверхностей, а также
изнашиванию трущихся поверхностей.
В зависимости от содержания серы S различают высокосерни-
стые (до 4,5 % S), сернистые (до 1 % S) и малосернистые (до
0,5 % S) топлива. В СЭУ морских судов применяют топливо, со-
держащее 0,2—3,5 % S.
Склонность топлива к нагарообразованию в значительной сте-
пени определяется содержанием в нем смолистых веществ (ас-
фальтосмолистых соединений), количество которых больше у тя-
желых сортов. Во флотских мазутах, например, содержание смо-
листых веществ может достигать 50—60 %.
Теплота сгорания жидких топлив, применяемых в СЭУ, со-
ставляет 40 000—12 500 кДж/кг.
Технические характеристики топлив приведены в табл. 5.1.
В СЭУ судов-метановозов, перевозящих жидкий метан, эконо-
мически выгодно применять газообразное топливо. Температура
метана в цистернах значительно ниже температуры окружающей
среды и вследствие теплонритоков он испаряется, а давление
в цистерне повышается. Испарившуюся часть груза в ряде слу-
чаев целесообразно сжигать, а не отводить в атмосферу или на
повторное ожижение. Количество испаряющегося газа составляет
0,18—0,25 % в сутки от общей грузовместимости, что может в зна-
чительной степени покрыть потребности СЭУ в топливе.
Метан является калорийным топливом, его теплота сгорания
примерно на 20 % выше, чем у жидкого топлива. Для сжигания
метана требуемся и воздуха в 1,2 раза больше (17,25 кг/кг), чем
для сжигания жидкого юплива. Метан имеет очень низкую icm-
пературу вспышки и самовоспламеняется при 595 °C. При кон-
центрации его в воздухе от 5,5 до 15% по объему образуются
взрывоопасные смеси.
В последнее время в связи с энергетическим кризисом возрос
интерес к твердому топливу — каменному углю. Каменный уголь
имеет теплоту сгорания в 1,5—2 раза ниже, чем жидкое топливо,
менее удобен для размещения и приготовления к сжиганию па
судне, механизации транспортировки и дает много отходов. Его,
однако, следует считать перспективным топливом, которое может
использоваться в СЭУ в естественном виде и служить сырьем
для получения синтетического жидкого топлива. С применением
141
140
ЭЭ1ГО£ ЭН -J оСг на» чдэонхо1ги 0,930 0,930 0,970 0,933 0,933 0,940 0,932 0.930
% ’1L30J14»0£ о' О' о’ о © о ©‘ ф ©' ф ©‘
% -П¥Ов sHHBWdaVog о о Отсут- ствует 0,16 Следы » 1.0 1,0
% -уаззк н4» хияэаьиывх -эя эинэжЗоЯоэ о о о 0,02 । 0,03 ф‘ Ф* о ~ ©'
% '«daa он» -гждэПоэ 33t»go чэ 1Л 1О1Л о — сГ 0,86 0,75 0,76 0,8 2,0
ii 8 1 Г 1 1 1 1 1 1 1 1
8 S 8 S д СО ф о ©
8 1 1 1 [ 1 1 1 1 1 [
ежин эн *э0 -О1ГДНХ яохяих -ез а квиэи^эп •dduo ‘нхтпиЭЯ BdKxBddtJHai s 8 S ® S 1 1 1 S 3
зггнчз эн д -кннванхэ -В€ еаЛдвйоилэх 7 7 2 1Л © 2 ~ й 7 7
О I 7 § 7
Топливо моторное для СОД и МОД: ДТ (с государственным Знаком качества) ДТ ДМ Топливо для ГТУ: ТГВК ТГ Мазут: Мэксп М-40 М-100 флотский Ф-12 Ф-5
каменного угля для нужд флота возникнет ряд новых проблем,
связанных не только с его использованием на судне, но и с созда-
нием специальных мест в портах (угольных гаваней) для бунке-
ровки судов углем. Это потребует огромных дополнительных
площадей для портов и значительных капитальных затрат во всех
портах, которые будут посещать суда, работающие на угле.
Дизельное топливо относится к категории легких и отлича-
ется высоким качеством: содержит мало серы, имеет невысокую
кислотность и низкую зольность, в нем нет воды и механических
примесей. Дизельное топливо предпочтительно для быстроходных
ДВС и для ГТД авиационного типа, однако высокая стоимость и
дефицитность ограничивают его применение. В настоящее время
такое топливо используется в быстроходных дизелях как основ-
ное, в СОД, МОД и ГТД— при запуске, работе на частичных ре-
жимах и маневрировании.
Моторное топливо ДТ и дизельный мазут ДМ применяются
для СОД и МОД, хорошо приспособленных для этого топлива.
Однако перед сжиганием в ДУ требуется специальная подго-
товка этих топлив.
Флотский мазут марок Ф-5 и Ф-12 относится к тяжелым топ-
ливам повышенной вязкости и является основным для МОД и
СОД. Содержание серы в нем невысокое.
Топочный мазут М-20, М-40, М-80, относящийся к остаточным
топливам, предназначен в основном для сжигания в топках па-
ровых котлов, Однако в связи с дефицитностью более легких сор-
тов топлива он может использоваться после соответствующей
подготовки, включая обессоливание, в МОД.
Газотурбинное топливо (ГОСТ 10433—75) дистиллятное, за-
медленного коксования разработано для ГТУ и содержит неболь-
шое количество вредных примесей, таких, например, как ванадий,
натрий, калий и др. Газотурбинное топливо используется не
только в ГТД, но также в средне- и малооборотных ДВС.
В судовых ГТУ, таким образом, дизельное топливо использу-
ется при запуске и маневрах, а газотурбинное — на основных ре-
жимах. Применение более тяжелых моторных топлив и мазутов
связано с рядом трудностей из-за их повышенной вязкости и вы-
сокого содержания вредных примесей: серы, соединений ванадия,
натрия, кальция. Последние являются причиной коррозии и отло-
жений в проточной части турбин. Для удаления из топлива нат-
рия и кальция его необходимо промыть пресной горячей водой
(обессолить) с последующей сепарацией. С этой целью ГТУ обо-
рудуют специальной моющей установкой.
Для снижения эксплуатационных затрат в СЭУ используют
в качестве основного топливо тяжелых сортов, которое необхо-
димо подогревать, чтобы его вязкость перед форсунками дизелей
составляла 15—20, а перед форсунками котлов 20—25 мм2/с. На-
пример, моторное топливо ДТ подогревают в цистернах основ-
ного запаса до 35—40, в отстойных до 65—70, в расходных до 50,
перед форсунками до 100—110 °C (мазут 40 — до температур
143
142
соответственно выше на 5—10 °C). Поскольку в аварийных си-
туациях может быть нарушена работа системы подогрева топлива,
для надежности СЭУ, согласно Правилам Регистра СССР, на
судне должен быть запас топлива, которое можно использовать
в элементах СЭУ без подогрева. К таким топливам относятся ди-
стиллятные маловязкис сорта с температурой застывания не
выше —10 °C.
Для котлов применяют дешевые тяжелые сорта топлива — ма-
3yibi марок 40, Ф-12, Ф-5 и др. К качеству этих топлив обычно
предъявляются невысокие требования.
При эксплуатации дизелей в особо холодных районах, где
в зимнее время температура воздуха ниже —30 °C, применяется
дизельное топливо с облегченным фракционным составом марок
ДА (аркп1ческое) и ДЗ (зимнее). Во время обкатки двигателя
наиболее благоприятные условия для приработки поверхностей
трения создаются в случае применения дистиллятных дизельных
топлив, при сгорании которых практически исключается нагаро-
образование, Для ускоренной приработки трущихся деталей в топ-
ливо добавляют специальную присадку (соединения хрома или
алюминия).
В последнее время проявляется устойчивая тенденция к глу-
бокой переработке нефти, п результате которой увеличиваются
дистилляты вторичного происхождения, уменьшается выработка
остаточных топлив и они утяжеляются. Поэтому в перспективе сле-
дует ожидать уменьшения (или прекращения) выработки мотор-
ного топлива ДТ и флотских мазутов и утяжеления состава вы-
соковязких топлив типа ДМ, экспортного и топочного мазута 40.
В настоящее время за рубежом поставляют для бункеровки судов
так называемые сверхтяжелые топлива с вязкостно до 600 мм2/с
при 50 °C (6000с FI при 100 F), имеющие плотность при 15 °C
до 0,99 т/м3.
Для улучшения прокачиваемости топлива в него вводят при-
садки, влияюшие на такие характеристики, как вязкость, способ-
ность к кристаллизации и застыванию, гигроскопичность и за-
грязняемость. В качестве депрессорных присадок, понижающих
температуру застывания топлива, можно использовать различные
высокомолекулярные соединения, в том числе природные. Изве-
стны отечественные присадки «Парадин-20», «Парадин-25», при-
меняемые для дизельного топлива. «Парадип-70», АИ0Х, А504Х,
А804Х—для мазута и других остаточных топлив. При введении
этих присадок снижается температура застывания топлива на
20—30 °C и улучшается его фильтруемость при температуре ниже
температуры помутнения.
Для стабилизации дизельных и остаточных топлив, предотвра-
щения образования в них осадков используют стабилизаторы —
диспергенты. Основные антиокислительные присадки 24М6В,
26ВЧМ, БАФ, ПОДФА и др.
Коррозионная агрессивность топлива может быть снижена
введением специальной присадки. Нейтрализация коррозионного
144
действия на топливную аппаратуру сернистых топлив при повы-
шенных температурах достигается использованием присадок,
предотвращающих образование агрессивных продуктов окисления
углеводородов и сернистых соединений. Такими свойствами обла-
дают присадки для повышения термической стабильности:
амины, аминосульфиды и полимерные диспергенты. Уменьшить
электрохимическую коррозию топлив в присутствии влаги можно
добавкой аминов, фосфорных соединений, фенолов и др.
Воспламеняемость дизельных топлив улучшают с помощью
следующих присадок: алкилнитратов RCH2ONO2, RCH2OHO,
альдегидов RCHO, кетонов RCOR и др. К многофункциональным
присадкам относятся ВНИИНП-101, ВНИИНП-111. Для борьбы
с ванадиевой коррозией применяют гидроокись магния Mg(OH)2
и алюминия А1(ОН)2 в виде коллоидной дисперсии в масле.
5.2. Смазочные масла и присадки
В СЭУ применяются в основном минеральные масла, выраба-
тываемые из нефтепродуктов, которые могут быть дистиллятными,
остаточными или смешанными (компаундированными). В особых
случаях (при высоких температурах и нагрузках), когда масла
на минеральной основе непригодны, можно использовать синте-
тические масла. Они обладают лучшими свойствами, но стоимость
их высокая и поэтому чаще применяют смеси минеральных и син-
тетических масел.
Одним из основных показателей масла является его вязкость,
которая определяет несущую способность масляного клина в под-
шипниках, потери на трение в смазываемых узлах, интенсивность
теплоотвода от деталей двигателей и пр. Вязкость масла в силь-
ной степени зависит от его температуры, Интенсивность измене-
ния вязкости от температуры характеризуется индексом вязко-
сти. Чем ниже интенсивность, тем выше индекс вязкости и тем
большие нагрузки выдерживает масляный слой. В СЭУ применя-
ются в основном масла с индексом вязкости 85—95.
В процессе эксплуатации изменяются физические свойства
масла, в том числе и вязкость. При длительном использовании
масла из него испаряююя легкие фракции, в результате чего вяз-
кость повышается и увеличивается сопротивление в масляном
слое. Попадание топлива в масло резко снижает его вязкость и
ухудшает смазывающие свойства, допустимые нагрузки в узлах
трения снижаются, усиливаются окислительные процессы. Сни-
жение вязкости на 20—25% по сравнению с исходной считается
предельным и в этом случае масло необходимо заменять.
Маслянистость, или липкость, характеризует способность
масла образовывать прочную адсорбированную пленку на поверх-
ности трущихся деталей, Благодаря этому свойству масла исклю-
чаются задиры и обеспечивается минимальный износ узлов тре-
ния. Это особенно важно в тех случаях, когда при изменении ре-
жима работы механизма уменьшается толшипа масляного слоя и
145
возникает граничное трение. Высокой липкостью должны обла-
дать масла, предназначенные для смазки цилиндров поршневых
двигателей и вспомогательных механизмов.
Плотность применяемых в СЭУ масел при 20 °C составляет
892—967 кг/м3, температура застывания 10—25 °C (за исключе-
нием специальных масел для холодильных компрессоров).
Температура вспышки характеризует склонность масла к об-
разованию взрывоопасных смесей с воздухом. Это свойство имеет
особое значение при выборе сорта масла для смазки цилиндров
поршневых компрессоров. Температура вспышки масла значи-
тельно выше температуры вспышки топлива, зависит от марки
масла и лежит в пределах 180—270 °C. При попадании топлива
в масло температура вспышки последнего снижается, В эксплуа-
тации следует постоянно наблюдать за этой величиной. При сни-
жении температуры вспышки циркуляционного масла судовых
дизелей ниже 170 °C его заменяют.
Масло, как и топливо, содержит механические примеси — не-
растворимые вещества органического и неорганического проис-
хождения, которые оказывают влияние на его коксуемость, В про-
цессе эксплуатации количество механических примесей в масле
возрастает, они слипаются между собой, образуя крупнодисперс-
ные включения нерастворимых частиц. Для удаления механиче-
ских примесей масло сепарируют и фильтруют, а количество при-
месей органического происхождения снижают введением диспер-
гирующих присадок.
Кислотность масла характеризуется содержанием в нем орга-
нических и других кислот. Неорганические кислоты оказывают
разрушающее влияние на металлы, органические способствуют по-
вышению липкости масла, а при высоком их содержании увеличи-
ваются нагарообразование и отложение лаков на омываемых де-
талях, повышается агрессивность к металлу. В эксплуатации кис-
лотность смазочного масла под действием кислорода воздуха при
повышенных температурах возрастает.
Кислотность масла регламентируют количеством КОН, кото-
рое необходимо для нейтрализации кислоты, содержащейся
в масле. В процессе эксплуатации кислотность масла устраняют
различными способами. Если минеральное масло не содержит
присадки, его можно промывать горячей пресной водой, подавае-
мой в масляный трубопровод. Можно вводить в масло нейтрали-
зующие присадки, которые придают ему также диспергирующие и
моющие свойства. В естественном состоянии обычные минераль-
ные масла, как остаточные, так и дистиллятные, не отвечают
предъявляемым к ним требованиям.
Кроме кислот в масле содержатся различные соли, окисли и
другие вещества, которые после сжигания в двигателях образуют
золу. Зольность свежего масла колеблется от 0,005 до 0,12%.
При хранении масла на судне оно обводняется, так как в него
попадает пресная вода (из-за отпотевания цистерн) и забортная.
Вода ухудшает свойства масла' снижает несущую способность
146
масляного клина, увеличивает коррозионную активность содержа-
щихся в нем кислот. Воду из масла удаляют сепарированием
с предварительным подогревом до 70—80 °C, Масло, подводимое
к узлам трения, не должно содержать воды более 1 %.
Для улучшения функциональных свойств базовых масел в них
вводят специальные присадки: моющие (детергептно-дисперги-
рующие), антиокислительные, антикоррозионные, противоизнос-
ные и противозадирные, антипенные, вязкостные, депрессаторы
и пр. Для дизельных масел используют преимущественно много-
компонентные композиции присадок.
Присадки к маслам состоят в основном из различных органи-
ческих соединений, в которых наиболее важными элементами яв-
ляются фосфор, барий, хлор, азот, сера, кальций и др. Наиболее
широкое распространение получили кальциевые присадки благо-
даря невысокой стоимости и отсутствию абразивных примесей
при эксплуатации.
Синтетические масла на основе диалкилбензола, сложных эфи-
ров и гликолей, а также фторуглеродистые масла имеют лучшие
эксплуатационные показатели по сравнению с минеральными мас-
лами. У них низкая температура застывания, высокие индекс вяз-
кости и термическая стабильность, небольшая испаряемость,
хорошие противозадирные свойства. Это позволяет использовать
их в качестве многокомпонентных присадок к минеральным мас-
лам, используемым при высоких температурах. Все синтетические
масла обладают термической стабильностью.
Масла, применяемые в СЭУ, подразделяются па группы в за-
висимости от области их применения (табл. 5.2). Например, раз-
личают моторные масла следующих групп: А, Б, В, Г, Д и Е.
Масла группы А применяются в нефорсированпых карбюратор-
ных и дизельных двигателях. Каждая последующая группа масел
используется в двигателях с большей степенью форсировки.
В каждой из групп, в свою очередь, масла разделяются по вяз-
кости.
Марку используемого масла в СЭУ подбирают в каждом кон-
кретном случае в зависимости от марки и качества основного топ-
лива, на котором работает двигатель, а также от степени его
форсировки. Обычно в установке используется несколько марок
масел.
Масло должно нейгрализовывать коррозионно-активные кис-
лоты, выдерживать механические и тепловые нагрузки без ухуд-
шения смазочных свойств, препятствовать непосредственному
контакту металлов в условиях граничного трения, не вступать
в химическое взаимодействие с металлами, обладать консерваци-
онно-защитными свойствами при длительных остановках механиз-
мов, не образовывать стойких эмульсий с водой, не вспениваться
и т. д.
Масла для смазки цилиндропоршневой группы двигателей
должны обладать высокой вязкостью, хорошими моющими и ней-
трализующими свойствами, смазочной способностью и стабильно-
147
Таблица 5.2
Классификация моторных масел (ГОСТ 17779—72)
Группа Марка масла Вязкость при 1004' Тип дизеля Вид топлива
А М-6А М-8А M-IOA 6+0,5 8±0,5 10±0,5 Бензиновый че- тырехтактный Бензин
Б М-6Б М-8Б М-10Б М-12Б М-14Б М-16Б М-20Б UP UP UP UP tip CP LO О ф О* ©' o o'© -H -н +1 +1 +1 +1 +1 Бензиновый че- тырехтактный форсированный Бензин’ или ди- зельное топли- во с содержа- нием серы яо 0,2%
В М-6В М-8В М- 10В М-12В М-14В М-16В М-20В I+I+I+I+WI+ I © © О © © 0 © 1 СП СП СП СП Сп’спСН । Форсированный ВОД
г М-6Г М-8Г М-ЮГ М-12Г М-14Г М-16Г М-20Г 6±0,5 8±0,5 10±0,5 12+0,5 14±0,5 16+0,5 20±0,5 Высокофорсиро- ваниый ВОД Дизельное топли- во с содержа- нием серы до 1%
д М-6Д М-8Д М-ЮД М-12Д М-14Д М-16Д М-20Д 6±0 5 8±0,5 10±0,5 12±0,5 14+0,5 16±0,5 20±0,5 Высокофорсиро- ванный с ма- лым расходом масла -
Е М-6Е М-68 М-10Е М-12Е М-14Е М-16Е М-20Е 6±0,5 8±0,5 Ю±0,5 12±0,5 14±0,5 16±0,5 20±0,5 Высокофорсиро- ванный с лу- брикаторной смазкой Моторное топли- во или нефть с содержанием серы до 3%
на
Стью при повышенных температурах. В случае работы двигателя
на топливе с незначительным содержанием серы в качестве ци-
линдрового может служить минеральное масло без присадок
вязкостью 13—24 мм2/с при 100 °C. При использовании высоко-
сернистых остаточных топлив условия работы цилиндрового масла
значительно ухудшаются. В этом случае применяют высокощелоч-
пые цилиндровые масла, содержащие присадки, которые нейтра-
лизуют образующиеся в цилиндре растворы серной кислоты и
тем самым предохраняют детали двигателя от коррозионного
изнашивания. В МОД при работе па тяжелых топливах ис-
пользуют отечественные цилиндровые масла М16Е30 и
М.16Е60.
К маслам для циркуляционных систем смазки предъявляются
менее жесткие требования, чем к цилиндровым. Качественные
циркуляционные масла для ЛЮД изготовляют из парафинистых
нефтей. Вполне удовлетворительно работают масла без присадок
или с добавкой антиокислигельных и антикоррозионных приса-
док, например отечественное Д11 и зарубежные Шелл Тальпа-30,
Эпергол-ОЕ 175 фирмы «Бритиш петролеум» и др. В последнее
время получили распространение циркуляционные масла много-
целевого назначения с различными присадками, что вызвано
стремлением использовать масло одного сорта для смазки: ГД и
ВД, компрессоров, редукторов. подшипников валопровода и др.
Это позволяет упростить судовые масляные системы. К таким
маслам относятся отечественные с высокими эксплуатационными
свойствами М10Г2ЦС, М10ДЦЛ-20, М14ДЦЛ-20, М16Е60В, ко-
торые значительно превосходят по эффективности широко при-
меняемые масла Моторное Т, М10В2 и не уступают лучшим образ-
цам зарубежных масел аналогичного назначения.
В ПТУ для смазки ГТЗА с низкими удельными нагрузками на
зубья и подшипники применяют турбинные масла ТП-ЗО, с более
высокими нагрузками — масла Ти-46.
Специальное масло для судовых газовых турбин (ГОСТ
10289—79) предназначено для смазки подшипников и коробок
передач ГТД авиационного типа.
Масла типов Т-46 (ГОСТ 32—79) и Тп-46 (ГОСТ 9972—79)
служат для смазки подшипников ГТД тяжелого типа, элементов
зубчатого зацепления и подшипников редукторов, подшипников
утилизационных паровых турбин.
Для смазки воздушных поршневых компрессоров кроме масел
многоцелевого назначения применяют компрессорное КС-19.
5.3. Определение запасов топлива
и смазочного масла
При проектировании СЭУ рассчитывают запасы топлива и
смазочного масла на период автономного плавания судна с целью
определения вместимости цистерн для храпения горюче-смазоч-
ных материалов.
149
Во время бункеровки на судно принимают такое количество
топлива, чтобы его было достаточно для совершения рейса. Из-за
излишнего запаса топлива приходится снижать объем перевози-
мого груза. Согласно Правилам технической эксплуатации СЭУ
запас топлива на судне должен состоять из основного запаса, до-
статочного для совершения полного рейса, и аварийного (штор-
мового). Штормовой запас топлива определяют в проценсах от
основного в зависимости от протяженности рейса: при коротких
рейсах — больше, при длительных—меньше.
На морских транспортных судах основную часть судовых
энергетических запасов составляет топливо, потребителями кото-
рого являются ГД, первичные двигатели СЭС, главные и вспомо-
гательные котлы, а также генераторы инертного газа и устройства
для сжигания мусора.
На ходовых и стояночных режимах работы СЭУ расход топ-
лива различен. Если в составе ЭУ имеется валогенератор или
УТГ, время работы ДГ или вспомогательного ко!ла может быть
сокращено, а на ходовых режимах полностью исключено. Все это
следует учитывать при определении энергетических запасов.
Дополнительные расходы энергии требуются на нефтеналив-
ных судах для подогрева груза и воды для мойки танков, а также
на рефрижераторных судах для охлаждения грузовых трюмов.
Таким образом, количество принимаемого на судно юплива
зависит от дальности плавания, скорости судна и расхода топлива
в единицу времени главной и вспомогательной ЭУ.
Определим запасы топлива на период автономного плавания
судна.
Расход топлива на главные двигатели и котлы. Предусматри-
вается работа этих механизмов как на ходовом, так и на стояноч-
ном режимах. На стояночных режимах возможна работа главных
судовых котлов или главных ДВС и ГТД, соединенных с электро-
генераторами.
Если предположить, что главные механизмы работают только
в ходовом режиме, то суммарный расход топлива для них может
быть подсчитан по формуле
Вг = Вр.
где В'г. х — часовой расход топлива на главные механизмы в рас-
четном ходовом режиме, кг/ч; — общая продолжительность хо-
дового режима за период автономного плавания, ч. Расчетных
ходовых режимов за период автономного плавания может быть
несколько. В этом случае расход топлива следует подсчитать для
каждого из режимов и результаты суммировать.
Главные двигатели и котлы обычно работают на тяжелых сор-
тах топлива, а в режимах пуска, маневрирования и остановки их
переводят на легкое (дизельное) топливо. В этом случае в сум-
марный расход должно быть включено как тяжелое (Вг. т), так и
легкое (Вг. л) топливо:
Вг = Вг т + Вг.л-
150
Расход легкого топлива на ГД принимают равным 10—15%
суммарного расхода. Эта величина зависит от типа двигателя
и вида топлива (в последнее время имеется тенденция к ее умень-
шению).
Расход топлива на судовую электростанцию. Расчет следует
производить только для тех режимов, на которых работают пер-
вичные двигатели (ДВС или ГТД). Если потребность в электро-
энергии обеспечивается валогенератором или УТГ, что характерно
для ходовых режимов, то первичные двигатели не работают и
топливо не расходуется. Расход топлива на работающие двига-
тели определяют исходя из данных таблицы нагрузки СЭС для
различных режимов работы судна, удельных расходов топлива
СЭС и продолжительности каждого из расчетных режимов. За-
грузку двигателей СЭС при расчетах принимают для наиболее
тяжелых условий. Учитывается и необходимость одновременной
работы нескольких двигателей. С целью упрощения расчетов за-
паса топлива можно принимать не расчетную нагрузку СЭС,
а суммарную полную мощность агрегатов СЭС, имеющих привод
от ДВС, ПТУ или ГТД, включение которых в рассматриваемых
режимах предусмотрено таблицей нагрузок СЭС. Первичные дви-
гатели СЭС, как правило, потребляют легкое топливо, однако все
чаще их стали переводить на тяжелое топливо с целью экономии
легкого.
Суммарный расход топлива па двигатели СЭС за период ав-
тономного плавания составит
Вэ = У*, Вц »ТЭ [,
1=1
где В'яг — часовой расход топлива на двигатели СЭС в расчетном
режиме нагрузки, кг/ч; т0<—общая продолжительность работы
двигателей СЭС в расчетном режиме за период автономного пла-
вания, ч; — количество расчетных режимов нагрузки СЭС.
Расход топлива на вспомогательные котлы. Определяют ис-
ходя из паропроизводительности вспомогательных котлов для
каждого из режимов работы и часового расхода топлива, а также
суммарной продолжительности каждого из расчетных режимов
работы за период автономного плавания. Необходимо учитывать,
что если в составе СЭУ на ГД имеется УК. потребности в паре
на ходовых режимах обычно покрываются УК. В случае уста-
новки УК на первичных двигателях СЭС на стояночных режимах
можно и не вводить в действие вспомогательный котел. Поэтому
в каждом случае (для конкретного судна и конкретной установки)
необходимо проанализировать потребности в теплоте и паре и
выбрать соответствующие механизмы для их выработки. Особенно
в больших количествах пар требуется на нефтеналивных, рыбо-
добывающих и пассажирских судах, на которых без специальных
вспомогательных котлов не обойтись.
151
Суммарный расход топлива на вспомогательные котлы за пе-
риод автономного плавания может быть найден из выражения
"к!
Вк = Вк рк I,
где В'кт — часовой расход топлива ла вспомогательные котлы на
расчетном режиме, кг/ч; тк, — продолжительность работы вспо-
могательного котла за период автономного плавания, ч; ик —
число расчетных режимов нагрузки котлов.
Вспомогательный котел в основном должен работать на том
же топливе, что и ГД. Применять специальное тяжелое топливо
для него целесообразно только при высокой паропроизводитель-
ности и в случаях, если ГД работает на относительно дорогих сор-
тах топлива. При этом дешевое котельное топливо следует хра-
нить в отдельных цистернах.
Спецификационный запас основного топлива В, т, па установку
составит
В ~ 10“(В? 4- Bs 4- Вк),
где ki — коэффициент эксплуатационного запаса, 1,05ч-1,15,
его величина может быть уточнена в соответствии с требованиями
технического задания на проектирование судна; &2 — коэффици-
ент, учитывающий дополнительный запас дизельного топлива на
ввод установки в действие, её вывод и маневрирование, kz =
= 0,054-0,15.
Объем цистерн V, м3, для каждого сорта топлива может быть
определен по формуле
V k32B/p,
где k?,— коэффициент загроможденное™ цистерны и наличия
«мертвого запаса», k3= 1,07= 1,1. Под «мертвым запасом» пони-
мают остатки топлива в цистернах запаса, которые не могут быть
удалены топливоперекачивающими насосами: SB — расчетное ко-
личество каждого из видов топлива; р — плотность топлива, т/м3.
Запас топлива для аварийной СЭС определяют отдельно, ис-
ходя из необходимой продолжительности ее работы при полной
мощности и часового расхода топлива. Продолжительность ра-
боты аварийной электростанции (АЭС), определяемая в соответ-
ствии с Правилами Регистра СССР должна быть не менее 36 ч
для пассажирских и промысловых судов и не менее 6 ч для мор-
ских грузовых. Запас топлива для АЭС следует хранив
в специальных цистернах, расположенных вблизи нее.
Основные запасы топлива размещают в цистернах двойного
дна, бортовых и глубоких поперечных. Кроме того, на судне име-
ются вкладные топливные цистерны, установленные в МО (рас-
ходные, отстойные, аварийного запаса). В районе МО вне двой-
ного дна размешают аварийный запас легкого топлива, который
должен быть достаточным для работы ЭУ па потной мощности
не менее чем в течение суток,
U2
Располагают цистерны на судне на соображении остойчиво-
сти, удифферентован, юкнпки безопасности и удобства обслужи-
вания. При этом выполняют требования Регистра СССР, согласно
которым топливные цистерны должны быть защищены от по-
падания прямых солнечных лучей. Прием водяного балласта
в топливные цистерны запрещается во избежание загрязнения
моря нефтепродуктами при их осушспии. Тяжелое топливо, имею-
щее высокую температуру застывания, нс рекомендуется разме-
щать в цистернах двойного дна. Вкладные топливные цистерны
запрещается устанавливать над ГД, постами управления, тра-
пами, а также под главными и вспомогательными котлами. Топ-
ливные цистерны следует отделять коффердамами от служебных
и рефрижераторных помещений, от цистерн запаса масла и воды.
Расход масла в ЭУ неизбежно связан с угаром в двигателях
и утечками в циркуляционных системах смазки, старением цир-
куляционного масла и необходимостью его периодической замены,
потерями масла в линейных системах смазки.
Запас масла транспортного судна может быть определен ис-
ходя из ходового времени <х, ч, времени стоянок /'ст, ч, времени
автономного плавания Тв, сут.
Запас циркуляционного масла для ГД находят из выражения
^?ГД ~^1?ГД^СТГД* + аГД?смГД,?,ГД’
где fej — коэффициент эксплуатационного запаса, fei = l,15; q гд—
часовой расход масла ГД, кг/ч; тГДх— число ГД, работающих
на ходовом режиме; <?смгд—масса сменяемого масла в системе
ГД; тгд— общее число ГД; сгд—число смен масла в системе
ГД, агд = ^/^гд (значение агд должно выражаться целым чис-
лом); Трд—срок службы масла в системе ГД до его замены, ч.
Запас циркуляционного, масла для СЭС. Запас этого масла
Qg, кг, можно определить по аналогичной формуле
Qa ~ х Г ^s^er^s. сг"|- ОаЦси. 3^9,
где <7Э — часовой расход масла для двигателя СЭС, кг/ч; дем. э —
масса сменяемого масла в системе, кг; (Ст = 24Тя—— вре.мя
стоянок, ч; тэ— общее число двигателей СЭС; ms.x, гпэ.ст—
число первичных двигателей СЭС, работающих в ходовом и сто-
яночном режимах; a3~24Ta/7'a — число смен масла в системе
(значение а3 должно выражаться целым числом); Тэ — срок
службы масла до замены, ч.
Запас цилиндрового масла для ГД. Для ГД Огд, кг, может
быть определен по выражению
ОгД = ^1?ГД^х^ГДх,
где <?гд—часовой расход цилиндрового масла ГД, кг, ч.
Запасы масла значительно меньше запасов топлива (5 % всего
запаса топлива). Их хранят в цистернах, находящихся выше двой-
ного дна. От наружной обшивки судна эти цистерны отделены
коффердамами.
153
Глава 6
СИСТЕМЫ СЭУ
6.1. Назначение и классификация
Системы СЭУ объединяют главные и вспомогательные меха-
низмы в единый энергетический комплекс.
Системой СЭУ называется совокупность специализированных
трубопроводов с механизмами, аппаратами, устройствами и при-
борами, предназначенными для выполнения определенных функ-
ций, обеспечивающих нормальную эксплуатацию СЭУ. Иногда ее
называют механической системой (в отличие от общесудовой).
В общем случае в состав системы входят трубопроводы (трубы,
фасонные части, арматура, соединения, компенсаторы), аппа-
раты (очистные, теплообменные, различного назначения), уст-
ройства, емкости (цистерны, баки, баллоны, ящики) и приборы
(манометры, вакуумметры, термометры, расходомеры). К очист-
ным аппаратам относятся фильтры грубой и тонкой очистки,
фильтрационные установки, центробежные и статические сепара-
торы, отделители. Теплообменные аппараты по назначению под-
разделяются на подогреватели, охладители, испарители и кон-
денсаторы.
К аппаратам различного назначения относятся глушители
шума на входе в двигатели и механизмы и выходе из них, ис-
крогасители выпускных газов судовых двигателей, копденсато-
отводчики, дроссельно-увлажнительные и гомогенизаторы.
В конкретную систему может входить только часть перечис-
ленного оборудования.
Системы СЭУ классифицируют по назначению (а значит, и по
рабочей среде): топливные, масляные, водяного охлаждения (за-
бортной и пресной водой), воздушно-газовые (подвода воздуха
для горения топлива, сжатого воздуха, газовыпуска, дымоходы
судовых котлов), конденсатно-питательные и паровые, Паровая
система, например, включает в себя ряд трубопроводов: главного,
отработавшего и вспомогательного пара, продувания котлов, уп-
лотнения и отсоса пара и др.
Системы одного наименования могут отличаться по составу,
если они предназначены для обслуживания различных двигате-
лей. Кроме того, в различных СЭУ некоторые системы могут от-
сутствовать. Например, СЭУ всех типов снабжены системами топ-
ливной, масляной, охлаждения, пускового водуха, воздухоприсм-
ной и газовыпуска. Паросиловые установки, кроме указанных,
оборудуют специальными системами: конденсатно-питательной,
главного пара и др.
154
6.2. Топливные системы
Топливные системы предназначены для приема, хранения, пе-
рекачивания, очистки, подогрева и подачи топлива к двигателям
и котлам, а также для передачи топлива на берег или на другие
суда.
В связи с обширностью выполняемых функций топливная си-
стема может быть подразделена па ряд самостоятельных систем.
Кроме того, часто в СЭУ используют несколько сортов топлива
и в этом случае предусматривают самостоятельные трубопроводы
для каждого из видов топлива, например дизельного, тяжелого,
котельного. Все это усложняет систему.
Приемоперекачивающий трубопровод выполняет следующие
функции: прием топлива с берега или с другого судна; выдача
топлива па берег или на другое судно; размещение топлива по
запасным цистернам; перекачивание топлива между цистернами;
подачу топлива в отстойные или расходные цистерны. Указанные
операции могут осуществляться одновременно с подачей топлива
к двигателям и котлам.
Кроме того, приемоперекачивающий трубопровод имеет и дру-
гое, вспомогательное назначение. Его используют для выравни-
вания крена и дифферента судна при выполнении грузовых опе-
раций и в аварийных ситуациях.
Прием топлива на судно осуществляется с помощью внесудо-
вых средств с береговых или плавучих бункеровочных баз. Для
этого на главной палубе или под нею прокладывают постоянный
трубопровод с приемными отростками, выведенными к обоим бор-
там в специальные приемные станции, отделенные от других по-
мещений. Как правило, приемные станции размещают в средней
части судна вблизи устройства для приема жидких грузов, а на
танкерах — в районе грузовых станций.
Станции приема топлива оборудуют фильтром предваритель-
ной очистки (или грязевой коробкой), измерительным устрой-
ством (нефтсмсром), а также термометрами и манометрами. Топ-
ливо подают на судно по шлангам, плотно соединенным с патруб-
ками системы с помощью специального замка, струбцин или
штуцеров. Топливо может быть принято с любого борта. Время
приема полного запаса топлива не должно превышать 6—10 ч,
а интенсивность приема 50—100 т/ч, в зависимости от водоизме-
щения судна.
В связи с дефицитностью дизельного топлива и трудностями,
возникающими при сжигании тяжелых сортов топлива, в неко-
торых двигателях применяют топливные смеси. Топлива смеши-
вают во время приема их на судно или при эксплуатации СЭУ
с помощью специальной установки.
Принципиальная схема участка приемного трубопровода, выполняющего
функции смешения топлив, представлена на рис. 6.1. В состав участка входят,
смеситель топлив 4, цистерна 1, дозатор 8 присадок, гомогенизатор 6 и соот-
ветствующая арматура. Комплектующее оборудование приемного участка тру-
бопровода может быть скомпоновано в единый функциональный агрегат. Прием
155
топлива предусмотрен по двум патрубкам, один из которых {2) служит для
приема высоковязкого, а другой (5) — маловязкого топлива. Через каждый из
этих патрубков топливо может подаваться в цистерны основного запаса, ми-
нуя смеситель, по трубопроводам 5 и 7. Для смешения маловязкого и высоко-
вязкого топлив их подают одновременно в смеситель, куда вводят и компози-
цию присадок, обладающую способностью диспергировать асфальтоемолистыс
местимыми.
ТррВодроВодьи—бысвко-
Вязкого топлиВо,-----
маловязкого,-нн-при,-
саВкц
Рис. 6.1. Схема участка приемного трубо-
провода для смешения топлив
Топливо, иропюдшее предварительную подготовку, направля-
ется в запасные цистерны для хранения. По назначению разли-
чают следующие судовые
топливохранилища: ци-
стерны основного запаса,
аварийного запаса, отстой-
ные, расходные, перелив-
ные, сточные, грязного топ-
лива и отходов сепарации.
Цистерны основного запаса
обычно располагают в бор-
товых отсеках, в между-
донном пространстве. Об-
щая вместимость цистерн
зависит от дальности пла-
вания и определяется рас-
четом.
Цистерны аварийного
запаса топлива, не требую-
щего подогрева (маловязкого, обычно дизельного), предусматри-
вают на судах неограниченного района плавания и размещают
вне двойного дна в районе МО. Их вместимость должна быть не
менее суточного запаса топлива на ЭУ.
При хранении высоковязкого топлива (особенно типов ДТ
и ДМ) возникают трудности при его перекачивании, связанные
с предварительным подогревом и поддержанием необходимой для
перекачивания вязкости. Подогрев может быть осуществлен
двумя способами, один из которых предусматривает подогрев
топлива в запасных цистернах с помощью установленных в них
паровых змеевиков, которые размещают над днищем цистерны
по всей ее площади.
Второй способ — струпный подогрев, который начали применять в послед-
ние годы (рис. 6.2) Топливо из цистерны 1 принимается тонливоперска-шпаю
1цим насосом 4 через приемное устройство 2, установленное в районе честного
парового подогревателя 3, и прокачивается через автономный паровой теплооб-
менник 5, где оно подогревается до более высокой температуры, а затем снова
полается в эту же цистерну под давлением Для более быстрого подогрева
топлива во всем объеме цистерны топливо подают через патрубки с сопловыми
отверстиями или через специальное сопловое телескопическое устройство 6
с направляющей 7. Сначала это устройство находится в нераздвинутом состо-
янии, а по мере нагревания топлива выдвигаются телескопические трубы, обес-
печивая разогрев топлива во всем объеме цистерны. После подогрева в запас-
156
ной цистерне топливо по телескопическим трубам перекачивают в другие чи
стерны.
По сравнению с подогревом паровыми змеевиками струйный
способ примерно в четыре раза быстрее и с меньшими тепло-
выми потерями. Кроме того, интенсивная циркуляция топлива
предотвращает образование отложений на дне цистерны, что со-
кращает трудозатраты на периодическую очистку цистерн и
уменьшает потери горючей части топлива.
Топливоподготовку осуществляют для улучшения качества
топлива. За период длительного хранения топливо в цистернах
запаса загрязняется и обводняется, что приводит к изменению
Рис 6 2. Система струйного подогрева топлива
его физико-химических свойств. Вода в топливе снижает его ка-
499 чество и способствует коррозии материала цистерн, трубопрово-
дов и топливной аппаратуры двигателей. Кроме того, попадая
I в прецезиОппыс пары топливных насосов высокого давления, она
I вызывает их заклинивание, особенно при использовании дизель-
ного топлива, обладающего слабым смазывающим свойством в от-
личие от мазутов.
Содержание в топливе воды (до 2 %), находящейся в мелко-
дисперсном состоянии, практически не оказывает вредного влияния
на работу дизелей.
Судовые ПТУ менее чувствительны к качеству топлива и допу-
скают сжигание в котельных установках высоковязких топлив (ма-
зутов) с большим содержанием механических примесей и воды,
Для надежной работы топливной аппаратуры двигателей не-
обходимо улучшать качество топлива путем предварительной его
подготовки. Первый этап тоиливоподгоговки осуществляется при
приеме топлива. Затем из цистерн запаса его подают топливопе-
рекачивающим насосом в отстойные цистерны для предваритель-
ной очистки путем отстаивания. При отстаивании на дно цистерны
осаждаются под действием гравитационных сил механические при-
меси и вода, содержащиеся в топливе. Для эффективности отстаи-
вания тяжелых топлив их вязкость понижают путем подогрева:
моторных топлив до 40, мазутов до 50—60 °C. Отстоявшееся топ-
ливо подают на сепарацию — следующий этап топливоподготовки.
157
Сепарация — наиболее распространенный способ очистки топ-
лив от механических примесей и воды. Сепарацией можно удалить
из топлива все металлические частицы размером более 1 мкм, не-
металлические частицы размером 2—3 мкм и значительно снизить
содержание воды (до 0,02 %). Однако сепарация высоковязких
топлив сопровождается потерями горючей части — тяжелых ком-
понентов и асфальтосмолистых веществ (например, при сепарации
мазутов потери топлива могут составлять 3—4%). Это приводит
к повышенному расходу топлива на установку, усложняет ее экс-
плуатацию и требует решения вопроса об использовании в СЭУ
отходов сепарации (шлама).
До 98 % шлама составляет горючая часть топлива, главным
образом асфальтосмолистые вещества. Поэтому на судах приме-
няют гомогенизацию топлива, которая заключается в разрушении
смолистых образований (в виде пленок, желеобразных сгущений,
мазеобразных агломератов, водотоплнвггых эмульсий и др.), при
сепарации переходящих в шлам. Процесс гомогенизации состоит
в гидродинамическом возмущении топливной среды, в результате
которого в ней возникают кавитационные зоны. При кавитации
происходит «захлопывание» кавитационных каверн, сопровож-
дающееся мощными гидравлическими ударами, в результате чего
разрушаются не только желеобразные сгущения, но и твердые
агломераты.
После такой обработки топливо приобретает гомогенный (одно-
родный) и стабильный состав. Смолы равномерно распределяются
в топливной среде, механические примеси дробятся на более мел-
кие частицы и освобождаются от смолистой «шубы», глобулы воды
диспергируются. Кроме того, ликвидация отходов сепарации путем
гомогенизации освобождает от необходимости иметь на судне
большие грязевые цистерны для их хранения.
Гомогенизированное топливо хорошо фильтруется с минималь-
ными потерями горючей части, более полно сгорает и не вызывает
засорения топливной аппаратуры двигателей. Гомогенизация по-
зволяет создавать стойкие водотопливные эмульсии с высоким
содержанием воды в топливе (до 10—18%), которые находят все
большее применение в двигателях и котлах.
В настоящее время на судах широко применяется последовательная очи-
стка топлива от механических примесей и воды в отстойных цистернах в сепа-
раторах (рис 6 3) Из отстойных цистерн 1 И 5 мало- и пмеокопязкого топлива
оно подается в соответствующие сепараторы 2 и 7 для окончательной очистки
после отстаивания. Путь легкого топлива (штриховая линия)- отстойная ци-
стерна / — сепаратор 2— расходная цистерна 3 и далее к двигателю 4 Перед
сепаратором 7 высоковязкого топлива устанавливают подогреватель 6 с целью
поддержания необходимой для сепарации вязкости топлива Подогрел высоко-
вязкого топлива предусматривается также в отстойной 5 и расходной 8 ци-
стернах Из последней топливо направляется к двигателю 9.
Такая классическая система очистки топлив на практике ча-
сто нарушается. На ряде теплоходов, например, не предусматри-
BajoT отстойных цистерн. В этом случае легкое топливо подается
из цистерны запаса в сепаратор на очистку, а затем в расходную
цистерну. Высоковязкое топливо из цистерны запаса через подо-
треватель направляется в сепаратор на очистку и в расходную
цистерну тяжелого топлива. Поскольку очистка топлива сепара-
тором во много раз эффективнее его очистки путем отстаивания
в цистерне, такое решение вполне оправдано. Работа сепараторов
в этих системах предусматривается в режиме пурификацпи, когда
топливо одновременно очищается от механических примесей и
воды, находящейся в свободном состоянии.
Стремление исключить потери горючих составляющих топлива
в сепараторах и создать высокоавтомати шрованную систему топ-
ливоподготовки привело к решению замены сепаратора тяжелого
топлива фильтрационной установкой. Это позволило снизить по-
Рис. 6.3. Схема очистки топлива в отстойных цистернах
и сепараторах
Трубопроводы: ---— высоаовязкого топлива; —--мзло-
вязкого топлива
тери топлива при его очистке примерно вдвое (до 1,5—2,0 % об-
щего расхода топлива на двигатель). Эффективность этой си-
стемы может быть повышена, если после подогревателя установить
гомогенизатор. Тогда путь тяжелого топлива будет следующим:
отстойная цистерна — подогреватель — гомогенизатор —-фильтр —
расходная цистерна.
Такая система будет более эффективной, менее трудоемкой
в обслуживании и позволит снизить капитальные влож'ения при
постройке судна. j
Расходно-топливный трубопровод составляет часть общей топ-
ливной системы СЭУ и служит для подвода топлива из расходных
цистерн к топливным насосам двигателей и котлов. В расходных
цистернах находится отсепарированное и прошедшее топАрвопод-
готовку готовое к использованию топливо. Для каждого сорта топ-
лива рекомендуется устанавливать не. менее двух расходные ци-
стерн. По Правилам Регистра СССР на морских судах со степенью
автоматизации А1 и А2, где предусматривается пополнение рас-
ходных цистерн с местных постов управления, вместимость каждой
из этих цистерн должна обеспечивать работу обслуживаемы.1: ею
потребителей на максимальном режиме не менее 20 ч. Цистерны
должны быть оборудованы быстрозапорным клапаном для прекра-
159
щснпя подачи топлива в трубопровод, управление ьоюрЫм осу-
ществляется как из МО, так и вне его.
Если топливные цистерны размещены в верхней части МО, их
необходимо оборудовать поддонами и устройством для быстрого
опорожнения в междудоппые или переливные цистерны, чтобы не
допустить попадания топлива на механизмы.
Участок расходно-топливного трубопровода ГД показан на рис 6 4. Эта
система приспособлена для работы отдельно на мало- и высоковязком топли-
вах, а также на их смеси в различных пропорциях. Перед запуском ГД система
должна бить заполнена маловязким топливом, не требующим подо!рсва. Топ
ливо из расходных цистерн 1 и 4 через расходомер 3 подается в смесительную
Рис. 6.4. Расходно-топливный трубопровод ДУ:
---- оысоковязкого топлива;---ма.ювяjkoi о то.
Трубопроводы
емкость — цистерну 2. Маловязкос топливо из смесительной цистерны поступает
к топливоподкачивающему насосу 5 и через фильтр 7 тонкой очистки к насо
сам высокого давления 9 и форсункам 10 двигателя, минуя ветвь подогрева-
теля 6. На установившемся режиме работы ГД его можно переводить на вы-
соковязкое топливо. Для этого предварительно подогретое топливо из цп
Стерны 1 через расходомер 3 начинают подавать в смесительную цистерну,
а иодачу маловязкого топлива из цистерны 4 прекращают. По мере увеличения
высоковязкого топлива в смесительной цистерне вязкость смеси растет, и смесь
подается к двигателю через ветвь подогрева с контролем вязкости регулято-
ром 11. Двигатель переходит на высоковязкое топливо. Отсечное топливо от
насосов 9 высокого давления и форсунок 10 ДВС возвращается в смеситель-
ную цистерну по трубопроводу 12 (позицией 8 обозначена подача маловязкоп»
топлива к ДГ, а 14— отвод отстоя топлива из расходных в грязевую цистерну
и из грязевой цистерны 13 на выдачу)
Если двигатель работает па высоковязком топливе, то перед
остановкой (примерно за I ч) его переводят на маловязкое. С этой
целью прекращают подогрев смеси топлива и в смесительную ци-
стерну начинают подавать маловязкое топливо, которое вытесняет
находящуюся там смесь и заполняет весь трубопровод. Это де-
лают постепенно, чтобы снизить температуру топлива в смеси-
160
тельной цистерне и в трубопроводе. Таким образом система подго-
тавливается для возможности выполнения маневров (запуск дви-
гателя, реверсирование).
В установках с ГТД может быть несколько вариантов системы
топливопитания в зависимости от назначения СЭУ и се состава.
При работе на средневязких сортах топлив (газотурбинных по
ГОСТ 10433—75) может быть рекомендована схема, представленная на
рис.6.5, а. Расходная цистерна 1
одновременно поступает магние-
вая антиваиздиевая присадка.
После такой подготовки топливо
подается к ГТД по трубе 7
В фильтре «Скаматик» топливо
очищается с тонкостью отсева
10—20 мкм. Иногда перед ним
устанавливают фильтр грубой
ОЧИСТКИ С ТОНКОСТЬЮ ОЧИСТКИ
60—80 мкм.
Рис 6 5. Система топливопитания ГТУ:
а — подача тяжелого топлива; б — подача
дизельного топлива
При работе на дизельном топливе принимают схему, показанную па
рис. 6.5, б. Дизельное топливо из цистерны 8 подается к двигателю топливо-
подкачивающим насосом 2, в напорную магистраль которого включены- фильтр
грубой очистки 9 (типа ФНТ-125), фильтр тонкой очистки 10 (типа ФНТ-60
или «Скаматик» с тонкостью отсена до б мкм) и фильтр-сепаратор 11 типа
СТ-500.
Схема расходно-топливного трубопровода судовой котельной установки
показана на рис. 6 6. Котельное топливо из цистерн запаса подается в расход-
Рис. 6 6 Схема расходно-топливного тру-
бопровода котельной установки
цые цистерны 8 и 9, откуда оно самотеком поступает к топливному насосу 6.
На приемной магистрали топливного насоса установлен обогреваемый фильтр 7
с ячейками диаметром 0,7 мм. Насос подает топливо к форсункам 1 главного
котла через автоматизированный подогреватель 5 и два щелевых фильтра 4
(с щелью 0,4 мм) и 3 (с щелью 0,25 мм) На обводной магистрали перед
котлом установлен расходомер (нефтемер) 2 Излишки топлива из напорной
6 Зак.13 № 5Ь8 161
магистрали перепускаются в расходную цистерну по трубопроводу 12 Цистерны
8 и 9 оборудованы паровыми подспревателями для предварительного подогрева
Топлива до 40—50 °C. Их подключают к расходному трубопроводу попере
менно. Дальнейший подогрев топлива до температуры 90—120 °C (для полу-
чения необходимой вязкости) осуществляется в автоматизированном подогре-
вателе 5.
Для повышения надежности расходно-топливный трубопровод выполняют
из двух ветвей с дублированием всего комплектующего оборудования (па ри-
сунке показана одна ветвь).
Котел расз аплнвают дизельным топливом, не требующим подогрева, кото-
рое поступает к насосу 6 по специальному трубопроводу 11 из цистерны лег-
кого топлива 10 и затем, минуя подогреватель и фильтры тяжелого топлива,
направляется к форсункам котла (штриховая линия). Перед остановкой котел
переводят на работу на легком топливе, чтобы все трубопроводы, подходящие
к пульту управления и котлу, были заполнены маловязким топливом
Рассмотренные схемы трубопроводов упрощенные и носят прин-
ципиальный характер (на них показаны основные элементы, необ-
ходимые для уяснения работы системы).
В действительности топливные системы значительно сложнее,
имеют дублирующее оборудование и участки трубопроводов, пе-
реключающую арматуру и приборы контроля температур и дав-
лений.
6.3. Масляные системы
Масляные системы предназначены для приема, хранения, пе-
рекачивания, очистки и подачи масла к местам охлаждения и
смазки трущихся деталей механизмов, а также для передачи его
на другие суда и на берег. В зависимости от основного назначе-
ния различают масляные трубопроводы приемоперекачивающий,
циркуляционной смазочной системы, сепарирования масла, дре-
нажный, подогрева масла. Циркуляционные масляные системы
подразделяют, в свою очередь, на напорную, гравитационную и
напорно-гравитационную.
Кроме замкнутых циркуляционных применяют системы линей-
ного типа, в которых масло подается только к объектам смазки
и обратно в систему не возвращается (смазка поверхностей ци-
линдров ДВС и компрессоров). В линейных системах специальное
высоковязкое цилиндровое масло по трубопроводу направляется
к многоплунжерным насосам (лубрикаторам), которые приводятся
в действие от обслуживаемого ими двигателя. Под давлением 5—
8 МПа лубрикаторы подают масло к невозвратным клапанам,
установленным в местах смазки (на цилиндрах).
Основным оборудованием, входящим в масляную систему, яв-
ляются насосы, фильтры, сепараторы, охладители и подогрева-
тели. Применяемые насосы по конструкции бывают шестеренными
(при небольшой подаче) и винтовыми (при большой подаче).
Прием на судно масла, как и топлива, производится по приемо-
перекачивающему трубопроводу закрытым способом (по шлангам)
внесудовыми средствами через наливные палубные втулки или
приемные патрубки, расположенные в станциях приема топлива
и масла. Через эти же патрубки производится выдача масла
162
с судна. Небольшие количесгва масла доставляют на судно в боч-
ках, а затем перекачивают переносным агрегатом в соответствую-
щие цистерны. Цистерны запаса масла изготовляют вкладными и
размещают вдоль бортов или переборок судна в МО на некоторой
высоте от второго дна, чтобы сточно-циркуляционные цистерны
главных механизмов могли заполняться самотеком.
На рис. 6.7 в качестве примера покавана принципиальная схема системы
приема, хранения и подготовки масла (без резервирования оборудования и
трубопроводов). Циркуляционное масло для двигателя принимается через Па-
лубную втулку и фильтр 1 предварительной очистки в запасную цистерну 2,
откуда оно самотеком может заполнять циркуляционную цистерну 3 ГД. Из
Рис 6 7 Принципиальная схема приема, хранения и подго-
товки масла ДУ
предусмотрены подогреватели масла, установленные в цистернах, и внешние
подогреватели 6 и 8 В ГД масло подается главным масляным насосом 5 через
фильтр 4 и подогреватель 6, а затем возвращается н эту же цистерну по спе-
циальному трубопроводу. С помощью сепаратора 7 производится очистка ма-
сла в циркуляционной цистерне с возвратом его в эту же цистерну или ци
стерну 13 сепарированного масла Такая байпасная система очистки позволяет
снизить общий уровень загрязнений масла, находящегося в системе смазки.
Достоинством байпасной системы очистки является возможность приема
сом и подогревателем.
Через фильтр 12 и клапан 9 насосом 10 можно перекачивать масло в ци-
стерну 11 отработавшего масла. Отработавшее масло от вспомогательных дви-
гателей также может быть направлено в эту цистерну или подано на сепара-
Циркуляционное масло ГД и ВД можно смешивать только
в случае использования для них одного сорта масла. Если приме-
163
няются различные сорта масел, должны быть предусмотрены от-
дельные емкости для его хранения
Турбинное масло для газотурбопагиетателей и лубрикаторное
масло хранится в отдельных цистернах запаса, откуда его подают
к потребителям двигателя.
В установках различных типов системы приема, хранения и
подготовки масла принципиально не отличаются. Может меняться
только тип и количество комплектующих механизмов и устройств,
емкостей для хранения свежего и отработавшего масла и т. д.
Очистка масла на судах осуществляется отстаиванием, фильт-
рацией и сепарацией.
Отстаивание масла производится в сточно-циркуляционной ци-
стерне во время стоянок судна. В этом процессе от масла отделя-
ются водные растворы кислот и механические примеси. Хорошие
результаты дает отстаивание масла в течение 24—30 ч при одно-
временном его подогреве до 60—90 °C (в зависимости от сорта).
При подогреве из масла выпариваются влага и легкие фракции
топлива и снижается его вязкость, что ускоряет осаждение меха-
нических частиц. После отстаивания масло сепарируют.
Очистка масла осуществляется с помощью фильтров. Обычно
применяют полнопроточные щелевые фильтры различных кон-
струкций. Для отделения металлических частиц используют маг-
нитные фильтры, улавливающие частицы размером до 1 мкм.
Фильтры грубой очистки (ФГО) отделяют примеси, размер кото-
рых 60—80 мкм и более. Фильтры тонкой очистки (ФТО) отделяют
более мелкие частицы включений в масло: 20—30, если фильтр
полнопроточный, и 5—10 мкм при частичной (до 15%) подаче
масла па фильтрацию.
Правилами Регистра СССР регламентируются требования
к фильтрации масла в СЭУ. В циркуляционных масляных системах
двигателей рекомендуется устанавливать на приемном трубопро-
воде циркуляционных насосов один сеточный ФГО, на нагнетатель-
ном трубопроводе насоса — два параллельных фильтра или один
сдвоенный переключаемый фильтр либо один самоочищающийся
ФТО. На приемном трубопроводе насосов зубчатых передач и
гидравлических муфт ставят магнитный фильтр.
Очистку масла от механических примесей и воды осуществляют
сепарацией. Для этого в состав систем включают сепараторы.
Обычно каждый двигатель укомплектовывают одним сепаратором
масла производительностью 500—1000 л/ч. При мощности ГД бо-
лее 15 МВт производительность сепаратора принимают 1500—
3000 л/ч.
В установках с двигателями большой мощности могут быть два
сепаратора масла, один из которых резервный. Если принят только
один сепаратор масла, то его резервирование предусматривается
сепаратором легкого топлива. Производительность сепаратора вы-
бирают из расчета пропускания через него всего масла, находя-
щегося в сточно-циркуляционной цистерне, за 1—3 ч. Сепарацию
164
масла осуществляют обычно в течение 50—70 % времени ра-
боты ГД.
Наиболее сложные циркуляционные масляные системы имеют
судовые установки с МОД. Обычно они включают несколько са-
мостоятельных систем: напорную — для смазки механизма движе-
ния и для охлаждения поршней; гравитационную—для смазки га-
зотурбонагнетателя; линейную — для смазки цилиндров; напор-
ную— для смазки механиз-
мов привода топливных на-
сосов и системы газорас-
пределения. Последнюю
выполняют отдельной, чтобы
предотвратить попадание
топлива в масло основной
циркуляционной системы.
В напорной масляной
системе (рис. 6.8, а) пре-
дусмотрена циркуляция
масла под давлением, со-
здаваемым главным масля-
ным насосом по замкну-
тому контуру: сточно-цир-
куляционная цистерна —
ФГО — насос — ФТО — мас-
лоохладитель — потреби-
тели — сточно-циркуляци-
оииая система. Давление
масла в системе 0,3—
Рис. 6.8. Принципиальные схемы масляных
систем' а — напорной; б — гравитационной:
0,5 МПа. Напорную си-
стему применяют для
смазки механизмов с высо-
конагруженными парами
трения в ГД и ВД.
На этом рисунке, как и
и на большинстве других
рисунков в этой главе, показана упрощенная схема без резерви-
рования ее элементов.
Гравитационная масляная система (рис. 6.8, б) отличается от
напорной тем, что масло к трущимся деталям поступает из напор-
ной цистерны 9, которая обычно располагается в верхней части
МО на высоте 8—10 м от настила МО. Поэтому и давление масла
в этой системе составляет 0,08—0,01 МПа. Такую систему обычно
имеют ротативные механизмы с «выбегом» ротора при их оста-
новке (ГТД, паровые турбины, газотурбонагнетатели), редукторы,
дейдвудныс подшипники, залитые белым металлом, и др. Для та-
ких механизмов гравитационная масляная система является пред-
почтительной, поскольку при их отключении обычно отключаются
и главные навешенные масляные насосы и прекращается подача
масла, а роторы механизмов продолжают вращаться и их лодшип-
165
никам нужна смазка. Масло подается из напорной цистерны само-
током и его запаса достаточно для работы в течение 5 мин без
пополнения.
В системе предусмотрен аварийный насос 8 с целью поддер-
жания уровня масла в цистерне. Он включается при необходимо-
сти продолжительной (более 5 мин) подачи масла из цистерны
потребителям.
6.4. Системы охлаждения
Системы охлаждения предназначены для отвода теплоты от
различных механизмов, устройств, приборов и рабочих сред в теп-
лообменных аппаратах.
Рабочими средами в СЭУ бывают: забортная и пресная вода,
масло, топливо и воздух.
Вода по сравнению с другими охлаждающими средами имеет
большую теплоемкость и при скорости 0,5—2,5 м/с высокие коэф-
фициенты теплоотдачи Это легкодоступная охлаждающая среда,
которая широко применяется в установках всех типов. Однако
в воде содержатся растворимые соли, микроорганизмы и другие
примеси, которые при нагревании выпадают в осадок. Особенно
много солей и примесей в морской забортной воде, поэтому ес
подогрев в теплообменных аппаратах выше 45 °C нежелателен.
При необходимости нагрева охлаждающей среды выше указан-
ной температуры на судах применяют двухконтурные системы ох-
лаждения с использованием в высокотемпературном контуре дру-
гого теплоносителя, например пресной воды.
Пресная вода допускает нагрев в системах охлаждения при
атмосферном давлении до 80—90 °C, а при повышенном — и более.
Пресная вода, циркулирующая во внутреннем контуре, проходит
предварительную обработку с целью снижения солесодержапия,
жесткости и удаления различных примесей. В нее вводят ингиби-
торы— замедлители коррозии.
В СЭУ наибольшее распространение получили системы охлаж-
дения забортной водой Этой водой охлаждают главные и вспомо-
гательные конденсаторы паровых турбин, охладители пресной воды
ДВС, маслоохладители циркуляционных систем смазки редукто-
ров, ДВС, ТЗА и ГТД, компрессоры, подшипники судового вало-
провода и другие элементы СЭУ.
Атмосферный воздух, применяемый в качестве охлаждающей
среды, имеет теплоемкость по сравнению с водой примерно в че-
тыре раза меньшую, в связи с чем в системах охлаждения требу-
ются его увеличенное количество и подача со скоростью до 10 м/с
и более. Это создает определенные неудобства вследствие повы-
шенного расхода энергии на привод нагнетателей воздуха. По-
этому воздух в качестве охлаждающей среды применяется только
в тех случаях, когда жидкие охлаждающие среды использовать
затруднительно (в электродвигателях и электрогенераторах).
В системах водяного охлаждения забортная вода поступает
через кингстонные ящики. В соответствии с требованиями Реги-
стра СССР в каждом МО должно быть нс менее двух кинююннЫх
ящиков циркуляционной или охлаждающей воды, через которые
можно принять забортную воду при любых условиях эксплуатации
Как правило, один кингстонный ящик размещают в двойном дне,
а другой — у борта. Их оборудуют устройствами для подачи пара
давлением 0,5 МПа, горячей воды и сжатого воздуха (р = 0,ЗМПа),
Применяемых для подогрева воды в ящиках и для продувания при-
емных решеток. Кроме того, в верхней части кингстонного ящика
предусматривается трубопровод для отвода воздуха, попавшего
вместе с водой.
Иа судах ледового плавания прием забортной воды в систему
охлаждения осуществляют через ледовые ящики. Попадающие
в ящик вместе с водой частички льда (шуга) всплывают наверх.
Приемный кингстон установлен в нижней части ящика, обеспечи-
вая тем самым падежный прием воды. Для растапливания части-
чек льда, попавших в ледовый ящик, к нему подводят по рецир-
куляционному трубопроводу часть подогретой воды из системы
охлаждения.
Отвод охлаждающей воды за борт осуществляется через невоз-
вратно-запорные клапаны. Для того чтобы нагретая вода в си-
стеме охлаждения при отводе не попадала в приемные отверстия,
последние располагают в нос от отливныд.
Наиболее сложные системы охлаждения в ДУ, обычно двух-
контурныс (пресной и забортной водой). Отдельные узлы ГД ох-
лаждаются маслом и топливом. В зависимости от рода жидкости,
охлаждающей цилиндры, поршни и форсунки двигателя, различают
следующие системы: с охлаждением цилиндров, поршней и фор-
сунок пресной водой; с охлаждением цилиндров и форсунок прес-
ной водой, а поршней — маслом; с охлаждением цилиндров прес-
ной водой, поршней — маслом, а форсунок—топливом.
В этих системах охлаждение пресной воды и масла осущест-
вляется забортной водой в водо- и маслоохладителях. Темпера-
тура забортной воды на выходе не должна превышать 55 °C, чтобы
из нее нс выпадали соли и не осаждались на стенках теплообмен-
ных поверхностей в виде накипи. Температура пресной охлаждаю-
щей воды поддерживается на входе в двигатель не ниже 55 °C,
а на выходе не более 60—75 °C —в главных малооборотных ДВС
и 75—85 °C — в главных среднеоборотных и вспомогательных дви-
гателях.
Упрощенная принципиальная схема системы охлаждения ДУ показана на
рис. 6.9. Главный двигатель 1 и ДГ 12 (на рисунке показан один) охлаж-
даются пресной водой, которая подается в магистраль главным насосом прес-
ной воды 17. Через водоохладитель 9 пресная вода поступает на охлаждение
ГД, а затем, выйдя из него, проходит через деаэратор 16 и опреснитель 15 и
подается к приемному патрубку охлаждающего насоса 17. По второй ветви ох-
лаждающая пресная вода поступает через водомаслоохладитель 13 к ДГ 12 и,
выйдя из пего,— во всасывающую магистраль насоса. Циркуляция пресной
воды осуществляется насосом 17 по замкнутому контуру,
В систему включена расширительная цистерна 11, которая служит для по-
полнения утечек пресной воды В нее же отводится паровоздушная смесь Hi
полостей охлаждения двигателей и теплообменных аппаратов.
187
Сисгема забортной воды состоит из отдельных функциональных участков,
соединенных между собой с целью резервирования механизмов На современ-
ных судах забортная вода из кингстонных ящиков (ледового 20, бортового 24
и днищевого 23) поступает через фильтры 21 в кингстонно-распределительный
канал 22, который расположен в МО судна между соседними днищевыми
шпангоутами в пространстве двойного дна. Благодаря кингстопно распредели-
тельному каналу можно подсоединять многие потребители на большом участке
по ширине •" — ---------------------- - — " —— ** ----"
судна, что позволяет уменьшить длину трубопроводов забортной
'iH
||-н
L^_
_____r J-
EBfeee-eeeP ।
г
Рис 6 9 Принципиальная схема охлаждения ДУ:
Трубопроводы: ---- забортной воды, --- пресной воды.
Главный циркуляционный электронасос 19 подает забортную воду в обще-
судовую магистраль, откуда она поступает на охлаждение теплообменников
ГД и БД, компрессоров 10, подшипников валопровода 2 и маслоохладителя 3
уплотнительной системы дейдвуда, а затем сливается за борт 4.
На ГД забортной водой прокачиваются охладители наддувочного воз
духа 7, масла 8, пресной воды 9, масла газотурбонагнетателя 5 и топлива 6.
В ДГ забортная вода подается на охладители наддувочного воздуха 14, масла
и воды 13, а затем на слив. Циркуляционный электронасос 18 является ре-
зервным для насосов 19 и 17.
Основной поток забортной воды в системе охлаждения ПТУ (рис. 6,10, о)
проходит через ГК 5, куда он подается одним нз главных циркуляционных на-
сосов 6. Прием воды и: за борта осуществляется в зависимости от условий
плавания из бортового 7 либо днищевого 8 кингстонного ящика От напорной
магистрали часть воды направляется па охлаждение подшипников судового
валопровода 4 и вспомогательных конденсаторов 3. На стоянке вспомогатель-
168
ные конденсаторы прокачиваются циркуляционным насосом 1 (основным или
резервным), а прием воды осуществляется от самостоятельного кингстонного
яшика I. На приемном трубопроводе главных циркуляционных насосов пре-
дусмотрен патрубок 9 с невозвратным клапаном, предназначенный для приема
воды из МО. В этом случае циркуляционные насосы будут резервировать во-
доотливные средства, которые включаются при затоплении МО
Отливной трубопровод за ГК имеет ответвление к бортовому
кингстонному ящику, которое служит для рециркуляции подогре-
Рис 6 10 Схема охлаждения ПТУ (а) и самопроточная си-
стема охлаждения ГК (б)
той воды с целью оттаивания приемных решеток при приеме воды
в холодное время.
В современных ПТУ применяют одно- и двухпроточные конден-
саторы с поверхностью охлаждения 0,08—0,13 м2/кВт. Сопротив-
ление систем составляет 0,075—0,085 с двухпроточным конденса-
тором и 0,045—0,050 МПа с однопроточным.
В ГК забортная вода нагревается незначительно, так как рас-
ход воды большой, а температура поступающего на конденсацию
пара невысокая. Требуемая подача главного циркуляционного на-
соса может быть рассчитана по формуле
W = kDK (ir — iK)/(Сз ВД<3 в),
где k — коэффициент запаса, &=!,1-е-1,2; Dx — количество пара,
169
поступающего в конденсатор на номинальном режиме, кг/ч; in, iK —
энтальпии соответственно пара и конденсата, кДж/кг; с3 в —
удельная теплоемкость забортной воды, кДж/(кг-К); Л/,в —из-
менение температуры забортной воды в конденсаторе, °C.
В качестве циркуляционных обычно применяют вертикальные
центробежные или осевые насосы с электроприводом. Мощность,
затрачиваемая на привод этих насосов, значительная и достигает
0,8 % мощности ГТЗА. Спецификационная мощность главных цир-
куляционных насосов превышает потребляемую на 10—15 %
С целью экономии энергии в СЭУ и, в частности, энергии, за-
траченной на привод главных циркуляционных насосов, в совре-
менных ПТУ крупнотоннажных судов применяют самопроточные
системы охлаждения конденсаторов забортной водой (рис 6.10, б).
Забортная вода подается не насосами, а самопротоком за счет
скорости набегающего потока воды, образующегося при движении
судна. Приемный патрубок этой системы ориентирован в нос, а от-
ливной — в корму судна. Форму патрубков выполняют такой, чтобы
динамический напор наиболее эффективно преобразовывался
в статический.
Конденсатор обычно устанавливают поперек cv/uia. Из приемного ><тр''й
ства через поворотный затвор 2 вода поступает в приемный трубопровод 5
главного конденсатора 6, и часть ее отводится по трубопроводу 9 к маслоох-
ладителям установки Вода из конденсатора через отливной трубопровод 7 и
поворотный затвор 8 идет в отливной патрубок При уменьшении скооостп
движения, в ходе маневрирования или на стоянке судна, когда нет самонротока
воды через конденсатор, автоматически включается циркуляционный электро
насос 3, который подает воду из бортового кингстонного яшика 1 .через попа
ротный затвор 4 в приемный трубопровод конденсатора 6. При этом соответ
ственно переключаются затворы 2 и 4. Подача циркуляционного насоса 3
(а следовательно, н его мощность) значительно меньше общей подачи годы
через конденсатор на полном ходу судна
В ПТУ имеется н ряд других потребителей забортной воды,
число и состав которых зависят от назначения судна. Они обеспе-
чиваются водой от специальной системы забортной воды, которая
аналогична рассмотренной выше применительно к ДУ.
В ГТУ система охлаждения предназначена для прокачивания
маслоохладителей двигателя и редуктора, воздухоохладителя ГТД
с промежуточным охлаждением, для охлаждения ДГ и их тепло-
обменников, опорных и упорных подшипников валопровода, дей-
двудных устройств и других элементов установки. Устройство су-
довой системы охлаждения ГТУ относительно просто и аналогично
устройству систем охлаждения ДУ.
6.5. Воздушно-газовые системы
Система подачи воздуха для горения топлива служит для по-
дачи воздуха в топки паровых котлов >• дизелям и ГТД. Расходы
воздуха для сгорания топлива в СЭУ различных типов неодина-
ковы При одной и той же мощности ГД наименьшее количество
воздуха потребляют ПТУ, несколько большее — дизели и наиболь-
шее — ГТД.
170
Количество воздуха, необходимого для сюрания Юплива, мо-
жет быть определено по уравнению
GB = avL0B,
где «2— суммарный коэффициент избытка воздуха; До — теорети-
чески необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
кг/кг; В — расход топлива", кг/ч.
Величина Lo зависит от сорта топлива и его состава. Для жид-
кого топлива условного среднего состава (87 %, С, 12,6 % Н2, 0,4 %
О2) Lb= 14,3 кг/кг.
Коэффицисш избытка воздуха а в главных котлах принимают
1,03—1,08, во вспомогательных 1,10—1,25. В дизелях принимают
суммарный коэффициент избытка воздуха, зависящий от коэффи-
циента избытка воздуха при горении ао и коэффициента про-
дувки q>: ц2 = аоф. Для судовых МОД ai = 3,2-r3,7, а для четырех-
актных СОД с наддувом а2 = 2,3-~2,7.
Для ГТД зависит от припяюй начальной температуры газа
перед турбиной и составляет 4—7 (меньшее значение—для двига-
телей с высокой начальной температурой газа).
В толку паровых котлов воздух подается непрерывно, обеспе-
чивая устойчивое горение топлива, газы также непрерывно отво-
дятся из топки через систему газовыпуска. За счет разности ста-
тических давлений поступающего в топку воздуха и выходящих из
котла горячих газов создается тяга.
Для интенсивности процесса горения воздух в топку котлов
подают под давлением с помощью вентиляторов, устанавливаемых
в верхней части МКО над котлом. Вентиляторы засасывают уже
подогретый воздух и подают его в пространство между кожухом и
обшивкой котла или через газовый воздухоподогреватель к то-
почным устройствам.
Вентиляторы создают избыточное давление 1000—2000 Па. Их
подачу определяют по выражению
G9 = k(fyasL0B,
где k — коэффициент запаса подачи, £ = 1,15-1-1,20; ф}- — коэффи-
циент, учитывающий утечки воздуха фу—!,0ч-!,05.
В судовых дизелях воздух для горения топлива обычно пода-
ется из МО, куда он поступает через светлый люк и из системы
вентиляции. Турбонагнетатели двигателя, расположенные в верх-
ней его части, снабжены приемным патрубком с фильтрами, ко-
торые очищают воздух и снижают уровень шума воздушного по-
тока. В некоторых установках предусматривается автономный
подвод воздуха на ДВС (например, на ледоколах), чтобы во
время работы двигателя не снижалась температура воздуха
в МО.
В ГТУ воздух может подаваться непосредственно из МО (па
малых судах) и по специальному воздухоприемному тракту (на
крупных водоизмещающих судах). Одной из отличительных осо-
бенностей ГТУ являются повышенные требования к качеству воз-
духа, засасываемого двигателем. В морском воздухе всегда
171
находятся аэрозоли и частицы морской воды, содержащие различ-
ные соли. Их концентрация особенно велика у поверхности воды
и в ветреную погоду при волнении. Чтобы предотвратить попада-
ние в ГТД солей морской воды, воздухоприемные устройства
стараются размещать по возможности в верхней части судовой
надстройки и на входе в воздухоприемную шахту устанавливают
специальные двух- и трехступенчатые фильтры.
На крупных морских судах воздухоприемные устройства ГТД
представляют собой сложные и громоздкие сооружения. Это ка-
налы большого сечения обычно прямоугольной формы с мини-
мальными погибами, протянутые от верхней части судовой над-
стройки к двигателю. Внутренние стенки воздухоприемной шахты
облицовывают звукопоглощающим материалом. Скорость воздуха
в шахте достигает 30 м/с.
Система газоеыпуска СЭУ служит для отвода продуктов сго-
рания от главных и вспомогательных двигателей и котлов. В ее
состав входят газовыпускные трубопроводы, глушители шума,
искрогасители, компенсаторы температурных расширений, УК п
другие элементы.
Схема системы газовыпуска определяется типом СЭУ и назна-
чением судна. Опа предназначена для транспортировки газов,
имеющих высокую температуру (150—500 °C), обладающих ток-
сичностью и несущих несгоревшие частички топлива в виде искр,
которые могут вызвать пожар. Это заставляет предъявлять ряд
специальных требований к газовыпусквым системам при их про-
ектировании.
Согласно Правилам Регистра СССР каждый двигатель дол-
жен иметь отдельный газовыпускной трубопровод. Допускается
и объединение этих трубопроводов при наличии надежных уст-
ройств, отключающих неработающий двигатель.
Дымоходы (газовыпускные трубопроводы) главных или вспо-
могательных паровых котлов могут быть объединены в общий
трубопровод. Выпускные газы главных судовых паровых котлов
имеют на выходе умеренную температуру (150—180 °C), поэтому
температурные расширения трубопровода для них небольшие.
Обычно дымоход изготовляют из листовой стали толщиной
3—5 мм при помощи электросварки, Для придания ему жестко-
сти листы подкрепляют угольниками с внутренней или с наружной
стороны. С внешней стороны дымоход защищают слоем изоляци-
онного материала толщиной 10—12 мм, а затем на расстоянии
10—12 мм от изоляции крепят стальные листы наружной об-
шивки толщиной 1,0—1,5 мм. Воздушная прослойка между об-
шивкой и изоляцией также служит теплоизоляцией. Дымоход
выводится в судовую дымовую трубу через вырез в ее диафрагме.
Внутреннее сечение дымохода определяют исходя из максималь-
ного значения скорости выпускных газов, которая для главных
котлов составляет 7—10, а для вспомогательных 15—20 м/с.
Газовыпускные трубы ДВС и ГТД изготовляют из стальных
труб стандартных размеров небольшой длины (3—5 м), соеди-
нясмых между собой с помощью фланцев. Между фланцами ста-
вя! паропитовые прокладки для газонепроницаемости стыков.
Сечение газовыиускных труб обычно значительное, что затруд-
няет изготовление погибей В большинстве случаев их выполняют
с помощью сварки из заранее заготовленных обечаек.
Газовыпускные трубопроводы двигателей на морских судах
обычно выводят вверх через дымовую трубу. На судах неболь-
шого водоизмещения или на специальных выпуск газов может
быть осуществлен с борта выше или ниже ватерлинии.
При расчете проходного сечения газовыпуска исходят из сле-
дующих допустимых скоростей газа, м/с: 25—30 для двухтактных
ДВС; 40—50 для четырехтактных ДВС; 50—60 для ГТД простого
цикла; 15—20 для ГТД с регенерацией.
Температура выпускных газов дизелей и ГТД значительно
выше, чем в котельных установках и достигает иногда 500 °C.
В связи с высокой температурой газов значительно изменяются
линейные размеры трубопровода и повышается теплоотдача в МО.
Тепловые удлинения отдельных участков газовыпускиых трубо-
проводов могут составлять 3—5 мм на 1 м их длины. Для ком-
пенсации тепловых удлинений в газовыпускцой трубопровод
необходимо встраивать специальный эластичный элемент — компен-
сатор, который не только компенсирует температурные удлине-
ния, но и снижает уровень шума и вибрации. Применяют саль-
никовые и линзовые компенсаторы. Их устанавливают на длинных
прямых участках труб, а также у газовыпускных коллекторов или
у выпускных патрубков газотурбонагПетатслей.
Трубы крепят при помощи жестких опор и упругих пружин-
ных подвесок. Места расположения опор и подвесок определяют
так, чтобы масса трубопровода передавалась на корпус судна,
а нс воспринималась двигателем.
В системах газовыпуска обычно устанавливают глушители
шума, а на судах с повышенной пожароопасностью (танкеры,
газовозы, суда, перевозящие лес, хлопок и другие легкогорючие
материалы) предусматривают искрогасители.
При установке утилизационных паровых котлов, в которых
помимо снижения температуры газов обеспечиваются глушение
шума и искрогашение, автономные глушители и искрогасители
не применяют.
На рис. 6.11 в качестве примера показана система газовы-
пуска ДУ.
Объемный расход Гг, м3/с, выпускных газов может быть опре-
делен из выражения
Гг = 2,ЗМ0ра2В(7'г/рг),
где В — расход топлива двигателем или котлом, щ/ч; ЛД— коли-
чество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания
1 кг топлива, кмоль/кт (для дизельного топлива среднего состава
Л1о=0,495, для высокосернистых мазутов Л10 =0,455); ₽ —коэффи-
циент молекулярного изменения продуктов сгорания, р=1,01щ
173
-4-1,04; Т,—температура выпускных газов, К; р,—давление вы-
пускных 1азов, Ла.
Сечение F, м2, газовыпускной трубы или дымохода котла най-
дем по формуле
F = Vr/Wr,
где шг — принятая скорость газов в трубопроводе, м/с.
Рис 6 11 Схема газовыпуска ДУ.
11 компенсаторы
174
Средние значения Т, и для различных типов двигателей п
судовых паровых котлов могут быть приняты следующими:
МОД и СОД..................................
ВОД .......................................
ГТД простого цикла ........................
ГТУ с регенерацией ........................
Главные котлы..............................
Вспомогательные котлы .....................
530—650 20-40
650—750 40-80
750—780 50—60
600—650 15—25
385-430 7—10
650—700 15—20
Газовыпускные трубы и дымоходы в пределах закрытых по-
мещении изолируют вибростойкой тепловой изоляцией, что зна-
чительно снижает теплоприток, При расчете толщины изоляци-
онного слоя исходят из того, что температура наружной поверх-
ности трубопровода не должна превышать 50—55 °C. В местах
возможных повреждений изоляционный слой покрывают тонким
листовым металлом.
Срезы газовыпускных труб располагают но отношению к ко-
зырьку судовой дымовой трубы так, чтобы исключить задымление
судна. Конструкции судовых дымовых труб могут быть различ-
ными. В последнее время отдается предпочтение газовыиускным
трубам, значительно выступающим над кожухом дымовой трубы,
что способствует относу дымовых газов от судна встречным пото-
ком воздуха.
!-1а судах с двухвалыюй установкой часто ставят две трубы по
обе стороны ДП или ближе к бортам. Иногда и одновальные уста-
новки имеют две трубы. В одной из них располагают газовыпуск-
пой трубопровод ГД, а в другой — все газовыпускныс трубопро-
воды вспомогательных двигателей и котлов.
Системами сжатого воздуха оборудуют ЭУ всех типов. Наи-
более развиты эти системы на дизельных транспортных, промыс-
ловых и на крупных газотурбинных судах. Различают системы
сжатого воздуха низкого (до 1 МПа), среднего (до 3 МПа) и
высокого (более 5 МПа) давления. Воздух низкого давления ис-
пользуется для хозяйственных нужд судна и ЭУ (продувание ме-
ханизмов, кингстонов), среднего давления — в основном для пуска
и реверса ДВС, а высокого — в системах управления ГТД, пуска
вспомогательных ДВС и других целей.
По комплектации механизмами и устройствами системы сжа-
того воздуха на судах различных типов практически не отлича-
ются. Обычно в состав системы входят поршневые элсктрокомпрес-
соры, масловлагоотделители, баллоны для хранения воздуха, ре-
дукционные клапаны, трубопроводы, контрольно-измерительные
приборы и устройства автоматического регулирования системы.
Согласно Правилам Регистра СССР воздух для пуска ГД дол-
жен храниться в двух баллонах одинаковой вместимости. Давле-
ние пускового воздуха составляет 2,5—3 МПа. На небольших су-
дах и для пуска вспомогательных двигателей используют воздух
давлением 5—7 МПа. Запас пускового воздуха на судне также оп-
ределен Правилами Регистра СССР, в соответствии с которыми
17R
требуется, чтобы он был достаточным для 12 последовательных
пусков (попеременно на передний и задний ход) каждого ревер-
сивного ГД. Для пуска нереверсивных ГД запас воздуха должен
быть достаточным для тести пусков двигателя наибольшей мощ-
ности, а при наличии более двух двигателей — для трех пусков
каждого двигателя. Для ДГ допускается применять один баллон,
вместимость которого должна быть такой, чтобы обеспечить шесть
последовательных пусков одного двигателя. Если ДГ расположены
на разных бортах судна, ставят по одному баллону на каждый
борт. Между собой баллоны соединяют трубопроводом.
При размещении ГД в двух помещениях, разделенных водоне-
проницаемой переборкой, в каждом из них устанавливают не менее
чем по одному баллону на разных бортах и по одному главному
компрессору.
Необходимая вместимость баллонов пускового воздуха V%, м3,
может быть определена из выражения
V2 = Vzrnnp^ Va/(pfi — рк),
где i>d — удельный расход пускового воздуха, м3/м3; m — число
планируемых пусков двигателя; п—число двигателей; ра — атмо-
сферное давление, ра = 0,1 МПа; —суммарный объем цилин-
дров двигателя, м3; рн— начальное давление воздуха в баллонах
МПа; рк—конечное давление воздуха в баллонах, при котором
еще возможен пуск двигателя, р1(=0,8ч-!,0 МПа.
Удельный расход пускового воздуха для современных дизелей
составляет ов = 44-9 м3 на 1 м3 рабочего объема цилиндров дви-
гателя.
Сжатый воздух на судне расходуется не только для пуска дви-
гателей, но и для других нужд, поэтому если он забирается из
баллонов пускового воздуха, то их вместимость должна быть соот-
ветственно увеличена. Например, при использовании сжатого воз-
духа для подачи звукового сигнала с помощью тифона, необхо-
димо увеличить вместимость пусковых баллонов на количество воз-
духа, требующегося для непрерывной работы тифона в течение
8 мин у буксиров и 6 мин у других судов.
Баллоны пускового воздуха представляют собой крупногаба-
ритные цилиндрические емкости. Их обычно устанавливают в МО
по бортам в районе платформы с уклоном в корму для скопления
конденсата в местах расположения клапанов продувания. Каж-
дый баллон должен быть оснащен манометром, предохранитель-
ным клапаном и другой арматурой.
Запас сжатого воздуха пополняется с помощью главных ком-
прессоров, которых должно быть не менее двух (один резервный),
и одного первичного компрессора с автономным двигателем. По-
следний позволяет создать необходимый запас сжатого воздуха
для запуска ДГ («оживления» установки), а затем может быть
запущен один из электрокомпрессоров. Компрессорная станция мо-
жет иметь в своем составе и подкачивающий электрокомпрессор
меньшей подачи по сравнению с основным, который позволяет по-
полнять расход сжатого воздуха при меньших затратах электро-
энергии.
Согласно Правилам Регистра СССР подача каждого главного
компрессора должна быть такой, чтобы обеспечить заполнение пу-
сковых баллонов ГД в течение 1 ч, начиная от давления, при ко-
тором возможен последний пуск или маневр, до рабочего началь-
ного давления.
При размещении ГД в двух помещениях, разделенных водоне-
проницаемой переборкой, в каждом из них должно быть разме-
щено по одному воздухохрапителю на разных 6opiax и по одному
главному компрессору.
*Ноооо|д™-7
ДГ№
ДГЖ
Рис 6.12. Система сжатого воздуха дизельного судна
Системы сжатого воздуха на дизельных судах аналогичны (рис. 6.12). Бал-
лоны пускового воздуха 5 и 7 соответственно ГД’л ДГ заполняются с помощью
одного из главных компрессоров 3 через водомаслоотделитель 4 с автомати-
ческим спуском конденсата. Из баллонов часть воздуха через редуктор направ-
ляется на хозяйственные нужды 6 и к тифонам 8. По мере расходования воз-
духа и снижения давления в баллонах пополнение осуществляется автомати-
зированным подкачивающим компрессором 2. При большом расходе пускового
воздуха, что бывает при маневрировании ГД, включается в работу главный
электрокомпрессор. Начальное (или аварийное) заполнение баллона 7 осу-
ществляется автономным дизель-компрессором / с ручным пуском.
На паротурбинных судах воздух расходуется в основном на
хозяйственные нужды, поэтому в системе сжатого воздуха, более
простой, применяются одноступенчатые компрессоры низкого дав-
ления.
На газотурбинных судах система сжатого воздуха весьма слож-
ная и состоит из отдельных трубопроводов низкого, среднего и
высокого давлений. Воздух высокого давления используется в си-
стеме управления установкой.
Сжатый воздух все шире применяется на современных судах
для различных целей, несмотря на то что затраты на его получе-
ние выше, чем затраты на другие виды энергии. Сжатый воздух
можно хранить длительное время, использовать в любое время,
и применять его как источник энергии во взрыво- и пожароопас-
на
ных помещениях. В частности, он широко используется в систе-
мах управления СЭУ и в дыхательных аппаратах, применение
которых необходимо на специализированных судах, перевозящих
нефтепродукты, взрывоопасные и химические вещества и другой
груз, выделяющий вредные вещества.
В последнее время открылись новые области применения сжа-
того воздуха на судах. Прежде всего это связано с бункеровкой
и транспортировкой угля на судах с угольными топками. Уголь
в топки котлов подается пневматической системой по трубопрово-
дам. С помощью сжатого воздуха осуществляются перемещение и
выдача шлака.
На ледокольных судах с целью уменьшения трения между кор-
пусом судна и льдом ниже ватерлинии делают небольшие отвер-
стия (от носа до миделя), через которые подастся сжатый воздух
от специальной воздуходувки. Это способствует освобождению
корпуса судна от льда и увеличению скорости судна (вследствие
меньшего «прилипания» льда к корпусу).
В связи с необходимостью иметь большой запас сжатого воз-
духа на судне интересно рассмотреть вопрос о возможности пе-
рехода на хранение воздуха под большим давлением (например,
30 МПа). Это позволит значительно уменьшить массогабаритные
показатели элементов системы сжатого воздуха и сделать ее болеё
компактной. Конечно, при этом потребуется замена оборудования
системы, но такая замена может оказаться выгодной.
6.6. Конденсатно-питательные
и паровые системы
На судах с ПТУ конденсатно-питательная система является
основным и наиболее сложным звеном тепловой схемы уста-
новки, связывающим между собой ГК и главный котел. Она со-
стоит из собственно конденсатно-питательной системы и системы
дистиллята и бидистиллята.
Конденсатно-пит.ательная система служит для забора конден-
сата из конденсатора, приема, хранения и подачи питательной
воды к котлам, подогревателям, фильтрам, элементам регулиро-
вания и управления системой.
Система дистиллята и бидистиллята обеспечивает забор ди-
стиллированной и бидистиллированной воды из ВОУ, хранение и
подачу ее для подпитки конденсатно-питательной системы.
На рис 6.13 показана упрощенная схема конденсатно питательной системы
паротурбинного судна с четырехступенчатым подогревом питательной воды
Отработавший пар от последних ступеней турбинного двигателя 15 поступает
на конденсацию в ГК 14. Одним из главных конденсатных насосов 13 (второй
резервный) конденсат подается в систему, где сначала предварительно подо-
гревается в маслоохладителе 12 и конденсаторе испарителя котловой воды 11,
а затем поступает в подогреватель низкого давления 10, являющийся первой
ступенью подогрева питательной воды.
Главные конденсатные насосы откачивают конденсат из ГК конденсатора
при температуре, почти равной температуре насыщения пара прп давлении
4_5 кПа. При таких низких давлениях требуется применять специальные на-
1?8
сосы и располагать их пиле уровня води в конденсаторе С учетом того то
1К стоит практически на втором дне, конденсатные насоси размещают в питие
двойного дна. Для надежного всасывания минимальное расстояние по верти-
кали между уровнем воды в конденсаторе и приемным патрубком конденсат-
ного насоса должно быть не менее 1,3 м.
По конструкции конденсатные насосы бывают вертикальными, центробеж
ними и двухступенчатыми, обеспечивающими давление 0,3—0,8 МПа. Конден-
сат греющего пара из подогревателя 10 дренажным насосом 9 подается в ос-
новной конденсатный трубопровод — магистраль. В эту же магистраль вспомо-
гательным конденсатным насосом 8 подастся конденсат из вспомогательного
конденсатора 7. Последний обслуживает турбогенератор СЭС. Через пего про-
ходит 5—7 % пара, вырабатываемого главным котлом. К конденсатной маги-
Рис. 6 13, Принципиальная схема конденсатно-питательной
системы
страли подсоединен трубопровод от цистерны горячих конденсатов 18, в кото-
рой собирается дренаж из различных теплообменных аппаратов (вспомогатель-
ных подогревателей, конденсатора выпара деаэратора). Питательная вода из
этой цистерны подастся дренажным насосом 17 к деаэратору 6.
В рассматриваемой схеме деаэратор служит второй ступенью подогрева
питательной воды. Поступающий в него конденсат распиливается с помощью
форсунок и подогревается паром, который движется вверх ему навстречу.
Деаэратор работает как теплообменник смесительного типа, обеспечивая по-
догрев питательной воды до температуры насыщения, а также отделение от
нее растворенных газов, которые вместо с паром собираются в верхней части
деаэратора. Затем пары конденсируются, а газы удаляются Конденсат на-
капливается в сборной цистерне деаэратора и забирается из нее одним из пи-
тательных насосов 1 (второй резервный). Участок трубопровода между кон-
179
номинального давления в котле;. По конструкции его выполняют центробеж-
ным многоступенчатым. Приводом обычно служит паровая турбина парциаль-
ного типа с плавным регулированием частоты вращения.
Участок питательного трубопровода (межд} питательным насосом и кот-
лом) находится под давлением, превышающим давление в котле 5. В питатель-
ный трубопровод встроены подогреватели 2 и 3 питательной воды высокого
давления, представляющие собой третью и четвертую ступени подогрева, регу-
лятор питания 4, обводные и рециркуляционные трубопроводы, другое обору-
дование. Греющим для водоподогрсвателсй служит пар, отбираемый от про-
межуточных ступеней главных турбин или отработавший пар турбин вспомо-
гательных механизмов.
Конденсат греющего пара под влиянием разности давлений самотеком
перетекает из подогревателя 3 в подогреватель 2, а затем в деаэратор. При
такой схеме теплота греющего пара используется наиболее полно для подогрева
питательной воды.
На конденсатной линии каждого подогревателя устанавливают автомата
чески действующие конденсатоотводчики, предназначенные для отвода из них
конденсата с одновременным запиранием выхода для греющего пара.
Для восполнения утечек, а также в аварийных ситуациях предусматрива-
ется возможность забора воды питательным насосом из цистерны дистиллята 19.
которая пополняется через испарительную установку. Из этой цистерны с по-
мощью регулятора уровня 16 вода может поступать также в ГК при спижс
пии в нем уровня. В случае повышения уровня в конденсаторе избыточная
вода через регулятор направляется в цистерну дистиллята
Рассмотренная конденсатно-питательная система относится
к типу закрытых, поскольку питательный трубопровод изолиро-
ван от атмосферы. Такие системы обеспечивают работу главных
установок с давлением пара в котле 6—10 МПа. При открытых
системах питания котлов конденсат из конденсатора подается не
в деаэратор, а в теплый ящик, который выполняет функции сбор-
ника горячих конденсатов. Теплый ящик вентиляционной трубой
сообщается с атмосферой, и поэтому питательная вода в нем
насыщается различными газами, которые могут агрессивно воз-
действовать на внутренние поверхности элементов системы. По-
этому открытые системы как наиболее простые по конструкции
используют во вспомогательных и утилизационных установках
с давлением пара не выше 2 МПа. Требования к питательной
воде в этих системах также понижены.
Паровая система состоит из ряда самостоятельных систем:
главного, вспомогательного и отработавшего пара, продувания
котлов, продувания высокого и низкого давления, уплотнения и
отсоса пара.
Схема системы пара зависит от числа ГД, взаимного разме-
щения турбин и котлов, а также от общей тепловой схемы уста-
новки. В современных ПТУ используется пар давлением 6—
10 МПа и температурой 510—550 °C. Для уменьшения гидравли-
ческих сопротивлений и снижения потерь теплоты эту систему
стремятся изготовить с минимальным числом погибов труб и
запорной арматуры. Паропроводы изготовляют из стальных цель-
нотянутых труб и стальной литой арматуры. Их устанавливают
с уклоном, чтобы избежать образования застойных зон, в кото-
рых при прогреве пли охлаждении паропровода может скапли-
ваться конденсат.
180
Диаметры паропроводов и армшуры выбираю! из такою рас-
чета, чтобы скорость пара была 80—100 для перегретого и 40—
50 м/с для насыщенного и слабоперегретого (меньшие значения
принимают при длительных режимах работы, большие—при
кратковременных).
Принципиальная схема системы главного пара показана па рис. 6.14
Представлена установка с одним главным котлом 7, от которого пар через
главный стопорный клапан 6 поступает в трубопровод 4 и к маневровому кла-
пану 11 При работе ГТЗА па передний ход пар от маневрового клапана перед
него хода подается по трубопроводу 3 к ТВД 2, работающей на редуктор 1.
Совершив работу в ТВД, пар через ресивер 16 поступает к ТНД 15, где рас
ширяется и затем сбрасывается в конденсатор При реверсе ГТЗА пар от ма-
неврового клапана заднего хода но
трубопроводу 12 подается к ТЗХ 14.
При отказе ТВД или ТНД преду-
смотрена возможность работы од-
ной из турбин. В этом случае уста-
навливают съемную перемычку 13,
соединяющую маневровое устрой-
ство с ресивером.
Предусмотрено ответвление 5
в систему вспомогательного пере-
гретого пара для турбогенераторов.
К системе главного пара под-
соединен вспомогательный котел 8,
от которого пар с давлением 2,8 —
3,0 МПа при температуре 260—
310 °C идет на общесудовые нужды
10. В аварийных ситуациях при от-
казе главного котла пар ог вспомо-
Рис 6 14. Принципиальная схема си-
стемы главного пара ПТУ
гательного котла через стопорный клапан 9 и трубопровод 4 может быть подан
к ГТЗА для обеспечения аварийного хода судна (до 8 уз)
Трубопроводы пара обычно размещают в верхней части МКО,
в местах, доступных для наблюдения и обслуживания. В соот-
ветствии с требованиями Регистра СССР их не разрешается
прокладывать под трапами, площадками и настилами МКО,
а также на расстоянии менее 450 мм от цистерн жидкого топ-
лива.
Высокая температура пара при эксплуатации вызывает дефор-
мации паропроводов, что должно учитываться при проектирова-
нии постановкой специальных компенсаторов или самокомиенси-
рующихся звеньев трубопровода. Паропроводы поддерживаются
опорами, часть из которых выполняют подвижными, и пружин-
ными подвесками, допускающими продольное или поперечное пе-
ремещение трубопровода. Для уменьшения теплоотдачи от пара
в окружающую среду паропроводы изолируют.
Сброс отработавшего пара в главный или вспомогательный
конденсаторы осуществляется с помощью системы отработав-
шего пара. Трубы этих систем изготовляют большого диаметра,
так как пи ним проходи, пар значительного удельного объема.
Скорость пара принимают для систем перегретого пара не более
80 (с противодавлением) и 120 м/с (в вакуумных и атмосфер-
ных), для систем насыщенного пара соответственно 40 и 60 м/с.
181
Глава 7
ДИЗЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
7.1. Установки с МОД
Большинство судов морского транспортного и значительная
часть судов морского промыслового флота оборудованы дизель-
ными установками с МОД. Применение МОД обусловлено их вы-
сокой экономичностью, возможностью использования дешевых
остаточных высоковязких топлив, высокой надежностью, отсут-
ствием передач между двигателем и валопроводом, удобством
обслуживания, невысоким уровнем шума и вибраций.
В состав ДУ с МОД обычно входят один (чаще) или несколько
главных МОД; судовые валопроводы; гребные винты; системы —
топливная, масляная, газовыпускная, пускового воздуха, охлаж-
дения пресной и забортной водой; СЭС, состоящая из вспомога-
тельных СОД или ВОД, электрогенераторов, распределительных
щитов и кабельных коммуникаций; установки--вспомогательная
котельная, водоопреснительная, утилизационная, использующая
теплоту вторичных эпергоресурсов.
Из всех элементов установки наиболее важными являются ГД,
от которых зависят компоновка, масса, габариты и стоимость
установки. Современные МОД имеют значительные размеры и
массу (рис. 7.1 и табл. 7.1, 7.2), в связи с чем требуется разме-
щать их в центральной части МО в соответствии с расположе-
нием линий валопроводов (оси МОД являются естественным про-
Таблица 7.1.
Параметры судовых МОД
Длительная эксплуатацион-
ная мощность, МВт
Частота вращения, об/мин
Масса двигателя, т
Длина L, м
Ширина В, м
Высота W, м
Среднее эффективное дав-
ление, МПа
Удельный расход топлива,
г/(кВт-ч)
Удельная масса, кг/кВт
48
42
340
190
30,7
должением осей валопроводов). При одновальпой установке ось
МОД располагается в ДП судна параллельно основной плоскости
или с небольшим уклоном в сторону гребного винта (с целью его
заглубления).
Малооборотные двигатели выпускаются с диаметром цилиндра
от 350 до 900 мм и ходом поршня от 1000 до 3000 мм. Наиболь-
шее распространение в 80-х годах получили так называемые
длипкоходиые МОД с отношением длины хода поршня S к диа-
метру цилиндра D около 3. Эти двигатели имеют достаточно низ-
кие удельные расходы топлива — около 167—170 г/(кВт-ч).
Рис. 7.1. Габаритный чертеж МОД
На рис. 7.2 в качестве примера представлены данные об эф
фективной мощности и частоте вращения длинноходных двигате
лей типа RTA фирмы «Зульцер», которые образуют параметри
ческий ряд с различным диаметром цилиндра (от 380 до 840 мм)
Число цилиндров МОД может изменяться от 4 до 12 (при чи
еле цилиндров 4 и 5 требуется специальная балансировка меха
низма движения с целью снижения неравномерности вращающего
момента и неуравновешенности на валу двигателя), что позво-
ляет перекрывать необходимый для СЭУ диапазон мощности ГД
от 1,5 до 40 МВт. Малооборотпые двигатели могут работать на
тяжелых остаточных сортах топлив — котельных мазутах с вяз-
костью выше 350 мм2А‘ (3500 с по Редвуду) и содержанием серы
до 3—4 %. Для работы на вязких сортах топлив требуется хоро-
шая топливоподготовка. включающая очистку топлива от меха-
нических примесей и воды, гомогенизацию топлива и его подо-
грев до 100—110 °C.
1R3
Параметры судовых ЛЮД фирмы МАН
В МОД применяют высокие давления впрыска (до 120—
130 МПа), что способствует повышению качества горения топлив
даже с высоким содержанием асфальтенов и других трудносго-
раемых компонентов, Стоимость остаточных топлив в 1,5—2 раза
ниже, чем дистиллятных, и поэтому по затратам на топливо
МОД значительно экономичнее СОД и ВОД. В СОД и ВОД при-
меняются средневязкие топлива (вязкостью до 150 мм2/с), н по-
этому в ряде случаев целесообразно отказаться от использования
СОД в качестве двигателей электрогенераторов для судов, где
МОД используются как главные.
с валогенератором, обеспечивающим
электроэнергии. Валогенератор имеет
Рис. 7.2. Параметры типоразмерного
ряда длинноходпых МОД типа РТА
Рис 7 3. Схема МОД с вало-
генератором
привод от главною МОД 1 через систему двух мультипликаторов 4 и 3, один
на которых (3) с помощью гидромуфты обеспечивает постоянную частоту вра-
щения вала электрогенера1ора 2 даже при изменяющейся частоте вращения
ГД (в пределах 70—110% номинальной частоты вращения) Благодаря исполь-
зованию более дешевого вязкого топлива себестоимость выработки электро-
энергии с помощью валогенератора может быть снижена на 20—40 %.
Наряду с ГД в состав ДУ входят вспомогательные двигатели
для привода электрогенераторов. Обычно это СОД с частотой
вращения 500—750 об/мин. Количество ВД колеблется от двух
до четырех, а их мощность определяется расчетной нагрузкой
СЭС. Поскольку в составе СЭУ применяются два типа двигате-
лей (МОД и СОД), работающих на различных сортах топлив,
требуются отдельные топливные системы: тяжелого (высоковяз-
кого) и легкого (низковязкого) топлива. Система тяжелого топ-
лива используется для питания ГД на основных ходовых режи-
мах, легкого топлива —для питания ВД на всех режимах их ра-
боты, а также ГД при работе на режимах маневрирования, пуска
и остановки.
На рис. 7 4 показана принципиальная схема топливной системы ДУ
с МОД. Запас тяжелого топлива хранится в расходной цистерне 4, а легкого—
в цистерне 5. Переход с легкого топлива на тяжелое, и наоборот, производится
185
с помощью специального клапана Забираемое Из расходных цистерн топливо
проходит через фильтры грубой счистки бис помощью тонливоподкачиваю
щих насосов низкого давления 7 подастся в промежуточную цистерну 8, от
куда оно забирается топлпвоподкачивающими насосами высокого давления 9
и подается через толливопотогреватель 10, вискозиметр (измеритель вязкости)
11 и фильтры тонкой очистки 12 к топливным насосам высокого давлении 2
главного двигателя 1. Для питания ВД 13 используется отдельный топливный
трубопровод с автономными фильтрами ч топливоподкачизающим нас,хсом (по-
зицией 3 обозначен вентиляционный блок).
На рис. 7.5 показана принципиальная схема циркуляционной масляной си-
стемы МОД Циркуляция масла осуществляется масляными насосами 4, кото-
рые обеспечивают прокачку маша через фильтры 5 ц 3, маслоохладитель 2
и узлы трепня ГД 1. Для поддержания температуры масла параллельно мас-
лоохладителю включена обводная линия с терморегулирующим клапаном. Пир
куляционные масляные, системы ВД имеют аналогичные схемы циркуляции
масла и набор основных элементов.
Особенностью масляных систем МОД является наличие в них
специальных лубрикаторных систем смазки цилиндров, которые
обеспечивают подачу строго дозированных количеств масла
в каждый цилиндр. В отличие от циркуляционных систем смазки
лубрикаторные не обеспечивают циркуляцию масла и оно после
подачи в цилиндры двигателей смазывает зеркало цилиндра, а за-
тем выгорает. Чтобы избежать образования кокса при сгорании
этого масла, лубрикаторы (насосы с дозированной подачей) обес-
печивают подачу необходимого его количества в определенных
точках цилиндра двигателя.
На рис. 7.6 показана принципиальная схема лубрикаториой системы смазки
МОД. Цилиндровое масло из расходной цистерны '2 самотеком поступает
к блоку лубрикаторов 7 н затем под давлением — в цилиндры двигателя 1
186
Заполнение расходной цистерны hi занаснои 3 производится
начинающего насоса 5 иди 6 соответственно с электрическим
вотом и через фильтр 4.
с помощью перс
или ручным при
Основные теплонапряженные детали МОД (цилиндровые
втулки, поршни, крышки) охлаждаются пресной водой.
Рис 7.5 Схема циркуляционной мас-
ляной системы МОД
Рис / 6. Схема системы лубрикатор-
нон смазки МОД
Па рис 7-7 показана принципиальная схема охлаждения МОД 1 пресной
водой. Система построена по замкнутой схеме, циркуляция пресной воды осу-
ществляется насосами 6, а теплота отводится в воло-водяном охладителе 4,
который снабжен обводной (байпасной) магистралью с терморегулятором со
Рис 7 7. Схема охлаждения МОД прес-
ной водой
Рис 7.8 План размещения ДУ
с МОД универсального сухогруз
ного судна
стороны пресной воды. Заполнение системы пресной водой, восполнение утечек
пресной воды и компенсацию изменения внутреннего объема системы охлаж-
дения обеспечивает расширительная цистерна 3, которую подключают к системе
циркуляции через отделитель воздуха 2 При подготовке МОД к запуску цир-
куляция пресной воды обеспечивается насосом 5, который прокачивает воду
через паровой подогреватель 7.
187
Поршни МОД можно охлаждать маслом или пресной водой.
При охлаждении поршней маслом предусматривают отдельную
магистраль, которую включают параллельно системе смазки
подшипников двигателя. При водяном охлаждении поршней ис-
пользуется автономная система охлаждения с отдельными насо-
сами, цистернами и теплообменниками, принципиальная схема ,
которой аналогична представленной на рис. 7.7.
В качестве примера на рис. 7 8 показано расположение ДУ с МОД уни-
версального сухогрузного судна дедвейтом 10 800 т и скоростью 16 уз В со-
став СЭУ входят ГД 1 марки 9ДКРН 51/105 (фирма МАИ) номинальной мощ-
ностью 4400 кВт с частотой вращения вала 135 об/мин, три ДГ 2 типа 6ЧН
20/27 мощностью по 590 кВт, вспомогательная котельная установка 5 произво-
дительностью 1 т/ч, ВОУ 4 производительностью 5 т/сут, системы, обеспечи-
вающие работу оборудования СЭУ, судовые системы Дальность плавания
судна (12 тыс миль) обеспечивается запасами топлива: тяжелого (1200 т) и
легкого (310 т). Позицией 3 обозначен блок топливных и масляных сепара-
торов.
Ниже приведены некоторые параметры комплектующего обо-
рудования ДУ сухогрузного судна типа «Днепр» отечественной
постройки дедвейтом 14 900 т н скоростью 17,5 уз:
Тип ГД........................................
Мощность ГД, кВт:
номинальная ..................................
эксплуатационная ............................
Частота вращения вала ГД (эксплуатационная), об/мин
Мощность, кВт:
ДГ ..........................................
6ДКРН 74/160-3
8500
7800
120
аварийного ДГ ...............................
Производительность вспомогательного котлоагре-
гата, т/ч.......................................
3X400
100
Производительность топливных сепараторов, м’/ч
Подача, м3/ч:
1,6
2X3,0
295
3,(
4X400
2X280
Для крупнотоннажных судов с небольшими скоростями (12—
14 уз) применяют МОД с редукторами, которые снижают ча-
стоту вращения гребного вала до 50—60 об/мип. Введение в со-
став ПУ редуктора позволяет увеличить ее КПД на 3—5 % при
возрастании массы па 4—6 %.
7.2. Установки с СОД и ВОД
Дизельные установки с СОД применяются на морских судах
транспортного, технического, вспомогательного и промыслового
флота, на судах смешанного плавания, речных и специальных.
После установок с МОД они занимают второе место по распро-
страненности и область их применения постоянно расширяется.
К СОД обычно относят двигатели, частота вращения которых со-
188
ставляет 350—750 об/мин. Поскольку для эффективной работы
гребных винтов требуется более низкая частота вращения (60—
150 об/мин), то в состав ДУ с СОД обязательно включают меха-
нические, электрические, гидравлические или комбинированные
передачи (чаше механические, гидравлические или гидромехани-
ческие). Совокупность установленных на общей фундаментной
раме ГД и механических или гидромеханических передач назы-
вается дизель-редукторным агрегатом (ДРА). В состав ДРА вхо-
дят также соединительно-разобщительные или упругие муфты,
которые устанавливают между ГД и редуктором (рис. 7.9). Часть
мощности ГД можно передать от редуктора на валогенератор.
Современные судовые СОД отличаются большими значениями
среднего эффективного давления
ними высокими давлениями над-
дува (рк = 0,34-0,4 МПа). Благо-
даря значительному ре массога-
баритные показатели СОД (табл.
7.3) лучше, чем у МОД. Редук-
торы и соединительные муфты
несколько увеличивают массу
(на 25—60 %) и габариты (на
30—50 %) ДРА, однако в целом
они в 1,5—2 раза меньше, чем
у установок с МОД. Разница в
ширине и длине ДРА и МОд
незначительная, однако высота
ДРА почти в два раза меньше, чем у МОД, что позволяет при-
менять СОД на накатных судах (ролкерах).
(р₽=1,74-2 МПа), обусловлен-
Рпс 7 9 Схема дизель-редукторного
агрегата-
1 — СОД, 2 — муфты; .^—редуктор: 4 —
Таблица 7.3
Параметры судовых СОД
Параметр м\н МАК Ссмт Пн.тстяк
Диаметр цилиндра, мм 320—520 450 400—580
Ход поршня, мм 360-550 520 460—750
Частота вращения, об/мин 500—750 500 350—520
Диапазон мощности, МВт Удельный расход, г/(кВт-ч): 2,22—16 3—9 3,3—21,87
топлива 198—210 199—201 166 -201
масла 1.4-1.5 1 4 1,2—1 4
Среднее эффективное давление, МПа 1,92—2.0 1.71 1,91 -2,25
Удельная масса, кг/кВт 9,7-17,5 15-17 10,5—24
Судовые СОД выпускаются в рядном или V-образном испол-
нении. При рядном исполнении (рис. 7.10) число цилиндров дви-
гателя можег быть от 6 до 10, а при V —образном (рис. 7.11) —
от 10 до 18.
189
В табл. 7.4 приведены параметры ПУ е рядным СОД размер-
ностью цилиндра 250/300 и средним эффективным давлением
1,42 МПа (максимальное давление в цилиндре рг=9,7 МПа).
В табл. 7.5 содержатся данные о параметрах ПУ с V-образными
СОД той же размерности при р,,= 1,6 МПа и рг=10,7 МПа. Срав-
нение этих параметров показывает, что массогабаритные пока-
затели ПУ с рядными и V-образными двигателями примерно оди-
наковые, наблюдается лишь общая для всех СЭУ тенденция сни-
жения относительной массы ПУ с ростом их мощности.
Таблица 7.4.
Параметры пропульсивных установок с рядными СОД
Параметры Число ЦИЛИНДрОИ
ь 6 8 8 9 9
Частота вращения вяла дви гателя, об/мин 750 825 750 825 750 825
Мощность, кВт Удельный расход, г/(кВт-ч). 785 865 1043 1150 1175 1295
топлива 208 210 208 210 208 210
масла 3,3 3,7 з,з 3,7 3,3 3,7
Расход воздуха, тыс. м-’/ч Масса, т: 5,6 6,3 7,4 8,3 8,3 9,3
двигателя 10,5 10,5 1 о 13,5 14,6 14,6
редуктора и муфты 2,6 2,6 2,6 3 5 3,6 3,6
гребного винта 2.4 2,4 2,4 3 3,9 3,9
вспомогательного обо- рудования 2 2 2,1 2,1 2,2 2,2
общая установки 17,5 17,5 20.6 22,1 24,3 24,3
Диаметр винта, м 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45
Частота вращения винта, об/мин Габариты (Lx Вх Н), м: 294 292 294 278 264 278
ГД 3,71 X 1 11X2,86 4,4X1,01x2,86 4,7X1,01X2,86
редуктора с муфтой 1,64Х 1 5Х 1,5 20,3 2,IXI,5X1,5 2,IX 1,5Х 1,5
Удельная масса установки, кг/кВт 22,3 19,8
Пропульсивные установки с СОД и механическими переда-
чами могут иметь разнообразное конструктивное исполнение: од
номашинные с одним ГД, подключенным' к редуктору, двух-,
трех- или четырехмашинные (с двумя, тремя или четырьмя дви-
гателями), также подключенные к одному редуктору. Как и уста-
новки других типов, ДУ с СОД могут быть одно- и многоваль-
ными.
На рис 7.12 показана простейшая схема НУ рыболовного сейнера типа
«.Италия», в состав которой входят ГД 1 типа 6ЧН 25/30 мощностью 1080 кВт
(«=1000 об/мин), реверсредуктор 3 с передаточным числом 3 и валогенера-
тор 2 мощностью 200 кВт, который подключен к носовой части коленчатого
вала ГД. Установка валогенератора характерна для многих судов промыс.то
190
Рис. 7.10. Габарнтыи чертеж рядного СОЛ
Рис 7.11. Габаритный чертеж V-обра шого СОЛ
Рис. 7.13. Схема ПУ танкера
Рис 7.12. Схема ПУ рыболопного
сейнера
191
Таблциа 7.5.
Параметры ПУ с V-образиыми СОД
Параметры Число цилиндров
12 12 1б 16 18 18
Частота вращения вала дви- гателя, об/мин Мощность, кВт 750 825 750 825 750 825
1765 1940 2355 2590 2650 2910
Удельный расход, г/(кВт-ч):
топлива 208 210 208 210 208 210
масла 3,3 3,7 3 3 3,7 .4 л .4 7
Расход воздуха, тыс. м3/ч Масса, т. 12,4 13,5 16,5 17,7 18,5 20
двигателя 21,6 21,6 26,5 26,5 29 29
редуктора и муфты 3,7 7,2 7,2 7,2 7,2 7,2
гребною винта 4 4 4,4 4,4 4 4 4,4 6
вспомогательною обо- 2,6 2,6 3 3 3,1 3,1
рудования общая установки 32,3 35,8 2,95 41,1 41,1 2,85 43,7 45,3
Диаметр винта, м 2,6 3 2,9 3,35
Частота вращения винта, об/мин 264 225 230 253 246 204
Габариты 0ХВХЯ), м:
ГД 3.62X2 27X3,26 5.73x2,27X3,26 6,2X2,27X3,26
редуктора с муфтой 2,13X1,5X1,5 2,|ЗХ 1,5X1,5 2,13X1,5X1,5
Удельная масса установки, кг/кВт 16,0
вого флота п позволяет обеспечить загрузку ГД как на режимах Переходов,
так и при тралении.
На рис. 7.13 показана схема 11У танкера «Альфа-Си», выполненной по
двухмашинному варианту. В состав установки входят два ГД 1 типа 16ЧН
52/55 общей мощностью 23,5 МВт (п=430 об/мин), редуктор 2 с встроенными
соединительно разобщительными муфтами 3 и выносным упорным подшипни-
ком 4. В газовынускных системах ГД установлены два УК, которые обеспечи-
вают в ходовом режиме потребности судна и ЭУ в тепловой энергии и работу
парового турбогенератора мощностью 1450 кВт. В качестве резервного генера-
тора электроэнергии применен ДГ мощностью 1500 кВт. Дизельная установка
«Альфа-Сц» представляет собой пример успешного применения ДУ с СОД на
крупнотоннажных ефдах (дедвейт танкера 225 тыс. т). Установка была при-
менена вместо ПТУ примерно той же мощности, причем масса ПУ почти не из-
менилась, а затраты на топливо снизились на 33 %.
Схема двухмашинной и двухвальной установок пассажирского лайнера
дедвейтом 18 тыс. т н пассажировместимостью 640 чел. показана на рис. 7.14.
В качестве ГД ||рименены нереверсивные двигатели 1 типа 6ЧН 40/45 мощ-
ностью по 3300 кВт 0=500 об/мин), соединенные муфтами 2 с редукторами 3.
Реверс обеспечивается с помощью ВРШ 5. Электроэнергия вырабатывается
валогенераторами 4, которые подключены к валам отбора мощности редук-
торов.
Другим примером двухмашинной двухвальной установки может служить
ЭУ железнодорожного парома пассажировместимостью 800 чел., схема которой
показана на рис 7.15. Здесь ГД 7 типа 8ЧН 40/45 мощностью по 4400 кВт
подсоединены через муфты 2 к редукторам 3 с обеих сторон. Валогенераторы
4 мощностью но 1250 кВт также подключены к редукторам я размещены
вдоль бортов судна.
192
К ВОД относят двигатели, имеющие частоту вращения более
750 об/мин. Ниже приведены сравнительные данные некоторых
типов ДВС, применяемых в СЭУ:
Параметры
мод сод вод
Частота вращения, об/мин . . .
Мощность, кВт....................
Удельный расход, г/(кВт-ч):
топлива .........................
масла .......................
Удельная масса, кг/кВт ....
Сорт топлива ....................
95—350 350—750
1800—35 000 200—16 000
167—181
0,7—1
30—40
Мазут
Уровень шумаЗ (усредненный), дБ
Температура выпускных газов, °C
Ресурс, тыс. ч ....................
Удельная стоимость, руб./кВт . .
90-95
250—280
80—100
110—150
180—200
1,5-2,5
10—15
Мазут,
легкое
^топливо
95—105
300—400
20—40
40—70
Рис. 7.14. Схема ПУ пассажирского Рис. 7.15. Схема ПУ железнодорож-
лайнера кого парома
Высокооборотные двигатели имеют в сравнении с МОД и СОД
лучшие массовые и стоимостные показатели, однако большие
удельные расходы топлива и масла, меньший ресурс работы и
повышенный уровень шума (шумовые спектры для МОД и СОД
показаны на рис. 7.16). Большинство ВОД могут работать только
на легких сортах топлива, вследствие чего, а также из-за повы-
шенного уровня шума они не нашли широкого применения на су-
дах. Высокооборотные двигатели применяются на судах с дина-
мическими принципами поддержания (СПК и СВП), рыболов-
ных сейнерах, судах речного флота, портовых буксирах, судах
снабжения, катерах. Их можно использовать с механическими,
гидравлическими, гидромеханическими или электрическими пе-
редачами. Принципиальные схемы ДРА с ВОД не отличаются от
ДРА с СОД(см. рис. 7.12—7.15). Нередко ДРА с ВОД выпуска-
ются в виде единого блока, в который кроме двигателя входят
муфта и редуктор (чаще всего реверсивный). Это позволяет сни-
зить массу ПУ и уменьшить затраты на ее монтаж.
Заказ № 568
193
Применение ВОД в ДЭУ позволяет значительно снизить массу
и габариты ПУ (в сравнении с вариантом использования СОД),
обеспечить более высокую ремонтопригодность и более низкую
стоимость установки. Например, в МО судна снабжения дедвей-
том 1400 т и скоростью 12,7 уз установлены рядом (по всей ши-
рине МО) четыре дизель-генератора с ВОД типа 9ЧН 25/30 мощ-
ностью по 1700 кВт с частотой вращения 1000 об/мин, работаю-
щие на два ГЭД, которые через вертикальные колонки вращают
гребные винты (гребной вал отсутствует).
Широко применяются ВОД на скоростных судах и катерах.
Например, судно полуглиссирующего типа «Заря» пассажиро-
вместимостью 87 чел. обору-
55 125 250 500 1000 2000 W00 0,Ги,
Рис. 7.|6. Спектры шума:
1 — для МОД на уровне турбокомпрессоров
(расстояние 1,5 «); 2— для СОД (п=
,•-600 об/мин) на расстоянии 1 м; 3 — для
МОД на уровне пульта управления (рас-
довано ВОД, состоящей из не-
реверсивного ГД мощностью
650 кВт при частоте вращения
1450—1500 об/мин, который
приводит в действие водомет
диаметром 0,693 м. Реверс
судна осуществляется с по-
мощью реверсивной муфты и
реверсивного устройства водо-
меров. Электроэнергия в ходо-
вом режиме вырабатывается
навешенным на ГД электро-
генератором мощностью 3 кВт.
Судовые энергетические
установки на основе СОД и
ВОД отличаются большим
разнообразием конструктив-
ных и компоновочных схем,
которые во многом определя-
ются типом и назначением
судов. В них чаще, чем в уста-
новках с МОД, применяется
навешивание вспомогательных механизмов (электрогенераторов,
компрессоров пускового воздуха, насосов — топливных, масляных,
охлаждения, осушительных, противопожарных), что упрощает
компоновку систем и уменьшает нагрузку СЭС. В то же время
опыт эксплуатации СЭУ показывает, что навешивание механиз-
мов может снижать ее надежность и ремонтопригодность.
Системы ДУ с СОД и ВОД принципиально не отличаются от
систем установок с МОД. Наибольшие отличия имеет масляная
система, которая обеспечивает смазку не только двигателей, но'
и редукторов. В установках с СОД смазка редуктора осуществля-
ется от отдельной системы, в которую входят расположенная под
редуктором сточно-циркуляционная цистерна, масляный насос и
гравитационная напорная цистерна, размещенная выше подшип-
ников редуктора на 8'—10 м. В этой системе циркулирует масло ме-
нее вязкое и с меньшей температурой вспышки, чем масло, иду-
194
щее на смазку двигателей, В ДРА с ВОД для смазки двигателя
и редуктора применяется один и тот же сорт масла из единой
масляной системы.
7.3. Утилизация тепловых потерь ДУ
Двигатели внутреннего сгорания относятся к числу наиболее
экономичных двигателей. КПД лучших образцов ДВС достигает
50—51 %, однако и в них теряется значительное количество теп-
лоты: около 30—40 % с выпускными газами, А'
дающими средами (вода,
масло). Потоки энергии
в ДУ имеют сложный ха-
рактер, обусловленный на-
личием нескольких видов
энергии: химической энер-
гии топлива, механической,
электрической, тепловой —
в виде энергии пара, горя-
чей воды, выпускных газов,
нагретого масла,
альлой сжатого
или пара.
На рис. 7.17 показана
диаграмма теплового ба-
ланса для ДВС различных
типов. Все
выражены _ ... ...
причем за 100% принята
химическая ;
гаемого топлива. К потерям энергии относятся: q$— теплота, рас-
сеиваемая двигателем в окружающую среду; qM— теплота, вос-
принимаемая маслом в узлах трения двигателя; qu—теплота,
отводимая от двигателя с охлаждающей пресной водой; qB — теп-
лота, отбираемая от воздуха в воздухоохладителе; q,—теплота,
отводимая с выпускными газами двигателя.
потенци-
воздуха
потоки энергии
в процентах,
энергия сжи-
10—20 % с охлаж-
двс
На рис. 7.18 показана схема эиергоиспользования в ДУ с МОД. Главный
двигатель ! потребляет химическую (X) энергию топлива, тепловую (Г) энер
гию (нагрев тяжелого топлива) и потенциальную (/7) сжатого воздуха при
пуске двшагеля (эга энергия расходуется эпизодически). В свою очередь ГД
преобразует химическую энергию топлива в механическую (Af), которая расхо
дуется па вращение гребного винта, и тепловую в виде нагретых выпускных
газов, воздуха после турбокомпрессора, охлаждающей воды и масла К основ-
ным потребителям энергии СЭУ относятся общесудовые потребители 2 (судо-
вые системы, устройства н аппараты), электроэнергии (насосы, электродвига-
тели судовых устройств), потенциальной энергии сжатого воздуха (пневмоии-
стерны забортной и пресной воды, тифоны, продувка кингстонов), тепловой
энергии (системы обогрева жилых и служебных помещений, жидкого груза
и т. п.). Аналогичную группу образуют специальные потребители 3 (технологи-
ческие системы промысловых и буровых судов, системы технологического кон-
диционирования воздуха и инертных газов) Днзель-генераторы СЭС 4 потреб-
195
ciihot химическую энергию юпднва и лозгндиальную энергию ся>атого воздуха
(при пуске), а вырабатываемая электроэнергия (Э) и тепловая энергия в виде
тепловых потерь отводится с выпускными газами и охлаждающими средами.
Утилизационный турб01снератор 5 использует тепловую энергию пара
(трансформированную тепловую энергию ГД или ВД). Часть тепловой энергии
при этом теряется и передастся охлаждающей воде в конденсаторе турбогенс
рйтора Вспомогательная кегельная установка 6 расходует химическую энер-
гию топлива, значительную часть которой преобразует в тепловую и потении
альиую энергию водяного пара. Остальная часть передается в виде теплово^
энергии выпускных газов окружащей среде. Водоопреенительная установка 7,
поглощая тепловую п электрическую энер1ию. вырабатывает пресную
Рис. 7 18. Схема эиергоиспользовапия в ДУ с МОД
воду (В) Системы СЭУ масляная 11 и топливная 12 потребляют электриче-
скую и тепловую энергию, а охлаждения 10- только электрическую энергию,
система сжатого воздуха 8, расходуя электрическую энергию, вырабатывает по-
тенциальную В системе газовыпускв 9 не используется никаких видов энергии
Рассмотренная схема энергоиспользования в ДУ с МОД ха-
рактерна и для установок с другими типами ГД (с небольшими
отличиями).
Анализ тепловых балансов ДУ транспортных судов показы-
вает, что основная часть топлива (8Q—85 %) расходуется на
получение механической энергии, необходимой для движения су-
дов, 8—12% требуется для выработки электроэнергии, а остав-
шаяся часть — для производства тепловой энергии во вспомога-
тельных котельных установках. Для лучшего энергоиспользова-
ния в ДУ целесообразно вырабатывать тепловую и электрическую
энергию не за счет химической энергии топлива во вспомога-
тельных котельных установках и ДГ, а за счет утилизации теп-
лоты выпускных газов и охлаждающих жидкостей (воды и ма-
сла) ГД. Возможности использования теплоты двигателей зава-
196
сят не только от количества теплоты того или другого источника,
но также от потенциала теплоты, т. е. максимальной температуры
теплоносителя. Для современных ДВС всех типов температура
масла на выходе из двигателя не должна превышать 70—80 °C,
а охлаждающей воды 75—90 °C. Эти ограничения определяют
возможные области утилизации тепловых потерь с маслом и во-
дой: получение горячей воды для систем водоснабжения, подо-
грев топлива средней вязкости, нагрев морской поды для ее оп-
реснения в вакуумных ВОУ.
Значительно большие потенциальные возможности имеет теп-
лота воздуха после сжатия в турбокомпрессоре. С повышением
давления наддува до 0,3—0,35 МПа температура воздуха за ком-
прессором может достигать 150—180 °C и ее можно употребить
для производства пара небольшого давления (0,1—0,2 МПа) и
подогрева тяжелого топлива. Наибольший потенциал имеет теп-
лота выпускных газов (260—350 °C), что позволяет использовать
ее для выработки как насыщенного, так и перегретого пара дав-
лением до 1,5 МПа.
При наличии соответствующих потребителей тепловой энер-
гии КПД химической энергии топлива в ДВС (отношение суммы
полезно использованной механической и тепловой энергии к теп-
ловой энергии топлива) может составить 75—85 %, однако схема
энергопотребления на большинстве судов не позволяет достигать
таких высоких значений. Для большей части транспортных судов
доля потребителей теплоты не превышает 10 % общего баланса
энергопотребления, в то время как доля потребителей механиче-
ской энергии для многих СЭУ составляет более 90 % всего энер-
гопотребления.
Из-за рассогласования схем потребления энергии, вырабаты-
ваемой в ДВС, необходима трансформация значительной части
тепловой энергии ДВС в механическую. Такая трансформация
возможна на основе паросилового цикла с использованием в ка-
честве рабочего тела водяного пара. При низких температурах и
давлениях водяного пара (/1c300 DC, p,cl,5 МПа) коэффици-
ент полезной трансформации тепловой энергии в механическую
работу не превышает 10—15%, что снижает полезную отдачу
систем утилизации теплоты вторичных энергоресурсов ДВС. Ре-
сурсы теплоты выпускных газов, сжатого воздуха, воды и масла
называются вторичными потому, что главное назначение ДВС
состоит в выработке механической энергии (первичного ресурса),
а тепловая энергия является побочным продуктом трансформа-
ции химической энергии топлива в механическую.
Исходя из основных положений термодинамики можно ут-
верждать, что чем выше температура источника вторичных энер-
горесурсов (или, как иногда называют по аналогии с электриче-
ской энергией, потенциал теплоты), тем с большим КПД можно
преобразовать тепловую энергию в механическую работу. Более
высокий КПД трансформации тепловой энергии н механическую
работу определяет не только больший эффект от получения
197
механической энергии, но я означает меньшие затраты на соз-
дание утилизационных установок, поскольку известно. что раз-
меры тептосбменных аппаратов 'УК. конденсаторов, подогрева-
телей) сильно ’ависят от температурных напоров Мреттней разно-
сти температур) В связи с этим при определении целесообразных
схем утилизации теплоты ДВС следует учитывать, что для полу-
чения механической энергии необходимо использовать источники
теплоты с температурой не ниже 100 °C, а низкопотенциальные
источники (с температурой ниже 100 сС) можно применять лишь
для теплофикационных целей (нагрева воды, воздуха, топлива)
и получения холода в утилизационных холодильных машинах.
Таким образом, в ДУ утилизировать теплоту с целью выра-
ботки механической энергии можно лишь путем использования
теплоты выпускных газов и сжатого в турбокомпрессорах воздуха.
Резерв повышения экономичности ДВС и установок с МОД ла
счет утилизации теплоты выпускных газов резко уменьшился в те-
чение последних лет из-за повышения экономичности самих дви-
гателей (это видно из представленных ниже данных):
мод
КПД, %...................................... 40—42 48—51
Температура выпускных газов, °C............. 320—350 260—280
Среднее эффективное давление, МПа .......... 1—1,2 1,4—1,6
Максимальное давление в цилиндре, МПа . . . 9—10 II—!3
Потеря теплоты, %:
с выпускными газами..................... 32—42 25—30
с Воздухом системы наддува ............. 3,5—4,5 6—9
в системе охлаждения двигателя ......... 10—15 8—12
иамижна» доля утилизации теплоты выпускных
газов, % ............................... 17—24 10—14
Сравнение МОД 70-х и 80-х годов показывает, что в последних
резко снизились потери и потенциал теплоты с выпускными га-
зами. Охлаждение выпускных газов ниже 160—170 °C нежела-
тельно пз-за опасности сернокислотной коррозии поверхностей
нагрева УК В связи с этим следует отметить, что возможная доля
утилизации теплоты выпускных газов с повышением экономич-
ности ДВС до 50 % снизилась на 70—80 % по сравнению с ДВС,
имеющими КПД 40—41 %.
Вместе с тем для двигателей 80-х годов характерна большая
доля теплоты воздуха системы газотурбинного наддува, и этот
источник следует обязательно учитывать при определении воз-
можности утилизации теплоты современных ДВС, особенно МОД.
Используя теплоту выпускных газов и воздуха системы газотур-
бинного наддува, можно получить в паросиловом утилизацион-
ном контуре дополнительно к мощности ГД 3,5—4 % механиче-
ской энергии Мп.ут. что показано на рис, 7.19 (область, ограни-
ченная штриховыми линиями). Область, заключенная между
сплошными линиями, представляет собой относительную мощ-
ность ВД Л'вд/Л'гд (в %) для большинства судов транспорт-
ного флота (универсальных сухогрузов, навалочников, танке-
198
ров). При сравнении данных видно, что системы утилизации теп-
лоты современных экономичных ЛЮД могут полностью обеспе-
чить СЭС механической энергией лишь при мощности ГД свыше
10—24 МВт. Если мощность ГД меньше 10 МВт, утилизацион-
ные установки способны только частично удовлетворить потреб-
ности СЭУ в энергии для привода ВД. Усложнение в этом слу-
чае схемы использования энергии связано с трудностями согла-
сования параллельной работы на судовую электросеть паровых
турбогенераторов систем утилизации и ДГ при переменных на-
грузках электросети, а также со снижением возможности утили-
зации теплоты при работе ГД на частичных нагрузках.
На рис. 7.20 показаны удельный расход топлива ge и темпера-
тура выпускных газов /вип для МОД производства 70-х (штрихо-
Рис. 7.20. Удельный расход топ-
лива ge и температура <вып вы
пускных газов для МОД пропз
водства 70-х и 80-х годов
Рис. 7.19. Относительная мощность
вспомогательных двигателей Мвл/^гд
н потенциальная мощность Мп.у.т утн
лпзацпонных турбин для установок
с МОД
вые лилии) и 80-х (сплошные линии) годов в зависимости от на-
грузки двигателя при его работе по винтовой характеристике.
Несмотря на незначительное изменение температуры выпускных
газов при работе двигателя по винтовой характеристике, абсо-
лютное значение теплоты, отводимой выпускными газами, сни-
жается существенно, в первую очередь за счет уменьшения
объема выпускных газов при уменьшении частоты вращения дви-
гателя. С целью увеличения количества теплоты с выпускными
газами в некоторых схемах утилизации предусматривается пере-
пуск части газов мимо турбины турбонагнетателя, что способст-
вует повышению температуры газов перед УК на 15—25 °C. Од-
нако при этом экономичность двигателя снижается на 0,5—1 %.
Такую меру следует рассматривать как вынужденную, поскольку
экономичность ГД при этом снижается, а получаемая в системе
утилизации дополнительная мощность не компенсируется сниже-
нием мощности и экономичности ГД.
В ДУ стремятся использовать по возможности все тепловые
потери двигателей и в первую очередь ГД, мощность которых
для большинства транспортных судов превышает мощности рабо-
тающих в ходовом режиме ДГ в 10—20 раз, а нагрузка на ходо-
вом режиме отличается большой стабильностью.
199
Из низкопотепциальных источников теплоты наибольшие труд-
пост для утилизации представляет теплота, которая выносится
из двигателя с помощью масла. Доля этой теплоты в общем ба-
лансе двигателя сравнительно невелика (4—6 % теплоты сгорае-
мого топлива), температура масла на выходе из двигателя не
превышает 75—80 сС, Эту теплоту в принципе можно было бы
использовать для получения нагретой пресной воды, подогрева»
тяжелою топлива и опреснения морской воды, однако в совре-
менных установках теплота масла не используется для этих це-
лей, что объясняется наличием других источников низкопотен-
циальной теплоты (охлаждающая вода и наддувочный воздух),
опасностью обводнения масла в теплообменных аппаратах при
нарушении их герметичности и трудностями транспортировки ма-
сла на большие расстояния из-за его повышенной вязкости. Не-
смотря на эти причины, использование теплоты масла для теп-
лофикационных целей, т. е. нагрева топлива, воды и даже воз-
духа, представляет интерес для судов ледового плавания, где
расходы топлива на теплофикацию сравнимы с расходами на ра-
боту судовых ДГ.
Гораздо проще и с меньшими материальными затратами ча
судах используется низкопотенциальная теплота охлаждающей
воды. Наиболее целесообразные области ее утилизации следую-
щие: получение нагретой до 50—60 °C воды в системе горячего
водоснабжения; подогрев топлива в расходных цистернах; пред-
варительный нагрев топлива перед его сепарацией до 65—70 °C;
нагрев морской воды до 50—60 °C для ее опреснения в вакуум-
ных ВОУ; подогрев конденсата в системах утилизации теп-
лоты.
Использование пизкопотенциальной теплоты охлаждающей
воды позволяет уменьшить расходы топлива на работу вспомога-
тельных котельных установок или увеличить долю пара от УК,
расходуемого для получения механической энергии в турбогене-
раторах. При этом дополнительно снижается тепловая нагрузка
охладителей пресной воды, а следовательно, их масса, габариты
и стоимость.
Важным источником вторичной теплоты является наддувочный воздух
В настоящее время в МОД получили распространение трехсекционпые охла
дители наддувочного воздуха (рис 7.21). Секция 1 предназначена для получе-
ния горячей воды 6, расходуемой па бытовые нужды или нагрев тяжелого
топлива. Секция 2 служит для нагревания конденсата 5 системы утилизации
теплоты выпускных газов, секция 3 — для охлаждения до 40—45 °C наддувоч-
ного воздуха морской водой 4.
Разделение охладителя наддувочного воздуха на три секции позволяет по-
лезно употребить около 60—70 % теплоты воздуха, однако при этом на 80—
100 % увеличиваются габариты и масса охладителя. На рис. 7.22 показаны га-
бариты секций /, 2 и 3 воздухоохладителя в процентах от габаритов односек-
ционного охладителя 4 наддувочного воздуха (100%), теплота которого в нем
используется. Снижение на 25 % благодаря утилизации теплоты габаритов (и
массы) охладителя 3, прокачиваемого забортной водой, позволяет экономить
дефицитные материалы (медь, мельхиор) при его изготовлении. Кроме того,
уменьшается расход воды в системе охлаждения морской водой, что способст-
вует снижению затрат на изготовление и ремонт элементов этой системы.
200
При расчете систем утилизации теплоты выпускных газов и
наддувочного воздуха необходимо знать расходы воздуха GB и
газов Gr. Для определения этих величин на номинальном ре-
жиме работы (GBH в GriI) вводится понятие относительного рас-
хода воздуха gB, который представляет собой отношение абсо-
лютного расхода воздуха к эффективной мощности двигателя
Ne. Тогда
GBll=gBNe„; Огн = (gB+ge) NlH-
Для экономичных ДВС gB, кг/(кВт-ч), составляет 8,5—9,5
для МОД, 7—8 для СОД и ВОД. При работе ГД по винтовой
190%
Рис. 7.21. Схема включения трех-
сскционпого охладителя наддувоч-
ного воздуха
Рис 7 22 Габариты трех- и
ол посекционного охладителя
наддувочного воздуха
характеристике расходы воздуха л газов изменяются пропорцио-
нально частоте вращения п, т. е.
GB=GB,,n-, Сг—6Гч«,
где п=п!пи — безразмерная частота вращения вала двигателя;
—частота вращения вала двигателя на номинальном режиме.
Наибольший потенциал имеет теряемая с выпускными газами
теплота, однако глубокое охлаждение выпускных газов до 120—
130 °C сопровождается конденсацией водяных паров, что при
использовании высокосернистых топлив приводит к отложению
на металлических поверхностях солей серной и сернистой кис-
лот. Сернокислотная (или низкотемпературная) коррозия ограни-
чивает глубину утилизации теплоты выпускных газов судовых
ДВС.
С определенным запасом, учитывающим работу ДВС на ча-
стичных нагрузках, температура выпускных газов за УК не дол-
жна быть ниже 160—180 °C. Вместе с тем установка в хвостовой
части УК водяных экономайзеров с температурой проходящей
по ним воды 80—ПО °C повышает опасность сернокислотной
коррозии экономайзеров даже при достаточно высокой темпера-
туре выпускных газов (180—200 °C). Это объясняется тем, что
201
коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке трубы экономайзера
выше, чем от газов к стенке, и температура последней более
близка к температуре воды, чем газов. Вследствие этого отказ
от использования экономайзеров в УК и замена их второй сек-
цисй воздухоохладителя (см. рис. 7.21) позволяют снизить до-
пустимую температуру выпускных газов ДВС. С целью более
глубокой утилизации в этих случаях рекомендуется применять»
УК высокого давления пара (до 0,8—1,2 МПа), используемого
для работы турбогенератора, и низкого давления пара (0,2—
0,3 МПа) для нужд теплофикации.
Для ДУ характерно большое разнообразие схем утилизации
теплоты. Расчеты показывают, что в лучших тепловых схемах
утилизации можно получить механическую энергию 9—10 % мощ-
ности самого двигателя. Такие схемы, однако, могут работать
лишь при стабильной нагрузке двигателя и потребителей меха-
нической энергии утилизационной турбины.
7.4. Совершенствование энергоиспользования в ДУ
Затраты на топливо и масло в ДУ остаются доминирующими
в общем балансе затрат, связанных с эксплуатацией судов.
Повысить экономичность ДУ можно путем снижения букси-
ровочного сопротивления судов (рациональные формы корпуса —
бульбообразные носовая и кормовая оконечности; уменьшение
шероховатости его поверхности — самополируюшиеся краски; по-
дача воздуха под днище корпуса при плавании во льдах); повы-
шения КПД винтов (увеличение числа лопастей, понижение ча-
стоты вращения, рациональные формы кормовой оконечности);
увеличения КПД главных и вспомогательных двигателей; приме-
нения более дешевых тяжелых сортов топлива для двигателей;
утилизации вторичных энергоресурсов ГД и ВД; снижения энер-
гозатрат на работу вспомогательных механизмов и аппаратов.
Большая часть из перечисленных способов распространяется
и на СЭУ других типов.
Снизить буксировочное сопротивление судов можно примене-
нием более рациональных форм корпуса, обеспечивающих умень-
шение сопротивлений формы, трения и волнового. Так, бульбооб-
разная форма носовой оконечности уменьшает сопротивление
судна и при прочих равных условиях дает выигрыш в скорости
около 0,5 уз; несколько меныпий эффект получается при буль-
бообразной форме кормовой оконечности. Создание оптимальных
кормовых обводов позволяет исключить дополнительные потери
энергии, вызванные отрывами потока воды, обтекающего корпус
судна. Своевременная очистка корпусов от ржавчины и обраста-
ния и применение самополирующихся красок существенно сни-
жают расход топлива. С уменьшением сопротивления корпуса
либо увеличивается скорость, либо снижается мощность ГД.
В обоих случаях затраты топлива на милю пройденного пути со
202
кращакяся, и поэтому не случайно суда с уменьшенным сопро-
тивлением корпуса называются «энергосберегающими».
Значительного снижения энергозатрат на транспортировку
грузов достигают уменьшением частоты вращения гребных вин-
тов (рис. 7.23). Так, 20 %-е снижение частоты вращения винта
приводит к повышению КПД пропульсивной установки ту15 на
3—4,5 %. Исходя из этого на многих транспортных судах назна-
чают частоту вращения гребных винтов 50—60 об/мин, что при
скоростях 12—14 уз обеспечивает 15—20 %-ю экономию топлива.
Однако уменьшение частоты вращения приводит к увеличению
диаметра винта, что затрудняет его установку в кормовой око-
нечности судна. Для улучшения условий работа и повышения
КПД гребных винтов их устанавливают в насадках, а кормовую
оконечность судна делают полутуннелыюй.
Существенное улучшение энергонспользовапия в ДУ дает по-
вышение КПД главных и вспомогательных двигателей. На
рис. .7.24 показан рост экономичности МОД (снижение ge) в ее
чение последних 25 лет. Скачкообразное повышение экономич-
ности МОД в конце 70-х годов обычно связывают с появлением
длиниоходпых двигателей.
Резкое возрастание экономичности МОД стало возможным
благодаря комплексу взаимосвязанных конструктивных меро-
приятий, оказавших сильное влияние на рабочие процессы МОД.
К их числу следует в первую очередь отнести увеличение макси-
мального давления сгорания р2 (см. рис. 7.24) и давления газо-
турбинного наддува рк. В результате при сохранении степени
сжатия удалось повысить среднее эффективное давление репочти
в два раза (с 0,8 до 1,4—1,6 МПа). С повышением ре связан рост
механического КПД МОД. Однако наибольшие изменения про-
изошли в индикаторных показателях работы. Газодинамические
испытания МОД с прямогочно-клапакиой продувкой (рис. 7.25)
показали, что с ростом S/D увеличивается коэффициент напол-
нения цилиндра г|р, который оказывает существенное влияние на
индикаторные параметры работы двигателя (рис. 7.26). В каче-
стве основных показателей работы ДВС приняты: удельный рас-
ход топлива ge, удельный расход воздуха относительные по-
тери теплоты с охлаждающей водой gu и температура выпускных
газов Твып. На рис. 7.26—7.29 эти величины являются относи-
тельными, на что указывает черточка над буквенным обозначе-
нием показателя. С увеличением S/D эффективные показатели
работы МОД улучшаются, однако одновременно растут потери
теплоты с охлаждающей водой. По этой причине в длиниоходпых
ДВС охлаждают только верхнюю часть цилиндровой втулки (на
высоте 30—35 % ее длины).
Те же конструктивные решения, способствующие снижению
сдельного расхода топлива на 1—2 г/(кВт-ч), успешно приме-
няют в СОД и ВОД.
Повышение экономичности двигателей достигается также по-
нижением частоты вращения (рис. 7.27), что и объясняет во
Рис. 7.24. Динамика изменения удель-
ного расхода топлива и максималь-
ного давления сгорания р, для МОД
Рис 7 23 Влияние изменения ча-
стоты вращения гребного винта по
КПД пропульсивной установки
Рис 7 25 Влияние относительного
хода поршня S/D на коэффициент
наполнения цилиндра
24
Рис 7 27. Влияние частоты вращения
двигателя на относительные показа-
тели работы МОД
831
многом ратину в КПД МОД, СОД и ВОД. Полому высокоэК"-
комичные СОД имею1 низкую частоту вращения (400—
450 об/мин), которая приближается к частоте вращении МОД.
Максимальное давление сгорания р2 также оказывает существен-
ное влияние на показатели МОД (рис, 7.28).
Создание высокоэкономичных МОД было бы невозможно без
совершенствования агрегатов наддува и, в частности, повыше-
ния их КПД г]™, влияющего на показатели МОД (рис. 7.29).
Приведенные графики, построенные для МОД с параметрами
5/0 = 2,5, н=125 об/мин, рг —10 МПа, г|тк = 0,б5, применимы
к двигателям любой размерности, в том числе к СОД.
При разработке высокоэкономичных МОД проблема сгора-
ния топлива была в основном решена созданием высокого дав-
ления распиливания топлива (120—140 .МПа). Не умаляя зна-
чения внешней топливоподготовки (гомогенизации, очистки,
добавления присадок), следует подчеркнуть, чю решающим фак-
тором в улучшении качества распиливания и смесеобразования
является высокое давление впрыска, которое значительно улуч-
шает индикаторные параметры ДВС за счет уменьшения непол-
ноты и времени сгорания топлива.
Многие конструктивные мероприятия, использованные для
повышения экономичности МОД, сейчас успешно применяются
в СОД и ВОД, например: повышение давления распиливания
топлива, охлаждение только верхней части цилиндровой втулки,
создание вращательного движения воздуха при продувке и на-
полнении цилиндров с помощью завихрителей, устанавливаемых
на впускных клапанах, увеличение максимального давления в ци-
линдре, повышение КПД агрегатов наддува. Благодаря этим ме-
роприятиям за последние годы удалось значительно повысить
КПД судовых СОД и частично ВОД. Например, новые СОД
205
объединения «МАИ — Бурмейстер и Вайи» типа 58/64 мощностью
7,29—10,9 МВт при 6—9-цилиндровом исполнении и номинальной
частоте вращения 428 об/мин имеют удельные массу 17—
18,4 кг/кВт и расход топлива 167—174 г/(кВт-ч) на номиналь-
ном режиме. На основании этого можно считать, что в ближай-
шие годы экономичность СОД будет близка к экономичности
длинноходных МОД.
Удельные расходы топлива для ВОД в настоящее время на
20—25 %выше, чем для МОД и СОД. Повышение экономичности
ВОД — проблема большой важности ввиду того, что в них преи-
мущественно используются более дорогие легкие и средние сорта
топлива. Определенным резервом следует считать совершенство-
вание в ВОД систем газотурбинного наддува с использованием
явлений нестационарное™ потока воздуха и газов в системах по-
дачи воздуха и газовыпуска. Результаты экспериментальных ис-
следований ВОД показывают, что применение в системах газотур-
бинного наддува стабилизаторов потока в форме так называемых
газодинамических диодов позволяет повысить их экономичность
на номинальном и долевых режимах па 5—10 %. Газодинамиче-
ские диоды представляют собой каналы (рис. 7.30) с повышенным
сопротивлением потоку в обратном направлении и служат для
преобразования кинетической энергии импульсов потока в энергию
давления, а также для повышения КПД агрегатов наддува стаби-
лизацией давления за компрессором и перед турбиной.
Экономичность современных ДВС в значительной степени за-
висит от характера их нагрузки. С увеличением степени неравно-
мерности нагрузки удельный расход топлива может увеличиваться
на 5—20 %. Поэтому в главных ДВС, особенно в СОД, применяют
демпфирующие муфты, которые не только снижают нагрузки от
действия нестационарных явлений, но и способствуют уменьшению
удельного расхода топлива при работе ДВС на этих режимах. Не-
устаиовившиеея режимы работы ДВС вызываются штормовыми
условиями плавания судна, неравномерностью работы потребите-
лей электроэнергии, колебаниями параметров по цилиндрам дви-
гателя. Для снижения неблагоприятного влияния нерегулярных ко-
лебаний нагрузки ДВС рекомендуется, чтобы колебания темпера-
туры выпускных газов по цилиндрам двигателей не превышали
±30 °C, а максимального давления сгорания ±0,3 МПа.
Дальнейшее повышение экономичности ДУ связывается с при-
менением в них тяжелых сортов топлива. Ниже приведены пара-
метры тяжелого топлива, которое допускается международными
организациями к использованию на морских судах:
Параметры СИМАК 10 СИМАК-12
Плотность максимальная, кг/м3 .............. 991 991
Вязкость при 100 °C, м№/с:
кинематическая............................... 45 55
по Редвуду .......................... 5000 7000
Температура, 6С-
минимальная кипения ......................... 60 60
максимальная застывания................ 30 30
206
Параметры
Коксуемость (по Конрадсону), %
Примеси:
зола, % .................
вода, % .................
сера, % .................
ванадий, мг/кг..............
Продолжение
СИМАК Ю СИМАК 12
22 22
0,2 0,2
5 5
600 600
Большая плотность тяжелого топлива осложняет его очистку
в сепараторах от воды, высокая вязкость затрудняет перекачку,
подютовку и сжигание топлива, значительное содержание серы и
ванадия может вызвать высоко- и низкотемпературную коррозию.
Для решения всех проблем, связанных с использованием тяжелого
топлива, требуется разработка новых конструкций двигателей
Рис. 7 30. Схема газодинамического диода
для системы газотурбинного наддува ДВС
с применением коррозионно-стойких материалов и систем охлаж-
дения, обеспечивающих поддержание допустимой температуры де-
талей на всех режимах работы, а также совершенствование систем
хранения и подготовки топлива.
Утилизация вторичной теплоты в ДВС имеет важное значение
для совершенствования энергоисполъзования в ДУ. По существу,
современный ДВС должен рассматриваться не только как источ-
ник механической энергии, но и как своеобразный паровой и водо-
грейный котел. Исходя из этого совершенствование в ДУ возмо-
жно на основе повышения потенциала вторичных тепловых ресур-
сов ДВС путем применения высокотемпературного охлаждения
деталей пресной водой, а в перспективе — повышения температуры
масла в циркуляционной системе смазки. Коксуемость масла яв-
ляется основным фактором, сдерживающим реализацию высоко-
температурной системы охлаждения и смазки. Однако при суще-
ствующих маслах можно увеличить потенциал охлаждающей воды
раздельным охлаждением цилиндровых втулок и крышек цилинд-
ров.
Утилизация вторичных энергоресурсов тесно связана с рацио-
нальным энергопотреблением, которое зависит от типа и назначе-
ния судна. Если в структуре энергопотребления велика доля по-
требителей теплоты, то в большинстве случаев можно эффективно
использовать все вторичные ресурсы ДВС; если доля потребите-
лей теплоты невелика, требуются утилизационные установки по
трансформации тепловой энергии в механическую и электриче-
скую и передача этой энергии потребителю. Для полной загрузки
утилизационных установок в последнем случае следует применять
валогенераторы и валомоторные установки, которые позволяют
207
снять проблему «пиков» и «провалов» в суточных графиках энер-
гопотребления.
Дальнейший резерв улучшения энергоиспользования в ДУ —
повышение КПД вспомогательных механизмов (насосов, компрес-
соров, вентиляторов) и аппаратов (сепараторов, вспомогательных
котельных и водоопреснительных установок). Кроме повышения
КПД вспомогательных механизмов и аппаратов можно применять,
более совершенные схемы и оборудование. Например, к судовым
системам сжатого воздуха в ДУ подключаются потребители воз-
духа разного давлений (от 0,2 до 3 МПа), причем основные по-
требители используют воздух низкого давления (от 0,2 до
0,5 МПа), Воздух в компрессорах сжимается до максимального
давления, а затем оно снижается до требуемого дросселированием
через редукционные клапаны. Если устанавливать раздельные си-
стемы среднего (до 3 МПа) и низкого (до 0,5 МПа) давления
с соответствующим компрессорным оборудованием, то энергоза-
траты на систему сжатого воздуха можно снизить на 60—80 %.
Для этих же целей можно использовать турбокомпрессорные ре-
дукторы давления, и тогда энергозатраты в системе сжатого воз-
духа будут ниже на 20- -25 %.
Таким образом, несмотря на высокий уровень термодинамиче-
ского совершенства судовых ДВС н ДУ, имеются значительные не-
использованные резервы совершенствования энергоиспользования,
которые необходимо учитывать при дальнейшем развитии СДУ.
7.5. Основные технико-экономические показатели
современных и перспективных ДУ
Судовые дизельные энергетические установки характеризуются
большим разнообразием параметров. Для определения целесооб-
разности применения, условий эксплуатации и перспектив разви-
тия большое значение имеют технико-экономические параметры,
важнейшие из которых — затраты на создание и эксплуатацию
установок, а также отдельные их составляющие. Затраты зависят
от типа судна и условий его эксплуатации, цен на топливо и ма-
сло, заработной платы обслуживающего персонала и уровня его
квалификации, технических параметров установки.
Ниже приведены данные об абсолютных технических и относи-'
тельных экономических параметрах для двух ПУ с МОД и СОД
примерно одинаковой мощности:
Параметры СОД МОД
Мощность, кВт.................................
Частота вращения, об/мин:
двигателя ....................................
Масса установки, т (%)........................
Затраты, %:
топливо ......................................
масло .................................
8585 8468
428 123
123 123
152 (47,5) 320 (100)
101 100
156 100
208
Продолжение
Параметры СОД МОД
техническое обслуживание ..................... 79 100
стоимость установки .......................... 75 100
эксплуатация ................................ 100,6 100
Из представленных данных видно, что современные МОД и
СОД имеют практически одинаковую топливную экономичность
(МОД—двигатель 6RTA 58/170 фирмы «Зульцер», СОД — 7L
58/64 объединения «МАН — Бурмейстер и Вайн»), Затраты на ма-
сло установки с СОД на 56 % выше, а стоимость па 25 % ниже,
чем установки с МОД. В целом эксплуатационные расходы для
рассматриваемых установок примерно одинаковые. Именно они
являются основными в общей сумме затрат на создание и эксплу-
атацию СЭУ. Об этом свидетельствуют и данные на рис. 7.31, из
которых видно, что в начале 70-х годов затраты 3 на топливо и
масло не превышали 40 % общих затрат и были соизмеримы с ка-
питальными затратами, а к концу 70-х годов относительные за-
траты на топливо и масло возросли на 50—70 %, капитальные за-
траты снизились почти вдвое Такая тенденция продолжает сохра-
няться. Она обусловлена, с одной стороны, постоянным повыше-
нием цен на топливо и масло, а с другой,— совершенствованием
судового оборудования не только в связи с улучшением техниче-
ских параметров, но и сниженном относительной стоимости этого
оборудования по сравнению с ценами на топливо (абсолютная
стоимость установок возрастает, но в меньшей степени, чем топ-
лива).
Относительная стоимость СДУ постоянно снижается из-за ши-
рокого применения стандартизации основного энергетического обо-
рудования, применения типовых проектных решений, комплексной
поставки оборудования. Например, на рис. 7.32 показана схема
размещения типового оборудования в МО сухогрузного судна
с МОД. Наряду с ГД заводы-изготовители обеспечивают комплек-
тную поставку оборудования всех систем СЭУ, ДГ и другого обо-
рудования, что уменьшает сроки строительства судов.
В ближайшей перспективе ожидается дальнейшее совершенст-
вование ДУ в плайе повышения их экономичности и снижения
стоимости, а также резкого повышения ремонтопригодности, кото-
рая пока остается довольно низкой. Анализ заказов на морские
суда показывает, что в ближайшие годы намечается снижение ча-
стоты вращения гребных винтов до 50—75 об/мин и средней мощ-
ности ГД на 20—30 %. Вместе с использованием тяжелых сортов
топлива это может привести к некоторому снижению доли затрат
на топливо и масло и увеличению капитальных затрат. Последнее
может быть также связано с намечающейся тенденцией сокраще-
ния «жизненного цикла» судов с 25—30 до 10—15 лет, что позво-
лит в более короткие сроки обновить транспортный флот и снизить
затраты топлива на эксплуатацию устаревших судов.
На современных судах с ДУ часто применяется утилизация те-
плоты охлаждающей воды и выпускных газов. Схема и степень
209
Рис. 7.32. Схема размещения обору-
дования ДУ сухогрузного судна
с МОД:
Рис. 7.33 Обобщенная развитая схема глубокой утилизации теплоты в ДУ:
210
утилизации зависят от типа судна, ГД и его мощности. На
рис. 7.33 представлена обобщенная схема утилизации теплоты как
для эксплуатируемых, так и для перспективных судов, охватыва-
ющая практически все возможные варианты — от минимальной
утилизации до развитой глубокой.
На любых дизельных судах теплота охлаждающей двигатели
воды используется, как правило, в вакуумных ВОУ. При мощности
ГД до 5 МВт теплоты отработавших газов и воды обычно хватает
для обеспечения всех судовых нужд (ОСППНД— общесудовые
потребители лара низкого давления ри—0,24-0,5 МПа, вырабаты-
ваемого в УК). Если потребности в пресной воде превышают
производительность ВОУ (например, на пассажирских судах), ис-
пользуется ВОУ с паровым подогревом. При таком варианте со-
кращается или полностью исключается расход топлива па вспомо-
гательный котел (ВК), который на ходу судна заменяется УК. При
мощности ГД транспортных судов традиционных типов больше
5—6 МВт производительности УК достаточно для обеспечения об-
щесудовых потребителей теплоты (пара) и выработки электро-
энергии в УТГ на ходовом режиме. Это позволяет уменьшить чи-
сло ДГ и полностью исключить расход топлива на них, а также на
ВК при движении судна.
При больших мощностях дизелей реальные возможности ис-
пользования вторичных энсргоресурсов (отработавших газов, ох-
лаждающей воды) превышают потребности судна в тепловой и
электрической энергии. Возможная паропроизводительность УК
может в несколько раз превышать требуемую для обеспечения
общесудовых потребителей всеми видами энергии (это зависит от
типа судна и ГД, мощности вспомо! ательных механизмов, необ-
ходимости подогрева или охлаждения перевозимых грузов и т. п.).
В этом случае целесообразна ыубокая утилизация теплоты
с целью использования ее не только для удовлетворения общесу-
довых нужд в тепловой п электрической энергии, по и для выра-
ботки механической энергии, передаваемой на гребной вал и винт.
Тогда требуемая мощность ПУ может быть обеспечена ГД мень-
шей (например, на 8—12 %) мощности и при меньшем расходе
топлива. Такой способ утилизации теплоты позволяет снизить
удельный расход топлива на установку до 190—200 г/(кВт-ч) и
менее и получить за год экономический выигрыш, исчисляемый
сотнями тысяч рублей для одного судна.
Утилизационный котел (см. рис. 7.33) имеет экономайзерный
участок (ЭУ) для подогрева питательной воды, испарительный
участок (ИУ) и пароперегреватель ПП. В нем вырабатывается
пар относительно высокого давления (0,4—1,6 МПа), насыщенный
и перегретый, температура которого зависит от температуры га-
зов /г на входе в котел, т. е. tn = tr — (204-60) °C. Кроме того, пре-
дусмотрен генератор пара низкого давления (ГПНД), работаю-
щий за счет теплоты горячей воды, забираемой из сепаратора С,
н снабжающий ОСППНД, ВОУ и утилизационную теллоиспользу-
ющую холодильную машину УТИХМ (расположение УТИХМ
211
в контурах охлаждающей дииителъ воды либо пара низкою п.ш
высокою давления зависит oi типа машины) В качестве сепара-
тора может быть использован пароводяной коллектор УК или ВК,
либо общин для них (при любом варианте ут.чпзациц ВК рабо-
тает па стоянке судна)
Теплый ящик ТЯ служит для сбора конденсата от всех потре-
бителей пара Туда же конденсатным насосом КН подается кон-,
денсат из конденсатора Кн турбины Т. Питательная вода из ТЯ
питательным насосом ПН подается через ряд подогревателей
ППВ, ППВ-l, ППВ-П в пароводяной коллектор.
Водоподогрсвате.ц, ППВ используется только в случае высо-
котемпературного охлаждения двигателей, когда в системе охлаж-
дения поддерживается повышенное (выше атмосферного) давле-
ние, а температура поды на выходе из двигателя составляет
110—130 °C. В этом случае улучшаются индикаторные показатели
дизеля п стабилизируется тепловое состояние его деталей. Однако
пока такое охлаждение в судовых дизелях практически (за исклю-
чением единичных случаев) не применяется, хотя и является пер-
спективным, позволяющим полнее утилизировать теплоту и по-
вышать общий КПД установки (на 10—12 %).
Утилизационный котел выполняется, как правило, с принуди-
тельной циркуляцией. Циркуляционный насос ЦН забирает воду
из коллектора-сепаратора и подает се через подогреватели ППВ-П
и ППВ-I, а также (при выработке пара низкого давления) через
ГПНД в экономайзер ЭК, затем в ИУ. Пароводяная смесь из ИУ
поступает в сепаратор, в котором нар отделяется от воды и на-
правляется частично на ОСППВД и УТИХМ, а другая (значи-
тельная) часть — в пароперегреватель, обеспечивающий заданный
перегрев пара до tn = t, — (20-r60) °C.
Турбина Т работает на перегретом паре. В зависимости от ва-
рианта утилизации она может приводить в действие электрогене-
ратор ЭГ, обеспечивающий электропитанием вспомогательные ме-
ханизмы и другие потребители на ходу судна, либо передавать
мощность через гибкую муфту ГМ и зубчатую передачу ЗП непо-
средственно на 1ребной вал< (такой вариант наиболее приемлем
при использовании на судне в качестве главных СОД с редукто-
ром— ДРА). Если используют УТГ, дизель-генераторы ДГ на
ходу не работают. Если мощность турбины передается через ЗП
на гребной вал, то СЭС питается от ДГ.
Возможен и такой вариант. Турбина максимально возможной
мощности (исходя из полного использования теплоты отработав-
ших газов в УК) приводит в действие ЭГ, питающий гребной ма-
лооборотный электродвигатель ГЭД, от которого мощность легко
передается на гребной вал. В этом случае СЭС питается от ДГ.
Либо ЭГ питает СЭС (для вспомогательных нужд), а остаток мощ-
ности передастся на гребной вал через ГЭД.
Вариант утилизации, параметры и схема утилизационной уста-
новки зависят от типа судна, типа, мощности и параметров ра-
боты ГД, количества и мощности потребителей электрической и
212
тепловой энерщи на судне и т. д. При проектировании для их обо
снования необходимы специальные исследования, чеплочехничс-
ские н технико-экономические расчеты Ниже рассмотрен ряд кон-
кретных схем утилизации вторичных энергоресурсов ДУ с учетом
особенностей характеристик и тепловых балансов высокоэкономич-
пых дизелей.
На рис. 7 34 показана одна из возможных схем комплексной стилизации
теплоты выпускных газов и наддувочного воздуха МОД. В этой схеме преду-
смотрено получение перегретого пара в УК 1 и использование его цля выра
— коште
; 6 — ох
боткн электроэнергии в турбогенераторе 12. применение насыщенного пара для
подогрева тяжелого топлива в концевых топливоцодогрсвателях 4, потогрев
конденсата, поступающего из коптенсаюра 11. наддувочным воздухом во 2 й
ступени охладителя воздуха 6, а также получение горячей воды для снабже-
ния тепловых потребителей в 1-й ступени воздухоохладителя. В данной схеме
в УК отсутствует экономайзер, а его роль выполняет 2 я ступень вочдухоох
ладитсля, что снижает опасность коррозионного разрушения поверхностей на-
грева котла.
В табл. 7.6 приведены расчетные данные выработки электриче-
ской и тепловой энергии в рассмотренной выше схеме утилизации
в зависимости от нагрузки ГД номинальной мощностью Ne=
— 17,76 МВт с частотой вращения п = 87 об/мин при его работе по
винтовой характеристике и различных параметрах окружающей
среды (?в — температура окружающею воздуха, — темпера-
тура забортной воды). Из таблицы видно, что рассматриваемая
схема утилизации позволяет получать электроэнергию для СЭС
213
в количестве 4,6—5 % мощности ГД при нагрузках от 70 до 100 %
поминальной мощности, что примерно соответствует требуемой на-
грузке СЭС. В этом диапазоне работы ГД колебания нагрузки
УТГ практически соответствуют колебаниям нагрузки ГД. В то же
время колебания тепловой нагрузки воздухоохладителя более зна-
чительны (при снижении нагрузки ГД на 30 % тепловая нагрузка
воздухоохладителя уменьшается в 2,7—4,2 раза). Существснноеч
снижение тепловой нагрузки воздухоохладителя при падении мощ-
ности ГД обусловлено уменьшением давления наддува и в соот-
ветствии с этим — температуры воздуха за турбокомпрессором.
Таблица 7.6.
Выработка электрической и тепловой энергии
системой утилизации теплоты двигателя 6ДКРН 84/240
Энергия. кВт Нагрузка. Условия плавания
ZB = 27 С 'з в =2? С 'в = «-с 'з В = 32 С
100 890 [050
Электрическая 85 710 850
70 580 690
100 1870 2560
Тепловая 85 1000 1630
70 440 920
Для иллюстрации изменения составляющих тепловою баланса
ГД на частичных нагрузках в табл. 7.7 приведены основные дан-
ные результатов испытания двигателя 6ДдРН 67/170 по винтовой
характеристике. Как видно, с уменьшением на[рузки двигателя
резко снижаются потери теплоты в охладителе наддувочного воз-
духа, а относительные потери теплоты с выпускными газами прак-
тически не изменяются (абсолютные потери с выпускными газами
при работе по винтовой характеристике снижаются почти пропор-
ционально нагрузке двигателя).
В современных ДВС, как уже отмечалось, потери теплоты с ох-
лаждающей двигатели водой значительно уменьшены, а темпера-
тура воды на выходе из двигателей поддерживается достаточно
высокой (80—95 °C), что позволяет утилизировать эту теплоту:
1) путем традиционного использования ее для опреснения морской
воды; 2) повышением температуры охлаждающей воды до 120—
130 °C и использованием теплоты для генерации пара низкого дав-
ления, который может быть применен для работы турбогенерато-
ров (ТГ).
Па рис. 7.35 показана принципиальная схема утилизационной устакгпкп
с использованием охлаждающей воды для генерации пара низкого давления,
который подается на последние ступени. В схеме предусмотрено высокотеыпе
214
Таблица 7.7.
Параметры и статьи теплового баланса МОД 6ДКРН 67/170
при работе по винтовой характеристике
(Ne - 9650 кВт)
t (арамез |>ы 1 25 М 1 75 юе
Частота вращения, об/мин Удельный расход топлива, кг/(кВт-ч) Давление, МПа. максимальное сгорания воздуха за"комнрессо- газов перед турбиной КПД турбокомпрессора, % Температура 1азов, °C: перед турбиной ТК на выходе из двигателя ’ас.ход воздуха через двига- тель, кг/с Потери, %: теплоты с выпускными газами в охладителе воздуха теплоты с охлаждающей водой теплоты с маслом Эффективный КПД двига- теля, Удельная наропроизводн- тельность УК на выпуск- ных газах, кг/(кВт'Ч) 77 0,206 0,2 0,125 60 350 320 6,14 31,2 7,3 14,5 6 4] 0,675 96 0,19 6,8 0,236 0,169 64 350 270 12,7 28.8 10 12,2 44 0,48 112 0.186 8 0,27 0,23 66 358 250 20,4 29,2 13 8,3 45,5 0,42 123 0,189 9 0,316 0,29 64 410 270 26,5 30,4 15 6,3 3 8 44,5 0,48
ратурное охлаждение двигателя (температура воды на выходе нз двигателя
130 °C) и охладитель пресной воды 4 играет роль парогенератора водяного
пара низкого давления Пар собирается в сепараторе низкого давления б, за-
тем перегревается в коипевом пароперегревателе 9 и подводится к последним
ступеням расширения ТГ 14. В данной схеме отсутствует экономайзер. а его
роль выполняет 2 я ступень охладителя наддувочного воздуха 19. Включение
в УК двух пароперегревателей позволяет с высокой эффективностью использо
вать теплоту выпускных газов, ввод в последние ступени ТГ перегретого пара
пи (кого давления дает возможность повысить начальное давление пара перед
В целом рассматриваемая схема является достаточно эффек-
тивной, а термодинамические расчеты показывают, что при тем-
пературах газов на входе в УК 355 °C и выходе из него 180 °C
в турбогенераторе можно получить мощность не менее 9 % мощ-
ности ГД.
Для увеличения полезно использованной теплоты применяют
также схемы с двумя-тремя давлениями пара в УК На рис. 7 36
показана одна из разновидностей таких схем. В ней предусмотрено
215
Рис 7 36 Схема утилизации теплоты с двумя давлелтямл п-зра
в УК:
I сепаратор пара высокого давления. 2— циркуляционный насос: 3—
дроссельный клапан; 4 — УК; 5 —сепаратор пара низкою Давления: 6 —
общесудовые потребители пара. 7 - сборная цистерна конденсата: 5. 7/ "
конденсатные Насосы, о — турбогенератор, 10— конденсатор; 12— смеси-
тель-подогреватель; 1S — <||СтагслЫ|ЫЙ насос
216
получение в УК пара с давлением 0,7 и 0,4 МГТа. Пар высокого
давления служит для выработки электрической энергии в ТГ,
а пар низкого давления — для снабжения тепловых потребителей
судна. Ниже приведены основные параметры ТУК, выполненного
согласно данной схеме:
Расход газов через двигатель, кг/с.....................
Температура, °C:
газов на выходе из двигателя ...........................
L, газов па выходе из УК ..............................
перегретого пара на входе в ТГ .....................
герегретого пара на выходе из УК ...................
воды на входе в экономайзер ........................
Расход пара, кг/ч:
низкого давления на общесудовые нужды...............
на ТГ ..............................................
Давление в конденсаторе, кПа . ........................
Мощность ТГ, кВт ......................................
Относительная мощность ТГ, % ...............
Общая площадь поверхности нагрева УК, м2...............
19,44
280
150
235
500
2870
8,
346
4,
2184
В этой схеме, как видно, мощность УТГ (примерно 4,7 % мощ-
ности ГД) позволяет обеспечить работу СЭС для всех основных
типов судов и получить необходимое количество насыщенного пара
для снабжения потребителей теплоты. Особенностью рассматри-
ваемой схемы является также наличие смесителя-подогревателя
питательной воды 12.
За счет иодачи нагретой воды из сепаратора низкого давления
ин обеспечивает подогрев питательной воды, поступающей в эко-
номайзер УК, до 90 °C, что необходимо для исключения низкотем-
пературной коррозии хвостовых поверхностей УК.
При увеличении среднего эффективного давления в МОД (до
1,5—1,8 МПа) и в СОД (до 2—2,3 МПа) значительно возрастает
мощность газовой турбины для привода наддувочного компрессора
(до 15—20 % мощности поршневой части двигателя).
При совершенных системах продувки двигателя в этих случаях появляется
возможность часть выпускных газов (около 15%) направлять в силовую га-
зовую турбину 4 (рис. 7.37), которая с помощью гидромуфты 3 и мехапиче
скои передачи 2 связана с валом поршневого двигателя 1. (Основная часть вы
пускных газов направляется в газовую турбину 6, которая приводит в дейст-
вие компрессор 7 для наддува двигателя. Силовая газовая турбина в таких
двигателях обычно работает в диапазоне нагрузок 50—100 % номинального
значения.
Двигатели с силовой газовой турбиной получили распростране-
ние с 1983 г. и многие дизелестроительные фирмы («Зульцер»,
«Пилстик», МаК) уже приступили к их серийному производству.
Применение такой турбины позволяет снизить удельный расход
топлива в указанном выше диапазоне нагрузок двигателей на
2—3%, до 159—165 г/(кВт-ч) (эффективный КПД достигает
53%).
Введение силовой газовой турбины, однако, существенно ус-
ложняет конструкцию двигателя, особенно его выпускную систему,
в которой следует установить газовый клапан 5 для регулирования
217
подачи выпускных газов и прекращения их подачи, когда нагрузка
на двигатель будет ниже 50 % номинал!.ною значения. Крометого,
значительно усложняется также механическая передача двига-
1
Рис. 7.37. Схема двигателя с ути-
лизационной газовой силовой тур-
биной
ТОЛЯ.
В конструктивном отношении
удобнее применять тазовую или
паровую утилизационную турбину
в ДРУ, когда зубчатая передач^
уже имеется. К этой передаче под-
ключают турбину, валогенератор и
другие вспомогательные механизмы.
Один из вариантов таких утилиза-
ционных установок (с тремя сту-
пенями давления пара в УК) пока-
зан на рис. 7.38. Пар высокого дав-
ления от УК поступает в турбину
передающую мощность гребному
винту через редуктор. Часть пара
при этом расходуется также на су-
довые нужды. Электроэнергию генерируют валогенератор и ДГ.
При необходимости валогенератор может работать на редуктор
как дополнительный электродвигатель, питаясь от СЭС.
Все рассмотренные схемы позволяют повысить эффективность
утилизации теплоты н их целесообразно использовать в ДУ с вы-
сокоэкономичными двигателями. КПД двигателей с целью выра-
218
ботки механической энергии можно повысить в этом случае до
53—55 % и одновременно обеспечить все нужды судов в тепловой
И электрической энергии. Эффективность схем значительно возрас-
тает с переходом к высокотемпературному охлаждению двига-
телей.
Глава 8
ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ
8.1. Циклы ПТУ
Простой никл — это цикл с полным расширением пара (идеаль-
ный цикл Ренкина).
Термический КПД идеального цикла Ренкина составляет r|i =
= 0,354-0,45. Величина тр находится в прямой зависимости от на-
чальных параметров пара и в обратной — от давления в конден-
саторе.
С учетом допустимой влажности пара в последних ступенях
турбины для каждого из значений температуры перегрева Тпе и
давления в конденсаторе рх имеется свое оптимальное значение
начального давления р„. к, при котором конечная влажность хдоп
не превышает указанной величины. Такие параметры — давление
перегрева и температура — называются сопряженными. Для /Пе =
= 5104-520 °C сопряженное давление рп. к = б4-8 МПа, для t„e=
= 4504-480 °C соответственно р«. 1,=4~5 МПа.
Идеальный регенеративный цикл. Регенеративным называется
такой цикл, который осуществляется в контуре ГД ПТУ при усло-
вии использования для подогрева питательной воды пара, частично
совершившего работу расширения в турбине.
Сущность регенеративного цикла заключается в том, что умень-
шаются потери теплоты в конденсаторе (самые большие потери
в ПТУ) в связи с тем, что теплота некоторой части пара, совер-
шившего полезную работу в турбине, используется для подогрева
питательной воды. Естественно, что в этих условиях мощность
турбины понизится, по не пропорционально количеству отобран-
ного пара, поскольку оп совершил полезную работу прежде, чем
был отобран.
Идеальный регенеративный цикл — это цикл, в котором подо-
грев воды происходит в бесконечно большом числе подогревателей
питательной воды при условии бесконечно малого повышения тем-
пературы воды в каждом из них. Идеальный регенеративный цикл
будет называться предельным, если вода подогревается до темпе-
ратуры насыщения при соответствующем давлении в- котле. В этом
?!9
цикле теоретически можно получить наименьший удельный расход
теплоты. Однако на практике реализовать предельный регенера-
тивный цикл трудно.
На рис. 8.1, а приведен идеальный предельный регенеративный
цикл для насыщенного пара. Считается, что цикл осуществляется
в ПТУ с таким теоретически предполагаемым двигателем, в кото-
ром процесс расширения пара (ломаная 5—6) эквидистантен про-
цессу подогрева питательной воды. Вода подогревается во всей,
области при бесконечно малой разности температур пара и пита-
тельной воды. Из условия равенства количества теплоты, отданной
паром и воспринятой водой при подогреве, площади I—2—2'—1'—1
Рис. 8.2. Идеальный никл
с однократным ППП
и 5—5'—6'—6—5 на диаграмме sT равны, а линии 1—2 и 5—6
эквидистантны. Подводимая теплота в цикле тратится только из
испарение воды в процессе 2—5.
Тода количество теплоты, затраченной в цикле на получение
1 кг пара, qi = Tu (зз—32)=пл. 2—5—5'—2'—2, а количество теп-
лоты, Отданной 1 кг пара в процессе 6—1 в конденсаторе, q% =
= Tx(Sq—Si) =пл. 6—6'—/'—Г—6.
Поскольку s6—S| = s3—32, ю термический КПД идеального ре-
генеративного цикла, для насыщенного пара
(?1 — =-1 — (71 х/Тн)
будет равен КПД цикла Карно при тех же значениях максималь-
ной и минимальной температур.
Идеальный предельный регенерашвный цикл для перепетого
пара приведен на рис. 8.J, б. Здесь идеальный обратимый процесс
подогрева питательной воды начинается в тот момент, когда темпе-
ратура пара, совершающего работу в турбине, достигает значения
температуры 7',, насыщения воды в котле. Поскольку в этом цикле
средняя температура подвода теплоты выше, чем в цикле для на-
сыщенного пара, то и термический КПД соответственно больше
220
В рассмотренных циклах расход рабочего тела остается посто-
янным во всех ступенях турбины, и его состояние изменяется за
счет процесса расширения и теплообмена с питательной водой. На
самом деле после каждого отбора пара ею расход через следую-
щую ступень турбины уменьшается. Отсюда и потеря мощности
турбины в целом.
В действительности при конечном числе отборов пара из тур-
бины для регенеративного подогрева питательной воды процесс
5—6 (см. рис. 8.1) будет ступенчатым (число ступеней будет соот-
ветствовать числу отборов пара).
Цикл с промежуточным перегревом пара. Многоступенчатый
подвод теплоты в цикле является одним из способов повышения
термического КПД. В судовых ПТУ такой подвод осуществляется
в виде промежуточного перегрева пара (ППП). Суть его состоит
в том, что пар после расширения в ТВД вторично перепевается
при постоянном давлении и поступает в ТСД и ТНД, где расширя-
ется до конечною давления.
Идеальный цикл с ППП приведен на рис. 8.2. Здесь сложный
цикл 1—2—3—4—5—6—7—1 можно представить состоящим из
двух проешх: основного 1—2— 3—4—5'—1 (цикл Ренкина) п до-
полнительного 5’—5—6—7—5'.
Полезную работу основною и дополнительного циклов можно
записать так:
/о R — Ч— is' Л/о ==_ (^6 — Й) 0*5 ^5’)'
Тогда термический КПД идеального цикла с ППП опреде-
лится зависимостью
т)?' " — Gon + Л/о)/[(14—й) + 0'в—-i6)] — (Zor -|- Д/о)/(^1д 4 А?1)=-
= Go я + Д^о)/?1-
Здесь q\ — полное количество теплоты, подведенной в цикле к 1 кг
рабочего тела, в том числе в основном цикле (qin) и дополнитель-
ном (Agi). Приведенное выражение можно преобразовать к виду
’)?" = Чк III + (чЛв) 1 + А?Л1Я)|,
где t]tR и грд — КПД соответственно основного и дополнительного
циклов.
Из последней формулы следует, что КПД цикла с ППП выше
КПД основного цикла при условии трд >т|(р- На практике выиг-
рыш от введения ППП оценивают не по этому выражению, а сопо-
ставлением КПД сложного и простого циклов прп той же макси-
мальной температуре перегрева и сопряженном с ней начальным
Давлением. В этом случае применение ППП может оказаться це-
лесообразным И ПрИ Т)(Д <T)fR.
Введение ППП сдвигает процесс расширения пара па диаг-
рамме sT вправо в область низких давлений. Это позволяет сни-
зить степень влажности в последних ступенях турбины и сущест-
венно повысить начальное давление в основном цикле по сравне-
221
пню с сопряженным давлением при температуре первоначального
перегрева,
С повышением только начального давления пара экономич-
ность установки возрастает на 3—8, а температура — на 2,5—5%.
Экономичность цикла зависит еще от способа перегрева пара,
температуры ППП, давления в промежуточном перегревателе,
мощности турбины и количества промежуточных перегревов.
Наибольшая экономичность установки достигается при самой
высокой температуре tn п, которую можно получить, полностью ис-
пользуя свойства металла промежуточного пароперегревателе
(чем меньше давление, тем большее значение t„. п можно полу-
чить). Тем не менее на практике из-за конструктивных соображе-
ний часто оказывается более выгодным применять одинаковую или
даже несколько мсиыпую 1П. и. чем /пе. Термодинамического опти-
мума величина 6, ,, не имеет, как и tlic.
Этого нельзя сказать о давлении промежуточного перегрева
вара р„ к, имеющем термодинамический оптимум. На практике
рп.п определяют исходя из условий
^п,п = ^с. рп.п = (0,165-7-0,25) р„.к;
^п. n<7 А,е, Pir. || — (0,1 -7- 0,143) Рп. к-
Экономию топлива от промежуточного газового перегрева пара
можно увеличить, применив двойной промежуточный перегрев.
Так, если первый промежуточный перегрев дает 4—5 % экономии,
то второй I—1,5%. Естественно, что дополнительное удорожание
установки все меньше окупается. В этой связи в судовой энерге-
тике с учетом габаритов МО судов применяется однократный
ППП, а в стационарной энергетике — двукратный
В ПТУ с ППП уменьшаются расходы пара на ГТЗА и пара,
сбрасываемого в конденсатор. Последнее снижает количество теп-
лоты, отдаваемой забортной воде, и, следовательно, позволяет
уменьшить поверхность и габариты конденсатора. При использо-
вании перегрева уменьшаются диаметры паропроводов, |абариты
питательных насосов, испарительная поверхность котла и т. п
Цикл с сепарацией пара. Он является характерным для тур-
бины, использующей насыщенный пар. Расчеты показывают, что
для турбины, работающей при условиях, когда относительный
внутренний КПД 67— 70 %, допустимая степень влажности 8—
12%, давление в конденсаторе 0,005 МПа, начальное давление со-
С1авит 1 —1,5 МПа, а термический КПД ~25 %.
Следствием низкой эффективности установки будет значитель-
ный объемный расход пара, в результате чего потребуется увели-
чение массогабаритных показателей турбин.
Последние ступени ТНД ПТУ на органическом топливе рабо-
тают в области влажного пара, в которой из движущегося между
лопатками пара выпадают частички влаги С увеличением влаж-
ности пара размеры частичек (капель) воды растут и они ударя-
ются о выпуклую часть лопаток. В результате создается тормозя-
222
щий момент на диске ступени, что может вызвать эрозию лопаток.
Кроме того, из-за выпадения части пара в виде капель уменьша-
ется совершаемая им работа в ступени.
При проектировании- и конструировании судовой турбины, ра-
ботающей в области влажного пара, обязательным условием явля-
ется обеспечение ее надежности.
Для удаления влаги применяют различные способы сепарации
насыщенного пара: 1) введение ППП; 2) межступенчатую сепа-
рацию, при которой обеспечиваются: а) отвод влаги из проточной
части турбин путем конструктивного ее изменения; б) дренаж
влаги с помощью устройства в корпусе и диафрагмах; 3) вынос-
ное сепарирующее уст-
ройство, устанавливаемое,
как правило, в ресивере
(рис. 8.3, а); 4) промежу-
точный перегрев пара
теплотой свежего пара
(рис. 8.3,6).
Способы 1 и 26 при-
меняются в ПТУ, рабо-
тающих на органическом
Рис. 8 3. Схема сепарации насыщенного пара:
а — выносное сепарирующее устройство; б —
ППП:
топливе, остальные —
в ЯЭУ.
На рис. 8.4 приведен
цикл с сепарацией пара
в выносном сепарирую-
щем устройстве. Здесь 1—2—3 — изобарный подвод теплоты
в котле (работой насоса пренебрегаем), 3—4 — изоэнтропийное
расширение пара в ТВД, 4—5 сепарация пара, 5—6 — изоэнтро-
пийное расширение в ТЙД и 6—1 — конденсация пара.
Выносные судовые сепарирующие устройства обеспечивают ко-
нечную влажность не более 0,5 %. При этих условиях начальное
давление пара может достигать 4 МПа, а тр составлять до 39%.
Перспективно использование и межступенчатой сепарации пара,
что позволит удалять 30—50 % влаги из каждой ступени турбо-
машины.
Реальный цикл Ренкина. Осуществление цикла Ренкина на
практике сопровождается рядом дополнительных потерь, вызван-
ных условиями эксплуатации. Реальный цикл Ренкина показан на
рис. 8.5. Штриховыми линиями для сопоставления отмечены про-
цессы идеального цикла Ренкина.
В ходе эксплуатации процесс перегрева пара сопровождается
потерями в пароперегревателе, что соответствует некоторому сни-
жению рп.л, и при перегреве до того же значения Д.е состояние пе-
регретого пара будет определяться точкой 4'. Перетекание пара из
пароперегревателя к ГТЗА по паропроводу будет сопровождаться
потерями в ием не только давления, но и температуры из-за теп-
лоотдачи через стенки паропровода в окружающую среду. Состоя-
ние пара на входе в ГТЗА определяется положением точки 4".
223
При отсутствии потерь в турбоагрегате процесс расширения
пара протекал бы по изоэнтропе 4"—5'. В реальных условиях из-за
потерь в ГТЗА процесс 4”—5" расширения характеризуется воз-
растанием энтропии пара и отклоняется вправо.
Поскольку перетекание пара по выпускному патрубку, соеди-
няющему ГТЗА с конденсатором, сопровождается потерями (ли-
ния 5"—5'"), то давление в конце действительного расширения
Рв.п будет больше давления в конденсаторе рх. Точка 5'" отражает
состояние пара на входе в конденсатор.
В реальных условиях температура конденсата на выходе из
конденсатора немного ниже (на 0,3—0,8 °C) температуры пасыще-
Рис. 8.4. Идеальный цикл Рен-
кина для насыщенного пара с се-
парацией в выносном сепарирую-
щем устройстве
Рис. 8 5 Реальный цикл Ренкина
для водяного пара
ння, соответствующей давлению рх. Это явление называется пере-
охлаждением конденсата и объясняется двумя причинами. Пер-
вая— преодоление сопротивления конденсатора \рх при движении
пара в нем (линия 5"'—0), вторая—дополнительное охлаждение
образующегося конденсата в процессе его стекания в сборник
(в нижней части конденсатора) перед приемным патрубком насоса
и потерь в самом насосе (линия 0—1").
Из диаграммы следует, что энтальпия воды и" в начале под-
вода теплоты в реальном цикле Ренкина оказывается ниже энталь-
пии в соответствующей точке идеального цикла (точки 1" и 1).
Реальный цикл Ренкина изображается линией 1"—2—3—4'—4"—
5"—5'"—0—1", а процесс подвода теплоты в нем — линией 1"—
2—3—4'.
Располагаемая работа в реальном цикле Очевидно,
такую же располагаемую работу to' можно получить в идеальном
цикле с подводом теплоты при ро (контур 1—1'—2'—3'—4"—
5'"—1). Тогда отношение ^ = lo/tor будет характеризовать сниже-
ние располагаемой работы цикла из-за потерь в пароперегрева-
теле и паропроводе.
224
§.2. Принципиальные схемы ПТУ
на органическом топливе
Все элементы ПТУ связаны между собой трубопроводами, по
которым перетекает рабочее тело (вода или пар). Схема этих
трубопроводов и элементов называется тепловой схемой уста-
новки. В зависимости от преследуемых целей тепловая схема
может быть выполнена принципиальной, развернутой и полной.
Первая отображает только основные взаимосвязи установки.
Принципиальная тепловая схема обычно используется для теп-
лового расчета ПТУ. На ней должно быть отображено следующее:
термодинамический цикл (нерегенеративный, регенеративный и
пр.); состояние пара, применяемого для питания вспомогатель-
ных механизмов (перегретый, насыщенный и др.); способ исполь-
зования теплоты отработавшего пара вспомогательных механиз-
мов и горячих конденсатов; система регенерации теплоты пара,
отбираемого из промежуточных ступеней ГД; способ пополнения
утечек воды'и пара из тракта.
Классификация тепловых схем принята в зависимости от спо-
соба регенерации теплоты полностью или частично отработавшего
пара:
— нерегенеративные, в которых не предусмотрено использова-
ние отбираемой теплоты;
— тепловые схемы 1-го рода, предусматривающие регенерацию
только теплоты пара, отбираемого из промежуточных ступеней
расширения ГД;
— тепловые схемы 2-го рода, в которых для нужд регенерации
используется только теплота пара, отработавшего в ВД;
— тепловые схемы 3-го рода, где для целей регенерации ис-
пользуется как отработавший пар ВД, так и пар отбора из про-
межуточных ступеней расширения ГД.
Нерегенератнвная тепловая схема изображена па рис. 8.6. Здесь ГД —
турбина 3, через редуктор 2 приводящая гребной винт /; ВД — турбина 4 и
теплообменные аппараты 5 потребляют пар из парового котла 6, а отработав-
ший пар турбин сбрасывается в главный конденсатор 10, куда также посту-
пает конденсат греющего пара теплообменных аппаратов.
Особенностью схемы является открытая система питания котла, в соот-
ветствии с которой конденсат из ГК подастся конденсатным насосом 9 в теп-
лый ящик 8, выполняющий роль аккумулятора воды при изменении нагрузки
на установку. Теплый ящик вентиляционной трубой сообщается с атмосферой,
поэтому в питательной воде могут находиться в большом количестве агрессив-
ные газы. Питательный насос 7 забирает воду из ящика и нагнетает в котел.
Значительное количество кислорода и углекислоты способствует существен-
ному ускорению коррозионных процессов на поверхностях нагрева котла.
В связи с этим открытые системы питания применяются в установках при
давлении пара не более 2 МПа.
Экономичность ПТУ, работающей по нерегенератпвной тепло-
вой схеме, можно повысить, если отработавший в ВД пар, вместо
того чтобы сбрасывать в ГК, использовать для подогрева пита-
тельной воды, нагнетаемой в котлы.
8 З'.каз № №. 225
Принципиальная тепловая схема 2-го рода представлена на рис. 8.7. Ее
отличительная особенность — наличие подогревателя 8 питательной воды сме-
сительного типа, являющегося одновременно и деаэратором. Магистраль от-
работавшего пара ВД одним конном соединена с деаэратором, а другим —
через нагруженный невозвратный клапан 11 с конденсатором (позиции 1—7, 9,
10 — те же, что и на рис. 8.6). Давление в магистрали отработавшего пара
больше, чем в конденсаторе. На величину этого давления и настраивают кла-
пан. Избыток отработавшего пара через клапан перепускается в конденсатор.
Необходимое количество отработавшего пара с достаточно высокой темпера-
Рис. 8.7. Принципиальная тепловая схема ПТУ с регенера-
цией теплоты отработавшего пара вспомогательных двига-
телей
турой поступает в подогреватель питательной воды, Отдает свою теплоту воде
и конденсируется. При нагреве воды до температуры насыщения происходи ।
ее деаэрация, т. е. выделение растворенных в ней газов.
В этом случае применена закрытая схема питания парового
котла, в тракте отсутствует возможность открытого контакта воды
и воздуха, газы удаляются в деаэраторе. Последний используется
как аккумулятор и имеет вместимость, достаточную для подачи
226
воды в котел в течение 12—15 мин при неработающем конденсат-
ном насосе.
Поскольку часть теплоты отработавшего пара используется по-
лезно, затраты теплоты и топлива на ПТУ, выполненную по схеме
2-го рода, уменьшаются по сравнению с установкой, работающей
по нерегенеративной тепловой схеме. Однако этот вывод справед-
лив при небольшом избытке отработавшего пара или его отсут-
ствии. С увеличением относительного количества избыточного пара
(по отношению к расходу пара на ГД) экономический выигрыш
будет снижаться.
Расход пара на ВД и относительное количество избыточного
пара определяются, с одной стороны, противодавлением этих дви-
гателей, увеличение которого способствует росту расхода лара
из-за снижения располагаемой энергии каждого килограмма пара.
С другой стороны, количество конденсирующегося в подогревателе
пара (конденсирующая способность теплообменника) также рас-
тет по причине повышения температуры подогрева питательной
воды. Однако при оптимальном значении противодавления относи-
тельный избыток пара будет минимальным, а КПД установки —
максимальным.
Эффективность установки можно повысить путем деления ВД
на две группы. В первую группу включают двигатели с повышен-
ным противодавлением, потребляющие расход пара, равный кон-
денсирующей способности подогревателя питательной воды. Во
вторую группу объединяют двигатели, в которых пар расширяется
до давления в конденсаторе и сбрасывается в него. Выигрыш здесь
состоит в том, что расход пара на вторую группу будет меньше по
сравнению с расходом, который имел бы место при повышенном
противодавлении. Следовательно, количество отработавшего пара
(с меньшей энтальпией), поступающего в конденсатор, снижается,
и, как следствие, уменьшаются потери теплоты, передаваемые за-
бортной воде.
Областью применения схем 2-го рода в чистом виде являются
ЭУ судов, для которых характерна длительная работа на режимах
частичных нагрузок, например, ледоколы. Неизменное значение
температуры питательной воды обеспечивается поддержанием по-
стоянною давления в магистрали отработавшего пара. Более эко-
номичные тепловые схемы 2-го рода ПТУ для ледоколов приве-
дены в специальной литературе.
Тепловые схемы 1-го рода принципиально отличаются от рас-
смотренных схем 2-го рода способом регенерации теплоты. Разли-
чие состоит в том, что пар, частично расширившийся в ГД, исполь-
зуется для подогрева питательной воды, как правило, в теплооб-
менниках поверхностного типа.
На рис. 8.8 представлена принципиальная тепловая схема идеализирован-
ной ПТУ с ; егенерацией теплоты в цикле ГД. Схема называется идеализиро-
ванной потому, что ГД—единственный потребитель свежего пара, а пар, от-
бираемый из ГД, используется только для подогрева питательной воды. Она
выполнена с тремя промежуточными отборами пара (цифры 1—Ш на рис 8.8)
8* 227
из ГД 3 для трех регенеративных подогревателей питательной воды. Подогре-
ватели 8 и 5 (низкого и высокого давления) поверхностного типа, а подогре-
ватель среднего давления — деаэратор — смесительного типа.
Конденсат греющего пара из подогревателя низкого давления 8 поступает
в ГК 10, а и< теплообменника 5 — в деаэратор 6, где он смешивается с пита-
тельной водой. И1 деаэратора смесь питательной воды, поступающей из тепло-
обменника 8, и конденсаторов греющего пара среднего и высокого давления пи-
тательным насосом 7 подается в паровой котел 4 (позицией 1 обозначен греб-
ной винт, 2 — редуктор, 9— насос).
При прочих равных условиях число отборов пара оказывает
прямое влияние на тепловую экономичность ПТУ. С ростом ко-
личества отборов повышается температура питательной воды на
Рнс. 8 8. Принципиальная тепловая схема идеализированной ПТУ
с регенерацией теплоты в цикле ГД
выходе из последней ступени подогрева. Наряду с этим увеличе-
ние числа отборов вызывает усложнение и удорожание установки,
возрастание ее массы. В современных ПТУ количество отборов со-
ставляет 4—5.
На рис. 8.9 приведены схемы ППП в ПТУ. Различают следую-
щие способы ППП< газовый, при котором перегреваемый пар вос-
принимает теплоту продуктов сгорания топлива: он может быть
реализован в промежуточном пароперегревателе, расположенном
в газоходе котла (рис. 8.9, а), в отдельной топке котла (рис. 8.9,6)
или в виде выносных пароперегревателей, оснащенных топками
со сжиганием топлива в кипящем слое — ТКС (рис. 8.9, в); паро-
вой, при котором греющим телом является свежий пар; промежу-
точным теплоносителем.
Применение газового перегрева позволяет довести температуру
ППП до первоначальной, а при паровом — приблизительно до тем-
пературы насыщения. Общее повышение КПД установки в случае
применения газового перегрева пара составляет 4—5, а парового
3-4 %.
228
Котел со сжиганием топлива в кипящем слое оборудуют спе-
циальной топкой, внутри которой находится гранулированное
инертное вещество (например, известняк, доломит) с добавле-
нием поглотителя вредных примесей. Топливо поступает в слой ра-
Рис 8.9. Способы ППП:
и--газовый (<пп = ^пс);
б—газовый в отдельной
тешке котла (/Uu<Gc);
я — газовый в выносном
паропсрегрева геле (Zu п>
зогретою инертного вещества, на поверхности которого и проис-
ходит горение. Частицы топлива н инертного вещества продува-
ются снизу ожижающей средой (воздухом) со скоростью, обеспе-
чивающей интенсивное перемешивание (псевдокипение) части
слоя. В результате достигается более равномерное распределение
температуры и интенсифицируется теплообмен между частицами
слоя и трубами, погруженными в него. Частицы слоя нейтрализуют
вредные составляющие топлива и, перемещаясь со скоростью 2—
4 м/с, очищают трубы от отложении.
229
По сравнению с обычным котлом теплообмен излучением
в ТКС увеличивается на 25—35 %, а конвективный теплообмен от
слоя к погруженным трубам — в 5—10 раз. В связи с высоким ко-
эффициентом теплоотдачи уменьшается поверхность теплообмена
ТКС.
В ТКС можно сжигать различные топлива: уголь, кокс, мазут,
отходы переработки Нефти и пр. Размер кусков угля при сжига-
нии допускается до 100 мм (рекомендуется 6—25 мм), жидкое топ-
ливо достаточно подогреть до температуры состояния текучести,
а нс распиливания. Вследствие низкой температуры сжигания топ-
лива в ТКС (750—950 °C) зола выходит в твердом состоянии, что
исключает зашлаковывание воздухораспределительных решеток и
позволяет применять более дешевые материалы.
Существенным препятствием к широкому применению котлов
с ТКС в судовых условиях является недостаточно отработанная
методика расчета и малый опыт их проектирования.
Выбор способа перегрева пара зависит от начальных парамет-
ров пара, тепловой схемы установки и определяется технико-эко-
номическими расчетами. В настоящее время применяется исклю-
чительно газовый перегрев пара (ПТУ танкера «Крым» — см.
рис. 8.9, а; ПТУ танкера «Идемицу мару»—см. рис. 8.9, б, проект
ПТУ фирмы «Сталь — Лаваль АВ» — см. рис. 8.9, в). Однако этот
способ имеет недостатки: повышенные потери давления пара при
движении его в элементах ПТУ, усложнение конструкции паро-
вого котла, систем главного пара и автоматического управления
установкой, а также повышение стоимости установки.
Парогазотурбинная установка. Принципиальная схема ПГТУ
представлена на рис. 8.10.
Атмосферный воздух постенает в компрессор 8, сжимается в нем (0,25—
0,45) и полается в топку высоконапорного парового котла (ВПК) 9, куда
также впрыскивается топливо При сжатии воздуха его температура попыта-
ется до 250 °C, что позволяет отказаться от газового воздухоподогревателя и
тем самым снизить массогабаритные характеристики ВПК.
Дымовые газы покидают ВПК и поступают в газовую турбину 6, пра-
тающую компрессор. Количество воздуха, подаваемого в ВПК, регулируется
автоматическим клапаном 7, перепускающим избыток его в газоход.
Основное отли°пе ВПК от обычного котла состоит в использовании агре-
гата газотурбинного ладдува— турбопаддувочного агрегата (T1IA)—для ор-
ганизации движения воздуха и газоп Паровая турбина 4 (добавочный двига-
тель), входящая в состав ТНА, расходует часть пара, генерируемого ВПК
Она подключается к компрессору автоматически отключаемой муфтой при
растопке ВПК (пар к ней подводится от работающего другого ВПК и вспо-
могательного котла и при работе на малых и переходных режимах, когда мощ-
ность газовой турбины недостаточна).
Применение газотурбинного наддува позволяет (за счет ис-
пользования теплоты дымовых газов) обеспечить высокое давле-
ние в топке и газоходах ВПК без затрат тепловой или электриче-
ской энергии. По этой причине снижается расход пара и топлива
на собственные нужды ПГТУ и, следовательно, повышается ее
КПД. С другой стороны, высокое давление воздуха позволяет сжи-
гать значительное количество топлива в малом объеме топочного
230
пространства. Это приводит к интенсивности процессов горения и
теплообмена в поверхностях нагрева, возрастанию тепловой на-
грузки на эти поверхности и, как следствие, к повышению КПД
ПГТУ на больших нагрузках. Сказанное выше позволяет снизить
массогабаритные показатели ВПК в 2—2,5 раза по сравнению
с обычным паровым котлом.
8.3. Пути совершенствования ПТУ
на органическом топливе
Рассмотрим распределение потоков энергии в ПТУ на основ-
ном эксплуатационном режиме транспортного водоизмещающего
судна — режиме полного хода (рис. 8.11).
Процесс преобразования химической энергии топлива QT в па-
ровом котле А в тепловую энергию водяного пара сопровождается
потерями QK, определяемыми КПД котла т)я.к- Преобразование по-
тока теплоты пара в механическую работу ГТЗА связано с внут-
ренними и внешними потерями в турбинах QTyp и потерями теп-
лоты в конденсаторе Скоп- Потери в конденсаторе определяются
термическим КПД цикла тр, а в ГТЗА—относительными внутрен-
ним (индикаторным) т)о< и эффективным т]ое КПД. Абсолютный
эффективный КПД ГТЗА т)е = трт}о<т]о₽ (см. раздел 1.3).
Механическая энергия турбин передается гребному винту через
судовой валопровод, в котором часть энергии теряется из-за тре-
ния в опорах и уплотнениях валопровода. Учет этой потери энер-
гии (?вп определяется КПД валопровода т]вп- Работа по перемеще-
нию судна сопровождается потерями энергии в движительном
комплексе (винт—насадка—руль—корма) (2дв, оцениваемыми про-
пульсивным коэффициентом т)—Т1рт]к (здесь т]Р — КПД гребного
винта, — коэффициент влияния корпуса).
231
Часть Qt идет На удовлетворение вспомогательных нужд ни
судне <?всп в виде теплового потока пара, генерируемого в котле.
Одна часть теплового потока пара расходуется на работу глав-
ного питательного турбонасоса ПТН QII>H и турбогенератора ТГ.
Последний вырабатывает электроэнергию для собственных нужд
Рис. 8.11. Схема использования теплоты в ПТУ
ПУ Qay, а также для судовых и технологических потребителей Qc. в
(с учетом потерь в электрогенераторе). Другая часть потока теп-
лоты идет на вспомогательные нужды установки Qy. п (подогрев
топлива и воды, сажеобдувочные устройства и др.) и к судовым
потребителям Qc.n (подогрев груза, воздуха и пр.). Сумма затрат
энергии на вспомогательные механизмы и прочие нужды ПТУ
(включая потери давления и утечки пара в трубопроводах) учи-
тывается КОЭффицИСНтОМ Г)в. у-
Отношение полезной энергии 0„Ол, затраченной на перемеще-
ние судна, к химической энергии сгоревшего топлива QT представ-
232
ляет собой КПД судовой ПУ. Для ПТУ можно приближенно за-
писать
Л» ПТУ =• ФполЮт = Ют ~ (Qk -Н <2тУР + Qkoh + <2вп + <2да + Qu. н + СэУ +
+ Qy. n)j/Qr
ИЛИ
ЛеПтУ = Лл. кЛгЛогЛоеЛепЛЛв. У = Лп. кЛеЛвпЛЛв. у
Если при определении Qc. п и Qc,3 возникают трудности, за-
траты энергии на вспомогательные нужды учитывают долей по-
тока теплоты Q0cn, затраченной на все вспомогательные потреби-
тели. В этой связи последнее выражение заплывают так:
Л» ПТУ = Лп. кЛеЛвчЛЛа. nt
где vjn. т,— коэффициент, учитывающий потери QHin.
На рис. 8.11 видно, что только меньшая часть химической энер-
гии топлива превращается в полезную работу, а большая теряется.
Причем наибольшие потери — при конденсации пара (50—60 %
теплоты, подводимой к ГТЗА).
Начиная с 1967 г. наблюдается резкое увеличение производства
судовых ПТУ, что свидетельствует об их высокой конкурентоспо-
собности с ДУ, занимающими доминирующее положение в мор-
ском флоте. Были реализованы такие технические решения, кото-
рые позволили повысить экономичность установок на 10—12%,
снизить их массу па 12—16 %, улучшить компоновку МО п умень-
шить его длину на 5—7 м, снизить стоимость на 8—12 %.
Экономичность судовых ПТУ повысилась благодаря совершен-
ствованию отдельных ее узлов, термодинамического цикла и при-
менения более рациональных тепловых схем. Были реализованы
следующие технические решения:
1. Увеличение начальных параметров пара, что, в свою оче-
редь, обусловило внедрение ППП. В ПТУ с ППП повышение
только начального давления пара позволяет уменьшить удельный
расход топлива на 3—8, а температуры — па 2,5—5 %.
2. Увеличение числа ступеней регенеративною подогрева пита-
тельной воды до пяти, что стало возможным благодаря повыше-
нию начальных параметров пара, а значит, температуры воды на
выходе из последнего подогревателя. Расчеты показывают, что КПД
цикла повышается при одноступенчатом подогреве питательной
воды на 3,5—4,0, при двухступенчатом — на 5,5—6,0, трехступен-
чатом— на 7,0—7,5 и четырехступенчатом — на 8,0—8,5%. Уве-
личение числа ступеней подогрева более пяти не дает ощутимого
выигрыша в повышении КПД цикла. При нормальных (pi = 3,9-r-
4-4,4 МПа и t[ = 4504-480 °C) и повышенных параметрах пара при-
менение трехступенчатого подогрева обеспечивает температуру пи-
тательной воды 165—200, а пятиступенчатого — до 215 °C. Высо-
кие параметры пара, применяемые в современных ПТУ с ППП,
позволили довести число ступеней регенеративного подогрева
233
питательной воды также до пяти и получить температуру воды на
выходе из последней ступени 248 °C.
3. Возрастание КПД котла (до 93—96 %), что достигается со-
вершенствованием процессов горения топлива (индивидуальный
подвод воздуха к форсункам, применение рациональных топочных
устройств, целесообразной компоновки пучков в топке, автоматиза-
ции управления и пр.), а также снижением потерь с выпускными
газами (развитие хвостовых поверхностей нагрева и, в первую оче-
редь, воздухоподогревателей).
4. Повышение эффективности ГТЗА путем совершенствования
проточной части, увеличения частоты вращения ротора, примене-
ния планетарных передач, замены реверсивного двигателя ревер-
сивным движителем (ВРШ), возрастания агрегатной мощности,_
совершенствования аэродинамических характеристик регулирую-
щих органов и т. д. В настоящее время эксплуатируемые ГТЗА
мощностью 7,5—25 МВт имеют эффективный (относительный)
КПД 75-80 %.
5. ’Исключение маломощных турбоприводов с низким КПД.
В ПТУ осталось только два турбинных привода — электрогенера-
тора и главного питательного насоса. С целью снижения энергии
на привод этих потребителей на ряде судов отказались от вспомо-
гательных турбин и осуществили привод от ГТЗА. В других слу-
чаях турбина электрогенератора приводит во вращение главный
питательный насос. При этом увеличиваются мощность и КПД
турбины электрогенератора по сравнению с вариантом раздель-
ного привода.
Относительная эффективность наиболее широко применяемых
приводов этих вспомогательных механизмов приведена ниже:
Изменение КПД
КПД привода установки, %
(относительно п. 2)
Привод
Индивидуальные конденсационные турби-
ны .....................................0,30—0,40
Отдельный конденсационный турбогенера-
тор (свежий пар), отдельный питательного
насоса ..................................0,45—0,60
Питательного насоса турбиной электрогене-
ратора (пар свежий или из отбора) .... 0,55—0,65
Электрогенератора от-ГТЗА (валогенератор) 0,60—0,70
Механический всех насосов от ГТЗА . . . 0,75—0,80
— (2,0—2,5)
0
+ (!-2)
4- (2,5—3,0)
4 (3,5—4,0)
6. Применение в ГК самопроточпой циркуляции взамен прину-
дительной, когда вместо напора насоса используется динамический
напор набегающего потока воды.
7. Уменьшение потерь теплоты с забортной водой — прокачи-
вание всего маслоохладителя или одной его ступени (вторая — са-
мопротоком), а также конденсатора испарительной установки—
конденсатом. При такой схеме охлаждения теплообменных аппа-
ратов уменьшается отбор пара на последующий подогреватель.
8. Замена эжекторов вакуумными насосами.
Внедряя даже отдельные инженерные решения из выщепере-
234
численных, можно добиться следующего снижения расчетного
удельного расхода топлива (в %): 6,2 осевой выпуск пара в кон-
денсатор; 0,2 — замена эжектора вакуумным насосом; 0,5 — про-
качка маслоохладителя и конденсатора испарительной установки
конденсатом; 0,9 — самопроточная циркуляция ГК; 2,4 — привод
электрогенератора и главного питательного насоса от ГТЗА.
Комплексное проведение указанных мероприятий позволило
применить качественно новый подход при создании 11ТУ. Такой
подход был необходим еще и потому, что параметры, от которых
зависит эффективность термодинамического цикла, — давление и
температура пара — достигли своих предельных значений и даль-
нейшее повышение КПД цикла путем их увеличения стало невоз-
можным.
Сопоставим, например, ПТУ без ППП типа ТС-2 (50-х годов)
и MST-13 (60-х годов).Эти установки имеют почти равную мощ-
ность (13,95 и 13,6 МВт), одинаковые значения КПД котла, эф-
фективного КПД ГТЗА, одни и те же способы привода электроге-
нератора и главною питательного насоса. Отличия были следую-
щие: применение в MST-13 повышенных параметров пара
(6,06 МПа, 515 °C), увеличение числа ступеней регенеративного
подогревателя до четырех, наличие одного главного парового котла
с вращающимся воздухоподогревателем, применение осевого вы-
пуска пара в конденсатор, расположенный в одной плоскости
с главными турбинами, и самопроточная циркуляция ГК- Все это
позволило увеличить КПД установки с 26,5 до 28,4 % и снизить
удельный расход топлива (QH₽ = 41 680 кДж/кг) с 0,326 до
0,303 кг/(кВт-ч).
При проектировании ПТУ с ППП наряду с учетом нх особен-
ностей использовался тот же принцип. Сравним установки MST-14
(с ППП) и MST-13 (без ППП). В первой по отношению ко второй
предусматривалось повышение давления пара с 6,1 до 10,25 МПа
и температуры с 482 до 513 °C, применение ППП до 513 °C, увели-
чение числа регенеративных подогревателей воды с 3 до 5, приме-
нение схемы «1,5» котла, привод электрогенератора и питательного
насоса от ГТЗА, охлаждение маслоохладителя и конденсатора
испарительной установки главным конденсатом, использование
вакуумного насоса вместо парового эжектора. В результате
удельный расход топлива снизился с 0,279 до 0,235 кг/(кВт-ч).
Опыт эксплуатации ПТУ показал, что их действительная эф-
фективность ниже расчетной на 1 — 4 %.
8.4. Примеры ПТУ
на органическом топливе
Паротурбинные установки имеют большую единичную мощ-
ность и в силу этой особенности, отличающей их ог других типов
установок, они используются на судах, где требхстся значительная
мощность или большая скорость. Прежде всего ПТУ широко при-
меняются на крупнотоннажных судах (танкеры, пефтерудовозы.
235
газовозы и пр.) и быстроходных (контейнеровозы, сухогрузы, бар-
жевозы), реже они эксплуатируются на крупных пассажирских
судах и ледоколах (прилож. 8.1).
В СССР успешно эксплуатируются различные серии отечест-
венных судов, оборудованных ПТУ. Так, с конца 50-х годов в со-
ставе морского флота находится серия быстроходных сухогрузных
судов типа «Ленинский комсомол». Паротурбинные установки этих
судов (типа ТС-1) имеют мощность ГТЗА 9560 кВт и производи-
тельность парового котла (КВГ-25) 25 т/ч. Двумя установками
этого типа укомплектована рыбопромысловая база «Восток».
Танкеры серии «Прага» оборудовались ПТУ типа ТС-2 (мощ-
ность ГТЗА 13,95 МВт, производительность котла КВТ-34 34 т/ч).
В начале 60-х годов в эксплуатацию был введен головной танкер
«София» с модернизированной ПТУ на базе механического обору-'
дования танкеров серии «Прага».
В составе отечественного пассажирского флота эксплуатируются
турбоходы «Максим Горький» и серия судов типа «Федор Шаля-
пин» зарубежной постройки. Тепловая схема ПТУ судна «Максим
Горький» показана на рис. 8.12. Здесь предусмотрен трехступеича-
тый подогрев питательной воды паром, отбираемым из промежуточ-
ных ступеней главных турбин. Подогреватель питательной воды
(ППВ-1) питается паром, отбираемым из ТНД, деаэратор — отра-
ботавшим паром турбин питательного и циркуляционного насосов,
а при его недостатке — паром, отбираемым из ресивера (отбор//),
или отработавшим паром турбины электрогенератора, работающей
на противодавление. Паром отбора // питается также паровой воз-
духоподогреватель. Отбор !!1 осуществляется из ТВД и использу-
ется для подогрева воды в ППВ-111.
Три четырехступенчатые ВОУ бесповерхностиого типа каждая
номинальной производительностью Ю0 т и максимальной 120 т
дистиллята в сутки питаются паром отбора //.
Надежность установки обеспечивается тремя паровыми кот-
лами и двумя ГТЗА, а также резервированием вспомогательных
механизмов. В связи с этим предусмотрена возможность питания
паром всех котлов любого ГТЗА через перемычку. Реверс уста-
новки обеспечивается турбиной заднего хода, питающейся перегре-
тым паром.
Наиболее мощньк. ПТУ установлены па следующих судах, на-
ходящихся в эксплуатации: пассажирском судне «Куин Элиза-
бет 2» водоизмещением 58 тыс. т и скоростью 28,5 уз (мощность
ПТУ 2X40 500 кВт), серии контейнеровозов типа «Си Лэнд» дед-
вейтом 27 670 т и максимальной скоростью 33 уз (У^ = 2х
Х44 100 кВт) п танкерах типа «Батиллус» водоизмещением
553 662 т и скоростью 16,7 }з (А'е = 2х23 850 кВт). Самой мощной
ПТУ (четыре ГТЗА суммарной мощностью по 181 МВт) оборудо-
вано пассажирское судно «Юнайтед Стейтс» водоизмещением
53 330 т н эксплуатационной-скоростью 30 уз.
Опыт эксплуатации установок типов ТС-1 и ТС-2, а также ус-
пехи в стационарной энергетике позволили создать первую оте-
236
чественную полностью автоматизированную ПТУ с ППП типа ТС-3
мощностью 22 МВт. Этими установками оборудована серия тан-
керов дедвейтом 150 тыс. т тина «Крым», построенных в 70-х го-
дах. При проектировании установки были реализованы многие из
Рис 8.12. Принципиальная схема обычной ПТУ пассажирского судна ^Максим
Горький»:
указанных выше технических решений, что позволило обеспечить
ее высокую эффективность.
Результаты испытаний ПТУ танкера «Крым» подтвердили це-
лесообразность и эффективность принятых технических решений:
Мощность на гребном валу, МВт.................. 22 21,3
Паропроизводительиость главного парового
котла, т/ч...................................... 80 81,2
237
Ха рзктеристпкй
Параметры пара:
давление, МПа:
перед быстрозапориым клапаном . , .
перед ТСД ............................
температура, СС:
перед быстрозапорным клапаном . . .
перед ТСД ...........................
Температура, СС:
питательной воды ..........................
выпускных газов .......................
Давление в ГК, МПа ........................
Расход охлажденного пара, т/ч .............
Электрическая мощность генератора, кВт . . .
Эффективный КПД ГТЗА, % ............
КГЩ котла..................................
Удельный расход условного топлива (Q"p =
— 41 900 кДж/кг), кг/(кВт-ч).............
Продолжение
Значения
' 1,45
5IO±f0
SlO±f0
120
0,0051
870
80,7
96,0
7'355
521
492
0,249—0,256 0,262
На втором судне этой серии («Кубань») расчетная мощность
установки обеспечивалась при удельном расходе условного топ-
лива 0,258 кг/(кВт-ч). На рис. 8,13 представлена тепловая схема
ПТУ Этих танкеров. Пар отбора / из ТНД используется для подо-
грева воды в ППВ-1 и работы ВОУ. Отборы II и III осуществля-
ются из ТСД для питания паром деаэратора и ППВ-111 соответ-
ственно. Потребителем пара отбора IV является ППВ-IV, а от-
бора V—ППВ-V и ИГК. Пар ИГК расходуется па подогрев
топлива, хозяйственно-бытовые нужды и пр. Возврат конденсата
от потребителей предусмотрен через контрольно-смотровую ци-
стерну для обнаружения загрязнения конденсата нефтепродук-
тами.
При постройке ПТУ с ППП потребовалось создание около 150
наименований и типоразмеров нового энергетического оборудова-
ния против 80 для установок типа ТС-2, в том числе парового
котла КВГ-80 шахтного типа с развитыми поверхностями нагрева
максимальной производительностью пара 90 т/ч, давлением
7,85 МПа и температурой 515 °C, а также агрегатированных ГТЗА,
вакуумного подогревателя-конденсатора, маслоохладителя.
Вспомогательный паровой котел производительностью 35 т
пара в час предназначен для обогрева груза и обеспечения ава-
рийного хода танкера (подача насыщенного пара к ТВД). Насосы
грузовой, балластной и зачистной систем снабжены вертикальным
приводом от паровых турбин, Снабжение электроэнергией потре-
бителей обеспечивается ДГ мощностью 400 (стояночный) и
200 кВт (аварийный). Управление установкой производится из
ЦПУ или из рулевой рубки.
Основные характеристики современных турбоходов и их ЭУ
приведены в прилож. 8.1.
В связи с энергетическим кризисом 1973—1974 гг. за рубежом
изменилось распределение эксплуатационных затрат, %, на ПТУ:
238
Вид затрат 1972 г. 1977 г.
Топливо ........................... 58 86
Масло .............................. I 1
Ремонт ............................ 14 5
Обслуживание ...................... 27 8
Последствия кризиса оказали свое влияние на портфель зака-
зов различных типов ЭУ (рис. 8.14). В 1982 г. отмечалось даль-
нейшее снижение спроса на суда с ПТУ — с 4 до 0,6 %. Это заста-
вило ведущие турбостроительные фирмы вести поиски дальней-
шего совершенствования ПТУ. К числу мероприятий, способствую-
щих повышению эффективности ПТУ, относятся: внедрение более
высоких параметров пара (5—17 МПа, 560—650 °C) и применение
ППП, введение многоступенчатого регенеративного подогрева пи-
тательной воды (5—6 ступеней), применение новых материалов и
конструкций, обеспечение высокоэффективной работы котлов на
низкосортном и дешевом топливе (угле), сжигание топлива в ТКС,
применение двух силовых турбин, работающих на общий редуктор
(основной и маршевой, вводимой в действие на частичных режи-
мах), совершенствование схем ПГТУ и пр.
239
В качестве примера новых разработок перспективных ПТУ
можно назвать ПТУ с ППП типа VAP-79 мощностью 20 МВт, раз-
работанную фирмой «Сталь — Лаваль АВ» (Швеция) совместно
с фирмой «Бабкок и Вилкокс» (Англия). К особенностям уста-
новки относятся высокие начальные параметры пара (13,2 МПа,
603 СС) с промежуточным его перегревом до 603 °C; пароперегре-
ватели, вынесенные в ТКС (основной вариант выполнен для угля);
пятиступенчатый регенеративный подогрев питательной воды; при-
вод главного питательного насоса и электрогенератора автоном-
ными турбинами, работающими совместно на противодавление и
вакуум (для лучших маневренных свойств и приспособляемости ус-
тановки при работе на ча-
стичных режимах); трех-
корпусная конструкция
ГТЗА с расположением
турбин в отдельных корпу-
сах (для оптимальной ча-
стоты вращения турбин)
с новой конструкцией сум-
мирующего редуктора,
имеющего планетарную пе-
редачу в выходной ступени;
шрегатный метод компо-
новки оборудования.
Фирма «Дженерал элек-
трик» разработала ПТУ
с ППП типа MST-23 мощ-
Рис. 8.14 Соотношение заказов на ГД
для теплоходов и турбоходов:
/ — мировое счдостроеинс: 2— Япония; 3 —ФРГ;
4 — США
ностью 36,8 МВт на пара-
метры пара 17 МПа и 568 °C. Удельный расход топлива состав-
ляет 0,226 для танкера и 0,228 кг/(кВт-ч) для контейнеровоза.
Одна из особенностей тепловой схемы — шесть ступеней подо-
грева питательной воды.
С учетом установившейся в мировом судостроении тенденции
по снижению мощности установок транспортных судов эта фирма
разработала проект ПТУ малой мощности с повышенной эффек-
тивностью при эксплуатации на частичных нагрузках. Установка
MST-21 мощностью 6,6—14 МВт, рассчитана на давление пара
5,9 МПа и температуру 510 °C. При мощности 6.6 МВт расчетное
значение gy составляет 0,304 кг/(кВт-ч). Особенность тепловой
схемы—наличие двух экономайзеров (первичного и вторичного)
и каскадной схемы отбора пара из ГТЗА (с целью повышения эф-
фективности на частичных режимах).
Удельный расход топлива в зависимости от мощности для рас-
смотренных выше проектов высокоэкономичных ПТУ показан на
рис. 8.15.
В настоящее время во многих странах ведутся работы по ис-
пользованию угля в качестве топлива для СЭУ тремя способами:
в традиционных слоевых топках судовых котлов с учетом прош-
лого опыта и достижений судовой и стационарной энергетики;
240
в виде синтетического жидкого топлива, полученного в результате
переработки угля; в топках паровых котлов с кипящим слоем.
Разработки последнего направления открыли большие возмож-
ности для дальнейшего совершенствования судовых ПТУ. На экс-
плуатируемых судах с ПТУ уголь сжигается по первому способу,
однако уже имеются установки с ТКС.
Использование угля выдвигает ряд сложных технических проб-
лем. Главная состоит в том, что из-за низкой калорийности угля
(в среднем в 1,5 раза меньшей по сравнению с другими видами
топлива) требуется увеличивать главные размерения судна для
хранения необходимых запасов топлива. Кроме того, следует учи-
тывать твердое агрегатное состояние угля, большую зольность (до
40—45%), высокое содержание кислорода и азота (в сумме до
25%), а также серы (до 3,5%), способность его к самовоспламе-
нению, необходимость специальной подготовки топлива и т. п. Воз-
никают проблемы иодачи угля в топки котлов и удаления золы.
Все вместе взятое приводит к повышению строительной стоимости
судна на угольном топливе (УТ) по сравнению с жидким топ-
ливом.
Целесообразность замены дизельной установки ПТУ на уста-
новки с угольным топливом зависит от дедвейта судна, протяжен-
ности рейсовой линии и соотношения цен на уголь и жидкое топ-
ливо.
Применение угля в паросиловых установках возродило интерес
к паровым поршневым машинам (ППМ), хотя при этом затраты
теплоты топлива на единицу вырабатываемой в ППМ энергии
241
примерно в два раза больше, чем в ДВС, и несколько больше, чем
в ПТУ (в области нагрузок Лг>50 %, рис. 8.16, а). В отношении
стоимости топлива на единицу
Рис. 8.16. Удельный расход теплоты
Q (а) и стоимость топлива Ст (б)
на единицу выработанной энергии
в зависимоеги от нагрузки N в дви-
гателях различных типов:
1— паровая машнва фирмы «Скиннер»;
2 — паровая турбина (угольное топливо
стоимостью 55 долл.); 3 — МОД (тяже
лес топливо стоимостью 170 долл./т)
выработанной энергии картина
иная (рис. 8.16,6). Кроме того,
надо учитывать, чю турбина
в сравнении с ППМ требует зна-
чительных затрат на привод
вспомогательных механизмов и
имеет дополнительные потери
в редукторе.
Поршневая машина по срав-
нению с ДВС имеет следующие
преимущества: высокую приеми-
стость по частоте вращения и от-
сутствие ограничений по мини-
мальным ее значениям, возмож-
ность развития полного вращаю-
щего момента при заклинивании
винта и более низкие эксплуата-
ционные затраты на обслужива-
ние. Известны случаи замены на
судах ДВС на ППМ. Фирма
«Скиннер» (США) имеет типо-
размерный ряд ППМ мощностью
830—8250 кВт при частоте вра-
щения 300—120 об/мин и числе цилиндров 3—8. Машины потреб-
ляют пар с температурой 470—500 °C. Это компаундные прямо-
точные машины простого или двойного расширения. Фирма счи-
Рис. 8.17. Схема ПГТУ типа «Ковайгаз»-
/—движитель; 2. 6 — редукторы основной и дополнительный; 3 — соединительная муфта.
4 — муфта' 5— электрогенератор; 7 —ГТД; 8 — утилизационный пароперегреватель; 9~
котел; /0-иасос; И —ГК;. 72, 13, /4-ТВД, ТСД ТНД
242
тает, что ППМ могут быть применены в установках мощностью
до 11 МВт, по другим данным — до 18 МВт.
Проводятся работы по совершенствованию ПГТУ.
Представляет интерес оригинальный проект, разработанный испанской
группой ДБА. В ПГТУ типа «Ковайгаз» (рис. 8.17) ГТД 7 мощностью
2600 кВт используется для привода электрогенератора 5, а избыток мощности
передается на главный редуктор 2. Пар, поступающий из ТВД в ТСД, пере-
гревается в утилизационном пароперегревателе 8 за счет теплоты выпускных
газов. Предполагается, что при реализации данной схемы можно будет полу-
чить удельный расход топлива 230 г/(кВз - ч) и ниже.
Глава 9
СУДОВЫЕ УСТАНОВКИ с ГТД
9.1. Развитие ГТУ и ГТД.
Область их применения
В 1946 г. американская фирма «Боинг» начала выпускать ГТД
модели 502-2 мощностью 118 кВт, предназначенные для катеров.
В дальнейшем ряд зарубежных фирм проводили испытания по
применению более мощных ГТД в составе ЭУ кораблей. С целью
экономии топлива и ресурса ГТД использовались в качестве ус-
корительных агрегатов. Положительные результаты были полу-
чены при испытании английского корабельного ГТД «Гатрик»
G-2 мощностью 3300 кВт и удельным расходом топлива
490 г/(кВт-ч). Работа G-2 на частичных режимах была невы-
годна из-за чрезмерного возрастания расхода топлива. Так, на
нагрузке 10 % поминальной ГТД «Гатрик» имел удельный рас-
ход топлива 2,04 кг/ (кВт • ч).
В 1951 г. английской фирмой «Роллс-Ройс» была предпри-
нята попытка создать всережимный корабельный ГТД RM-60.
В процессе испытаний канонерской лодки «Грей Гууз», снабжен-
ной этим двигателем, была получена мощность 4000 кВт при
максимальной температуре' газа перед турбиной 830 °C. Степень
повышения давления у двигателя составляла 20.
Первые корабельные ПД носили экспериментальный харак-
тер и для их дальнейшего совершенствования требовались все-
сторонние испытания и соответствующая наработка.
В 1951 г. на английском танкере «Аурис» дедвейтом 12 250 т
один из четырех главных ДГ был заменен газотурбогенератором
промышленного типа мощностью 956 кВт фирмы «Бритиш Томп-
сон Хаустон». Турбогенератор имел начальную температуру газа
600 °C, степень повышения давления 4, удельный расход топлива
393 г/(кВт-ч). В течение пяти лет эксплуатации двигатель
наработал около 20 тыс. ч, в том числе 6650 ч на тяжелом топливе.
243
Агрегат был надежен в работе и не вызывал сложностей при
эксплуатации. Это послужило основанием для дальнейшего со-
вершенствования установки танкера.
В 1956 г. три главных ДГ и один газотурбогенератор были
заменены одним ГТД промышленного типа с промежуточным ох-
лаждением, с регенерацией и утилизацией теплоты выпускных
газов. Мощность двигателя была 4045 кВт при начальной тем-
пературе газов перед турбиной 650 °C и степени повышения дав-
ления 6,1. Удельный расход топлива составлял 407 г/(кВт*ч),
силовая турбина — блокированная. Энергетическая установка
танкера «Аурис» с этим агрегатом наработала 5238 ч, после чего
в 1960 г. судно было сдано на слом.
Опытная эксплуатация ГТД на танкере «Аурис» показала це-
лесообразность использования на транспортном судне ГТД.
Другим примером применения ГТД на транспортном судне
служит переоборудование в 1956' г. ЭУ американского сухогруза
типа «Либерти» («Джон Серджент»). На нем вместо ПТУ был
смонтирован газотурбинный агрегат промышленного типа аме-
риканской фирмы «Дженерал электрик». Мощность ГТД со-
ставляла 4400 кВт при температуре газов на выходе из камеры
сгорания 790 °C, степени повышения давления 4,9, удельном рас-
ходе топлива 322 г/(кВт-ч). Как и в агрегате танкера «Аурис»,
за регенератором был установлен УК, лар от которого подавался
на турбогенератор мощностью 170 кВт и на общесудовые нужды.
Реверс осуществлялся ВРШ. ГТУ на судне «Джон Серджент»
проработала 9700 ч, в том числе 7000 ч на тяжелом топливе.
Успешная эксплуатация этого судна, а также первого советского
газотурбохода «Парижская коммуна» дедвейтом 16 тыс. т
с ГТ$'-20 промышленного типа мощностью 8700 кВт подтвердила
возможность применения ГТД в качестве основных двигателей
на транспортных судах.
Газотурбинными установками с двигателями промышленного
типа оснащен ряд зарубежных судов таких типов, как накатное
судно «Айрой Монарх», танкер «Шеврон Орегон», метановоз «Лу-
сайн», паром «Сивей принс» (прилож. 9.1).
ГТД промышленного типа аналогичны по конструкции ста-
ционарным ГТД и имеют большую массу. Так, масса двигателя
фирмы «Дженерал электрик» MS-5002B мощностью 14,7 МВт со-
ставляет вместе с фундаментом более 90 т, а с регенератором она
удваивается. Габаритные размеры этих установок также велики.
Фирма изготовляет двигатели MS-1000, MS-5000, MS-7000 и их
модификации, которые применяются в стационарной практике и
конвертируются в судовые. Проводятся работы по совершенство-
ванию этих двигателей, в том. числе по их приспособленности
к работе на остаточных топливах и сырой нефти.
Характеристики некоторых двигателей промышленного типа
приведены в табл. 9.1.
На базе ГТД типа MS-3000 созданы компактные автомати-
зированные многоцелевые установки с электродвижением. Они
244
нашли применение на танкерах и паромах. Особенность этих
установок состоит в том, что они имеют компактный газотурбо-
генераторный блок с самостоятельным управлением, который
работает на ГЭД переменного тока с постоянной частотой враще-
ния, приводящий во вращение ВРШ. Электрогенератор также пе-
ременного тока с постоянной частотой вращения. Изменение ре-
жимов работы ЭУ судна осуществляется с помощью ВРШ, уп-
равляемым с мостика, и изменением количества подаваемого
в двигатель топлива.
Таблица 9.1
Основные характеристики ГТД промышленного типа
Харак теристикя § £ 1 S MS 5W2 8 S 8
Модель Модель Б
Диапазон мощности, МВт 2Д4—3,68 5,5—8,8 11-16,2 16,2—22 33—44
Мощность номинальная, МВт Частота вращения, об/мин; 3,3 8,1 16,1 20,7 40,5 8,7
твд 6900 5100 —. —. —
тнд 10 290 6500 4670 4670 3020 —
Начальная температура газа, °C — 925 925 925 900 750
Степень повышения да- вления - 6,7 6,9 8,2 8,1 9.0
Удельный расход топли- ва при номинальной нагрузке, г/(кВт-ч) Сухая масса ГТД, т: 272 269 266 266 274 320
с регенератором 70 111 180 200 455 —
е регенератором и редуктором Габариты двигателя без редуктора), м: 179 303 315 236
длина 7,2 9,6 13,6 14,7 18,5 13,0
мирика 4,9 5,2 7,3 8,4 10,2 12,0 7,5 10,4
высота 6,5 9 1 9,7 13,4
Удельная масса агрега- 21,2 13,7 Н,2 9,66 11,2 —
та, кг/кВт 22,1 18,8 15,2 — 27,2
Газотурбогенераторный блок смонтирован на общем фунда-
менте с электрогенератором и всеми обслуживающими его вспо-
могательными механизмами и системами, включая и систему
охлаждения. На этой же раме размещены вспомогательный редук-
тор, от которого приводятся насосы, компрессор и пусковой дви-
гатель. Газовая турбина охлаждается пресной водой, которая
поступает от радиатора, находящегося вблизи на открытой па-
лубе. В блок радиатора входят все элементы системы: вентиля-
245
торы, насосы, необходимая арматура, приборы контроля и тру-
бопроводы. Газотурбогенераюрный блок размещен на верхней
палубе в специальной выгородке, что обеспечивает хороший до-
ступ к механизмам во время обслуживания и ремонта, а также
позволяет осуществлять быструю замену всего блока. В эксплуа-
тации эта установка отличается высокой надежностью и малыми
трудозатратами на обслуживание, что позволило значительно
сократить численность экипажа (13 чел. вместо 38 на аналогич-
ных судах с ЭУ других типов).
ГТУ с электродвижением и аналогичной компоновкой могут
оказаться конкурентоспособными для судов, работающих в север-
ных широтах (специальных, снабженцах, буровых и др.), по-
скольку высвобождаются объемы судовых помещений для раз-
мещения грузов.
Стационарные промышленные Г1Д обладают рядом досто-
инств, к числу которых можно отнести малые начальные затраты,
компактность, хорошо налаженное серийное производство, надеж-
ность, высокую степень автоматизации, маневренность, способ-
ность работать на дешевых сортах топлива и т. д. Вместе с тем
они несколько уступают ДВС по КПД. Применение этих двига-
телей на судах объясняется, с одной стороны, тем, что они весьма
надежны и имеют многоцелевое назначение. С другой стороны,
технико-экономические расчеты показывают, что применение ГТД
подобного типа на ряде специализированных судов вместо ди-
зельных или паротурбинных ЭУ может быть эффективным. Неко-
торое увеличение затрат на топливо компенсируется значительно
меньшими затратами на смазочное масло, техническое обслужи-
вание и содержание экипажа. Применение ГТД позволило зна-
чительно увеличить вместимость судов (за счет сокращения длины
и объема МО), снизить стоимость и сократить время их по-
стройки.
Первое скоростное транспортное судно «Адмирал Каллаган»
дедвейтом 7 тыс. т, построенное в ФРГ в- 1967 г., специально
проектировалось с учето.м применения на нем ГТД, Это двух-
вальное судно с ГТД авиационного типа FT-4 американской
фирмы «Пратт энд Уитни» (впоследствии фирма стала называться
«Турбо Пауэр энд Марин Системз»). Мощность каждого двига-
теля, работающего через редуктор на свой валопровод, состав-
ляла 18,7 МВт. Эти двигатели в дальнейшем были заменены па
более совершенные типа LM-2500 фирмы «Дженерал электрик»,
которые нашли широкое применение на судах и в стационарных
промышленных установках.
Характеристики ГТД авиационного типа, применяемых на су-
дах, приведены в табл. 9.2.
Газотурбинные двигатели на судне «Адмирал Каллаган», со-
стоят нз газогенераторного блока и силовой турбины. Они пере-
дают мощность движителю через двухступенчатый реверсивный
редуктор; ГТД расположены над судовым валопроводом, ЭУ
размещена в двух смежных помещениях: в одном — главная
Основные характеристики зарубежных ГТД авкацио>
247
248
установка с обслуживающими ее системами, во втором, кормо-
вом,— СЭС и другие элементы установки.
При проектировании судна были проработаны его варианты
с ГТУ и ПТУ. Сопоставление показало, что применение ГТУ поз-
воляет уменьшить протяженность МО на 7,5 м и его объем на
8,1 %, В связи с уменьшением габаритов МО площадь грузовых
палуб увеличивается на 1200 м2. Масса ГТУ оказалась меньше
массы ПТУ на 50 %.
Аналогичная компоновка элементов установки применена на
четырех контейнеровозах типа «Евролайнер», построенных в ФРГ
фирмой «Райншталь норд-зееверке». Это двухвинтовые суда с од-
ним двигателем FT-4A-12 на каждом валу. Мощность ГТД пере-
дается через двухступенчатый редуктор на ВРШ. Максимальная
мощность двигателя составляет 22,21 МВт.
Особенность компоновки ГТУ, представленной на рис. 9.1, заключается
в том, что двигатель 8 представляет собой модульный блок, расположенный
в корму от редуктора 9 над валопроводом и заключенный в тепло- и звуко-
изолирующий кожух, смонтированный на раме двигателя. В нос от редукторов
установлены электрогенераторы мощностью по 1000 кВт, соединенные с сило-
вой турбиной напрямую. Электрогенераторы обеспечивают судно электроэнер-
гией во время работы главных ГТД на всех режимах, начиная от холостого
хода до максимального, рассчитанных на частоту вращения 2000—3000 об/мин.
Во время стоянки судна работа ГТД на валогенератор может
осуществляться либо при отключенном редукторе, либо при ну-
левом положении лопастей ВРШ. Пуск ГТД производится из
ППУ, после чего управление ПУ может быть переключено на
пост, расположенный в ходовой рубке.
Принятая схема компоновки основных элементов ГТУ позво-
ляет значительно сократить длину МО по сравнению с традици-
онной компоновкой, когда ГТД располагают в пос от редуктора.
Пропульсивная установка финского парома «Финнджет», вве-
денного в эксплуатацию в 1977 г., по схеме размещения основных
элементов ГТУ аналогична установке судна «Евролайнер», с той
лишь разницей, чтовнейдва двигателя FT-4C-2 общей мощностью
55,2 МВт обеспечивают максимальную скорость судна 30,5 уз.
После резкого повышения цен па топливо (особенно на
дизельное, на котором работают эти ГТД) водоизмещающие суда
с главными ГТД оказались нерентабельными, и в 1979 г. было
принято решение о замене ГТУ этих судов на установки с ДВС.
Таким образом, применение на морских транспортных судах ГтД
авиационного типа можно считать перспективным лишь при ус-
ловии повышения термодинамической эффективности цикла и пе-
реводе их на более тяжелые сорта топлива.
Большим достижением отечественного энергомашиностроения
явилось создание комбинированной ГПТУ для серии накатных
судов типа «Капитан Смирнов», которые хорошо зарекомендовали
себя в эксплуатации и являются конкурентоспособными с анало-
гичными дизельными судами.
Несмотря на имеющиеся примеры использования ГТД на
транспортных судах различного класса и назначения, широкого
249
применения они ие получили. Это можно объяснить ил относи-
тельно невысокими экономичностью и ресурсом, а нередко и не-
достаточной надежностью. Главным препятствием к применению
ГТД на транспортных судах являются повышенные требования
к качеству топлива для них.
Рис. 9.1, Расположение оборудо-
ааиия ГТУ двухвального кон-
тейнеровоза типа «Евролайяер»;
В последние годы ГТД стали широко применять на судах на
подводных крыльях (СПК) и воздушной подушке (СВП), кото-
рые используются в качестве скоростных пассажирских й грузо-
пассажирских судов на паромных переправах (см, разд. J7.2).
Проводятся работы по дальнейшему совершенствованию ГТД
в направлениях повышения технического ресурса и топливной
экономичности, создания более технологичных и надежных кон-
250
струкций, простых в обслуживании. Перспективным считается
направление по применению в ГТД лопаток из керамических и
металлокерамических материалов, что позволяет повысить
температуру газа перед турбиной без охлаждения лопаток. На-
пример, на двигателях FT-9 (США) предполагается ставить сопло-
вые лопатки сплошные керамические, а рабочие — с металлокера-
мическим покрытием (cerment). Это позволит повысить темпе-
ратуру газа на входе в ТВД выше 1370 °C и обеспечить ресурс
наиболее нагретых деталей до 10 тыс. ч.
Совершенствование конструкций ГТД идет по пути создания
отдельных модулей. ГТД модели 570 (США) мощностью 5,15МВт
состоит из пяти легко отделяемых один от другого отбаланси-
рованных модулей: компрессора, камеры сгорания, турбины га-
зогенератора, силовой турбины и коробки приводов. Такая кон-
струкция удобна в эксплуатации и при ремонте, Она позволяет
силами обслуживающего персонала на месте заменять неис-
правные модули без дополнительной балансировки всего двига-
теля. Это значительно сокращает сроки ремонта и трудоемкость
обслуживания двигателя.
На базе хорошо зарекомендовавшего себя двигателя LM-2500
создай новый LM-5000 (США), мощность морского варианта
которого составляет 21,9—36,5 МВт, КПД двигателя около 39%.
Он приспособлен для работы на жидком и газообразном топли-
вах, а также на топливоводяных смесях. Последнее способствует
уменьшению выделения окиси азота из выпускных газов.
При создании новых ГТД ставят целью уменьшить удельный
расход топлива на 10—15% по сравнению с существующим,
а также снизить производственные и эксплуатационные расходы
путем дальнейшего развития диагностики и упрощения техниче-
ского обслуживания. Создание новых двигателей, по мнению за-
рубежных специалистов, позволит в перспективе получить закон-
ченный мощностной ряд 3,65, 7,3, 14,7, 22, 29,4 МВт, что пол-
ностью удовлетворит потребности флота.
Применение ГТД в ЭУ транспортных судов, как уже отме-
чалось, сдерживается в последнее время из-за возросших цен
на топливо. Судовладельцы судов с ГТУ вынуждены принимать
соответствующие меры. Так, с целью экономии топлива было
принято решение о замене ГТД на дизели на четырех контейне-’
ровозах типа «Евролайнер» (после восьми лет эксплуатации).
Вместо двух ГТД в том же МО установили по два СОД марки
ТМ-620 фирмы CBD (Нидерланды). Мощность установки па этих
судах снизилась с 43,7 до 23 МВт, т. е. почти вдвое, а скорость
хода с 26,4 до 21 уз.
Для снижения расходов на топливо на газотурбинном супер-
пароме «Финнджет» произведено дооборудование ЭУ дизель-элек-
грйческой гребной установкой. В кормовой части судна на ва-
гонной палубе в двух помещениях расположили ДГ финской
фирмы «Вяртсиля» типа 18V32 мощностью по 5700 кВт фри
200 об/мин, Удельный расход тяжелого топлива вязкостью
251
500-10-6 м2/с составляет 209 г/(кВт-ч). Дизели приводят син-
хрошме генераторы, питание от которых подается к двум корот-
козамкнутым ГЭД мощностью 5300 кВт каждый и частотой
вращения 1688 об/мин. Каждый ГЭД соединен с главным пони-
жающим редуктором, имеющим частоту вращения вала отбора
мощности 100—170 об/мин. Гребные электродвигатели размещены
в турбинном отделении. Общая масса дополнительной установки
500 т. Управление установкой осуществляется автоматически ди-
станционно. Судно при работе дополнительной установки имеет
ход около 19 уз. Все это снижает расход топлива на 50 % и
уменьшает затраты на топливо на 30%. Основная ГТУ исполь-
зуется по необходимости, обычно в летнее время, когда воз-
растает поток пассажиров.
Замена ГТУ произведена и на австралийских балкерах «Ай-
рон Карпентария» и «Айрон Кертис» дедвейтом по 45 430 т*. На
этих судах регенеративные ГТУ типа MS-3002R фирмы «Джене-
рал электрик» заменены на блоки из двух СОД типа 12V32
фирмы «Вяртсиля» мощностью по 3400 кВт. Эти двигатели будут
работать на более дешевом и низкосортном топливе. Замена ГТУ
на ДУ позволит снизить расход топлива на 40%, что соответст-
вует сокращению затрат на топливо примерно на 1,3 млн. долл,
в год для каждого судна.
На ранее построенных аналогичных судах «Айрон Монарх»
и «Айрон Дьюк» также намечена замена ГТУ на ДУ. Предпо-
лагается, что затраты иа переоборудование этих судов окупятся
за 4—4,5 года.
В последнее время вместе с тем стали появляться новые ком-
бинированные установки с ГТД. Так, испанской фирмой ДВА
предложена судовая ПГТУ типа «Ковайгаз» **. В ней паротур-
бинная часть установки модернизирована с целью получения
более высоких показателей и дополнена ГТД мощностью Ю'%
главной ПТУ. ГТД подсоединен к главному редуктору и приводит
валогеператор. а избыток мощности передается на судовой вало-
провод. Выпускные газы от ГТД поступают во вторичный паро-
перегреватель, установленный между ТВД и ТСД. Применение
схемы «Ковайгаз» позволит получить удельный расход топлива
на установку около 230 г/(кВт-ч). Таким образом, экономия
топлива ЭУ танкера мощностью 26,5 МВт составит 12 100 т в год.
Фирма «Зульцер» предложила комбинированную дизель-га-
зотурбинную установку, в которой ГТД работает па выпускных
газах МОД, часть которых идет на турбонаддувочные агрегаты,
а остальная часть — на силовую газовую турбину, соединенную
через передачу с валопроводом. Такая схема позволяет более
полно использовать теплоту выпускных газов ДВС при работе
на основных режимах, что повышает КПД установки.
* «Судостроение» 1984, № 10, с. 54.
•* Там же, с. 52.
252
Таким образом, наблюдается тенденция, с одной стороны, к от-
казу от применения ГТУ на водоизмещаюших транспортных су-
дах, а с другой,— к использованию ГТД с целью повышения
экономичности СЭУ других типов. И проектанты параллельно
с дальнейшим совершенствованием ГТД находят для них все
новые области применения. Кроме отмеченных выше, известно
использование ГТД в судовом исполнении на нефтедобывающих
судах, где важное значение приобретают их достоинства: малые
массогабаритные показатели, высокая надежность и приспособ-
ленность для работы на добываемом топливе (газовом или неф-
тяном). Применение местного топлива позволяет снизить эксплуа-
тационные расходы.
Поскольку ГТД является более уравновешенным двигателем,
то установка ГТГ на буровых платформах вместо ДВС позво-
ляет облегчить конструкции цз-за снижения вибрации, умень-
шить площадь буровых платформ и их размеры за счет большей
энергонасыщенности (удельная мощность ГТГ 108—195, ДГ 43—
86 кВт/м2). Кроме того, благодаря небольшим массогабаритным
показателям ГТД можно создать силовой блок, сборку, монтаж
и испытание которого проводить на берегу, Это сокращает сроки
постройки объекта и снижает его стоимость.
Большое количество теплоты, которая требуется при эксплуа-
тации морских буровых установок, может быть получено путем
утилизации выпускных газов ГТД, Таким образом, электрическую
и тепловую энергию получают от одного работающего источника.
9.2. Газотурбинные установки с ТУК
(газопаротурбинные установки)
Применение ГТД авиационного типа в составе СЭУ дает ряд
преимуществ, из которых отметим следующие: уменьшение об-
щей площади МО (до 10%); сокращение числа вспомогательных
механизмов; упрощение управлением установкой; снижение чис-
ленности машинной команды; уменьшение капитальных затрат
вследствие меньшей стоимости оборудования и его монтажа.
Этим ГТД, однако, присущи и серьезные недостатки, основным
из которых следует считать их невысокую экономичность, по
сравнению с дизельными двигателями, обусловленную большими
тепловыми потерями.
Утилизация теплоты выпускных газов в пароводяном кон-
туре— один из самых эффективных способов повышения эконо-
мичности СЭУ с ГТД. Этот способ с наибольшей полнотой может
быть реализован в комбинированных ГПТУ. Утилизация теплоты
в ТУК газотурбинных установок с ГТД простого цикла позво-
ляет значительно поднять КПД установки при относительно не-
большом увеличении потерь давления в газовоздушном тракте
с УК-
Повышение тепловой экономичности ГТУ с ТУК достигается
использованием теплоты отработавших в двигателе газов, имею-
253
тих температуру 350—500 °C (а иногда и выше), т. е. примерно
такую же, как и начальная температура пара в судовой пароси-
ловой установке. Это позволяет получить в УК пар высоких па-
раметров, который можно использовать в ЭУ, повышая ее эф-
фективность.
Здесь уместно отметить, что утилизация теплоты выпускных
1азов в УК лает значительно больший выигрыш в ГТУ, чем в ДУ.
Это объясняется тем, что при равной мощности установок тем-
пература выпускных газов и их количество в ГТД больше, чем
в ДВС (в связи с большим значением коэффициента избытка
воздуха, который составляет 2,0—3,5 для ДВС и 5—8 для ГТД).
Количество пара, получаемого в ГТУ с ТУК, значительно, по-
этому его можно использовать не только на хозяйственные
нужды судна и па привод УТГ в ходовом режиме, но и для при-
вода силовой паровой турбины, работающей на общий с ГТД
редуктор.
Энергетические установки, у которых па судовой движитель
работают газотурбинные и утилизационные паротурбинные дви-
гатели, называют газопаротурбинными. Такая утилизация позво-
ляет увеличить мощность судовой установки на 25—30 %, а ста-
ционарной— до 50 % мощности ГТД без дополнительного рас-
хода топлива. ГПТУ экономичны, надежны и относительно про-
сты в обслуживании, хотя и более насыщены комплектующим
оборудованием. Оборудование всей установки может быть удобно
размещено в небольших объемах МО, а УК — в шахте МО.
Разработанные схемы ГТУ с ТУК отличаются типом и коли-
чеством ГТД и ТУК. Один ТУК может утилизировать выпускные
газы одного или двух ГТД.
Газопаротурбинная установка судов типа «Капитан Смирнов».
В нашей стране серия накатных двухвальных судов типа «Капи-
тан Смирнов» оснашена ГПТУ (рис. 9.2), в которой ГТД и паро-
вая турбина (ПТ) ТУК передают полезную мощность на вивд
через общий редуктор. Эта установка может быть использована
и па судах других типов. На каждый из двух гребных валов
р ВФШ работает главный газопаротурбинный агрегат (ГПТА)
М-25 (рис. 9.3). В состав агрегата входит один газотурбинный
двигатель ДИ-59, утилизационный котел КУП-3100, паровая тур-
бина ПТУ-2 с конденсатором, эжектором и редукционно-охлади-
тельным устройством и редуктором.
Пар. генерируемый в УК, используется в пропульсивной ПТ
и в УТГ-1000, а также идет на общесудовые нужды. ГТД пря-
моточного типа двухкаскадный, осевой. Он состоит из двух по-
следовательно расположенных осевых компрессоров: семиступен-
чатого низкого и девятиступенчатого высокого давления (КНД
и КВД); трубчато-кольцевой камеры сгорания, в корпусе кото-
рой смонтировано 10 жаровых труб с форсунками, и турбин—।
двухступенчатых высокого и среднего давления (ТВД и ТСД) и
реверсивной трехступенчатой низкого давления (ТНД). Она же
является силовой для привода гребного винта.
254
Турбина высокого давления приводит в действие компрессор
высокого давления (К^Д), а турбина среднего давления — ком-
прессор низкого давления (КНД). Силовая турбина передает
вращающий момент на редуктор через упругие муфты и вал.
Главный судовой редуктор трехступенчатый, суммирующий
подводимую мощность от ГТД и ПТУ-2 (рис. 9.4). Ветвь ГТД
раздваивается на f-й ступени редуктора и разделяется на четыре
потока во 2-й ступени. Ветвь ПТ раздваивается на 2-й ступени.
ГТД подсоединяется к редуктору через упругую соединительно-
разобщительную муфту и вал. Паровая турбина соединена с ре-
дуктором посредством фрикционно-кулачковой муфты, которая
автоматически отключается при выведении ПТ из действия.
Вращающий момент от ГТД и ПТ передается на одно ведо-
мое колесо редуктора, соединенное с судовым валопроводом, по
двум ветвям через шесть ведущих Шестерен.
Утилизационный котел, размещенный над газовыпускным
патрубком ГТД, водотрубный, с многократной принудительной
циркуляцией, прямоугольной формы в поперечном сечении. В со-
став котла входят экономайзер, испарительный пучок труб,
255
пароперегреватель. Змеевики пакетов котла выполнены из Ореб-
ренных труб.
За котлом расположен газовоздушный эжектор для отсоса ох-
лаждающего агрегат воздуха, который поступает под теплоизо-
лирующий кожух ГТД, охлаждает газовыпускной патрубок и про-
ходит через межкожуховое пространство котла. Для нормаль-
ной работы котла в установке предусмотрен сепаратор пара го-
256
ризонтального типа, являющийся одновременно и водяной ем-
костью ТУК.
Паротурбинная установка ПТУ-2 скомпонована в единый аг-
регат. Двухопорный ротор ПТ конденсационного типа имеет на-
садные диски. На нем смонтировано одно колесо с двумя ступе-
нями скорости и семь ступеней давления. Корпус турбины уста-
новлен на двухходовом конденсаторе, выполняющем роль рамы
ПТ, На нем же размещено и другое вспомогательное оборудо-
вание.
Тепловая схема судовой ГПТУ (рис. 9.5) кроме газопаротур-
бинных агрегатов включает два УТГ мощностью по 1000 кВт
257
каждый, три ДГ мощностью по 1000 кВт, вспомогательный котел
паропроязводительностью 6 т/ч при давлении 0,5 МГГа, ВОУ типа
М-3 производительностью 60 т/сут, которая работает на паре от
утилизационного или вспомогательного котлов, компрессорную
станцию и другое оборудование. Компрессорная станция сжатого
воздуха укомплектована двумя автоматизированными КВД марки
ЭКСА-7,5-4 с подачей 13 л/мин сжатого воздуха давлением 20 МПа
и двумя электрокомпрессорами среднего давления марки
ЭКП 70/25 с подачей около 70 м3/ч свободного воздуха при дав-
лении 2,5 МПа, В нее входят также баллоны сжатого воздуха,
Энергетическая установка укомплектована также необходи-
мыми механизмами и оборудованием, обеспечивающими нор-
мальное функционирование ГПТА, дизель- и парогенераторов,
вспомогательного котла, а также обслуживающих их систем,
Основные характеристики ГПТА М-25 приведены ниже:
Характеристики
Мощность переднего хода, МВт . .
В том числе:
ГТД...........................
паровой турбины...............
Удельный расход топлива на ГТД,
г/(кВт-ч), не более...............
Частота вращения выходного фланца
редуктора, об/мин.................
Максимальная мощность заднего хода,
МВт...............................
Паропроиаводительносгь УК, т/ч
В том числе:
перегретого пара .............
насыщенного пара .............
Давление пара в УК. МПа ....
Температура, °C;
пара в УК....................
выпускных газов перед УК . .
отработавших газов за УК . .
Расход газа в УК, кг/с ...........
Масса агрегата в рабочем состоянии,
В том числе:
ГТД с рамой, газовыпускным па-
трубком, кожухами, рессорой,
масляным баком и электрообору-
дованием, т ..................
редуктор с муфтой, т..........
УК с арматурой ДАУ, сепарато-
ром и электрооборудованием
ТУК, т........................
ГТД с муфтой и рессорой, т
Ширина максимальная, мм , . . .
Высота с УК, мм ..................
» с выпускным устройством, мм
Длина общая, от входного устрой-
ства ГТД до выходного фланца ре-
дуктора, мм .... .................
.. На номиналкном
па максимальном режиме (беа отбора ₽' пара) р име (с отбором 11а ТГ н судовые нужды)
189,3 17,28
14,12 14,12
4,27 3,16
238 256
130 128
5,74
26,2
24
2,2 —
310
390 __
179
91,8 —
149
19
55
45
22,7
5 155 •
10 875
12 525
12 245
258
Отметим некоторые особенности в работе этой ГПТУ.
Принцип работы главного ГПТА. Питательная вода с темпе
ратурой 40 °C подается питательным насосом из теплого ящика
прямо в сепаратор пара, а оттуда в УК- В котле вода совершает
многократную циркуляцию с помощью циркуляционного насоса,
который подает ее последовательно в экономайзер и в испари-
тельную часть. Затем пароводяная смесь поступает в сепаратор
пара, откуда влажный пар направляется в пароперегреватель.
Перегретый пар подается через главный стопорный клапан к бы-
строзапорному клапану (БЗК) паровой турбины. Главный сто-
порный клапан открывается автоматически при достижении дав-
ления пара 0,39 МПа и перепускает пар к главному эжектору,
который создает разрежение в конденсаторе. По достижении дав-
ления в конденсаторе 49—59 кПа открывается БЗК до положения,
соответствующего холостому ходу, и частота вращения ротора
ПТ начинает расти. Подключение ПТ осуществляется автомати-
чески при синхронизации частоты вращения ротора ПТ и редук-
тора. На режиме холостого хода ПТ прогревается в течение 12—
15 мин, после чего БЗК открывается полностью и ПТ набирает
установленную нагрузку. При работе на холостом ходу избыток
пара стравливается через выпускной патрубок ПТ па кон-
денсатор.
Во время работы ГТД утилизационный котел может быть *и
осушен. Ввод ТУК в действие осуществляется подачей питатель-
ной воды в котел на любом режиме работы ГТД и при нерабо-
тающем двигателе. В эксплуатации ТУК подключают на режиме
«Море», а отключают — на режиме «Порт». Паровая турбина от-
ключается во время работы установки иа задний ход,
Теплоутилизирующий контур ГПТА М-25 дает выигрыш в рас-
ходе топлива до 25 %.
Пар от УК кроме ПТ расходуется на два УТГ и на судовые
нужды. Этим повышается экономичность установки (нет необхо-
димости в работе ДГ), хотя и снижается общая мощность уста-
новки вследствие уменьшения подачи пара на главную ПТУ. При
этом ГПТА развивает номинальную мощность, а не макси-
мальную.
Минимальная мощность главного ГПТА, при которой пар УК
поступает ко всем основным потребителям (ПТ, ТГ, ВОУ и об-
щесудовым потребителям), составляет 60 % номинальной.
Установка допускает работу одного агрегата на гребной винт
при неработающем втором ГПТА и заторможенном или свободно-
вращающемся винте. Можно также применять и перекрестную
схему, когда работают ГТД и УК одного борта на свой валопро-
вод и ПТ другого борта — на свой. При этом несколько снижа-
ется скорость судна, но зато экономится топливо (порядка 42%)
и ресурс неработающего ГТД.
ГПТУ с ГТД тяжелого типа. Фирмой «Дженерал электрик»
разработана ГПТУ на базе серийного ГТД MS-5000 с регенера-
цией (рис. 9.6).
9* 259
В отличие от установки тяжелого типа, работающей по регенеративному
циклу, рассматриваемая работает по простому циклу с утилизацией теплоты вы-
пускных газов от ГТД 1. В ней регенератор заменен ТУК, что позволило сни-
зить расход топлива на 16 % —до 243 г/(кВт-ч). Утилизационный котел 2 водо-
трубного типа с принудительной циркуляцией производительностью 48,3 т/ч.
Давление пара за перегревателем 3,92 МПа, его температура 454 °C- Высокие
для ТУК параметры пара и умеренное давление в конденсаторе (~10 кПа) по-
зволили получить большую мощность ПТ 13, составляющую 39 % (11.6 МВт)
от мощности ГТД (29,4 МВт). Перегретый пар от УК поступает к ПТ и на
судовые нужды 5. Паротурбинная установка оборудована конденсатором 11,
деаэратором 7 и насосами: питательным 8, конденсатным 10 и насосом 9 за-
пасной цистерны питательной воды. Паровая турбина работает на редуктор 14
и на электрогенератор 12. В ТУК входит сепаратор пара 3 и циркуляционный
насос 4 (позицией 6 обозначены потребители отработавшего пара турбины).
Применение одной утилизационной ПТ для работы на греб-
ной винт и на электрогенератор, обеспечивающий электроэнер-
гией судно в ходовом режиме, значительно повышает экономич-
ность установки по сравнению с раздельным приводом и умень-
шает ее массогабаритные показатели. Это достигается за счет
большего КПД паровой турбины повышенной мощности и сокра-
щения вспомогательной ПТ (для привода электрогенератора)
с конденсатором и другими устройствами и оборудованием.
Газопаротурбинная установка с усовершенствованным ГТД
промышленного типа создана фирмой «Зульцер». В ГТД усовер-
шенствованы конструктивные узлы (компрессоры, камера сгора-
ния, турбины и др.), улучшена технология его сборкц. Конструк-
ция позволяет сравнительно просто осуществлять обслуживание
ГТД, проводить мелкие и капитальный ремонты непосредственно
на производственном участке. Разработанный двигатель конку-
рентоспособен по многим показателям с ГТД легкого типа и рас-
считан для использования в качестве привода электрогенерато-
260
ров и других промышленных объектов. Мощность ГТД 20 МВт,
КПД 33,2%.
К основным конструктивным особенностям двухвального дви-
гателя следует отнести десятиступенчатый компрессор, у кото-
рого первые две ступени околозвуковые. Степень сжатия 13,5.
Входные направляющие лопатки статора компрессора выполнены
поворотными. Это позволяет снизить мощность, необходимую для
запуска ГТД, н улучшить его характеристики при работе на ча-
стичных режимах.
Большое преимущество компрессора с околозвуковыми ступе-
нями состоит в том, что вследствие совершения большей работы
в нем по сравнению с дозвуковым компрессором та же степень
сжатия может быть получена при меньшем числе ступеней (10
вместо 16).
Камера сгорания принята кольцевой и может работать на двух
видах топлива: тяжелом морском дизельном типа В и на при-
родном газе.
26t
Двухступенчатая турбина компрессора имеет охлаждаемые
сопловые и рабочие лопатки. При температуре газа примерно
равной 1034—1048 °C температура материала лопаток 1N-738 не
превышала 850 °C. Этому способствовала также хорошая ста-
бильная работа камеры сгорания, обеспечивающая равномерное
температурное поле перед турбиной.
Силовая турбина двухступенчатая и выполнена автономной.
Температура газа за турбиной 507 °C.
В комбинированной установке, показанной на рис. 9.7, осу-
ществлена глубокая утилизация теплоты отработавших газов ГТД
в утилизационном котле ТУК- Температура газов за котлом
100 °C. Параметры пара перед ПТ: давление 0,5 МПа, темпера-
тура 470 °C. Утилизационная ПТ питается паром двух давлений
и работает па электрогенератор, развивая дополнительную мощ-
ность 10 МВт без дополнительного расхода топлива. Таким об-
разом, при общей мощности 30 МВт комбинированная ГПТУ
имеет КПД 47.8 %.
9.3. Термодинамические циклы ГТД
Теоретический простой цикл. Судовые ГТД работают в основ-
ном по открытому циклу и при постоянном давлении газов в ка-
мере сгорания, Они могут иметь простую тепломеханическую
схему и усложненную Рассмотрим вначале простейший цикл ГТД
с одной ступенью сжатия и расширения без учета потерь в тур-
бине и компрессоре, а также без учета гидравлических сопротив-
лений (т. е. теоретический цикл).
Схема и цикл простейшего ГТД изображены на рис. 9.8.
В дополнение к изложенному в разд. 1.4 отметим, что цикл замы-
кается условной изобарой 4—I (рис. 9.8,б), по которой рабочее
тело охлаждается от температуры 7\ до температуры наружного
воздуха Т, с отводом теплоты <?2 = й—й. Условной эта изобара
является потому, что в действительности вместо охлаждения ра-
бочего тела компрессор засасывает из атмосферы новую порцию
воздуха, а газы из турбины выбрасываются в атмосферу.
Теплота ^,=1з—й>, подведенная к рабочему телу, соответст-
вует площади 1—2—3—4'—/' на диаграмме sT, а отведенная теп-
лота С?г = й—t’ — площади 1'—1—4—4'—Полезная работа
никла соответствует площади 1—2—3—4—1.
Будем считать, что цикл совершается при постоянном коли-
честве рабочего тела, имеющего неизменный химический состав,
постоянную теплоемкость и подчиняющегося основным уравне-
ниям идеального газа. Расход воздуха и газа также примем по-
стоянным. В ГТД с большим коэффициентом избытка воздуха
(а = 4ч-7) увеличение расхода газа по сравнению с воздухом мо-
жет составлять 1—2%, однако это компенсируется Утечками
в турбине и компрессоре.
Изоэнтропийная работа сжатия в компрессоре 1К' и расшире-
ния в турбине /т' выражена уравнениями (1.29) и (1.32), а по-
262
летная работа цикла /0'— уравнением (1.34). Последнюю с уче-
том аависимостей (1.29) и (1 32) можно представить и так:
и. (9.1)
где Дк = рз/р1 и к=Тз11\ — степень повышения давления и темпе-
ратуры в цикле; m — (k—])/£.
На диаграмме vp, как известно, работе турбины // соответ-
ствует площадь 3—4—1'—2'—3, а работе компрессора — площадь
1—2—2’—Г—1. Полезная работа цикла измеряется площадью
1—2—3—4—1.
Количество подведенной на участке 2—3 теплоты составляет
-b- criT,-T,> -сДт-.-Т-.л")- г,.Т,1/.-СТ (92)
Р1К У 8
((.иловая),
Тсп.кыая схема (а) н цпк-i (б) простейшей) i ГД.
2 — ТВД (Tjpfmna компрессора): 5--камер) <. । op:s rut я, -(
Термический КПД цикла вычисляется ио формуле (1.36), т. с.
Т|/ = =1 — Лц '
Анализируя формулы для 10' и гр, видим, что полезная работа
цикла зависит как от степени повышения давления, так и от
степени повышения температуры, в то время как КПД цикл,а
зависит только от степени повышения давления. С увеличением
лк КПД цикла непрерывно растет и в пределе при лк, стремя-
щейся к бесконечности, он стремится к единице
Однако значение К налагает определенные ограничения на
предельное значение лк и, следовательно, на предельное значе-
ние термического КПД двигателя.
Рассмотрим случай, когда температура Д газа перед турби-
ной имеет какую-то ограниченную постоянную величину (рис. 9.9).
Если степень повышения давления л1;=1, цикл изобразится ли-
нией 1—б; избыточная работа и КПД никла равны н^лю. По
мере увеличения лк КПД цикла возрастает и соответствии с урав-
нением (1.36). Максимальное значение КПД соответствует мак-
симальному т, е. случаю, когда цикл изображается линией
1—а; избыточная работа цикла, как и при .щ, = 1, равна нулю.
Однако подведенная здесь теплота также равна нулю, поскольку
263
температура за компрессором Т2 и перед турбиной Тз равны. По
сравнению с циклом при лк=1 здесь КПД цикла отличен от
нуля и составляет (с учетом того, что Тз~Тз)
|>рел = 1 — 1 — 7'1/7'г = • — (Л/Тэ) 1— i/X -- 1]к--рко (9.3)
Уравнение (9.3) показывает, что термический КПД цикла про-
стейшего ГТД в пределе стремится к КПД цикла Карно, ни-
когда его не достигая, так как равенство гр пред=т|карно требует,
чтобы рг/р! было равно лпред. Последнее невозможно, так как
изоэнтропа сжатия при этом должна совпадать с изоэнтропой
расширения, а полезная работа и подведенная теплота в цикле
будут равны нулю.
Рис. 9.9 Теоретический
цикл ГТД при заданной
предельной температуре
Т3 и различных значе-
ниях Як
Рис. 9.10. Простой цикл
ГТД с учетом потерь
в турбине я компрессоре
Важной характеристикой термодинамического цикла является
удельный расход воздуха, который при заданной мощности дви-
гателя в значительной мере определяет его размеры и представ-
ляет собой отношение расхода воздуха через двигатель к его эф-
фективной мощности, или d = 860//o'. Полезная работа /0' будет
максимальной при каком-то промежуточном значении степени по-
вышения давления лк, находящемся между единицей и макси-
мумом, а удельный расход воздуха — минимальным.
В окончательном виде выражение для удельного расхода воз-
духа можно получить, если подставить в пего (9.2), т. е.
_____________860_______________________860_________
V, |Ц1 -=>7")-<+1| ~ W-0 (>«-I) '
(9.4)
Если из этого уравнения взять производную по як и прирав-
нять ее нулю, то найдем степень повышения давления, которая
будет соответствовать минимальному удельному расходу воздуха
для принятого отношения температур Х=Тз/Т|, т. е.
X12т.
264
Подставив это значение в (9-4), получим минимальный удель-
ный расход воздуха:
4™-860Дс,Т, (ф. -I)1]. (9.5)
Действительный цикл простейшего ГТД с учетом потерь. При
осуществлении действительного цикла простейшего ГТД, в отли-
чие от теоретического, необходимо учитывать ряд потерь, из ко-
торых отметим следующие: внутренние в турбине и компрессоре;
тепловые в камере сгорания; давления на преодоление гидрав-
лических сопротивлений в газовоздушном тракте; механические
на трение в подшипниках турбин и компрессоров, в подшипниках
и зубчатых зацеплениях редукторов; механические на вращение
неработающих ступеней турбин заднего хода; на охлаждение на-
греваемых частей турбин; на утечки рабочего тела через наруж-
ные уплотнения; на привод вспомогательных механизмов, обслу-
живающих ГТД; на тепловое излучение в окружающую среду
газовой турбиной, компрессором и трубопроводами.
Многие из этих потерь трудно подсчитать достаточно кор-
ректно. При дальнейшем анализе циклов ограничимся учетом
только гидравлических потерь в турбине и компрессоре, которые
достаточно точно легко учесть соответствующим понижением
КПД. Такой цикл будем считать действительным.
На рис. 9.10 изображен простой цикл ГТД с учетом потерь
в турбине и компрессоре. Здесь 1—2 — действительный процесс
сжатия в компрессоре; 2—3—подвод теплоты с топливом в ка-
мере сгорания при постоянном давлении; 3—4 — действительный
процесс расширения газа в турбине; 4—1 — отвод теплоты при
постоянном давлении, заменяющий процесс условного замыка-
ния цикла в атмосфере; 1—2'—изоэнтропийный процесс сжатия
и 3—4'—изоэнтропийный процесс расширения.
Потери в турбине и компрессоре смещают процесс в сторону
увеличения энтропии, увеличивая тем самым работу, затрачен-
ную в компрессоре, и уменьшая работу, получаемую в турбине.
Внутренняя работа сжатия 1 кг воздуха в компрессоре, соот-
ветствующая процессу 1—2,
/к --- /«/т|к срТ, (л? — 11/-Пк,
где — внутренний КПД компрессора.
Внутренняя работа турбины, отнесенная к 1 кг воздуха, по-
ступающего в компрессор,
/т= /X'— СрЛО — йГ”)
где — внутренний КПД турбины.
Внутренняя полезная работа ГТД
/0==1т-/к = сгТ3(1-лГт')т|г--сг7'1(^- ПЧ- 0-6)
1<о ’и^егтво теплоты, внесенной с топливом на участке 2—3,
265
-I
знаменатель разделить на ц и учесть, что
(^k-0(w-<)
Температуру за компрессором Т2 можно выразить через тем-
пературу а конце изоэнтропийного сжатия.
Внутренний КПД компрессора можно записать так: рк =
= (Т2'-Т1)/(Т2-7'1).
Но поскольку Г2' = Г1Лк’", из предыдущего выражения получим
Л = Г,[1 +
Тогда
+ (9.7)
Использовав формулы (9.6) и (9.7), найдем выражение для
внутреннего КПД ГТД (без учета потерь в камере сгорания),
который равен отношению полезной работы цикла к подведенной
теплоте:
n. = I. = Ср[73(|-Д7")ч,- 7, (я” - 1)/Л„]
Если принять теплоемкости, входящие в выражение т)>, одинако-
выми, а числитель и
то получим
1Ъ =
Как видно, полезная работа и КПД зависят от степени по-
вышения давления. С увеличением лк разность температур на-
чала и конца процессов сжатия и расширения непрерывно рас-
тет, вследствие чего 1К и /т непрерывно увеличиваются. Вначале
с увеличением лк значение /т растет быстрее, чем 1К, в связи
с тем что процесс расширения совершается в области значительно
больших удельных объемов, чем процесс сжатия. При дальней-
шем увеличении як, по мере смещения процесса расширения
в область меньших удельных объемов, темп роста /т становится
меньше темпа роста /к. Поэтому при определенном значении л,,
оказывается, что /т = /ь. В связи с этим полезная работа ГТД
с увеличением вначале возрастает, достигая максимального
значения при л0Р|, а затем падает до нуля при значении Лк, со-
ответствующем. случаю
Оптимальная степень повышения давления, при которой /0
имеет максимум, может быть найдена по формуле
полученной при решении уравнения д/о/длк = О. Характер зависи-
мости /0=/ (Дк) остался таким же, как н lo'=f (пн), однако внут-
ренние потери в турбине и компрессоре вызвали уменьшение по-
лезной работы ГТД.
Наличие потерь в турбине и компрессоре уменьшает темп
роста полезной работы в области малых л„ и увеличивает темп
266
ее падения в области больших ль, что приводит к изменению ха-
рактеристик зависимости КПД от лк.
Чтобы найти оптимальное значение д1(, дающее максимум
КПД ГТД, необходимо приравнять нулю производную дт),/длк=
=0. Тогда
л^‘= (а—— (9.10)
где
— Ml — г|т)); 1) Лк.
После преобразований получим
= Ч.-т.Л’"- (9.11)
Так как максимумы /о и г|< получаются при разных значениях
степени повышения давления, то невозможно выбрать такие па-
раметры рабочего тела, при которых рассматриваемый ГТД об-
ладал бы одновременно наибольшей экономичностью и наимень-
шими габаритами и массой. Поэтому при проектировании ГТД
необходимо в соответствии с его конкретным назначением отдать
предпочтение какой-либо одной из указанных характеристик.
На характеристики ГТД существенное влияние оказывает от-
ношение температур в цикле л = 7’3/Г|. С увеличением л КПД
цикла повышается, а оптимальная по КПД степень повышения
давления Як?, соответствующая максимуму КПД, увеличивается.
КПД ГТД с учетом потерь в турбине и компрессоре может
быть найден из выражения
Ф -=((,-(.)/(, »l^[cp(n" — l)J/[c„l(l —лГ"‘)Мк1. 0-12)
или окончательно
<р= 1 —лГт/(^тГ|х). (9.13)
Из полученного выражения видно, что КПД действительного
цикла меньше КПД теоретического цикла.
Термодинамический цикл ГТД с регенерацией теплоты выпуск-
ных газов. В ГТД простого цикла выпускные газы имеют вы-
сокую температуру и уносят с собой в атмосферу большое коли-
чество неиспользованной теплоты. Эти потери можно значительно
уменьшить, если в цикл ввести регенерацию, т. е. теплоту выпуск-
ных газов турбины использовать для подогрева сжатого воздуха
после компрессора. В этом случае в камеру сгорания будет посту-
пать воздух с более высокой температурой, что потребует мень-
шего количества топлива для подогрева газа до заданной темпе-
ратуры, т. е. регенерация будет способствовать повышению КПД
установки.
В ГТД регенерация практически осуществляется введением
н цикл поверхностного теплообменного аппарата — регенератора,
включаемого по воздуху между компрессором и камерой сгора-
ния, а по газу—за последней турбиной перед выпускным трактом.
267
На рис 4 11 приведены схема и цикл ГТД, работающего по регеператив
циклу сжатый в компрессоре 5 (рис. 9.11, а), вначале поступай!
в регенератор 7, а затем в камеру сгорания 3, куда подводится и топливо 4.
Газы из камеры сгорания направляются последовательно к турбинам 2 п У,
1Де расширяются до давления, близкого к атмосферному. Затем отработавшие
в турбинах газы поступают в регенератор 7, где их температура снижается
вследствие передачи теплоты воздуху. Мощность, развиваемая турбиной 2,
расходуется иа привод компрессора, а турбиной 1 — на привод гребного винта
иерея редуктор 6.
В действительном регенеративном цикле (рис. 9.11, б) проис-
ходят следующие процессы: 1—2 — сжатие в компрессоре; 2—5 —
нагрев воздуха в регенераторе; 5—3— подогрев воздуха в ка-
Рис. 9.11 Тепловая схема (а) и цикл (б) ГТД с регенера-
цией
мере сгорания (приготовление рабочего тела); 3—4 — расшире-
ние газов в турбинах; 4—4г — охлаждение газов в регенераторе;
4г—1—отвод теплоты в атмосферу (процесс условного замыка-
ния цикла).
Заштрихованная площадь a—2—5—ba в масштабе диаграммы
представляет собой количество теплоты qB, полученной на 1 кг
воздуха в регенераторе при подогреве его от Тг до Т$. Следова-
тельно, общее количество теплоты, которую необходимо подвести
для подогрева воздуха в цикле до температуры Т$, может быть
уменьшено на величину qB. Очевидно, что при отсутствии потерь
во внешнюю среду воздух в регенераторе мог бы нагреться до
температуры Tt, а газы охладиться до температуры Г2. В реаль-
ных условиях это недостижимо из-за конечных значений поверх-
ности теплообмена регенератора и неизбежных потерь теплоты
в окружающую среду. В реальном регенераторе можно исполь-
зовать лишь часть располагаемой разности температур ДТ =
Тг, т. е. можно нагреть воздух лишь до температуры Ть-
Тогда газы смогут отдавать воздуху количество теплоты, эквива-
лентной площади 4—4г—c'd—4, которая меньше общей пло-
щади 4—6—cd—4, представляющей собой величину qP.
Отношение количества теплоты, полученной воздухом в ре-
268
генераторе, к тому, которое теоретически можно было бы пере-
дать, называется степенью регенерации.
Если принять приближенно для воздуха и газа одинаковые
удельные теплоемкости, то получим
г — Чв/Qr — (Та— Тг)/(7\— Tt). (9.14)
Из сравнения регенеративного цикла с простым видно, что
все температуры в цикле, работа сжатия и расширения оста-
ются неизменными, а уменьшается количество подведенной теп-
лоты с топливом на величину дв-грв. Это значит, что полезная
работа ГТД /ор не зависит от регенерации и определяется по фор-
муле (9.5).
Количество теплоты, вносимой с топливом,
= (ТУ—Т6).
Из уравнения (9.14) найдем
Л = г Г8) Г3 = (1 -г) Т2 + гТ,.
Для конечных температур сжатия и расширения справедливо
7'в = 7\+ (Т2— Т^/т\И- Т^=Т9—(Тя-— T/j) %,
где Тг' и Тц' — конечные температуры изоэнтропийных процессов.
Тогда выражение для количества теплоты, подведенной с топли-
вом, в регенеративном цикле
<7р = «?Р (Гэ — (1 — Г)Т1[14-(я^— 1)/Пк] — гТ’з [2— (1 - Я^"') Tjr})-
Внутренний КПД двигателя с регенерацией теплоты
_ fcP сргз (’ -^т)Q/Лк
Чр СР 1^-О-г)7’| [1 + (<-i)M~ лТз[|~ «Hvll
При дальнейшем упрощении выражения можно принять удель-
ные теплоемкости газа в турбине и воздуха в компрессоре одина-
ковыми, а Тз=&Г1. Тогда в окончательном виде
______________«~1)(/у1а-<)
(Р О-Пк-(л?-')](!-И h- 1)
(9.15) '
Из этого выражения при г-О получается уравнение {9.8),
а при з)7-=т)х = 1 и г=0 — уравнение КПД простого теоретиче-
ского цикла r)t=I—лк-т-
КПД регенеративного цикла, как и цикла без регенерации,
обращается в нуль при
як-=1 и лк — (1‘-ПтПк)1 ,Л1.
т. е. когда полезная работа цикла /о = О, поскольку регенерация
не влияет на величину /о- Между указанными значениями су-
ществует такое, при котором КПД цикла становится макси-
мальным.
269
Анализ зависимости КПД ГТД с регенерацией от ль при раз-
личных значениях г показывает (рис. 9.12), что с повышением г
КПД цикла увеличивается, а оптимальная по КПД пк уменьша-
ется. Это объясняется тем, что с уменьшением лк увеличивается
располагаемая разность температур в регенераторе ДТ==Т4—Т2
и, следовательно, выигрыш от применения регенерации. И, на-
оборот, с увеличением лп регенерация может не дать никакого эф-
фекта (точка А). Для этой степени сжатия характерно равен-
ство температуры рабочего тела за турбиной Т4 температуре воз-
духа на выходе из компрессора TV
Обычно в реальных установках для транспортных судов г
пе превышает 0,80—0,85. Приближение г к единице увеличивает
Рис 9.12. За-
висимость кпд
ГТД с регене-
рацией от сте-
пени повыше-
ния давления
Рис 9.13 Тепловая схема (а) и цикл (б) ГТД с проме-
жуточным охлаждением и подогревом:
I — редуктор, 2 — ТПД, 3 — камера сгорании
камера сгорания ВД, 6 —КВД; 7 - КНД
UI; 4-ТВД; 5
- воздухоохлади
до бесконечности поверхность теплообмена регенератора. Напри-
мер, повышение г от 0,5 до 0,9 при прочих равных условиях при-
водит к увеличению площади теплообменной поверхности в де-
вять раз.
Анализируя цикл ГТД с регенерацией, необходимо отметить, •
что этот способ, являясь экономически эффективным, осущест-
вляется за счет усложнения цикла и, следовательно, увеличения
массогабаритных показателей. Введение регенерации, кроме того,
повышает гидравлические сопротивления в газовоздушпом тракте,
что влечет за собой снижение КПД двигателя. Таким образом,
при определенных условиях регенерация не является эффек-
тивной.
Термодинамический цикл ГТД с промежуточным охлаждением
и промежуточным подогревом. Полезная работа ГТД, как уже
говорилось, получается из работы турбины за вычетом работы
компрессора. Поэтому любая мера, направленная на увеличение
работы расширения в турбине или уменьшение работы в ком-
прессоре будет способствовать увеличению полезной работы
ГТД.
270
В теоретическом цикле уменьшить работу сжатия можно, за-
менив изоэнтропийное сжатие на изотермическое, что приведет
к увеличению полезной работы. Однако в этом цикле количе-
ство теплоты, затраченной на подогрев воздуха в камере сгора-
ния, также будет больше, чем в цикле с изоэнтропийным сжатием,
поскольку в камеру сгорания поступит воздух с более низкой
температурой.
В реальном двигателе работа сжатия уменьшается, если при-
менить двухступенчатое сжатие воздуха и промежуточное охлаж-
дение его между ступенями при постоянном давлении. При этом
работа, затраченная во 2-й ступени сжатия, уменьшается пропор-
ционально понижению абсолютной температуры воздуха в воз-
духоохладителе, что будет способствовать уменьшению общей ра-
боты сжатия двухступенчатого компрессора.
Работу в турбине также можно увеличить, если применить
изотермическое расширение газов в ней. В двигателе этого можно
достичь, заменив изотермическое расширение газов ступенчатым,
что может быть реализовано при промежуточном подогреве га-
зов между ступенями. Тогда газы будут расширяться в турбине
до некоторого промежуточного давления, а затем поступать в до-
полнительную камеру сгорания, где их температура будет повы-
шаться до первоначальной. С этими параметрами газы поступят
на вторую турбину, в которой произойдет их дальнейшее рас-
ширение вплоть до атмосферного давления. С учетом того, что
ГТД работают при больших коэффициентах избытка воздуха
(а = 4Ч-8), работа дополнительной камеры сгорания может со-
вершаться без пополнения свежего воздуха. Для сгорания подан-
ного в нее топлива достаточно кислорода, который имеется в под-
веденных газах.
Рассмотрим работу ГТД с двумя ступенями сжатия и рас-
ширения (рис. 9.13). Воздух сжимается в компрессоре низкого
давления от pt (точка 1) до р2 (точка 2), затем охлаждается
в охладителе от температуры Т2 (точка 2) до Т\ (точка Г) при
постоянном давлении и поступает в КВД. Здесь происходит даль-
нейшее сжатие охлажденного воздуха до давления р2
(точка 2').
Температура воздуха в конце процесса промежуточного ох-
лаждения может приближаться к начальной Т\, но практически
ее не достигает.
После КВД воздух поступает в камеру сгорания высокого дав-
ления, где в результате сжигания топлива (подвод теплоты) его
температура повышается от Т2' {точка 2') до Тз (точка 3). Газ
с параметрами р2' и Тз (точка 3) подается на ТВД, где расширя-
ется до давления pt-p2 (точка 4) и затем направляется в ка-
меру сгорания низкого давления, в которой за счет сжигания
дополнительного топлива его температура повышается от Tt до
Т-/ (точка 3'). Подогретый газ поступает на ТНД, где расширя-
ется до давления, близкого к атмосферному pi'=pi (точка 4'),
и отводится в атмосферу.
271
Таким образом, применение промежуточного охлаждения и
подогрева позволяет значительно повысить КПД цикла.
Сложные многоступенчатые циклы находят применение в ГТД
электростанций. В судовых двигателях предусматривают проме-
жуточное охлаждение совместно с регенерацией теплоты выпуск-
ных газов, а промежуточный подогрев не используется из-за
сложности его реализации.
9.4. Термодинамические циклы
комбинированных ГПТУ
Бинарные циклы. Комбинированная ГПТУ состоит из двух ча-
стей— газо- и паротурбинной. Принцип работы этих установок
основан на утилизации бросовой теплоты выпускных газов ГТД
в УК для получения пара достаточно высоких параметров, Этот
пар служит рабочим телом ПТУ, а также расходуется на внут-
ренние нужды судна и ЭУ.
Для полной утилизации теплоты выпускных газов ГТД необ-
ходимо, чтобы теплота использовалась в ТУК в оптимальном кру-
говом процессе 4—6—1—4 (рис. 9.14). Такой процесс в настоя-
щее время реализовать невозможно, так как утилизация прово-
дится на базе пароводяного цикла, цикла ренкина (абвгда).
В связи с этим неизбежно возникновение необратимых процессов,
снижающих глубину утилизации выпускных газов ГТД.
Температура отработавших газов, за УК для бинарной ГПТУ
определяется параметрами генерируемого пара и температурой
питательной воды. Поэтому перевод жидкости в пар (процесс бв)
и перегрев пара (вг) не могут быть осуществлены газами с тем-
пературой ниже температуры парообразования Ts, т. е. при ну-
левых температурных напорах получить пар можно только за
счет теплоты отработавших газов, характеризуемой площадью
4—6'—5'—5—4.
Неравенство водяных эквивалентов охлаждаемого газа и на-
греваемой волы приводит к тому, что оставшаяся теплота (пло-
щадь 5—5'—Г—1—5) только частично используется для подо-
грева жидкости до температуры начала кипения (точка б). Эта
теплота уменьшается с уменьшением количества генерируемого
пара. В реальных бинарных ГПТУ с увеличением параметров ге-
нерируемого пара наблюдается рост температуры газов за Ук,
что приводит к увеличению потерь с выпускными газами.
Цикл ГПТУ представляет собой комбинацию циклов Брайтона
и Ренкина (рис. 9.15). Теоретический цикл ГТД 1—2а—3—4а—7,
цикл ПТУ 7—8—9—10—5—5а—7. Здесь подвод теплоты к воде и
пару в процессах 8—9—10—5 осуществляется в УК за счет теп-
лоты выпускных газов ГТД (промесс 4—11). На участке 11—1
газы покидают УК с температурой Гц и уносят в атмосферу ко-
личество теплоты фвып (площадь 11—1Г—Г—1—11). Отвод теп-
лоты в конденсаторе забортной воды измеряется площадью
5а—5'—Т—7—5а. Штриховыми линиями 1—2. 3 —4, 5—б пока-
272
заны действительные процессы сжатия и расширения в компрес-
соре и турбинах.
В этом бинарном цикле часть утилизированной теплоты вы-
пускных газов ГТД отводится с охлаждающей водой в конден-
саторе.
Изменение температуры сред в УК может быть проиллюстри-
ровано рис, 9.16. Теплопередача от газов к водопаровому рабо-
чему телу возможна при условии, когда Д?ь ДГг и ДТт|п больше
нуля. От разностей температур зависит эффективность комбини-
рованного цикла. Степень перегрева пара и температурные раз-
ности ДТ,, ДТ2 и ДТтт определяют давление пара в УК.
Рис. 9.14. Цикл с ис-
пользованием теплоты
выпускных газов в би-
нарной ГПТУ
Рис. 9.15. Комбиниро-
ванный цикл ГПТУ
Рис. 9.16. Температурная
диаграмма при противотоке
газа и водопаровой среды'
Чем меньше ДЛ при постоянных расходе и температуре газа
7\ за ГТД, тем выше температура свежего пара То, мощность и
КПД утилизационной паровой турбины. Уменьшение Д?2 (при за-
данной температуре Тз) приведет к снижению температуры Тз
отработавших в УК газов и более глубокой их утилизации. Сни-
жение температурного напора в экономайзерной части котла вы-
зовет рост его массогабаритных показателей и, следовательно,
стоимости. Поэтому все параметры необходимо рассматривать и
оптимизировать комплексно. В реальных установках с темпера-
турой выпускных газов 380—520 °C принимают ДТ1«40ч-80 °C,
что позволяет получить температуру перегретого пара 330—
460 сС (на рис. i,tn, Г, i"— энтальпия соответственно питательной
воды, начала парообразования и начала перегрева пара).
В общем случае энергоресурсы выпускных газов определя-
ются их количеством Gr, температурой t, и составом, а также
температурой окружающей среды ?а- Однако в СЭУ утилизиро-
вать их полностью невозможно из-за потерь и ограничения ми-
нимальных температур питательной воды и газов, выходящих из
УК.
273
Энергоресурсы газов, которые можно утилизировать в ТУК,
определяются зависимостью,
QyT = tyrqrBQa -.= 1рг<7н
Здесь фг = ?г—h!{ir—t*}— коэффициент утилизации, фг = 0,54-0,8;
<?г — относительный энергоресурс, qT = 0,64-0,9; В — расход топ-
лива; QHp — теплота сгорания топлива, кДж/кг; <?нг— удельный
энергоресурс, qKr~ (54-14)- 103 кДж/(кВт-ч). Если их отнести
к мощности ГД, то получим — 1,44-3.9 кВт/кВт.
Энергоресурс выпускных газов позволяет получить дополни-
тельную мощность (20—50 %) ГПТУ без увеличения расхода
топлива (по сравнению с ГТД), Ее величина зависит от мощно-
сти основного ГТД и увеличивается с уменьшением мощности
ГТД. Например, при мощности ГТД менее 1000 кВт можно полу-
чить дополнительную мощность в ПТ за счет теплоты выпуск-
ных газов до 70 %.
КПД комбинированной ГПТУ может быть определен по фор-
муле
Чк ,=-(iv„ + «,»)/BrQE.
где Ner, Л',.п— эффективная мощность ГТД и паровой турбины
на фланце отбора мощности; Вг — расход топлива в ГТД, кг/с.
Расчеты показывают, что КПД комбинированного ГПТА на
20—30 % выше, чем КПД ГТД той же мощности. Кроме того.-
надо иметь в виду, что чем меньше КПД исходного двигателя,
тем больший положительный эффект можно получить от ТУК-
Комбинированные установки с газопаровым рабочим телом
(контактные ГПТУ) с утилизацией выпускных газов ГТД. Такие
установки отличаются от рассмотренных бинарных ГПТУ тем,
что пар, генерируемый в УК, поступает не в ПТ. а в проточную
часть газопаровой турбины. Простейшую схему такой установки
можно получить, если пар из УК подавать в камеру сгорания
ГТД. Эта схема имеет и более высокую надежность. Ее сущест-
венный недостаток, однако, состоит в том, что пар смешивается
с газом и образуется газопаровое рабочее тело. В этом случае
отделение конденсата после расширения рабочего тела в турбине
затруднительно, что усложняет установку.
Рассмотрим схему ГПТУ (рас. 9 17, а), согласно которой пар генерируется
из перегретой воды в расширительной камере. Основным элементом этой уста
иовки является ГТД / Его конструкция практически может быть любой (па
схеме показан трехвальный вариант со свободной силовой турбиной) В ка
меру сгорания 2 ГТД подаются воздух от компрессора, топливо 3 и насышсн
ный пар из расширительной камеры 4. За ГТД в выпускном тракте установ-
лен утилизационный теплообменник 8, в котором подогревается цикловая вода,
после чего она подается в расширительную камеру, где дросселируется от
давления 6 МПа до давления за КВД двигателя. В процессе дросселирования
перегретой воды часть ее превращается в лар, а остальная часть собирается
в камере, затем поступает в систему и вновь циркулирует в контуре. Полу
ченный в расширительной камере пар подается в камеру сгорания, где он
подогревается и смешивается с газом. Образуется газопаровая смесь, которая
проходя через проточную часть турбин, расширяется в ней, совершая работу
274
которая следует далее по газовыпускному трактх в парогазовый конденса-
тор 7. В нем происходит конденсация пара газопаровой смеси, в результате
чего от нее отделяется и выходит в атмосферу газ 10, а конденсат подается
Рис 9 17. Тепловая схема (и) и цикл (б) контактной ГПТУ с расширительной
камерон
ламп. В газовом цикле процесс 1г — 2г характеризует сжатие воздуха в комп-
рессорах, 2г— Зг подвод теплоты в камере сгорания для нагрева газа до тем
исратуры Ts В процессе Зг — 4г продукты сгорания смешиваются с водяным
паром, поступающим из расширительной камеры. При этом газ охлаждается
до температуры смеси перед газопаровой турбиной и несколько падает давле-
ние ДО Pit-.
Процесс 4г— 5г — расширение газовой составляющей рабочей смеси в га-
зопаровой турбине, 5г—6г — отвод теплоты от газов к воде в водоцодогрева-
теле; 6г—7г—8г — охлаждение газовой составляющей в парогазовом кон-
денсаторе, 8г—1г — замыкание газового никла в атмосфере (точки совме-
щены).
Для принятой схемы генерации пара путем дросселирования в расширю
юлыюй камере пароводяной цикл может быть рассмотрен состоящим из двух
циклов, водяного и пароводяного Рабочее тело первого цикла—вода, которая
в пар не превращается, а выполняет роль теплоносителя и передаст теплоту
газов в зону парообразования (это соответствует процессам 13—14________15—9—
12—13). Во втором цикле происходят фазовые превращения. В нем участвует
меньшая часть циркулирующей воды. Процесс 8п—13 — смешение конденсата
с воцой, выходящей из расширительной камеры, 10— !!—4п — подача пара
в камеру сгорания и его подогрев до температуры Г4П; 4п — 5п—расширение
паровой составляющей рабочей смеси в газопаровой турбине до давления рзп;
5П— 6Я — отвод теплоты к воде в водоподогревателе; 6п— 7п — охлаждение
275
паровой составляющей в парогазовом конденсаторе до начала процесса кон
денсации, 7п — 8п — конденсация пара в конденсаторе
Эффективность рассмотренной конденсатной ГПТУ можно по-
высить, например, включив в схему эксгаустер, приводимый от
специальной турбины. Однако это повлечет за собой усложнение
установки в связи с необходимостью добавления специальной
секции парогазового конденсатора и турбины с соответствующим
оборудованием.
Таким образом, применение контактных ГПТУ позволяет по-
высить КПД циклов по сравнению с исходным циклом ГТД.
Рост КПД почти не зависит от принятой схемы ГПТУ, однако
удельная работа и масса этих установок в значительной степени
определяются схемой и составом установки. Поэтому при выборе
той или иной схемы ГПТУ рекомендуется учитывать такие ха-
рактеристики, как единичную мощность агрегата, его удельные
массу и габариты, а также возможность технического осуществ-
ления тепловых процессов, в частности, работы ТУК по откры-
тому циклу с минимальными потерями комбинированного рабо-
чего тела. Усложнение схем контактной и бинарной ГПТУ замет-
ного выигрыша в КПД не дает.
Глава 10
КОМБИНИРОВАННЫЕ СЭУ
10.1. Особенности
комбинированных СЭУ
и область их применения
Важнейшим эксплуатационным показателем СЭУ любого
типа является удельный расход топлива ge, который характери-
зует термодинамическое совершенство энергетического цикла. На
рис. 10.1,0 показан типичный вид зависимости удельного gs н
полного часового В расходов топлива от мощности установки,
Не меньшее значение имеет характеризующий качество СЭУ
и свойство гидродинамического комплекса (корпус судка—дви-
гатель) расход топлива gu на единицу пройденного судном рас-
стояния. Удельный расход топлива на милю пройденного пути
gM будет снижаться с уменьшением скорости судна, "а следова-
тельно, дальность плавания при заданных запасах топлива будет
возрастать-
Из рис. 10.1, б видно, что кривая имеет минимум при некото-
рой скорости о,к, которую называют технической экономической.
276
Рис. 10 1. Типичный вид зависимостей
ge = /(/VB), B=!(Ne) и g*=f<y}
Значению пЭк соответствует наибольший путь Smax, проходимый
судком при принятом запасе топлива. Кривая ga-=f(v) вблизи
своего минимума обычно пологая, поэтому скорость на этом ре-
жиме иногда увеличивают по сравнению с ь'Э1, без существенного
возрастания удельного расхода топлива.
Таким образом, снижение расхода топлива, потребляемого ЭУ,
следует рассматривать как один из основных способов увеличе-
ния дальности плавания судна на частичных режимах работы
установки. Этот способ применяется для судов специального на-
значения (ледоколы, спасательные, сторожевые), по условиям
эксплуатации которых требуется продолжительное автономное
пдавание без пополнения запасов топлива на малых и средних
ходах. В то же время при необходимости ПУ этих судов должны
быстро выводить судно на
полную скорость, т. е. распо-
лагать резервом мощности
Скорость экономического хода
определяется назначением
судна. Соответствующая ей
мощность для большей части
судов не превышает 20—30 %
мощности ЭУ полного хода.
Полный диапазон измене-
ния скоростей и необходимых
мощностей на таких судах может обеспечить и один двигатель,
который большую часть времени будет работать на частичных
режимах. Вместе с тем удельный расход топлива будет наимень-
шим при работе двигателя на режимах, близких к номинальному
(см. рис. 10.1, а).
Таким образом, если ГД длительное время будет работать на
частичных режимах, то удельный расход топлива будет завы-
шенным по сравнению с номинальным режимом, хотя общий рас-
ход топлива буд.ет меньшим. Такой режим работы для данного
двигателя не является оптимальным и его считают нецелесооб-
разным.
Один из способов снижения расхода топлива на частичных,
режимах судка — применение специальных установок или дви-
гателей, номинальная мощность которых и соответствующий ей
минимальный удельный расход топлива выбирают примени-
тельно к тому режиму плавания судна, на котором предполага-
ется получить наибольшую дальность плавания, т. е. наимень-
ший расход топлива на единицу пройденного расстояния. В этом
случае ЭУ разбивают на две части — маршевую, предназначен-
ную для работы на режимах уменьшенных ходов, и форсажную,
или ускорительную, которая работает на режимах больших мощ-
ностей.
При больших скоростях маршевая установка (МУ) может ра-
ботать совместно с форсажной (ФУ) либо полностью выклю-
чаться из работы. В качестве МУ следует применять экономич-
277
ные ГД, имеющие достаточный ресурс, обычно дизельные или га-
зотурбинные, а в качестве ФУ — легкие малогабаритные ГД
с ограниченным ресурсом. В мировой практике судостроения фор-
сажными обычно являются ГТД.
Судовые ЭУ, в состав которых входят маршевые и форсаж-
ные двигатели, называют комбинированными (иногда смешан-
ными).
Комбинированная СЭУ характеризуется соотношением мощ-
ностей входящих в нее автономных установок—маршевой и
форсажной. Поскольку ФУ обеспечивает прирост мощности, не-
обходимый, как правило, для развития судном относительно не-
продолжительных высоких скоростей, распределение мощности
комбинированной СЭУ удобно характеризовать степенью фор-
сажа Хф, определяемой как отношение прироста мощности от до-
бавления ФУ к полной мощности комбинированной установки
(на режиме полного хода):
(Ю.1)
где У£у — полная мощность СЭУ; Л^у —полная мощность МУ.
Компоновка маршевых и форсажных двигателей в составе
СЭУ может быть различной, Они могут работать на один и тог
же винт (механическая связь) или на разные винты.
К комбинированным относятся также установки, в состав ко-
торых входят разнотипные двигатели (например, ГТД и ПТД,
ДВС и ПТД), имеющие между собой термодинамическую связь,
т. е. работающие по единому термодинамическому циклу. Такие
установки создают с целью сочетания достоинств различных дви-
гателей для повышения экономичности.
К комбинированным установкам помимо общих требований,
характерных для всех ЭУ (надежность, маневренность, тепловая
и экономическая эффективность, приемлемые массогабаритные и
виброакустические показатели и т. п.), предъявляется ряд спе-
цифических требований, связанных с особенностями их конструк-
ции. Комбинированная ЭУ значительно сложнее однотипной ЭУ
равной мощности и того же назначения, поэтому важно, чтобы
элементы, входящие в комбинированную установку, были просты
по конструкции и термодинамическому циклу, рационально соче-
тались, были проверены в эксплуатации и выпускались серийно.
Для упрощения эксплуатации комбинированной ЭУ. необхо-
димо, чтобы ее двигатели работали на топливе одного вида.
Конструкция установки и ее размещение па судне должны
допускать быструю и удобную замену оборудования, имеющего
ограниченный ресурс, в том числе форсажных ГТД. Реверс уста-
новки предпочтительнее осуществлять ВРШ, реверсредуктором,
электропередачей. Применение реверсивных двигателей услож-
нит установку.
Наибольшее распространение в судовой энергетике нашли ком-
бинированные дизель-газотурбинные и газо-газотурбинные уста-
278
новки. Каждая из них может быть с общим или раздельным при-
водом на гребной винт. Их маршевые и форсажные части также
могут работать раздельно или совместно.
Таким образом, создание комбинированных установок с мар-
шевой и форсажной частями следует считать вынужденным ре-
шением, поскольку ни один из двигателей не может полностью
удовлетворить предъявляемым к нему требованиям.
10.2. Комбинированные
дизель-газотурбинные установки
Комбинированные дизель-газотурбинные установки (ДГТУ),
как уже отмечалось, получили наибольшее распространение. Это
объясняется тем, что дизели имеют самую высокую экономич-
ность по расходу топлива в широком диапазоне частоты враще-
ния и нагрузок. Их использование в качестве маршевых двига-
телей позволяет обеспечить значительную дальность плавания.
Таким образом, сочетание в одной СЭУ мощных и легких фор-
сажных ГТД с ограниченным ресурсом и высокоэкопомичных на-
дежных дизелей экономического хода позволяет обеспечить для
судна выполнение требований как по скорости, так и по дально-
сти плавания. Например, на катерах английской постройки водо-
измещением 114 т ДГТУ с тремя ГТД по 3100 кВт обеспечивает
полный ход 57 уз с дальностью плавания 450 миль и малый ход
10 уз с дальностью плавания 2300 миль при работе двух дизелей
мощностью по 125 кВт каждый.
Основные характеристики наиболее типичных современных
ДГТУ зарубежной постройки приведены в прилож. 10.1.
Мощные комбинированные ДГТУ можно применять со слож-
ными и легкими редукторами, в том числе двухскоростными с со-
единительно-разобщительными муфтами, позволяющими вклю-
чать и отключать двигатели на ходу судна и передавать большие
мощности. Винт регулируемого шага в сочетании со сложными
редукторными передачами значительно повышает маневренность
судна и обеспечивает оптимальное использование мощности как
маршевых, так и форсажных двигателей.
передаст мощность па ВРШ ! через гидромуфту 4, обгонную и соединительно-
разобщительную муфты 6 и одноступенчатый редуктор 5 со встроенным упор
шнм подшипником 3 На полном ходу работает ГТД 7, передающий мощность
через другую муфту 6 и двухступенчатую часть редуктора 5 на винт. С по-
мощью муфты 6 дизель отключается от редуктора. Самосинхронизируюншеся
обгонные и соединительно-разобщительные муфты 6 допускают переход с од-
ного режима на другой без остановки двигателей и судна
В ДГТУ компоновка дизелей и ГТД с передачей их мощности
па гребные винты может осуществляться по различным схемам
(рис. 10 3). Различают две группы ДГТУ. В первой на малых
ходах работают только маршевые двигатели, а на полных —
279
только форсажные. Так поступают обычно, когда мощность МУ
не более 20 % полной мощности ЭУ (мощности полного
хода) Л^у. Во второй группе ДГТУ, когда = (0,3-?0,б)
на полном ходу МУ и ФУ работают на винты одновременно. По
конструктивному исполнению ДГТУ второй группы более слож-
ные.
В установках первой группы применять отдельные винты для
МУ и ФУ (см., например, рис. 10.3, в) нецелесообразно из-за
значительных потерь в скорости и экономичности при парциаль-
ной работе винтов (когда один работает, а второй свободно вра-
щается или застопорен) и невозможности полного использования
мощности дизеля как на малом, так и на полном ходу. Поэтому
в такой схеме на малом
ходу средний вал приво-
дится во вращение третьим
дизелем через редуктор 6.
Совместная работа МУ
н ФУ на полном ходу воз-
можна по любой из схем,
изображенных на рис. 10.3.
Установки первой группы
могут быть выполнены по
Рис 102 Схема передачи мощности на схемам, представленным на
винт в ДГТУ рис. 16.3, a—г. По схеме
рис. 10.3, а предусматрива-
ется раздельная работа дизелей и ГТД, на полном ходу дизели
не работают, а в ДГТУ с одновременной работой дизелей и ГТД
на винт не работает только средний дизель. Однако более ти-
пичны установки с объединением дизелей и ГТД на общий винт
(рис. 16.3, а, б).
Схему, показанную на рис. 10.3, г, с разделительным редук-
тором 8 обычно применяют при отсутствии ГТД необходимой
мощности. Оптимальным решением в случае совместной работы
МУ и ФУ считают использование двухскоростного редуктора 9
для дизелей и отдельного промежуточного редуктора 6 для ГТД
(рис. 10.3, б) либо общего суммирующего редуктора 10 с двух-
скоростной передачей для дизелей (рис. 10.3, е). Схемы
рис. 10.3, a—г в этом случае менее подходят, поскольку из-за
существенного различия мощности дизелей и ГТД, а также ис-
пользования ВФШ на режиме полного хода винты становятся
легкими. Это приводит к недопустимому повышению частоты
вращения дизелей или неполному использованию их мощности
на малых ходах Применение ВРШ также не дает эффекта ввиду
значительного падения его КПД при больших изменениях шаго-
вого отношения.
Рассмотрим схемы и расположение оборудования комбиниро-
ванных ДГТУ на судах.
В трехвальной установке (рис. 10.4, а) вращение бортовых
280
валов с ВРШ обеспечивается маршевыми дизелями 3, а сред-
него гребного вала (с ВФШ в насадке)—дизелем или форсаж-
ным ГТД. Бортовые ДУ с ВРШ работают ла всех режимах пла-
вания судна. На повышенных и полных скоростях включается
средний гребной вал с ГТД (средний дизель при этом отключен),
а на малых и средних ходах ГТД отключается и вступает в ра-
Рис. 10.3. Различные варианты схем ДГТУ: а, б — с суммиру-
ющим редуктором и работой дизелей л ГТД на общий ВРШ;
н—с работой каждого двигателя на свой ВРШ или ВФШ;
г — с разделением мощности двигателя на два потока; д —
с промежуточным редуктором для ГТД; е — без промежуточ-
ного редуктора для ГТД:
боту средний дизель. Таким образом, при отключенном ГТД сред-
ний винт продолжает создавать упор, что исключает потери, вы-
зываемые сопротивлением неработающего винта.
В ДГТУ, показанной на рис. 10.4,6, на режимах экономиче-
ского хода на два ВРШ работает нереверсивный дизель 3, а на
режимах повышенных и полных скоростей — форсажный ГТД 1.
Выходные валы дизеля и ГТД с редукторной передачей соеди-
нены через синхронизирующиеся муфты сцепления, которые
имеют гидравлическую систему блокировки, предотвращающую
281
одновременное включение ГТД и дизеля. Любой из валов в слу-
чае необходимости может быть отключен от редуктора и засто-
порен.
В прилож. 10.1 приведены сведения о комбинированных СЭУ
зарубежных ледоколов, сторожевых кораблей и катеров. Обору-
дованный ДГТУ канадский ледокол «Норман Маклеод Роджерс»
является судном многоцелевого назначения (снабжение поляр-
Рис 10 4 Компоновка оборудования ДГТУ.
б — двухзальном:
1 — форсажный ГТД; 2— суммирующий редуктор;
а — трехвачьпой;
3 — маршевый ди
ных станций н установка навигационных знаков). Его МУ со-
стоит из четырех ДГ, а ФУ — из двух ГТГ. Маршевая и форсаж-
ная установки могут работать параллельно с суммарной мощ-
ностью 9,7 МВт, электрическая передача — на постоянном токе.
В ДГТУ американских ледоколов типа «Полар Стар» (см.
прилож. 10.1) водоизмещением 12 тыс. т ЭУ общей мощностью
44 МВт состоит (рис. 10.5) из шести ДГ мощностью по 2540 кВт
(вырабатываемый ими переменный ток через трансформаторы и
полупроводниковые выпрямители поступает к трем ГЭД постоян-
ного тока) и трех форсажных ГТД фирмы «Пратт энд Уитней»
модели FT4A-12 поминальной мощностью по 14,7 МВт, приводя-
щих ВРШ через редуктор. При электродвижении (работают ди-
зели) обеспечивается плавание ледокола в сплошных льдах тол-
282
годной до 1,2 м. При большей толщине льда включают форсаж-
ные ГТД, а ДГ останавливают. В этом случае ледокол преодо-
левает лед толщиной 1,8 м при непрерывном движении со скоро-
стью 3 уз.
Такая ЭУ для ледоколов типа «Полар Стар» была выбрана
в целях создания большого запаса по располагаемой мощности,
достижения высокой экономичности на основных режимах при
приемлемых массогабаритных показателях, гибкости системы
в условиях эксплуатации на ледоколе, сокращения обслуживаю-
щего персонала, работы либо двух дизелей МУ через электро-
передачу, либо одного форсажного ГТД через зубчатую передачу
Рис. 10 5. Схема расположения ДГТУ лв/Юколов типа «Полар
Стар»:
; — г.-мвный дизель-генератор МУ, 2 — вспомогательные ДГ; 3 —фор
езжиый ГТД; /— редуктор форсажный ГТД. 5 — гребной Рлектродви-
на каждый ВРШ трехвальной установки. Параллельная работа
МУ и ФУ для упрощения СЭУ не предусматривается. Когда ра-
ботает ГЭД, то редуктор ФУ отключается от ГЭД с помощью
соединительно-разобщительной зубчатой муфты и СЭУ эксплуа-
тируется как обычная ДЭУ. Газотурбинный двигатель соединен
с редуктором через фрикционную соединительно-разобщитель-
ную муфту. Реверс осуществляется с помощью либо ВРШ, либо
электропередачи, а управление установкой — путем изменения как
шага ВРШ, так и частоты его вращения. При работе ледокола
во льдах поддерживается постоянная частота вращения гребного
вала и управление производится только изменением шага ВРШ.
Если по условиям плавания предполагается переход от МУ
к ФУ, то зубчатую муфту выключают, что делают только при
остановленных валах, т. е. заранее.
На рис. 10.6 представлено общее расположение оборудования
ДГТУ сторожевого корабля (СКР) «Тип-5» (схема передачи
мощности на винт для такой ДГТУ на рис. 10.2). К каждому ре-
дуктору через муфты подключены мошный форсажный ГТД ави-
ационного типа (16,9 МВт) и маршевый дизель (1,4 МВт),
283
который отключается при работе на больших скоростях. Отказ от
параллельной работы МУ и ФУ позволил упростить СЭУ и по-
высить ее экономичность на основных режимах работы.
Форсажные ГТУ и маршевые дизели и редукторы размещены
в четырех отсеках. Дизели снабжены гидравлическими муфтами,
облегчающими пусковой режим с учетом большого момента инер-
ции редукторной системы и малой относительной мощности ди-
зелей (8%' мощности СЭУ). Общий редуктор (см. рис. 3.7) вы-
полнен для маршевого двигателя одноступенчатым, для форсаж-
ного ГТД — двухступенчатым с разделением мощности.
Рис 10 7. Схема компоновки ДГТУ СКР <Эшвялл»
Особую группу ДГТУ образуют СЭУ с одним форсажным
ГТД и единой передачей, разделяющей суммарную мощность на
два ВРШ (см. «Эшвилл» К-72, Р-54 прилож. 10.1). Схема одной
из таких установок показана на рис. 10.4, б.
284
На рис. 10.7 представлен еще один вариант ДГТУ этой группы (для лег-
кого корабля, 0=235 т). Установка состоит из двух маршевых дизелей
Т12-875М и одного форсажного ГТД LM-1500-PE101. Параллельная работа
МУ и ФУ не предусмотрена. На основных ходах каждый дизель ! через фрик-
ционную муфту 2, эластичную муфту 3, самосиихронизирующуюся муфту 4 и
одноступенчатый редуктор 9 работает на свой ВРШ. Йа больших скоростях
муфты 4 автоматически разобщают дизель с редуктором, автоматически вклю-
чаются муфты 8, и форсажный ГТД б через редуктор 5 с разделением мощно-
сти и редукторы 9 маршевых дизелей работает одновременно на оба ВРШ
Чтобы обеспечить вращение винтов в противоположные стороны, редуктор 5
выполнен несимметричным: в 1-ю ступень передачи введена паразитная
шестерня 7. Включение муфт 8 редуктора 5 ГТД механически связывает оба
вала СЭУ, и необходимое перераспределение мощности при маневрировании
достигается изменением шага ВРШ
Передача, несмотря на относительную сложность, имеет не-
большую удельную массу (0,97 кг/кВт). Такие ДГТУ получили
высокую оценку в эксплуатации.
На крупных СПК и СВП иногда также применяют комбини-
рованные ЭУ, в которых предусмотрена как бы обратная схема:
ГТД обеспечивает основной (наиболее длительный) режим дви-
жения (на крыльях, воздушной подушке), а ДВС — относительно
кратковременное движение с малыми скоростями при маневри-
ровании в водоиэмещающем положении. При этом применяется
угловая передача (угловой редуктор).
10.3. Комбинированные СЭУ
с маршевой турбинной установкой
Успешная эксплуатация ДГТУ, а также ограниченные агре-
гатные мощности маршевых дизелей в 50-е годы послужили при-
чиной разработки комбинированных СЭУ с маршевой ПТУ сна-
чала в США, а затем в Англии. В США результаты получили
ниже ожидаемых и работы прекратили. В Англии были приме-
нены ПГТУ на эсминцах типа «Каунти» и СКР типа «Трайбл»
в 1961 г. и на легком крейсере «Бристоль» в 1973 г. (см. при-
лож. 10.2).
Расположение СЭУ на СКР типа «Трайбл» показано на
рис. 10.8. Одновальная установка с ВФШ полной мощностью
14,7 МВт состоит из одной паровой и одной газовой турбин, раз-
мещенных рядом (параллельно) и работающих на один реверс-
редуктор. Парогазотурбинная установка эсминцев выполнена
двухвальной по типу схемы, представленной на рис. 10.9. Она
размешена в четырех отделениях: котельном, паровых турбин,
редукторов и форсажных ГТД. На режиме полного хода марше-
вая ПТУ и форсажная ГТУ работают параллельно. На проме-
жуточных режимах при параллельной работе МУ и ФУ для
уменьшения суммарного расхода топлива нагрузка ФУ поддер-
живается постоянной и равной примерно 70%, а необходимое
изменение суммарной мощности производится за счет регулиро-
вания паротурбияной МУ. Маршевая и форсажная установки ра-
ботают' на различном топливе. С целью повышения экономично-
285
сти МУ увеличивали начальные параметры пара и применяли
двухкорпуспые паровые турбины, а на крейсере «Бристоль»—
двухскоростной редуктор для паровых турбин МУ (мощностью
2х-Ц МВт) из-за увеличенной относительной мощности форсаж-
ных ГТД (2X20,6 МВт).
В конце 70-х годов интерес к этим установкам был утрачен,
поскольку особого выигрыша в экономичности и массогабарит-
ных показателях не было достигнуто, а ГТУ к тому времени были
уже значительно усовершенствованы.
Разнотипность ГД, характерных для ДГТУ и ПГТУ, услож-
няет их эксплуатацию. Стремление упростить ЭУ и ее эксплуата-
цию, применять единое топливо для форсажной и маршевой ча-
стей, улучшить показатели ГТД стимулировало разработку и соз-
дание газо- и газотурбинных комбинированных # установок
(ГГТУ), в которых и МУ, и ФУ состоят из ГТД (см. прилож, 10.2).
По мощности они не отличаются от ДГТУ, что объясняется их
применением на однотипных судах.
Использование маршевых ГТД взамен ДВС не дает замет-
ного выигрыша по массе и габаритам, поскольку высокооборот-
286
ные ДВС относительно мало уступают по этим показателям агре-
гатированным ГТД (т, е. с рамой, звуко- и теплоизоляцией и об-
служивающим оборудованием), имеют более компактные и легкие
воздухоприемные и газовыпускные системы и требуют меньших
запасов топлива. Однако виброакустические характеристики ГГТУ
улучшаются, сокращается и обслуживающий эти установки пер-
сонал.
Компоновка главных агрегатов ГГТУ аналогична компоновке
их, например в ПГТУ (см. рис. 10.9), с той лишь разницей, что
более мощные и громоздкие форсажные ГТД расположены в нос
Рис. 10 9 Вариант компоновки расположения оборудования
/—маршевая одиокорпусная паровая турбина; 2 — реэерерсдуктор;
3 —форсажный ГТД: 4 —ВФШ
от редуктора, а более компактные маршевые ГТД — в корму, ме-
жду гребными валами. Обычно форсажные ГТД размещают в од-
ном отделении, а маршевые ГТД с редуктором— в другом. Дви-
гатели снабжаются с.амосинхронизирующимися соединительно-
разобщительными муфтами. Параллельная их работа не
предусматривается.
Встречаются и другие компоновки ГГТУ. На канадских судах
ледового плавания все оборудование ГГТУ расположено в одном
центральном отсеке судна: редуктор и размещенные в нос от него
маршевый и форсажный двигатели объединены в жесткую конст-
рукцию (платформу), которая «плавает» на резиновых амортиза-
торах, укрепленных па судовом фундаменте. Общая амортизация
агрегатов уменьшает их поперечные смещения при качке и уве-
личивает надежность и устойчивость креплений при ударах кор-
пуса судна о лед. На жесткой платформе более тяжелые форсаж-
ные ГТД размещены ближе к ДП судна, а маршевые ГТД —
у бортов. Такое расположение не только выгодно с точки зрения
улучшения остойчивости судна, но и позволяет уменьшить общую
массу фундаментов, упростить и удобно расположить воздухопри-
емные и газовыпускные тракты, а воздухоприемные шахты исполь-
зовать как каналы, через которые удаляют ГТД при его замене.
287
10.4. Режимы и эффективность работы
комбинированных СЭУ с форсажной частью
Для комбинированных установок с форсажной частью (КУФ)
следует различать мощности: установленную У'-, полную Nn (со-
ответствующую режиму полного хода либо полной нагрузки) и те-
кущую (в данном режиме работы) N. Обозначим эти мощности
для маршевой, форсажной и комбинированной установок соответ-
ственно Nlw. Л1„у; П’фу, Л%у, Nфу; N’s, JV“y, «эу. Отно-
сительные мощности МУ и ФУ: У^у = У]«у/У£у; УфУ=УфУ/У§у.
В соответствии с уравнением (10.1)
Хф=УЗ>у/У^у=1-Хм, (10.2)
где отношение XM = N^V/N^y можно (по аналогии с Лф) на-
звать коэффициентом pgy нагрузки комбинированной ЭУ при
полной мощности МУ (под полной мощностью МУ понимают се
наибольшую мощность в автономном режиме, т. е. до ввода в дей-
ствие ФУ; этот режим называют маршевым и ему соответствуют
абсолютная Уму и относительная Уму скорости судна); значит
Уф+Хм=1-
Установленная мощность комбинированной СЭУ Уэу ~
= Уму + У^у’ ее полная мощность (полного хода, полной на-
грузки)
Уэу = Уму + Уфу — ЦмуУ&у + РфуУфу, (10.3)
где и р^у — коэффициенты нагрузки МУ и ФУ в режиме
полной мощности У^у (полной скорости или полной нагрузки),
Нм» ’ Л'му'Л'му. Нфу -№,»««,» Значения ИЦУ могут быть в
диапазоне от 0 до 1 (рис. 10.10); как правило, РфУ —1, однако
бывает и р^,у =0,74-0,8 (с целью увеличения ресурса форсажных
двигателей).
На рис. 10.10 рассмотрены три случая работы МУ (ДВС) и
ФУ (ГТД) в режиме полного хода: а) МУ и ФУ работают сов-
местно при Уму = У^у> т' е' ПРИ полной нагрузке МУ; б) МУ
и ФУ работают совместно при Уму = Нму Уму т- е- ПРИ не'
полной нагрузке МУ; в) совместная работа МУ и ФУ не преду-
сматривается, т. е. У^у = У^у = |4у У* у.
Если задано относительное значение наибольшей скорости
судна при работе МУ у му — Уму^фу =ПмуЛ’п, то можно найти
Й» = Л'.~“й» " хФ-1-х» = 1-"м»' Например, ё„у =0,5
(т. с. 50 % полной скорости), тогда Л'м=0,53 = 0,125 и Уф = 0,875.
Как видно, степень форсажа Хф достаточно велика, а степень мар-
шевости Хм мала.
288
Варианту p{J,y =0 и ,V|y — .Уф” (см. рис. 10,10, в) соответст-
вуют малые значения относительной мощности МУ, когда исполь-
зование МУ на полном ходу не может существенно повлиять на
мощность, эффективность и массогабаритпые характеристики КУФ
в целом.
Из формул (10.2) п (10.3)
Уму = Л'эу (1 — Хф); Мфу = Уду— Л^му = Л'а\- [1 — (1 — Хф) р.му].
Для любого (текущего) режима работы
Л^м> ~ Р-муУму; Уфу — РфуЛ^фу; Уэу = Уму + Уфу = РэуУэу,
Возможные варианты распределения мощности
в комбинированной установке:
экономического хода (при работе только МУ); »фу-
I. полного хода (при К »Му =ому/рфу=»муЛ-п
где цму, |лфу, |л9у—коэффициенты нагрузки установок: марше-
вой, форсажной и комбинированной.
До ввода в действие ФУ мощность МУ определяется скоростью
судна, а коэффициент ее нагрузки из выражения
Нму ~ Уму/У&у = Уэу/Уму = Цэу/( 1— Хф)- (Ю.4)
С увеличением степени форсажа .Хф нагрузка МУ в рассмат-
риваемой области режимов быстро возрастает. Например, при
Лф—0,5 рму=2цэу, при Хф-0,8 рму = 5цэу. Это, безусловно,
благоприятно сказывается на экономичности МУ и является важ-
ным достоинством комбинированных СЭУ.
На режимах цэу>Нэу т- с- пРи мощностях ЭУ, больших
Уму Уму- и параллельной работе МУ и ФУ мощность ФУ
Уфу = Рэу Уэу-Рму У«у- а коэффициент ее нагрузки (считая,
что Л'"у = УУу)
Р-фу — [fey — Нм у (1 —Хф)]/[1— Нму (1— Хф)]-
10 3akaj № 5(,8
289
В общем случае рму ^/(мэу) [см. формулу (10.4)]. Если на-
грузка МУ поддерживается постоянной (когда |iMy = р.^у =1,
см. рис. 10.10, а),
Р-фу= 1 —[(1 — нэуУ^фЬ
Когда параллельная работа МУ и ФУ не предусматривается
(Нму = Нму =0- см- Рвс- 10-10> б)> Рфу ~ Рэу-
Если ФУ включает 2ф последовательно вводимых в работу
двигателей, то коэффициент нагрузки п-го двигателя на промежу-
точном режиме при условии, что ранее включенные двигатели
работают с полной нагрузкой, будет |ЛфуД1=Рфу2фу_я+1,
где п — номер форсажного двигателя по последовательности вво-
да в действие. Например, в ФУ с двумя последовательно вводи-
мыми двигателями при нагрузке ФУ |лфу =0,8 нагрузка второго
двигателя будет |лфуо2 =0,8X2—24-1=0,6. Обычно форсажная
нагрузка распределяется между работающими двигателями по-
ровну. Однако это зависит от характеристик двигателей, кото-
рые могут быть разными но расходу топлива. Два наиболее харак-
терных случая представлены на рис. 10.11.
Линейную расходную характеристику (рис. 10.11, а) имеют
современные форсажные ГТД, а также ПТУ с наибольшим КПД
турбоагрегатов на полной нагрузке. Для них относительный при-
рост расхода топлива dB/dN не зависит от нагрузки, а удельный
расход топлива ge — B!N имеет наименьшее значение при полной
нагрузке (точки d| и d\). Нелинейная зависимость расхода топ-
лива В от мощности N с вогнутой кривой В (N) (рис. 10.11, б)
характерна для дизельных, а также для паро-и газотурбинных
установок, у которых расчетная точка главных турбин выбрана па
частичном режиме (точки с и с').
Выбор нагрузок однотипных нли разнотипных двигателей от-
дельно или совместно работающих МУ и ФУ должен быть таким,
чтобы обеспечить минимальный суммарный расход топлива на
СЭУ. Например, не всегда нужно стремиться к полной загрузке
МУ при ее совместной работе с ФУ на частичных режимах (при
мощностях На частичных режимах, при
которых незначительно превышает А'му из-за малой на-
грузки двигателей ФУ, их удельный расход топлива может быть
велик. Так как у форсажных ГТД кривая ge<t>y =/(нфу) в обла-
сти низких значений коэффициента нагрузки цФУ крутая, может
оказаться целесообразным для уменьшения суммарного расхода
топлива перераспределить мощности в комбинированной СЭУ, по-
высив нагрузку двигателей ФУ при соответствующем снижении
нагрузки МУ.
Задача оптимального распределения мощности МУ и ФУ при
их совместной работе сводится к отысканию минимума часового
расхода топлива на СЭУ: Вэу = &му^му+&фу^фу при усло-
вии поддержания ее заданной мощности на данном режиме
Л?эу = ‘^му+Л7фу-
290
Для решения этой задачи может быть применен метод равен-
ства относительных приростов, основанный на математическом
методе неопределенных множителей Лагранжа, согласно которому
условный экстремум функции нескольких независимых перемен-
ных достигается при равенстве частных производных этой функ-
ции по независимым производным. Применительно к решаемой
задаче это запишется так:
dB^yldNiAy =
Рис 10 11. Расходные характеристики двигателей СЭУ
с постоянным (а) и возрастающим (б) относительным
приростом расхода топлива dB/dN:
В — расход топлива на двигатель (суммарный): У —мощность
двигателя
где /. — относительный прирост расхода топлива обеих установок
на оптимальном режиме.
Аналитическое решение задачи возможно при условии задания
функций Вму(^му) и Вфу(#фу)- В противном случае она ре-
шается графически, когда отыскиваются оптимальные значения
NMy и Уфу по величине Х=ХМу=^фу [с помощью графиков
^му(А^му)| АФУ(Уфу)].
В случае двух параллельно работающих одинаковых двигате-
лей (например, два двигателя МУ и ФУ) наименьший суммарный
расход топлива достигается при равномерном распределении на-
грузки между двигателями с нелинейной расходной характеристи-
ка 291
кой или при любом распределении нагрузки, если двигатели имеют
линейную характеристику расхода топлива В = В0[(1—бх)ц + бх].
Значит, постоянный относительный прирост
dB/dN = (1 -бх) B0/N0 = 6=0. (10.5)
где No, Во, ge0—полная мощность (при нагрузке ц=1) и соответ-
ствующие ей полный (Во) и удельный (geJ расходы топлива;
6х = Вх/В0—коэффициент холостого хода (Вх — расход топлива
двигателем на холостом ходу),
В случае разных установок минимальный расход топлива до-
стигается при переводе максимально возможной доли нагрузки
на установку с меньшим значением относительного прироста рас-
хода топлива. Относительный прирост расхода топлива [см. фор-
мулу (10.5)] зависит как от g(.o, так и от бх. Известно, что удель-
ный расход топлива geo ниже у МУ (за исключением ПТУ), од-
нако для них меньше и бх (большая экономичность на малых на-
грузках). Поэтому возможны сочетания, при которых перераспре-
деление нагрузки комбинированной СЭУ на промежуточном ре-
жиме с увеличением относительной мощности ФУ (вплоть до пол-
ного отключения МУ) дает экономию в расходе топлива.
При проектировании и создании комбинированной установки
с форсажной частью должно быть обеспечено оптимальное соот-
ношение мощностей между МУ и ФУ, которые выбирают исходя
из заданной и полной скоростей судна.
Под оптимальным распределением понимают такое, при кото-
ром достигается наилучшее значение главного показателя уста-
новки, выбор которого зависит от поставленной при проектирова-
нии задачи (например, при обеспечении заданной дальности пла-
вания). Этим показателем могут быть: масса оборудования СЭУ,
суммарная масса СЭУ с запасами топлива, расход топлива за год
эксплуатации, экономическая эффективность установки в целом
(оцениваемая, например, по приведенным затратам) и т. д. На-
пример, зависимость оптимальной по массе СЭУ (с запасами топ-
лива) от степени форсажа показана на рис. 10.12. Поскольку
удельная масса ФУ меньше удельной массы МУ, а удельный рас-
ход топлива, как правило, выше, с увеличением степени форсажа
масса оборудования СЭУ снижается, а необходимые запасы топ-
лива должны возрастать (соответственно кривые 1 и 2 на
рис. 10.12). В результате зависимость суммарной массы СЭУ с за-
пасами топлива от степени форсажа 2РЭу —/(^ф) приобретает
экстремальный характер, а минимуму этой массы будет соответ-
ствовать оптимальная степень форсажа Хф°Р‘ (например на
рис. 10.12 Хфор’-0,8).
Однако величина принимаемой Хф должна быть проверена и
с точки зрения реверса. Обычным средством реверса в современ-
ных комбинированных ФУ является ВРШ. При' нереверсивных
двигателях ФУ и отсутствии у ФУ реверсивной передачи или
ВРШ необходимая мощность заднего хода должна быть получена
292
с помощью МУ. Это условие определяет минимально допустимую
мощность МУ и таким образом, ограничивает степень форсажа
Если требуемая относительная мощность заднего хода
-N-t.x/N3y, а относительный КПД МУ на заднем ходу q3X=
= Лэх/т]п.х, то с учетом формулы (10.4) можно записать выраже-
ние для наибольшей степени форсажа:
1-(Л Л.. «)•
Например, если требуется M.s-0,3, а г|3 х =
= 0,75, степень форсажа КУФ не может превы-
шать 0,6.
Эффективность комбинированной установки на
любом режиме ее работы может быть оценена с
помощью эффективного КПД:
— (2Мет]вп+ 2М0Ст]п)/[2В[-д(2н (гд) + ^Ввд^н(вд) +
+ SBqkQh (ВК)— Qoc].
где lNe— сумма эффективных мощностей, выра-
батываемых различными работающими на данном
режиме ГД, измеренных на выходных фланцах
Рис. 10.12. За-
висимости мас-
сы Р оборудо-
вания СЭУ
(кривая /), за-
паса топлива
(2) и СЭУ с за-
пасом топлива
{3} от степени
форсажа Хф
валов или передач (т. е. измеренная на приемном
фланце валопровода), кВт; SMoc—мощность, от-
даваемая общесудовым потребителям электриче-
ской и механической энергии, измеренная па клем-
мах электрогенераторов или на выходных фланцах
паровых, газовых или дизельных двигателей, при-
водящих в действие потребитель, кВт; т]вп — КПД
валопровода; г|п—КПД передачи от данного дви-
гателя к общесудовому потребителю; Врд, Ввд,
Ввк — расходы топлива на ГД или котлы, ВД и
котлы кг/с; QP,rfl), СЛ(вд)- QP(BK)—соответствующая каждому
топливу (расходуемому в главных двигателях или котлах, ВД и
ВК) теплота сгорания, кДж/кг; Q0(T— тепловая мощность, потреб-
ляемая общесудовыми потребителями теплоты, кВт.
Глава 11
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
11.1. Потребители электроэнергии на судах
На каждом судне имеются многочисленные потребители элек-
трической энергии — электродвигатели механизмов, нагреватель-
ные и осветительные приборы, средства автоматики, судовожде-
293
ния и связи, различающиеся между собой характером нагрузки,
родом потребляемого тока, режимами работы. По назначению
все судовые потребители электроэнергии разделяют на следую-
щие группы: 1) средства судовождения и связи; 2) механизмы,
аппараты и устройства ЭУ (насосы, компрессоры, вентиляторы,
сепараторы, нагреватели); 3) механизмы судовых устройств
(якорного, швартовного, рулевого, грузового, шлюпочного и др.);
4) механизмы судовых систем (насосы, вентиляторы, компрес-
соры); 5) приборы освещения; 6) бытовые потребители; 7) спе-
циальные потребители.
По характеру и длительности работы все потребители электро-
энергии целесообразно разделить на три группы: А — работаю-
щие с постоянной нагрузкой на данном режиме; Б — работающие
периодически; В — работающие эпизодически. Принадлежность
потребителей электроэнергии к той или иной группе зависит от
режима работы судна и, следовательно, от режима работы СЭС.
Различают следующие режимы работы СЭС на судах транспорт-
ного флота: ходовой с полным грузом; ходовой в балласте; сто-
янка с грузовыми операциями; стоянка без грузовых операций;
швартовный; аварийный. Для других типов судов (пассажирских,
промысловых, технического флота) могут быть дополнительные
специальные режимы: стоянка с пассажирами и без пассажиров,
траления, буксировки, спасания и др.
На ходовых режимах к группе А относятся следующие потре-
бители: механизмы и аппараты, обслуживающие ЭУ, навигацион-
ное оборудование и средства связи; освещение жилых и служеб-
ных помещений; рулевая машина; холодильные установки.
В группу Б на этих режимах входят: электроприводы топливных
сепараторов и топливоперекачивающих насосов, электрооборудо-
вание камбуза, компрессоры для получения сжатого воздуха,
осушительные и балластные насосы. К группе В относится элект-
рооборудование судовой мастерской, стиральные машины, элект-
рооборудование грузоподъемных и палубных механизмов, пожар-
ные и водоотливные насосы.
На ходовых режимах наибольшая часть нагрузки СЭУ при-
ходится на группу А, на стояночных возрастает влияние групп
Б и В. Особенно большие колебания нагрузки СЭС — на режи-
мах стоянок с грузовыми операциями из-за эпизодической работы
грузоподъемных палубных механизмов.
Нагрузка СЭС на любых режимах редко остается стабильной
из-за нерегулярного включения автоматически включаемых ме-
ханизмов (насосов пневмоцистерн пресной и забортной воды,
воздушных компрессоров, холодильных установок, гидравлических
насосов рулевой машины и ВРШ) и бытовых потребителей. На
рис. 11.1 и 11.2 показаны графики суточной нагрузки СЭС лесо-
воза «Ветлугалес» и транспортного рефрижератора «Остров
Русский», построенные по результатам записей в машинных жур-
налах. Для ходовых режимов (рис. 11.1) характерен минимум
нагрузки СЭС с 23 до 5 ч и максимум от 5 до 12 ч, Максимум
294
Нагрузки СЭС совпадает с началом работы электрооборудования
камбуза и утренними судовыми работами.
В представленном на рис, 11.2 графике работы СЭС на ре-
жиме стоянки с грузовыми операциями не учтены кратковремен-
ные колебания нагрузки от работы грузоподъемных механизмов.
Несмотря на определенные закономерности, суточная нагрузка
СЭС редко повторяется и по существу величина ее является слу-
чайной, изменяющейся в определенных пределах на каждом ре-
жиме. При достаточно больших объемах статистических испыта-
ний СЭС можно получить достоверные данные о ее средней
Рис. 11 1. Суточная нагрузка СЭС
лесовоза «Ветлугалес» в ходовом
режиме
Рис 112. Суточная нагрузка СЭС
в режиме стоянки с грузовыми опе-
рациями (ГД в состоянии 15-ми-
нутиой готовности)
Для ходовых режимов Рсэс обычно определяется по эмпири-
ческим зависимостям линейного типа:
Л:эсх — Ао-МЛ'», (II.1)
где Рхо—постоянная величина, зависящая от типа СЭУ и судна,
кВт; а — безразмерный коэффициент, зависящий от типа СЭУ и
судна; Ne— эффективная мощность ГД, кВт. Для ДУ транспорт-
ных судов Рхо составляет 20—50 кВт, для ПТУ транспортных су-
дов Рхо выше и достигает 80—100 кВт. Для некоторых типов
транспортных судов (контейнеровозов, металовозов) Рх0 может
достигать 200—350 кВт, что объясняется наличием на этих су-
дах крупных потребителей электроэнергии (вентиляторы грузо-
вых трюмов, газовые компрессоры, установки инертных газов),
которые не связаны непосредственно с ГД.
Значения коэффициента а для большинства транспортных су-
дов лежат в узком диапазоне (0,030—0,055).
Для стояночных режимов средняя нагрузка СЭС зависит от
типа судна и СЭУ, а также от дедвейта Dw (или водоизмещения)
судна:
Р СЭСс= Рсо + ^Ц», (11-2)
где Рсо—постоянная величина, кВт; b — размерный коэффици-
ент пропорциональности, кВт/т. Значение Р:0 зависит от тех же
параметров, что и Рхо. для транспортных судов она составляет 15—
295
30 кВт. Значение b сильно зависит от типа судна и может изме-
няться от 0,002 для сухогрузных судов и танкеров до 0,055 для
контейнеровозов и метановозов, ,
Большинство судовых потребителей электроэнергии питается
трехфазным или однофазным переменным током частотой 50 Гц
и напряжением 380 или 220 В. Для некоторых потребителей ис-
пользуется также постоянный ток, получаемый с помощью полу-
проводниковых выпрямителей или электромашинных преобразо-
вателей, а также ток повышенной частоты (до 400 Гц), получае-
мый с помощью частотных преобразователей. Для переносного
освещения используется переменный ток напряжением 12 В, по-
лучаемый в понижающих трансформаторах.
Большая номенклатура потребителей электроэнергии, значи-
тельная доля потребителей групп Б и В затрудняют точное опреде-
ление нагрузки СЭС как в процессе проектирования СЭУ, так и во
время эксплуатации. Получение и обработка статистической ин-
формации по нагрузке СЭС современных судов — весьма трудо-
емкие операции, которые в полном объеме могут быть выполнены
с помощью автоматизированных систем с применением ЭВМ. Не-
обходимость в таких системах обусловлена потребностями проек-
тантов СЭУ и служб эксплуатации судов. Проектным организа-
циям такая информация необходима для проверки правильности
проектных решений и своевременного внесения изменений в про-
ектную документацию по будущим проектам. Службам эксплуата-
ции информация о реальной нагрузке СЭС позволяет правильно
нормировать расходы топлива на выработку электроэнергии и про-
водить технико-организационные мероприятия по экономному рас-
ходованию топлива и электроэнергии.
Одно из направлений снижения затрат на производство элект-
роэнергии— стабилизация нагрузки электрогенераторов, которая
достигается включением некоторых потребителей группы В (за-
рядные устройства аккумуляторных батарей, топливные и масля-
ные сепараторы, компрессоры пускового воздуха) преимущест-
венно во время минимума нагрузки СЭС.
11.2. Первичные двигатели
Для привода электрогенераторов СЭС используются различные
вспомогательные двигатели: ДВС, паровые турбины, ГТД, а также
ГД, от которых часть мощности отбирается с помощью различных
передач. Механические устройства для привода электрогенерато-
ров от ГД вместе с электрогенераторами называются валогенера-
торами.
Вспомогательные двигатели совместно с генераторами пред-
ставляют собой единый агрегат, который монтируется па общей
фундаментной раме. В зависимости от типа ВД все электрогене-
раторные агрегаты разделяются на следующие виды:
— дизель-генераторы, для которых в качестве привода приме-
няются средне- и высокооборотные ДВС;
296
— паровые турбогенераторы, приводом которых служат паро-
вые турбины;
— газотурбогенераторы, для которых в качестве привода ис-
пользуют ГТД.
Дизель-генераторы. На всех судах с ДУ и на судах с ГТУ при-
меняют в качестве основных и аварийных генераторов электриче-
ской энер1ИИ ДГ. На паротурбинных судах ДГ используются ча-
сто в качестве стояночных и аварийных. Широкое применение ДГ
на судах с различными типами ГД объясняется следующими их
преимуществами перед другими типами генераторов: высокой го-
товностью к пуску и приему нагрузки; высоким КПД двигателя —
дизеля; высокой степенью автоматизации; широкой номенклатурой
выпускаемых промышленностью ДГ; хорошей ремонтопригодно-
стью.
К этим преимуществам за последние годы добавились новые:
способность работы па средневязких и высоковязких сортах топ-
лива (с вязкостью до 368 мм2/с или 1500 с по Редвуду) и низкая
относительная масса ДГ, оборудованных ДВС повышенной форси-
ровки.
Судовые ДГ комплектуют СОД и ВОД с частотой вращения
500—1500 об/мин. В табл, ц.1 и 11.2 приведен ряд параметров
судовых ДГ переменного и постоянного тока отечественного про-
изводства. Из этих данных видно, что ДГ переменного тока легче
ДП постоянного тока на 3—22%, а относительная масса ДГ
уменьшается с ростом его мощности и частоты вращения. Дизели
приведенных в табл. 11.1 и 11.2 ДГ могут работать только на лег-
ких сортах топлива, что ограничивает область применения этих
машин и в связи с чем требуется предусматривать две топливные
системы: тяжелого топлива для ГД и легкого—для ДГ. Переход
па тяжелые сорта топлива — одно из современных направлений со-
вершенствования судовых ДГ. В связи с этим требуется увеличи-
вать давление распиливания топлива до 120—140 МПа, подогре-
Таблица 11.1
Параметры ДГ переменного тока
Мощность. кВт-
двигателя
генератора
Частота вращения, об/мин
Масса, кг
Удельная масса, кг^кВт
Удельный пасхол топлива.
г^кВт-ч)
1500
1255
42,7
305
1500
1945
305
85
75
1500
2200
29,4
295
297
Продолжение
Параметры Ч § Ч £ Ч
Мощность, кВт:
двигателя 165 221 442 735 1100
генератора 150 200 400 600 1000
Частота вращения, об/мин 750 1500 500 750 750
Масса, кг 6050 3700 20 200 21 900 25 500
Удельная масса, кг/кВт 40,4 18,5 50,5 36,5 25,5
Удельный расход топлива. г/(кВтч) 250 270 245 285 245
вать топливо и воздушный заряд на частичных режимах работы
при нагрузках ДГ, меньших 50 % номинальной мощности, а также
принимать другие технические решения.
Таблица If.2
Параметры ДГ постоянного тока
Параметры Ч Ч с а. Ч с | ч Ч
Мощность, кВт:
двигателя 8,8 8,8 17,6 29,5 110 735
генератора 5,6 1500 7 13,5 24,5 100 600
Частота вращения, об/мин 1500 1500 1500 1500 750
Масса, кг 415 475 615 1285 2800 22 600
Уделы-ая масса, кг/кВт 74,2 68 45,5 52 28 37,7
Удельный расход топлива, г/(кВтч) 418 335 347 318 290 282
В табл. 11.3 приведены данные об основных параметрах ДГ,
предназначенных для работы на тяжелом топливе (вязкостью до
368 мм2/с). На тяжелом топливе работают СОД с частотой враще-
ния до 750 об/мин, на средневязких (вязкостью до 70 мм2) рабо-
тают ДГ с частотой вращения до 1000 об/мин. На ряде судов
(контейнеровозах, буровых судах, метановозах) нагрузки СЭС
весьма большие и здесь применяются ДГ большой мощности, па-
раметры которых приведены в табл. 11.4, Анализ этих параметров
показывает, что половина общей массы ДГ приходится на двига-
тель, 25—33 %—на генератор, остальное — на фундаментную
раму. С уменьшением частоты вращения относительная масса дви-
293
Таблица 11.3
Параметры ДГ при работе на тяжелом топливе
Параметры 4АР 230 4АР 230 6АР-230 6АР-23В 6АР-230
Мощность, кВт: двигателя генеоатора Частота вращения, об/мин Масса, кг: двигателя ДГ с рамой Удельная масса, кг/кВт Удельный расход топлива, г/(кВт-ч) 429 600 400 7 276 13 356 33,2 222 533 750 500 7 276 13 356 26,5 226 645 600 600 9 185 14 722 24,5 222 806 750 750 9 185 14 722 19,6 226 1 074 1 600 1 000 9 185 14 722 14,7 226
Таблица 11.4
Параметры дизель-геиераторов большой мощности
Мощность генератора. кВт
Параметры 800 1000 1600 1080 1500 2210 1500 2000
Частота враще- ния, об/мин Масса, кг (%): двигателя генератора ДГ Масса ДГ с рамой, КГ Удельная масса, кг/кВт 1000 7000 (46,7) 5000 (33,3) 12 200 Л 18,8 1000 8300 (48,4) 54 000 (31,5) 16 200 ,йй 17,2 1000 11 000 (49,5) 7300 (32,8) 18 700 (84) 22 300 13,9 750 11 500 (49) 7000 (29,8) 18800 (79,5) 23 500 21,7 750 14 500 (49) 9000 (30,5) 23 900 (81) 29 500 19,7 750 23 500 (60) 9500 (24,5) 33 500 (86) 39 000 •7,5 600 16 500 <49L 11 100 (33) 27 900 (83) 33 600 22,5 600 21 000 (50,5) 12 600 (29,8) 34 000 (82) 41 600 20,9
гателя возрастает и поэтому на судах все чаще применяют ДГ
с частотой вращения 750 и 1000 об/мин.
С повышением мощности ДГ актуальной становится проблема
использования теплоты выпускных газов приводных двигателей.
В отличие от главного двигателя ДГ значительную часть времени
работают в широком диапазоне нагрузок, чаще при 50—80 % но-
минальной. С уменьшением нагрузки двигателя снижается темпе-
ратура выпускных газов и располагаемая для целей утилизации
теплота. В табл. 11.5 показаны результаты испытания двигателя
5ЧН 20/27 по нагрузочной характеристике. Как видно, с уменьше-
нием нагрузки ДГ увеличивается удельный расход воздуха и сни-
жается температура выпускных газов. В результате удельная
299
потеря теплоты с выпускными газами при уменьшении нагрузки
ДГ изменяется мало.
Однако, если рассматривать располагаемую теплоту выпускных
газов рр, т. е. то количество теплоты, которую можно использо-
вать в УК при охлаждении газов до определенной температуры
за котлом t3n, то с учетом изменения нагрузки ДГ qp на частич-
ных нагрузках ДГ значительно снижается (при определении qP
температура газов за котлом принята IG0 °C). Если учесть также
уменьшение температуры выпускных газов и вследствие этого тем-
пературного напора в УК, то можно сделать вывод о том, что
уменьшение нагрузки ДГ сопровождается более сильным непро-
порциональным снижением количества теплоты, передаваемой
в утилизационном котле ДГ. По этой причине установка УК на вы-
пуске двигателей ДГ целесообразна лишь при их стабильной на-
грузке.
Таблица 11.5
Результаты испытаний 5ЧН 20/27 по нагрузочной характеристике
(N = 500 кВт, п = 1000 об/мин)
Параметры Относительная нагрузка двигателя, %
25 50 75 100 ИО
Давление, МПа:
среднее эффективное 0,36 0,72 1,08 1,44 1,58
наддува 0.105 0,143 0,189 0,248 0,268
максимальное сгорания 5,4 6,65 8,05 10 11 1
Температура выпускных га- зов, °C Удельный расход, г/(кВт-ч): 300 370 390 440 460
топлива 244 210 206 207 208
воздуха 11,3 3150 8,4 2950 7,8 2900 3070
Удельная потеря теплоты с вы- пускными газами, кДж/(кВт-ч) 2960
Относительная располагаемая теплота выпускных газов, % 19,4 43 65,5 100 108
Двигатели ДГ представляют собой четырехтактные машины
с высоким уровнем форсировки по среднему эффективному дав-
лению рс, которое достигает 2,5 МПа (для большинства двигате-
лей ДГ ре=1,4-т-1,8 МПа). Увеличение ре обусловлено более вы-
сокими давлениями наддува рк, а при ре>2,0 МПа целесообразен
переход на двухступенчатый наддув с двумя охладителями проду-
вочного воздуха. Данные фирмы MTU (ФРГ) показывают, чго
повышение ре до 2,4 МПа позволяет снизить удельную массу дви-
гателя до 2,8 кг/кВт при частоте вращения 1300 об/мин. Однако
высокий наддув ДВС при ограниченном максимальном давлении
сгорания рг<15 МПа приводит к низкой степени сжатия (е<9),
что ухудшает пусковые качества двигателя и экономичность на
режимах малых нагрузок. Для устранения этих недостатков
300
в упомянутом выше V-образном двигателе применен оригиналь-
ный способ — использование одного ряда цилиндров в качестве
поршневых компрессоров на пусковых режимах и режимах малых
нагрузок. При таком решении температура воздуха, поступаю-
щего в цилиндры двигателя при выключенных из работы воздухо-
охладителях, может повышаться до 200 °C.
Отключение части цилиндров двигателя на режимах малых на-
грузок и использование отключаемых цилиндров в качестве порш-
невых компрессоров для нагнетания воздуха в рабочие цилиндры
можно рассматривать одним из направлений повышения эффек-
тивности ДГ при работе на малых нагрузках. С увеличением дав-
ления наддува изменяются составляющие внешнего теплового ба-
ланса ДВС. Эти изменения
показаны на рис. u.j, где
qc—полезно использован-
ная теплота, qM, qw, q&, qr —
потери теплоты соответст-
венно с маслом, с охлаж-
дающей пресной водой,
в охладителе продувочного
воздуха, с выпускными га-
зами, qp— радиационные и
неучтенные потери.
График на рис. 11.3, по-
строенный по данным ис-
пытания двигателей фирмы
МАК (ФРГ) различной сте.
Рис. 11.3. Изменение теплового баланса
ДВС при увеличении давления наддува
форсировки, показывает, что при
увеличении рк возрастают потери теплоты в охладителе пролу
вечного воздуха вследствие некоторого уменьшения потерь теп
лоты с выпускными газами и с охлаждающей пресной водой
Путем применения специального контура охлаждения продувоч
ного воздуха пресной водой можно получать горячую воду с тем
пературой на выходе 90—110 °C, которую целесообразно исполь
зовать для подогрева тяжелого топлива и горячего водоснабже
ния бытовых потребителей. Такие контуры уже применяются
в некоторых ДВС.
Для судов небольшого водоизмещения и при комплектации
аварийных электростанций требуются ДГ мощностью 10—100 кВт.
В ряде случаев ДГ небольшой мощности выполняют в виде комби-
нированных агрегатов, в которых двигатель кроме генератора мо-
жет вращать также различные вспомогательные механизмы: пор-
шневые и центробежные компрессоры, центробежные насосы. Тех-
нические параметры таких комбинированных агрегатов приведены
в табл. 11.6. Применением этих агрегатов можно значительно по-
высить загрузку двигателя, улучшить компактность ЭУ, увеличить
общий КПД водоотливных, пожарных насосов, компрессоров пу-
скового воздуха и центробежных воздуходувок путем исключения
потерь при двойном преобразовании энергии: механической в элек-
трическую и электрической в механическую.
301
Таблица 11.6
Параметры комбинированных установок
дизель—генератор—насос—компрессор
Параметры
Мощность, кВт;
двигателя
генератора
Частота вращения
двигателя (гене-
ратора), об/мин
Масса, кг
Удельная масса,
кг/кВт
Дополнительные
агрегаты
Удельный расход
топлива,
г/(кВт'Ч)
8,8 7 1500 8,8 5,6 1500 8,8 5,6 1500 8,8 5,6 1500 0,8 7 1500
610 585 550 650 520
87 104 98 116 74
ПК ПК ЦН ПК. ЦН ЦН
335 420 420 420 335
640
91,5
ПК.
ЦН
335
830
61,5
ПК,
ЦН
345
680
31,5
ЦК
405
33
21,6
1500
840
39
ЦК,
ПК,
ЦН
405
ПК — паровой котел, ЦН — циркуляционный насос.
Важными для эксплуатации параметрами двигателей являются
ресурс, уровень шума и токсичность выпускных газов. Ресурс ДВС
с частотой вращения до 750 об/мин изменяется от 30 до 80 тыс. ч.
Эти цифры относятся к случаям работы на легких сортах топлива.
Данные эксплуатации показывают, что при переходе на тяжелые
сорта топлива ресурс ДВС снижается на 25—30 %. Значительно
ниже, чем общий, ресурс наиболее нагруженных деталей двига-
теля, тыс. ч: не более 8 для выпускных клапанов, 10 для поршне-
вых колец, 5—10 для деталей топливной аппаратуры. С повыше-
нием частоты вращения двигателей ресурсные показатели снижа-
ются, и при частоте вращения двигателей 1500 об/мин общий
ресурс двигателей не превышает 20 тыс. ч.
Основным источником шума СОД является газотурбонагнета-
тель, общий уровень шума составляет 90—95 для СОД и 100—
105 дБ для ВОД. С целью снижения шума рекомендуется закры-
вать газотурбопагнетатель звукоизолирующим кожухом, в отдель-
ных случаях целесообразно помещать ДГ в звукоизолированную
выгородку.
Токсичность выпускных газов ДВС зависит от качества распи-
ливания топлива и смесеобразования, а также степени форси-
ровки. Для двигателей с непосредственным впрыском топлива со-
держание окиси углерода в выпускных газах не превышает 6,
окислов азота 8 и ароматических углеводородов 3,5 г/(кВт-ч).
302
Содержание сажи при нормальной работе топливной аппаратуры
на эксплуатационных режимах не превышает 550 мг/(кВт-ч). Для
двигателей с вихрекамерным смесеобразованием содержание ток-
сичных компонентов снижается на 33—37 %, а сажи — почти в два
раза.
Важным параметром ДВС является удельный расход масла,
который для СОД и ВОД выше, чем для МОД, паровых и газовых
турбин. В лучших образцах СОД удельный расход масла 0,60—
0,95, для большинства машин этого класса он выше [до 1,2—
1,5 г/(кВт • ч)]. Для ВОД он составляет 2—4 г/(кВт-ч). На удель-
ный расход масла сильное влияние оказывают условия эксплуа-
тации двигателей (величина и характер нагрузки), стабильность
их теплового состояния, качество очистки масла, присадки в ма-
сле.
Паротурбогенераторы. На всех судах с ПТУ, а также на ряде
судов с ДУ и ГТУ для производства электроэнергии используются
паровые турбогенераторы (ПТГ). На судах с ПТУ паровые тур-
богенераторы питаются паром от главных котлов на ходовых ре-
жимах и от вспомогательных котлов на стояночных режимах. На
судах с ДУ и ГТУ паровые турбогенераторы используются в со-
ставе утилизационных установок и, как правило, питаются паром
от утилизационных или комбинированных котлов. Турбины ПТГ
работатот на перегретом паре, а отработавший пар направляется
в конденсатор, который в большинстве случаев является составной
частью ПТГ. В состав ПТГ обычно входят: паровая турбина, ре-
дуктор, соединительные муфты, электрогенератор, конденсатор,
фундаментная рама, защитные устройства турбин, масляная си-
стема и контрольно-измерительные приборы. В редких случаях
турбина ПТГ может работать без собственного конденсатора с вы-
пуском пара либо в ГК, либо в систему отработавшего пара.
Паровые турбины ПТГ выполняются с развитой проточной ча-
стью, которая включает двухвенечное колесо Кертиса и 4—6 ак-
тивных или 15—22 реактивных ступеней давления. Реактивные
ступени применяются только в ПТГ некоторых зарубежных фирм
(например, «Ансальдо>, Италия). Частота вращения паровых тур-
бин ПТГ достаточно велика и достигает в некоторых агрегатах
13000 об/мин. В табл. 11.7 приведены некоторые технические па-
раметры ПТГ отечественного производства. Из этих данных видно,
что относительная масса ПТГ меньше, чем ДГ, и разница между
ними увеличивается с ростом их мощности. Однако, если к массе
ПТГ прибавить массу соответствующей части парового котла,
с помощью которого генерируется пар для ПТГ, то относительные
массы ПТГ и ДГ будут примерно одинаковыми.
Основные преимущества ПТГ перед ДГ заключаются в боль-
шем ресурсе работы (до 100 тыс. ч), в мепыиих затратах на ре-
монт и меньших расходах масла. ПТГ обладают повышенной на-
дежностью по сравнению с ДГ.
К их недостаткам следует отнести: значительное время, необ-
ходимое для подготовки и пуска ПТГ (26—50 мин); длительное
30?
время остановки (15—30 мин): повышенные требования к квали-
фикации обслуживающего персонала и ремонтных бригад.
Регулирование ПТГ в основном сопловое с приводом клапанов
регулирования от гидравлического сервомотора. В системах регу-
лирования скорости используются центробежные регуляторы.
Таблица 11-7
Параметры паровых турбогенераторов
Параметры Мощность ТГ. кВт
100 500 600 1000 1500
Частота вращения, об/мин:
турбнпы 9 000 8 500 8 500 8 000 7 500
генератора 1 500 1 500 1 500 1 000 1 030
Эффективный КПД, % 53 54 55 58 62
Масса, ТГ, кг 10 000 11 000 12 000 14 000 21 000
Удельная масса, кг/кВт 25 22 20 14 14
Система защиты обеспечивает отключение турбогенератора при
увеличении частоты вращения до предельно допустимой и при па-
дении давления в масляной системе, Паровые турбогенераторы
большой мощности могут иметь также защиту от повышения дав-
ления в конденсаторе и от осевого сдвига ротора.
Турбины ПТГ имеют цельнокованые роторы, сварные или свар-
нолитые диафрагмы, внутренние и концевые уплотнения лабирин-
тового типа. В качестве опорных и упорных подшипников приме-
няются подшипники скольжения, упорные — сегментного типа.
Редукторы ПТГ служат для понижения частоты вращения ге-
нераторов до значений 1000—1500 об/мин. Их выполняют односту-
пенчатыми с шевронными или косозубыми цилиндрическими коле-
сами.
Система смазки ПТГ напорная и обслуживается при помощи
навешенного масляного насоса с приводом от турбины или редук-
тора. При пуске ПТГ применяют пусковые насосы с ручным или
электрическим приводом.
Паровые турбогенераторы работают на судне на различных ре-
жимах. Различают следующие режимы работы ПТГ: расчетный,
который соответствует 100- или 75 %-й нагрузке, частичных нагру-
зок, холостого хода и перегрузки. В отличие от ДГ паровые турбо-
генераторы допускают режим длительной работы при нагрузке
110% номинальной мощности. На рис. 11.4 показаны характери-
стики турбогенератора — КПД и расход пара Dn при изменении
электрической мощности ПТГ А/Птг- Расход пара на ПТГ практи-
чески пропорционален его мощности, а электрический КПД т),
в широком диапазоне нагрузок изменяется мало. На всех режимах
частичных нагрузок ПТГ работают устойчиво, что позволяет ши-
роко использовать их в системах утилизации теплоты выпускных
304
газов при изменяющейся производительности УК, которая зависит
от нагрузки ГД. Паровые турбогенераторы допускают параллель-
ную работу совместно с ДГ, что особенно важно для утилизаци-
онных ПТГ. В случае параллельной работы ПТГ и ДГ первый
должен иметь максимально возможную нагрузку, но с учетом ми-
нимально устойчивой нагрузки ДГ. При параллельной работе на-
клон статической характеристики ПТГ устанавливают меньший,
чем у ДГ- Статическая характеристика генератора определяет за-
висимость между частотой его вращения и нагрузкой. Для судо-
вых генераторов статические характеристики должны быть линей-
ными и поэтому наклон этих характеристик определяется степенью
неравномерности регулирования:
6-[(nm«-nBio)/n] 100%, (11-3)
Рис. 11.4 Характеристика турбо- Рис 11.5 Диаграмма загрузки ДГ при
генератора ТД750-1 параллельной работе
где «шах, п, «ты— частота вращения генератора соответственно на
режимах холостого хода, 50 %-й и полной нагрузки.
Изменение наклона статических характеристик генераторов
при их настройке производится изменением жесткости пружины
регулятора (при снижении жесткости уменьшается наклон харак-
теристики) или изменением хода регулятора путем увеличения
(или уменьшения) соотношения плеч передаточного механизма —
рычага обратной связи.
При параллельной работе ДГ (или турбогенераторов) равной
мощности наибольшая экономичность работы СЭУ имеет место
при равномерной нагрузке генераторов, что обеспечивается одина-
ковым наклоном их статических характеристик. В современных
СЭУ применяются автоматизированные системы включения (или
выключения) электро1еператоров для равномерной их загрузки
при параллельной работе.
На рис. 11.5 показана диаграмма загрузки четырех (1-4) ДГ
номинальной мощностью по 100 кВт каждый при их параллельной
работе в составе СЭС. Включение каждого нового ДГ предусмот-
рено при увеличении нагрузки работающих ДГ более 90 % номи-
нального значения, отключение — при снижении нагрузки каждого
менее 70 %.
393
Газотурбогенераторы. На судах ГТГ имеют ограниченную об-
ласть применения вследствие их более низкого КПД и повышен-
ной шумности по сравнению с Д,Г и ПТГ. Однако на некоторых
специальных судах (плавучие электростанции, суда с динамиче-
скими принципами поддержания) их выгодно использовать
в связи с хорошими массогабаритными показателями. Диапазон
мощности ГТГ довольно широкий: от 20 кВт (для аварийных
СЭС) до 12 МВт (для генераторов плавучих электростанций).
Параметры ГТГ сильно зависят от их мощности. При мощности
до 400 кВт ГТГ имеют компактную компоновочную схему, вклю-
чающую одноступенчатый центробежный компрессор, камеру
сгорания, одну центростремительную или несколько осевых тур-
бин, редуктор и генератор. Удельная масса ГТД в таких агрега-
тах небольшая (0,6—2,0 кг/кВт), однако наличие редуктора и
генератора увеличивает относительную массу ГТГ до 5—8 кг/кВт.
Из-за низкой степени повышения давления (4—6) термический
КПД цикла ГТД получается невысоким, а удельный расход топ-
лива ГТГ малой мощности достигает 500—900 г/(кВт-ч).
Газотурбогенераторы мощностью выше 1000 кВт выполняют по
другим компоновочным схемам: с многоступенчатыми осевыми
компрессорами и турбинами. Они имеют оптимальные значения
степени повышения давления воздуха (14—18) и более высокий
КПД, достигающий у лучших двигателей 33—35%. Относитель-
ная масса ГТГ большой мощности 3—8 кг/кВт, причем большая
часть массы агрегата приходится на редуктор, генератор и фунда-
ментную раму. Удельный расход топлива ГТГ большой мощности
достигает 320—360 г/(кВт-ч).
На судах целесообразно применять ГТГ в случае утилизации
теплоты выпускных газов ГТД и получения на этой основе водя-
ного пара. Например, на плавучих электростанциях за счет ком-
плексной выработки электроэнергии и тепловой энергии коэф-
фициент полезного использования теплоты топлива доведен до
45—50 %. Однако перспективы применения ГТГ на судах оценива-
ются не очень высоко, что объясняется плохой работой ГТД па
тяжелых сортах топлив и сильным влиянием тяжелых топлив на
ресурс ГТД.
Валогенераторы. Использование на судах валогенераторов
целесообразно пв нескольким причинам: более высокого КПД
главных двигателей (для ПТУ), возможности стабилизации на-
грузки двигателей при переменной нагрузке электрической сети,
а также специфических режимов работы ГД с недогрузкой для не-
которых типов судов (рыболовные траулеры, буксиры, суда ледо-
вого плавания). Наиболее широко валогенераторы применяются
в ПТУ с ППП и в ДУ рыболовных траулеров. В первом случае их
примеиение оправдано тем, что при повышенных параметрах пара
в ПТУ с ППП трудно создать надежные вспомогательные паро-
проводы и турбогенераторы.
На рис. II 6 показана схема валогенератора ПТУ. От главной
паровой турбины / через разобщительную гидравлическую (млн
другого типа) муфту 2 и редуктор 3 приводится в действие элек-
трогенератор 5, который снабжает электроэнергией все судовые
потребители.
Отбор мощности для привода электрогенератора можно про-
изводить от любого корпуса главной паровой турбины (ТВД или
ТНД), однако предпочтение следует отдавать ТНД, которая имеет
меньшую частоту вращения, чем ТВД. Валогенератор должен
обеспечивать постоянную частоту вращения генератора неза-
висимо от нагрузки ГД и его частоты вращения. Стабилизация ча-
стоты вращения валогенератора обеспечивается двумя способами:
изменением угла установки лопастей ВРШ и степенью заполнения
маслом полости гидромуфты. В случае применения последнего
способа значительно снижается КПД. В связи с требованием
стабильной частоты вращения валогене-
раторов их чаще применяют в СЭУ, , ,
оборудованных ВРШ. f d ,L
Гидравлическую муфту всегда целесо- К 1 А—; —)
образно устанавливать па самом быст- k J 4 ;
роходном валу (с целью уменьшения ее \
габаритов). '
В случае нестабильной частоты вра-
щения валогенераторов из-за сильной
волновой или ветровой нагрузки при ра-
боте ГД на малых ходах ИХ можно ре- Рис- П.6. Схема валогене-
зервировать с помощью автономных ратора пту
паровых турбин 4. Эти резервные тур-
бины обычно находятся в состоянии «горячего резерва», т. е. их
проточные части прогреты до необходимой температуры и они
всегда готовы принять нагрузку генератора. На холостое враще-
ние резервных турбин расходуется часть энергии, отбираемой от
ГД, что снижает общий КПД установки.
На рыболовных траулерах применение валогенераторов по-
зволяет стабилизировать нагрузку ГД на различных ходовых
режимах (без трала и с различными типами тралов при их по-
становке и выборке) и облегчает питание такого крупного потре-
бителя электроэнергии, как траловая лебедка.
Валогенераторы имеют высокий КПД, который с учетом по-
терь в гидравлической муфте, редукторе (и резервной турбине для
ПТУ) на 5—8% ниже КПД главного двигателя. Для ПТУ при-
менение валогенератора вместо ПТГ позволяет снизить общий
расход топлива на установку на 1—2%, для ДУ транспортных
судов использование валогенератора не снижает расхода топлива
на производство электроэнергии по сравнению с ДГ. Последнее
объясняется близкими значениями КПД главных и вспомогатель-
ных двигателей в ДУ. Применение в ДУ валогенераторов вместо
ДГ оправдано в тех случаях, когда ГД работает на более деше-
вом тяжелом топливе, а ДГ — на легком топливе. В ДУ для быст-
рого резервирования валогенераторов один из ДГ должен на-
ходиться постоянно в прогретом состоянии и после быстрого
307
запуска Принимать на себя нагрузку СЭС- Основной недостаток
валогенсраторов — обесточивание судна при внезапной оста-
новке ГД.
11.3. Генераторы
На судах чаще всего применяются электрогенераторы перемен-
ного трехфазного тока с частотой 50 Гц. Напряжение на клеммах
обычно 400 В, реже 230 В. Некоторые генераторы специального
назначения имеют частоту тока 400 Гц.
Генераторы переменного тока выполняются с самовозбужде-
нием или имеют возбудитель в виде навешенного агрегата, рас-
положенного на одном ралу с генератором. Роторы генераторов
устанавливают на подшипниках качения или скольжения. Судо-
вые электрогенераторы могут быть выполнены с двумя опорными
подшипниками и полужесткой муфтой для соединения с двигате-
лем или с одним опорным подшипником и жесткой муфтой, со-
единяющей генератор с двигателем или редуктором. Воздух для
охлаждения подается с помощью центробежных вентиляторов,
встроенных в корпус генераторов и расположенных по торцам
ротора. Ресурс электрогенераторов определяется надежностью ра-
боты подшипников и достигает 40—80 тыс. ч.
В табл. 11.8 приведены некоторые технические параметры
судовых электрогенераторов. Как видно, с увеличением частоты
вращения генераторов их относительная масса снижается.
Таблица 11.8
Параметры электрогенераторов переменного тока
Число пар полюсов обмотки генератора
Параметры 2 3 4 5
Частота вращения, об/мин 1500 1000 750 600
Удельная масса, кг/кВт КПД Коэффициент мощности 3,4—4,5 4,0—5,7 4,1—6,0 5,9—7,0 0,89—0,94 0,8
На некоторых судах (рыбопромысловых, технического флота)
используются электрогенераторы постоянного тока, которые
имеют массу на 25—30 % больше, а КПД —на 3—6 % меньше,
чем генераторы переменного тока. Генераторы постоянного тока
обычно обеспечивают потребителей электроэнергии, для которых
требуются большие пусковые моменты и быстрый реверс (меха-
низмы привода черпаковых барабанов на землечерпалках, трало-
вые лебедки на промысловых и грузовые лебедки па буровых и
геолого-разведочных судах).
308
Для получения постоянного тока небольшой мощности при-
меняют электромашинцые или полупроводниковые преобразова-
тели. Элсктромашинные преобразователи состоят из электродви-
гателя переменного тока и генератора постоянного тока.
11.4. Типы и состав СЭС
В состав СЭС входят первичные тепловые двигатели, генера-
торы электрического тока, распределительные устройства — ГРЩ
и распределительные устройства потребителей, а также кабельные
линии.
Судовые распределительные устройства подразделяются на
ГРЩ, распределительные щиты, щиты отдельных потребителей,
пульты управления.
Главные распределительные щиты обычно включают в себя
следующие секции: генераторные, предназначенные для управле-
ния и контроля за работой генераторных агрегатов; распредели-
тельные для управления и контроля питания судовых потребите-
лей электроэнергии; управления, служащие для подключения
генераторов на параллельную и раздельную работу.
На транспортных судах применяется в основном фидерная си-
стема распределения электроэнергии, Предусматривающая пита-
ние распределительных щитов и отдельных потребителей от ГРЩ
по самостоятельным фидерам. По отдельным фидерам осущест-
вляется питание электроприводов следующих потребителей: руле-
вого устройства, брашпиля, шпилей, пожарных и осушительных
насосов, механизмов, обслуживающих ГЭУ, щиты потребителей
ответственного назначения, приборов управления судном, радио-
станции, навигационных приборов, освещения, аварийной и по-
жарной сигнализации, отличительных и сигнальных огней.
Рулевое устройство, ходовые и сигнальные огни, электропри-
воды и сигнализация спринклерной системы должны получать
питание по двум независимым фидерам.
Кабели применяются с резиновой и пластмассовой изоляцией
в оплетке из стальных оцинкованных или медных луженых про-
волок или в свинцовой оболочке.
Все СЭС можно разделить па три вида:
— главные, обеспечивающие электроэнергией ГЭД па судах
с электродвижепием или специальное оборудование на судах тех-
нического флота;
— общесудовые, обеспечивающие электроэнергией потреби-
тели, связанные с ЭУ, и общесудовые потребители на всех режи-
мах работы судна и ЭУ;
— аварийные, обеспечивающие работу определенных потреби-
телей при выходе из строя общесудовой электростанции.
Главные электростанции применяются на судах с электриче-
скими передачами. Эти электростанции комплектуются главными
ДГ (реже ПТГ или ГТГ) большой мощности (выше /ООО kBi) и
имеют автономные распределительные щиты и кабельные линии,
ЭОЗ
связывающие главные электрогенераторы с ГЭД, На стояночных
режимах от ГРЩ главных электрогенераторов могут питаться
через ГРЩ общесудовой электростанции общесудовые потреби-
тели.
Нагрузка и мощность главных электрогенераторов определя-
ются на основе расчетов буксировочного сопротивления судна и
гребного винта с учетом КПД гребного электродвигателя и по-
терь в сети.
Общесудовые электростанции применяются на судах всех
типов. Их комплектуют на основе расчета потребления электро-
энергии на основных режимах. При расчете определяют балансы
потребителей различных групп путем учета активной и реак-
тивной NPi мощностей каждого потребителя. Активная мощность
группы однотипных потребителей электроэнергии вычисляется по
формуле
Na (— ksko, (11.4)
где I—число однотипных потребителей; 7УЭД — номинальная мощ-
ность электродвигателя; т)Эд — КПД электродвигателя; — коэф-
фициент загрузки электродвигателя; k0 — коэффициент одновре-
менности работы потребителей. Реактивная мощность группы
однотипных потребителей
Apf=Aattg<p, (11.5)
<р— угол сдвига фаз между током и напряжением у потребителя.
Коэффициент k0 зависит от числа однотипных потребителей и
принятой схемы их резервирования. Коэффициент загрузки элек-
тродвигателя представляется в виде произведения двух коэф-
фициентов:
йа = Мъ (И.6)
где k] — коэффициент использования мощности установленных
электродвигателей (fcjCl); k2 — коэффициент загрузки потреби-
теля (&2<1). После суммирования активных и реактивных нагру-
зок всех потребителей полученные значения 2Wa; и SNP/ умножа-
ются на коэффициент одновременности режима k0.p и коэффици-
ент потерь в сети £о.с = 1,05. Значение коэффициентов
одновременности режима feo.p следующие: 0,70—0,85 (ходовой),
0,80—0,85 (стоянка с грузовыми операциями), 0,70—0,75 (стоянка
без грузовых операций), 0,75—0,80 (съемка с якоря), 0,90—0,95
(аварийный). С учетом этих коэффициентов определяется актив-
ная Na, реактивная Np и полная Л'п мощности СЭС:
Ns=k0.pk0.cSNa(-, (П.7)
Np — ko. A. (11.8)
N,=V~Nl + Nl, (11.9)
310
а также средний коэффициент мощности СЭС
cos
(11.10)
Если cos<pcp>cos<pr (costp,—коэффициент мощности генератора),
то генератор выбираю? по активной мощности Л’а, если
cosq>cp<cos<pr, — по полной мощности Nn.
Существует несколько методов расчета нагрузки СЭС: таблич-
ный (с учетом всех потребителей, их коэффициентов загрузки,
одновременности работы на разных режимах), аналитический, по
приближенным эмпирическим зависимостям и др. Все они доста-
точно подробно изложены в специальной литературе и здесь нс
рассматриваются.
Основные требования при комплектации СЭС сводятся к сле-
дующему: I) электрогенераторы по возможности должны быть
однотипными; 2) загрузка одного генератора на ходовом режиме
не должна быть меньше 75%; 3) на каждом режиме (кроме
аварийного) в резерве должно находиться не менее одного гене-
ратора, равного по мощности работающему.
На судах с ДУ для обеспечения ходовых режимов применя-
ются однотипные и равной мощности ДГ на основе среднеоборот-
ных или высокооборотных (на судах с небольшой мощностью ГД)
двигателей. Число ДГ на транспортных судах не превышает 2—4.
Для большей загрузки ДГ на стояночных режимах используют
специальные стояночные ДГ меныпей мощности (30—50 % мощ-
ности ДГ ходовых режимов). Стояночные ДГ применяются также
и на судах с ПТУ. В ДУ с мощностью ГД более 5000 кВт устанав-
ливают утилизационные паровые турбогенераторы (УПТГ), кото-
рые при нагрузке ГД не менее 70 % полностью обеспечивают все
потребители электроэнергии на танкерах и универсальных сухо-
грузных судах.
На судах с ПТУ применяются ПТГ и валогенераторы. На тан-
керах и сухогрузных судах число ПТГ обычно невелико (не
более 2—3); па пассажирских судах, контейнеровозах и метано-
возах число ПТГ может достигать 4—6.
На судах с ГТУ и ТУК потребности судов в электроэнергии па
ходовых режимах обеспечиваются ПТГ, которые питаются паром
от УК. На стояночных режимах используются ДГ, которые также
резервируют УПТГ на ходовых режимах.
Аварийные электростанции (АЭС) применяются ня судах всех
типов для снабжения электроэнергией наиболее важных для без-
опасности судна потребителей при внезапном обесточивании ГРЩ
или выходе из строя общесудовой электростанции.
К числу потребителей АЭС относятся: аварийное (внутреннее
и наружное) освещение, радионавигационные приборы и связь,
рулевые машины, пожарный и осушительный насосы.
Аварийные электростанции комплектуют в основном ДГ,
чаще — ДГ с ВОД. В соответствии с Правилами Регистра СССР
АЭС должны быть размещены в отдельных помещениях, распо-
ложенных выше палубы водонепроницаемых переборок. Двига-
§11
тели генераторов АЭС должны иметь автономные топливные и
масляные системы, системы охлаждения и пускового воздуха (при
пуске сжатым воздухом), а также топливные цистерны, в которых
должно храниться не менее 6-часового (для транспортных судов)
и 36-часового (для пассажирских судов) запаса топлива.
На пассажирских и промысловых судах дизель-генераторы
должны иметь автоматический пуск и включаться в работу не
позже чем через 30 с после падения напряжения или обесточива-
ния ГРЩ. На судах небольшого водоизмещения допускается
вместо аварийных ДГ устанавливать аккумуляторные батареи
для питания тех же потребителей, что и АЭС. Аварийные ДГ не
предназначены для длительной работы и поэтому вопросы эконо-
мичности двигателей играют здесь второстепенную роль, а основ-
ными параметрами аварийных ДГ являются хорошие пусковые
качества при любых условиях и надежность работы. В силу этих
особенностей АЭС чаще комплектуют ДГ с ВОД без газотурбин-
ного наддува. Наиболее часто для этих целей используются
дизель-генераторы ДГА25-9М, ДГА50-9М, ДГР75М, 100/1500,
200/1500Р, параметры которых приведены в табл. 11.1.
Поскольку аварийные ДГ располагаются выше палубы водо-
непроницаемых переборок, важной проблемой является надеж-
ность системы охлаждения, Для большей надежности применяют
радиаторные системы, в которых масло и охлаждающая двига-
тель вода отдают теплоту окружающему воздуху, в радиаторе,
находящемся вблизи двигателя.
На судах зарубежной постройки для привода аварийных ДГ
применяют двигатели с воздушным охлаждением, которые вы-
пускаются в диапазоне мощностей 3—300 кВт, имеют удельную
массу 4—5 кг/кВт и частоту вращения 1500 об/мин.
Работу АЭС ежегодно проверяют эксплуатационные службы и
инспекция Регистра СССР.
11.5. Себестоимость
производства электроэнергии
На каждом судне за год вырабатывается значИ1ельнос количе-
ство электроэнергии, которая расходуется на различные цели.
Какие затраты необходимы для выработки 1 кВт-ч электроэнер-
гии в судовых условиях? В судовых условиях выработка электро-
энергии производится генераторами небольшой мощности и по-
этому она должна быть выше, чем в стационарных установках.
Годовые затраты на производство электроэнергии можно пред-
ставить в виде четырех- составляющих:
Зэ = Зт-[-Зм + Зоб+ Ао. (И-11)
где Зт, Зм, 30б — затраты соответственно на топливо, масло и об-
служивание судовой электроустановки; Ао — амортизационные от-
числения, учитывающие реновацию, г. с. восстановление стоимо-
сч1 установки и затраты на текущие и капитальные ремонты,
Затраты на топливо за год работы определяются мвисиуостью
Зт=С^ЛЛ?кЧ (11.12)
где Ст — стоимость топлива, коп/кг; ge— Средний удельный рас-
ход топлива, кг/(кВт-ч); ky— средний коэффициент загрузки
электрогенератора; NP — эффективная поминальная мощность дви-
гателя генератора, кВт; т]г—КПД электрогенератора; т — время
работы генератора за год, ч.
По аналогичной формуле можно найти затраты на масло
Зи = С^м^ет]Л, (11.13)
где См — стоимость масла, коп/кг; gw— средний удельный расход
масла, кг/(кВт-ч).
Затраты на обслуживание определяются из выражения
Зоб=12Сэпащ (11.14)
где С3п — месячная заработная плата моториста, обслуживающего
электрогенератор, с учетом всех коэффициентов и затрат на
социально-бытовые нужды; а — коэффициент, учитывающий
время, затраченное на обслуживание электрогенератора; п—
число ходовых вахт за сутки, п=3.
Амортизационные отчисления вычисляются по зависимости
Ао — ^аСдру, (11-15)
где Сэру—общая стоимость электрогенераторной установки вместе
с обслуживающими системами и аппаратами; Ра — коэффициент
амортизации, который представляется в виде суммы трех коэф-
фициентов Ра = Рр+Рт.р + Рц.р, учитывающих соответственно рено-
вацию, текущий и капитальный ремонты.
Коэффициент реновации определяется как отношение
общего ресурса электрогенератора тр к его годовой наработке т.
Годовую выработку электроэнергии одним электрогенератором
можно вычислить по формуле
E = kNNex. (11.16)
С учетом приведенных выше выражений себестоимость произ-
водства электроэнергии С3, коп/(кВт*ч), определяется с помошью
общей зависимости
C’s^.Crg'fTlr ЬСм^м'Пг + Сэгу/^w'1 (т/Тр-)- Рк. р 'Ь Р т р)'Ь
+ 36Csna/£NAleT, (П-17)
где Сэгу~Сэгу1^е. — относительная стоимость электрогенераторной
установки.
313
В стоимости электрогенераторной установки основная доля от-
носится к электрогенератору с приводом и поэтому можно за-
писать
Сэру = ^У^эг,
где СЭр — стоимость электрогенератора с приводом; fey —коэф-
фициент, учитывающий затраты
Рис. 11.7. Относительная стоимость
ДГ:
I — на основе СОД; 2 — на основе ВОД
на дополнительное оборудование
(системы, для ПТГ часть стои-
мости котла) и резервные элект-
рогенераторы. На рис. 11.7 и 11.8
показаны эмпирические зависи-
мости, с помощью которых мо-
жно определить относительную
стоимость ДГ и ПТГ. В целом
Сдг и Сптг примерно одинаковы,
однако к стоимости ПТГ следует
прибавить стоимость той части
котла, в которой вырабатыва-
ется для него пар.
На рис. 11.9 показана себе-
стоимость производства электро-
энергии, выработанной судовыми
ДГ (кривые 1, 2 относятся к легкому топливу, а 3— к тяжелому
моторному топливу; зависимости 1 и 3 построены применительно
к СОД, а 2 — к ВОД). Анализ этих зависимостей позволяет сде-
лать следующие выводы: себестоимость электроэнергии в ДГ,
оборудованных СОД, ниже, чем в ДГ с ВОД, на 8—15%; при-
менение тяжелого топлива и СОД (вместо ВОД) снижает себе-
Рпс. 11.8 Относительная стоимость
ПТГ
Рис. 11 9. Себестоимость производ-
ства электроэнергии дизель-гепера-
торами
стоимость производства электроэнергии на 18—28%; себестои-
мость электроэнергии снижается с увеличением времени работы
электрогенераторов в течение года.
Ниже приведена доля отдельных составляющих, %, в себе-
стоимости выработки электроэнергии ДГ с СОД при их работе на
легком топливе.
Топливо . . 54—66 44—58
Масло . . 2—2,5 2,5-3
Амортизационные отчисления . . . . . . 29—40 37—47
Ремонт и обслуживание . . 15—19 17—23
314
Эти данные получены на основе зависимости (11.17) при сле-
дующих значениях параметров: kN = 0,75; т]Г=0,93; Рк,р = 0,03;
Рт.р = 0,04 (для СОД); Рк.р = 0,06; Рт.Р = 0,08 (для ВОД). В слу-
чае применения ВОД себестоимость электроэнергии возрастает по
следующим причинам: из-за повышенного на 10—12% удельного
расхода топлива, на 30—40 % масла, а также более низкого
ресурса работы, который не компенсируется более низкой стои-
мостью (см. рис. 11.7). Вследствие этого применение ВОД для
СЭС следует ограничивать только аварийными ДГ.
В табл. 11.9 приведены данные о себестоимости производства
электроэнергии судовыми электрогенераторами с различными
типами приводов при следующих общих значениях параметров:
kN = 0,75, т = 6000 ч/год, Сзп = 200 руб./мес., т]г=0,93, а = 0,5, Ne =
= 500 кВт. Как видно, себестоимость электроэнергии в судовых
условиях на 50—60 % выше, чем в стационарной энергетике. Для
ДГ, ПТГ с питанием паром от главных котлов и валогенераторов
себестоимость электроэнергии примерно одинакова. Наибольшее
влияние на ее величину оказывают затраты на топливо (затраты
на масло составляют 4—6 % затрат на топливо), которые в общей
сумме затрат достигают 50—77 % для всех типов привода элек-
трогенераторов, кроме утилизационных паровых турбин.
Таблица 11.9
Себестоимость производства электроэнергии
электрогенераторами с различными приводами
Привод Себестоимость
общая, коп/(кВт-ч) топлива и масла, % амортизации и обслуживания, у.
две 3,22 67 33
ПТ (пар от главного 3,25 61 39
Валогенератор от ПТ 3,3 -50 50
ГТД 4,6 77 33
ПТ (пар от УК) 2,3 10 90
Наибольшая себестоимость электроэнергии характерна для
ГТГ, что объясняется повышенным удельным расходом легкого
топлива для ГТД. Расчеты по формуле (11.17) показывают, что
значительное влияние на себестоимость электроэнергии имеет
коэффициент загрузки электрогенераторов. Так, снижение kj*
до 0,5 вызывает рост себестоимости электроэнергии на 16—22 %
при работе ДГ на легком топливе и на 20—26 % при работе ДГ
на тяжелом топливе.
Самая низкая себестоимость электроэнергии получается при
работе УПТГ. В статье расходов по этому типу привода преоб-
ладают затраты на обслуживание, ремонты и реновацию оборудо-
вания. Прямых затрат на топливо в УПТГ нет, однако при расчете
315
себестоимости электроэнергии необходимо выделить условные за-
траты топлива, которые связаны с некоторым снижением КПД
главного двигателя из-за увеличения газодинамического сопротив-
ления газовыпускной системы при установке УК (они практически
неощутимы).
Анализ результатов расчетов по определению себестоимости
производства электроэнергии в СЭС позволяет рекомендовать
основные пути снижения себестоимости: 1) применение тяжелых
сортов топлива в судовых ДГ или смесей тяжелого и легкого топ-
лива; 2) повышение экономичности двигателей ДГ как на но-
минальном режиме, так и на режимах частичных нагрузок; 3) по-
вышение коэффициентов загрузки ДГ путем снижения коэффици-
ентов запаса при выборе ДГ; 4) повышение ресурса ДГ, снижение
затрат на производство всех видов ремонтов; 5) применение вало-
генераторов для выработки электроэнергии в ходовых режимах;
6) применение в ДУ утилизационных ПТГ вместо ДГ; 7) сниже-
ние стоимости изготовления и монтажа судового электроэнергети-
ческого оборудования; 8) улучшение качества обслуживания элек-
троэнергетического оборудования, повышение надежности и
уровня автоматизации электрогенераторов.
Результаты анализа статистических данных по составу СЭУ'
показывают, что на многих судах (контейнеровозах, рефрижерато-
рах, газовозах, промысловых судах и судах технического флота)
установленная мощность электрогенераторов достигает 25—50 %
мощности ГД. Снижение скорости судов до 12—14 уз также вы-
зывает повышение относительной мощности СЭС. В ряде случаев
наблюдается превышение установленной мощности СЭС над сред-
ней величиной потребления электроэнергии в 3—4 раза, что при-
водит к снижению коэффициента загрузки электрогенераторов и,
следовательно, к повышению себестоимости производства электро-
энергии. Такое положение объясняется недостаточной надеж-
ностью многих типов ДГ и валогенераторов. Повышение надежно-
сти электрогенераторов, особенно при работе ДВС на тяжелых
сортах топлив, — одна из важных задач судовой энергетики, реше-
ние которой позволит значительно снизить себестоимость электро-
энергии.
Глава 12
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СЭУ
12,1. Характеристики
и параметры потребителей тепловой энергии
Тепловая энергия в виде водяного пара с определенными дав-
лением и температурой используется на судах для выработки
механической энергии в паровых двигателях, отопления жилых и
316
служебных помещений, обогрева и продувки забортной арматуры,
обогрева цистерн топлива, масла и воды, подогрева топлива перед
очисткой и подачей к двигателям или котельным установкам,
работы технологического или специального оборудования. Расход
пара на двигатели зависит от их мощности, КПД и параметров
пара до и после двигателя. Если двигателем является главная
паровая турбина, то ее мощность зависит от заданного режима
движения судна. Мощность паровых двигателей, использующихся
для привода электрогенераторов и вспомогательных механизмов,
зависит от нагрузки последних.
При изменении режимов работы ГД и, следовательно, их
вспомогательных механизмов расход пара па группу ГД и ВД
меняется в процессе эксплуатации и является величиной пере-
менной.
Расход пара на другие потребители — теплообменные ап-
параты, устройства для продувания забортной арматуры, паровые
свистки, сажеобдувочные устройства—также прямо или косвенно
связан с режимами работы ГД или ВД и условиями эксплуатации
судов. Все это затрудняет составление точных балансов потреби-
телей пара и определение производительности котельных уста-
новок.
Все потребители пара в зависимости от назначения и особен-
ностей работы в процессе эксплуатации целесообразно разделить
на следующие группы: I) главные паровые двигатели — главные
турбины; 2) вспомогательные паровые двигатели — турбины для
привода электрогенераторов, питательных, циркуляционных и
грузовых насосов, вентиляторов, компрессоров; 3) теплообменные
аппараты ЭУ—подогреватели топлива и масла, батареи отопле-
ния служебных помещений МО, змеевики обогрева топливных и
масляных цистерн; 4) теплообменные аппараты общесудовых си-
стем— устройства для обогрева балластных цистерн и цистерн
загрязненных вод, обогрева и продувки забортной арматуры (от-
верстий, кингстонных, ледовых и отливных ящиков), калориферы
общесудовой вентиляции, система кондиционирования воздуха;
5) хозяйственно-бытовые потребители — хлебопекарные печи,
стиральные машины, сушильно-гладильные катки, подогреватели
бытового водоснабжения; 6) специальные потребители, номенкла-
тура которых зависит от типа судна, его назначения и условий
эксплуатации (устройства для обогрева палуб, рубок и леерных
ограждений для судов ледового плавания, технологическое обору-
дование для рыбообрабатывающих судов).
Расход пара на отдельные потребители зависит от их тепловой
нагрузки, которая определяется внутренними и внешними пара-
метрами. К числу этих параметров относятся мощность двигате-
лей и их КПД, температура забортной воды и окружающего воз-
духа, время года плавания, нагрузка технологического оборудо-
вания.
При определении расхода пара на судне целесообразно уста-
навливать режимы потребления пара. Различают следующие
317
основные расчетные режимы; ходовой, стояночный с грузовыми
операциями, стояночный без грузовых операций. Эти режимы рас-
сматриваются в двух вариантах — зимнем и летнем. При опре-
делении нагрузки потребителей теплоты температуру забортной
воды и окружающего воздуха принимают в зависимости от района
плавания судна (в табл. 12.1, например, расчетная температура
в зимнем режиме: воздуха —40, воды —2°С, в летнем: соответ-
ственно 12 и 4°C).
Таблица 12.1
Общий баланс потребления пара
на сухогрузном судне ледового плавания
Время года Режим работы Расход пара, кг/ч Относительное потребление пара, •,
Зима Ходовой Стояночный с грузовыми операциями 8000 5200 100 65
Лето Ходовой Стояночный с грузовыми операциями 1500 600 18,8 7,5
Данные табл. 12.1 показывают, что время года сильно влияет
на расход пара на судне. В меньшей степени оказывает влияние
режим работы самого судна, поскольку при отсутствии паровых
двигателей основными потребителями пара в зимнее время явля-
ются теплообменные аппараты судовых систем, специальные и
хозяйственно-бытовые потребители. Это подтверждается следую-
щими данными:
Группы потребителей пара
Подогреватели топлива и масла...........
Устройства для обогрева:................
топливных и масляных цистерн , . .
балластных цистерн и цистерн загряз-
ненных вод ......................
к продувки забортной арматуры . . .
палуб, рубок, трюмов, оттаивания льда
Паровое отопление, судовая вентиляция, си-
стема кондиционирования воздуха . .
Хозяйственно-бытовые потребители . . .
Итого . - -
Расход пара
солютный. отиоечтельв
700 5,9
780 6,8
680 5,7
3 600 30,4
2 950 24,8
2 570 21,7
580 4,7
11 840 100
Как видно, большая часть пара используется общесудовыми
потребителями, а меньшая — потребителями, связанными непо-
средственно с СЭУ.
Если сравнить данные табл. 12.1 с приведенными выше, то
можно заметить, что сумма расхода пара всех судовых потреби-
телей (по поминальным значениям) больше общего потребления
318
пара (балансового) в зимнем ходовом режиме. Это объясняется
тем, что при определении общего баланса потребления пара, как
и при расчете электроэнергии, вводят коэффициенты одновремен-
ности работы потребителей, которые принимают 0,1 —1,0.
Все потребители пара классифицируют по характеру и про-
должительности потребления тепловой энергии на три группы:
А — работающие с постоянной нагрузкой на данном режиме; Б —
работающие периодически; В — работающие эпизодически.
К группе А относятся главные и вспомогательные паровые двига-
тели, подогреватели топлива, паровое отопление, устройства для
обогрева цистерн и арматуры в зимнем режиме, специальные по-
требители (например, оборудование для производства консервов
на рыбодобывающих судах), система кондиционирования воздуха
в зимнем режиме. В группу Б входят потребители камбуза и
прачечной, подогреватели топлива и масла перед их очисткой
в фильтрах и сепараторах, некоторые специальные потребители
(например, системы подогрева груза на танкерах). К группе В
относятся паровые свистки, система паротушения, некоторые
специальные потребители (например, устройства для оттаивания
льда на люковых закрытиях, обогрева уплотнений бортовых за-
крытий). На судах с ПТУ наибольшее количество пара (от 90 до
95%) требуется для потребителей группы А. По этой причине
котельные установки на паротурбинных судах работают с высо-
ким коэффициентом загрузки как на ходовом, так и па стояноч-
ных режимах. Высокий коэффициент загрузки характерен также
для УК судов с ГТУ на ходовом режиме работы.
Для судов транспортного флота с ДУ доля потребителей
группы А значительна только в случае применения УГТГ или греб-
ных турбоагрегатов (УГТА). Для промысловых судов нагрузку ко-
тельных установок стабилизируют специальные потребители пара.
На транспортных судах с ДУ без УТГ'или УГТА основная доля
потребителей приходится на группы Б и В, что отрицательно
сказывается на загрузке котельных установок.
Наличие большой группы Б и особенно группы-В потребителей
затрудняет расчет необходимой производительности котельных
установок, и поэтому при определении тепловой нагрузки Qoc
общесудовых потребителей наряду с составлением таблиц балан-
сов потребления пара используют эмпирические зависимости.
Для паротурбинных транспортных судов (танкеров и сухогрузов)
Qoc, кВт, определяется по формуле
Qoc = 82 +0,0282V,, (12.1)
где Ме — эффективная мощность ГД.
Для дизельных транспортных судов имеет место аналогичная
зависимость
Qoe-35 + 0,079^. (12.2)
319
Расходы пара па другие потребители определяют по номиналь-
ным значениям их тепловых нагрузок с учетом коэффициентов
одновременности работы.
12.2. Типы и параметры
судовых паровых котлов
Все судовые паровые котлы (котельные установки) по назна-
чению н конструкции разделяют на главные, вспомогательные и
утилизационные.
Главные паровые котлы в первую очередь обеспечивают ра-
боту главных паровых двигателей, а на ходовом режиме — также
работу всех паровых потребителей. Главные паровые котлы
транспортных судов имеют один или два (в установках с ППП)
пароперегревателя, вертикальное исполнение (конвективный пу-
чок труб расположен под углом к горизонтали 70—90°) и естест-
венную циркуляцию воды. Их выполняют в основном однопро-
точными по газовой стороне с целью уменьшения массы и габари-
тов котлоагрегатов, облегчения компоновки котла и монтажа
системы газовыпуска.
В судовых ПТУ применяют следующие типовые конструкции
главных паровых котлов: двухколлекторные с D-образной топкой
и фронтальным расположением форсунок; трехколлскторные
с D-образной топкой и боковым расположением форсунок; шахт-
ные с потолочным расположением форсунок. Первые две конст-
рукции используются в ПТу без ППП, а шахтные котлы — в ПТУ
с ППП.
Значения основных параметров главных котлов (относитель-
ная масса представляет собой отношение сухой массы котла
к его тепловой мощности) следующие: относительная масса 3—
6 кг/кВт, напряжение топочного объема 200—300 кВт/м3, КПД
0,93—0,96. Большие значения относительной массы и КПД—для
котлов шахтного типа с двумя пароперегревателями. Промежуточ-
ный пароперегреватель располагается за основным и работает
в зоне газов с более низкой температурой. Вследствие этого его
поверхность нагрева в 3,0—3,5 раза больше, чем основного паро-
перегревателя.
Элементы поверхности нагрева главного котла шахтного
типа КВГ 80/80 fF -= 7613 ms]
Испарительные трубы Основной пароперегреватель 472 580 6,2
Промежуточный пароперегреватель . . 2016 26.5
ЮЮ 13,3
Воздухоподогреватель 3535 46,4
Главный паровой котел имеет развитые хвостовые поверхно-
сти— экономайзер и газовый воздухоподогреватель, на долю ко-
320
торых приходится свыше 50 % всей поверхности нагрева котла.
Компактность испарительных поверхностей современных котлов
достигается благодаря почти полному экранированию топки и по-
вышению доли теплоты, воспринимаемой лучеиспусканием.
Для снижения массы и габаритов пароперегревателей исполь-
зуют такой эффективный метод, как псевдоожиженный слой, ко-
торый способствует повышению коэффициента теплоотдачи
в конвективных пучках труб и эффективной очистке труб от от-
ложений. Сущность этого метода заключается в том, что в потоке
газов находятся во взвешенном состоянии частицы керамических
материалов типа кварцевого песка, которые способствуют интен-
сификации как лучистого, так и конвективного теплообмена.
Вспомогательные котлы предназначены в основном для вы-
работки пара, потребляемого вспомогательными механизмами, ап-
паратами и устройствами ДУ и ГТУ. В ПТУ вспомогательные
котлы используются для обеспечения потребителей пара на стоян-
ках и для резервирования главных котлов. Их выполняют водо-
трубными и огнетрубными. Огнетрубные котлы имеют большую,
чем водотрубные, теплоаккумулирующую способность и при-
меняются на судах с небольшим расходом пара (до 1000 кг/ч) и
преобладанием потребителей групп Б и В.
На судах с потреблением пара выше 1000 кг/ч применяются
водотрубные котлы. По конструкции их выполняют чаще одно-
проточными, двухколлекторными, с естественной циркуляцией
воды, с вертикальным расположением конвективных труб.
В табл. 12.2 и 12.3 приведены основные параметры вспомога-
тельных огнетрубного марки (КВА) и водотрубных марок (КВ и
КАВ) котлов, предназначенных для выработки насыщенного пара
давлением до 0,7 МПа (за исключением котла КВ 35/25-1, вы-
рабатывающего перегретый пар с температурой 330 °C и давле-
нием 2,5 МПа). По конструкции вспомогательные водотрубные
Таблица 12.2
Параметры вспомогательных котлов типов КВ и КВД’
Параметры Марка котла
KB 35/25-1 (водотрубный) КВА I.0/6-M (огиетрубный)
Паропроиэводительность, кг/ч Давление пара, МПа КПД Напряжение топочного объ- ема, кВт/м8 Общая площадь пояерхности нагрева, и8 Масса котла, иг Удельная масса, кг/кВт 35 000 2,5 0,91 884 1575 74 000 2,7 1000 0,54 0,82 4750 15 2475 3,64
Заказ № 568
321
котлы близки к главным котлам с фронтальным расположением
форсунок, но без развитых концевых поверхностей (за исключе-
нием КВ 35/25-1, которые имеют газовые воздухоподогреватели),
поэтому их КПД невысокий (0,75—0,81), а относительная масса
меньше, чем у главных котлов. Применять экономайзеры во вспо-
могательных котлах нецелесообразно из-за низкого давления пара
и высокой температуры конденсата основных потребителей
теплоты. Использование газового воздухоподогревателя, как по-
казывает пример КВ 35/25-1, позволяет существенно повысить
КПД вспомогательных котлов. При наличии парового воздухо-
подогревателя температура отработавших газов за котлом из-
меняется в пределах 170—215°С, без воздухоподогревателя она
значительно выше (360—460°C). На судах отечественной по-
стройки наиболее широко применяются котлоагрегаты типа КАВ.
На рис. 12.1 показаны характеристики одного из таких котлов.
Параметры автомат»
Параметры КАВ 1,6/Т КАВ 2,5/7 КАВ 4,7
Паропроизводитель- ность номинальная, т/ч Дааденке пара при но- минальной нагруз- ке, МПа КПД Температура газов на выходе, °C Расход топлива, кг/ч Расход воздуха на го- рение, кг/с Расход пара на подо- грев топлива, кг/ч Расход электроэнер- гии, кВт Масса агрегата су- хая, т Габариты, м 1,6 0,6 0,8 363 124 0,6 10 8,1 6,5 2,59X2,2X3,5 2,5 0,6 0,8 381 195 1,0 15 12,3 7,7 2,78X2,4X3,71 4,0 0,6 0,82 340 300 1,4 18 13,5 10,5 3,01X2,6X3,78
На судах с небольшим потреблением пара (менее 400 кг/ч)
вместо паровых используются водогрейные котлы типа КОАВ,
имеющие КПД 0,76—0,82, относительную массу 4—7 кг/кВт и
тепловую мощность 80—250 кВт.
Утилизационные котлы предназначены для выработки пара за
счет утилизации теплоты выпускных газов ДВС и ГТД. Судовые
УК выполняются с пароперегревателями (при использовании пара
турбогенераторами или пропульсивными паровыми турбинами)
или без пароперегревателей (при снабжении только потребителей
теплоты). В отличие от главных и вспомогательных котлов УК
322
чаще имеют многократную принудительную циркуляцию (естест-
венная циркуляция применяется крайне редко), что обусловлено
невысокой температурой выпускаемых газов, а также преимуще-
ственно змеевиковой формой испарительной поверхности УК..
Эффективность УК оценивается коэффициентом использования
теплоты выпускных газов гр,, т, который представляет собой от-
ношение теплоты, воспринятой водой в УК в процессе ее преоб-
разования в пар, к располагаемой теплоте выпускных газов.
В УК с принудительной циркуляцией необходимым элементом
является сепаратор 6 (рис. 12.2), который связывает испаритель-
ную поверхность 2 с пароперегревателем 3 и экономайзером J. Вы-
носной сепаратор позволяет не только подавать в пароперегрева-
тель насыщенный пар с минимальной влажностью, что уменьшает
унос солей, но и обеспечивать подачу в экономайзер с помощью
циркуляционного насоса 5 горячей воды, что исключает низкотем-
Таблица 12.3
зированных вспомогательных водотрубных котлоагрегатов типа КАВ
КАВ «,3/7 КАВ в.з/<б КАВ J0/I6 КАВ J6/J6
6,3 6,3 Ю 16
0,6 1,6 1,6 1,6
0,81 0,8 0,79 0,78
390 420 435 455
490 500 805 1300
2,2 2,3 3,68 6
28 31 50 80
19,5 25,5 39,5 75
12,7 13,7 17 19,4
3,63X2,78X4,36 3,63X2,78X4,36 3,98X 2,93 X 4,58 4,3X3,0X4,78
Пературную коррозию экономайзера. Для этого в схему утили-
зационной установки включается водо-водяной подогреватель 4
Воды, поступающей в сепаратор из теплого ящика ТЯ. В УК паро-
перегреватель, испарительная часть и экономайзер располагаются
в соответствии с направлением движения выпускных газов ГД.
Из коллектора — сепаратора 6 часть насыщенного пара подается
К общесудовым потребителям ОСП.
В табл. 12.4 приведены технические параметры судовых УК.
Все данные в таблице — для котлов без пароперегревателя (за
исключением КУП-700 и КУП-1300). Как видно, для этих котлов
11* 323
масса сепаратора достигает 12—22 % массы всей установки, а для
КУП-700 и КУП-1300 она существенно меньше (6—8%). Удель-
ная масса УК возрастает также с увеличением коэффициента
использования теплоты выпускных газов т]и. т- Для уменьшения
массы УК применяют оребрение наружной поверхности труб.
Наряду с УК на некоторых судах применяют котлы с комбини-
рованным отоплением, которые имеют в своем составе топливную
и утилизационную части, работающие на общий пароводяной кол-
лектор, и одну паровую магистраль. Комбинированные котлы
имеют обычно естественную циркуляцию и раздельные газоходы
pl---------------1-------1-------1
№0 МО 500 WO 5т '<г!ч
Рис. 12.1. Зависимость па-
ропроизводительности D и
КПД КАВ 6,3/7 от часового
расхода топлива Вт
Рис. 12.2. Схема включения и ра-
боты элементов УК
для утилизационной и топливной частей. Их конструкция сложная
п громоздкая (относительная масса котлов изменяется в преде-
лах 8—13 кг/кВт), поэтому они применяются в тех случаях, когда
Таблица 12.4
Параметры УК с принудительной циркуляцией
Параметры КУП-40С КУП-90С КУП-250С КУП-700 КУП-1300
Ларопроизводительность, 1500 2800 6000 4600 16 500
Давление пара в сепарато- 0,8 0,8 0,8 0,6 0,7
ре, МПа Коэффициент использова- 0,225 0,344 0,372 0,498 0,469
пия теплоты газов Масса котла, кг: без сепаратора 3050 7200 12 600 31 250 51 000
с сепаратором 3900 8200 14 600 33 505 54 600
удельная, кг/кВт 3,85 4,3 3,55 10,7 4,8
524
ГД часто работают на переменных режимах. Основное достоин-
ство этих котлов состоит в том, что они могут генерировать пар
как в ходовом, так и на стояночных режимах. •
В процессе эксплуатации главных, вспомогательных и утили-
зационных котлов на наружной поверхности труб отлагается
сажа, а на внутренней — накипь. Наличие сажи приводит к уве-
личению термического сопротивления при теплопередаче, сниже-
нию паропроизводитсльности котлов и уменьшению температуры
перегрева пара. Накипь внутри труб вызывает их локальный пере-
грев и снижает скорость циркуляции воды. Для борьбы с образо-
ванием сажи производят чистку наружной поверхности труб при
ремонтах, а также используют сажеобдувки. Для предотвращения
накипи применяют щелочение котловой воды с добавлением в нее
различных антикакипинов.
Наряду с паровыми котлами для выработки пара могут
использоваться тепловые насосы, в которых пар низкого давле-
ния, образующийся при расширении горячей воды, сжимается
с помощью компрессоров до требуемого давления. Такие насосы
широко применяются в стационарных условиях. На рис. 12.3 по-
казан график относительной экономии топлива в случае примене-
ния тепловых насосов по сравнению с затратами топлива при по-
лучении пара давлением рп во вспомогательных котлах. При по-
строении этих графиков КПД вспомогательного котла был принят
0,75, КПД парового компрессора 0,75, давление пара перед ком-
прессором 0,1 МПа. Как видно, с повышением давления наддува
ДВС рк тепловые насосы могут обеспечить значительную эконо-
мию топлива.
Вспомогательные котельные установки могут использоваться
не только для снабжения потребителей теплоты, но и для вы-
работки механической энергии. Последняя осуществляется по
двум схемам:
— пар от вспомогательного котла поступает к турбогенерато-
рам (например, к УТГ на стояночных режимах);
— вспомогательный котел генерирует пар более высокого дав-
ления, чем требуется потребителю, а между вспомогательным
котлом и потребителями теплоты установлены турбина, которая
приводит в действие генератор, и сепаратор пара (рис. 12.4).
При работе по первой схеме эффективность преобразования
химической энергии топлива в механическую невелика, и КПД
паросиловой установки не превышает 10—15 % из-за невысоких
начальных параметров пара в котле.
Работа турбогенераторов по второй схеме отличается высокой
эффективностью, и КПД паросиловой установки почти равен
КПД вспомогательного котла, т. е. около 80%. Это объясняется
тем, что основное назначение котла состоит в выработке тепловой
энергии, и вся теплота пара на выходе из турбин полезно исполь-
зуется в потребителях теплоты. Расчеты показывают, что если
потребители теплоты питаются насыщенным паром давлением
0,7 МПа, а давление пара перед турбиной поддерживается
325
1,6 МПа, то от котла паропроизводительностью 1 т/ч и установ-
ленной за ним турбины можно получить полезную мощность около
30 кВт, При повышении давления перед турбиной до 9,0 МПа и
сохранении давления пара перед потребителями теплоты полезная
мощность при той же паропроизводительности возрастет до 85—
90 кВт, а влажность пара на выходе из турбины не будет пре-
вышать 15%. Таким образом, комбинированная теплоэнергетиче-
ская установка по схеме рис. 12.4 может быть довольно эффектив-
ной на судах с большими потребителями пара на стоянках
(рыбопромысловые базы, суда ледового плавания, пассажирские
суда).
Рис. 12.3. Экономия топ-
лива при использовании
тепловых насосов вместо
вспомогательных котлов
12.3. Методы опреснения морской воды
и типы судовых ВОУ
Потребности судов и СЭУ в пресной воде могут быть удовлет-
ворены за счет судовых запасов и в результате работы ВОУ. Для
большинства транспортных судов суточная потребность в пресной
воде зависит от типа СЭУ и колеблется от 5—Ю т для судов с ДУ
до 20—50 т для судов с ПТУ. Чтобы обеспечить потребности
в пресной воде только из судовых запасов, пришлось бы значи-
тельно снизить полезную грузоподъемность судов, кроме того,
практически невозможной оказалась бы работа таких типов судов,
как рыбопромысловые базы и пассажирские лайнеры, где суточ-
ные потребности в пресной воде достигают 100—200 т.
Все достаточно крупные суда оборудуют ВОУ, с помощью ко-
торых из морской воды удаляется большая часть солей. Процесс
получения пресной воды из соленой морской называется опресне-
нием. Существует много способов опреснения морской воды.
В водах открытых морей в каждом кубическом метре содер-
жится около 34,3 кг различных солей, преимущественно солей
натрия, кальция и магния: NaCl, CaCh, MgCh, CaSOi, MgSCh-
При растворении их в воде образуются положительные и отрица-
326
тельные ноны, окруженные небольшим количеством поляризован-
ных молекул воды, вместе с которыми они образуют‘малоподвиж-
ные образования— сольваты.
В промышленности и на транспорте применяются следующие
способы опреснения морской воды: дистилляция (выпаривание),
кристаллогидратный (вымораживание), гиперфильтрация (способ
обратного осмоса) и электродиализ.
Дистилляция — один из самых старых способов опреснения,
применявшийся еще на судах парусного флота (рис. 12.5, о).
Морская забортная вода З.в нагревается в специальном испари-
тельном сосуде / за счет теплоты водяного пара П1, который
в процессе передачи теплоты забортной воде превращается в кон-
денсат Л. При нагреве морской воды до температуры кипения
3)
Рис. 12.5 Способы опреснения морской воды: а — дистилляция; б —кристал-
логидратный; в — гиперфильтрация; г — электродиализ
образуется пар П2, который почти не содержит солей. Соли от-
водятся из испарителя 1 в виде рассола Р. Отсутствие солей
в паре объясняется малой подвижностью сольватов и большими
размерами этих образований по сравнению с размерами молекул
воды (выше почти на порядок). Чем стабильнее процесс кипения
морской воды, тем меньше солей попадает в пар. Образующийся
в процессе кипения морской воды пар П2, называемый вторич-
ным, поступает в конденсатор 2, где, конденсируясь, он превраща-
ется в пресную воду Д, которая называется дистиллятом.
Способ дистилляции является основным при опреснении мор-
ской воды на судах. К его недостаткам относятся большая энерго-
емкость (только на испарение I кг воды расходуется 2,25 МДж
тепловой энергии) и отложения солей жесткости при кипении
морской воды на поверхностях нагревательных элементов.
Кристаллогидратный способ основан на известном физическом
явлении — при достаточно медленном охлаждении морской воды
ниже температуры замерзания (—2 °C) образуются кристаллы
льда, которые, как. и пар, не содержат солей. Образованию кри-
сталлов пресного льда из соленой воды способствуют сольваты,
которые ввиду громоздкости не могут разместиться в узлах кри-
сталлической решетки льда. На рис. 12.5, б показана схема по-
лучения пресной воды кристаллогидратным способом. В льдогене-
раторе 3 за счет охлаждения морской воды хладоноентелем X,
поступающим от холодильной машины, образуются кристаллы
327
пресного льда, которые в нагревателе 4 превращаются в жидкое
состояние, т. е. в воду, дистиллят.
На первый взгляд кажется, что кристаллогидратный способ
менее энергоемкий, чем дистилляция, поскольку для изменения
агрегатного состояния воды требуется 335 кДж/кг холода. Однако
известно, что для получения холода необходимо расходовать
механическую или электрическую энергию, и процесс получения
холода также является энергоемким. В судовых установках кри-
сталлогидратный способ опреснения практически не применяется
(имеющиеся на судах промыслового флота льдогенераторы слу-
жат не для опреснения, а для охлаждения улова рыбы и других
целей) ввиду трудностей транспортировки льда, больших энерго-
затрат и сложного сопутствующего оборудования (холодильных
машин).
Гиперфильтрация основана на явлении осмотического давле-
ния в растворах, возникающего на границе раздела раствора и
растворителя. При наличии проницаемых мембран и соответствую-
щей разности давлений, не ниже осмотического давления, из мор-
ской воды может выделяться ее пресная часть, Для этого морскую
воду насосом 5 (рис. 12,5, в) под давлением не ниже 3 МПа про-
пускают через специальные коллекторы, в которых размещены
проницаемые мембраны 6 и камеры опресненной воды 7. Про-,
ницаемые мембраны выполнены из микропористых материалов
типа ацетатцеллюлозы или металлической фольги, облученной
тяжелыми ионными лучками в ускорителях этих частиц. Гипер-
фильтрация является самым малоэнергоемким и простым спосо-
бом опреснения, но применяется лишь в стационарных условиях.
Препятствием для применения этого метода на судах являются
необходимость тщательной фильтрации морской воды до поступ-
ления ее на опреснение, малые скорости гиперфильтрации и боль-
шая масса установок (в 3—4 раза больше массы дистиллятных
установок).
Электродиализ основан на способности полупроницаемых мем-
бран из полимерных материалов пропускать при наложении элек-
тростатического поля ионы солей только одного знака. При чере-
довании таких мембран и подаче на них электрического напряже-
ния образуются камеры концентрации 8 (рис. 12.5, г), в которых
будет собираться рассол (т. е. соленая вода с концентрацией со-
лей, большей, чем в исходной морской воде), и камеры обессоли-
вания 9, в которых будет образовываться дистиллят Д.
Как и в предыдущем способе, при электродиализе нет фазовых
превращений воды и, следовательно, больших затрат тепловой
энергии. В электродиализных ВОУ требуется затрачивать энергию
на создание электростатического поля и прокачивание воды через
Опреснительные камеры. Для получения качественного дистиллята
необходимо многократно прокачивать соленую воду через опрес-
нительные камеры, поскольку за один проход соленость воды
в камерах обессоливания не удовлетворяет существующим требо-
ваниям.
328
Электродиализные ВОУ нашли применение па судах неболь-
шого водоизмещения (траулерах, сухогрузных судах каботажного
плавания) и считаются перспективными. Такой метод является
самым эффективным при опреснении слабосоленых вод и поэтому
в первую очередь его следует применять на судах с ограниченным
районом плавания в морях с низким солесодержанием воды (Бал-
тийское море и моря Северного Ледовитого океана).
Потребители пресной воды на судне и требования к качеству
пресной воды. Пресная вода на судах используется для бытовых
нужд, восполнения утечек воды из замкнутых циркуляционных си-
стем охлаждения двигателей, конденсатно-питательных систем,
систем продувания паровых котлов, утечек пара через паровые
свистки, систему сажеобдувки, неплотности соединений паровых
труб и арматуры, а также для снабжения технологических и
специальных потребителей (глазурование мороженой рыбы, из-
готовление консервов и пресервов). В зависимости от вида по-
требителя пресная вода разделяется на группы:
— питьевая, используемая для питья и приготовления пищи;
— бытовая (мытьевая) —для подачи к умывальникам, посудо-
моечным и стиральным машинам, в бани;
— техническая, используемая для питания всех потребителей
СЭУ, а также технологических и специальных потребителей.
Разновидностями технической воды являются дистиллят —
пресная вода, получаемая в судовых ВОУ, и бидистиллят — прес-
ная вода, получаемая двойной дистилляцией морской воды. Коли-
чество солей в бидистилляте в несколько раз меньше, чем в ди-
стилляте.
К каждой группе пресной воды предъявляются свои требова-
ния и наиболее жесткие — к питьевой воде и воде для питания
паровых котлов.
Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохра-
нения соленость питьевой воды не должна превышать 500 мг/л.
Питьевая вода должна .быть прозрачной, насыщенной воздухом,
без неприятного запаха и вкуса, в ней не должно быть вредных
примесей и болезнетворных бактерий. Хранят ее в отдельных
цистернах, отделенных от других цистерн коффердамами, и по-
дают к потребителям по специальному трубопроводу. Запасы
питьевой воды принимают с береговых точек водоснабжения и
в процессе эксплуатации судна могут пополнять от станций при-
готовления питьевой воды, где производится минерализация и
бактерицидная обработка дистиллята, получаемого в ВОУ.
Вода для питания паровых котлов должна удовлетворять тре-
бованиям в отношении общего солесодержания (до 5—10 мг/л),
солености (до 2—5 мг/л), жесткости (до 0,015—0,18 мг/л) и водо-
родного показателя (8,5—9). Требования к бытовой пресной воде
и другим видам технической воды менее жесткие и ограничива-
ются только пределами ее солености (до 5—10 мг/л).
Классификация судовых ВОУ. По назначению все судовые
установки для опреснения морской воды делятся на две группы:
— установки для приготовления бытовой и технической (на
судах с ДУ и ГТУ) воды;
— испарители котловой воды (ИКВ), в которых получают
дистиллят и бидистиллят для котельных установок (на судах
с ПТУ).
Такое деление обусловлено историческими особенностями раз-
вития ВОУ, которые в современном виде впервые стали применять
на судах с ПТУ. Название ИКВ используется при маркировке
судовых ВОУ и описании тепловых схем.
По способу кипения морской воды различают поверхностные
ВОУ, в которых морская вода испаряется с поверхности нагрева-
тельных элементов (см. рис. 12.6 и 12.7), и адиабатные (беспо-
верхностные), в которых теплота подводится к морской воде в от-
дельном подогревателе; вода при этом не испаряется, а пар об-
разуется с поверхности струй морской воды при снижении давле-
ния воды в испарительном сосуде (рис. 12.8).
По числу ступеней испарения морской воды ВОУ бывают одно-
ступенчатыми (см. рис. 12.6—12.9) и многоступенчатыми (см.
рис. 12.7).
По виду основной энергии, расходуемой на опреснение, ВОУ
делятся на теплоиспользующие (см. рис. 12.6—12.8) н теплонасос-
ные (см. рис. 12.9).
В теплоиспользующих ВОУ на испарение морской воды затра-
чивается тепловая энергия в виде водяного пара или горячей
воды, поступающего от котлов или двигателей; в теплонасосных
ВОУ для испарения морской воды используется теплота пара, по-
лучаемого в теплонасосных агрегатах за счет механической или
электрической энергии.
По давлению кипения морской воды различают ВОУ вакуум-
ные с давлением кипения меньше атмосферного и атмосферные
с давлением кипения равным или большим атмосферного. Атмо-
сферные ВОУ из-за сильного образования накипи на поверхностях
нагрева и больших затрат топлива на опреснение сейчас не из-
готовляются и сохранились лишь на старых судах.
Водоопреснительные установки поверхностного типа. Такие
установки — самые распространенные на судах морского транс-
портного флота.
На рис 12.6 показана схема одноступенчатой вакуумной ВОУ подобного
типа. В верхней части парового пространства испарительного сосуда 1 разме-
щен сепаратор пара 2 для отделения от пара частиц влаги, несущей основную
долю солей, а в нижней части — батарея нагревательных элементов И поверх-
ностного типа В качестве греющей среды может использоваться водяной пар
или нагретая вода Из испарительного сосуда пар, образовавшийся в резуль-
тате испарения морской воды и поэтому называемый вторичным, поступает
в конденсатор 5, который прокачивается забортной водой Зв с помощью
Hacocai охлаждения 6 Из конденсатора дистиллят Д забирается дистиллятным
насосом 7 и перекачивается в сборную цистерну или другие емкости (теплый
ящик, запасные цистерны, деаэратор). Забортная морская вода, проходя через
конденсатор ВОУ, нагревается на 4—8 *С и основная ее часть сливается за
борт, а оставшаяся проходит последовательно через охладитель дистиллята 8,
охладитель паровоздушной смеси 4, охладитель 9 рассола Р и направляется
330
в испарительный сосуд для питания ВОУ морской водой. Часть морской воды
с повышенной концентрацией солей, называемая рассолом, удаляется рассоль
ным насосом 10 за борт Для поддержания разрежения в испарительном со-
суде, трубопроводах и конденсаторе служит вакуумный насос 3.
Наличие разряжения в испарительном сосуде позволяет решить
две проблемы, весьма важные для ВОУ: использование для испа-
рения морской воды низкопотенциалыюй теплоты пара низкого
давления или охлаждающей двигатели пресной воды; снижение
интенсивности образования накипи на поверхностях нагрева (при
температуре ниже 60 °C скорость образования накипи резко сни-
жается).
При работе вакуумных ВОУ возникает необходимость в уста-
новке устройства для отсоса воздуха, поступающего в испаритель-
Рис. 12.6. Принципиальная схема од-
ноступенчатой вакуумной ВОУ по-
верхностного типа
Рис. 12.7. Принципиальная схема
двухступенчатой ВОУ для получе-
ния дистиллята и бидистиллята
ный сосуд вместе с морской водой. Такими устройствами могут
быть пароструйные эжекторы, работающие на насыщенном или
охлажденном паре (эжекторы применяются чаще в ВОУ ПТУ),
или вакуумные насосы водокольцевого типа с электроприводом.
Рассольный и дистиллятный насосы в вакуумных ВОУ работают
с низким давлением на всасывании и во избежание кавитации их
необходимо устанавливать ниже уровня рассола в испарительном
сосуде и дистиллята в сборнике конденсатора.
На рис. 12 7 показана принципиальная схема двухступенчатой установки
поверхностного типа для получения дистиллята Д и бидистиллята БД. По та-
кой схеме работают испарители котловой воды типа ИКВ 39/6М, установлен-
ные на сухогрузах серии «Ленинский комсомол» и танкерах серин «Варшава».
Греющий пар П давлением 74 кПа подается к нагревательной батарее испа-
рительного сосуда 3 второй ступени. Образовавшийся в атом сосуде вторичный
пар давлением 44 кПа направляется в качестве греющего в 1-ю ступень, а ис-
парительный сосуд 4 которой поступает забортная вода Зв. Вторичный пар
1-й ступени давлением 26,5 кПа направляется в конденсатор 1, в котором под-
держивается вакуум с помощью эжектора 2 Образовавшийся в 1 й ступени
дистиллят разделисюя на два потока- в запасную цистерну бытовой воды
(около 25 %) и во 2-ю ступень для получения бидистилляга (остальное). Рас-
сол Р удаляется насосами 6 и 5 (буквой К обозначен конденсат).
Применение многоступенчатых ВОУ позволяет либо повышать
качество дистиллята, либо снижать энергозатраты на получение
пресной воды.
331
В поверхностных ВОУ на нагревательных элементах образу-
ется в процессе эксплуатации слой накипи, который снижает
коэффициент теплопередачи и в конечном итоге производитель-
ность ВОУ. Для борьбы с накипью применяют целый ряд мер:
предварительную химическую обработку морской воды, холод-
ное душирование (подача вместо пара холодной воды), механи-
ческую очистку нагревательных элементов. Один из путей пред-
отвращения накипеобразования — применение бесповерхностных,
или адиабатных, ВОУ.
Водоопресннтельные установки адиабатного типа. Принципи-
альная схема адиабатной ВОУ показана на рис. 12 8. Такое на-
звание ВОУ обусловлено тем, что морская вода испаряется без
подвода теплоты от внешнего источника за счет собственной
Рис. 12.8. Принципиальная схема од-
ноступенчатой адиабатной ВОУ
типа
Рис. 12.9. Принципиальная
схема ВОУ компрессорного
теплоты при снижении давления воды в распылителях, форсу-
ночных или редукционных клапанах.
Главное отличие адиабатных ВОУ от поверхностных состоит в том, что
теплота к морской воде подводится в отдельном паровом (или водяном) подо-
гревателе 1, в котором вода находится под давлением выше атмосферного
В испарительном сосуде 2 давление поддерживается меньше атмосферного, и
попадающая туда морская вода оказывается в перегретом состоянии, благо-
даря чему с поверхности ее струй небольшая часть (1—2 %) испаряется Эти
пары, свободные от солей, поступают затем в конденсатор 4, откуда уже
в виде дистиллята Д забираются дистиллятным насосом 6. Рассол удаляется
насосом 3 (позицией 5 обозначен вакуум-насос).
Масса и стоимость ВОУ адиабатного типа на 30—40 % выше,
чем ВОУ поверхностного типа, однако они имеют больший пе-
риод работы между очередными чистками поверхности нагрева-
тельных элементов.
Водоопресннтельные установки адиабатного типа могут вы-
полняться многоступенчатыми с числом ступеней от трех до пяти
и использоваться на пассажирских судах и промысловых базах,
где их производительность достигает 200 т/сут. Для подогрева
морской воды в ВОУ применяют два вида теплоносителей: водя-
ной пар низкого давления и нагретую до 70—90 °C пресную
воду. Электрическая (или механическая) энергия в таких уста-
новках используется для привода механизмов (насосов, компрес-
соров) и в средствах автоматики. В зависимости от давления
332
кипения морской воды, соотношения между производительностью
ВОУ и количеством рассола, продуваемого из испарительного
сосуда, расход электроэнергии на выработку 1 т дистиллята со-
ставляет от 10 до 20 кВт-ч.
Водоопреснительные установки теплонасосного типа. На су-
дах, где нет мощных источников тепловой энергии для опресне-
ния морской воды, целесообразно использовать теплонасосные
ВОУ, которые из-за наличия в них компрессора получили назва-
ние компрессорных ВОУ (рис. 12.9). Принцип работы такой ус-
тановки сводится к следующему.
Пар из испарительного сосуда 1 поступает к компрессору 4, который при
водится в действие от электродвигателя 5. Сжатый в компрессор пар посту-
пает в нагревательный элемент 2 испарительного сосуда, где он отдает теплоту
конденсации морской воде. За счет этой теплоты морская вода испаряется
Для предварительного нагрева морской воды при пуске ВОУ служат пусковые
электронагреватели 3. Рассол удаляется насосом 6.
Водоопреснитсльные установки компрессорного типа имеют
две отличительные особенности по сравнению с ранее рассмот-
ренными тенлоиспользующими: потребляют только механическую
или электрическую энергию; в них отсутствует отдельный конден-
сатор, роль которого выполняет внутренняя поверхность нагре-
вательных элементов испарительного сосуда.
Благодаря компрессору теплота испарения морской воды по-
вышает свой потенциал и к этой теплоте, кроме того, добавля-
ется энергия, затрачиваемая на сжатие пара. В результате теп-
лота конденсации пара после компрессора становится достаточ-
ной для испарения морской воды и восполнения потерь теплоты
с дистиллятом и рассолом, а также через изоляцию элементов
ВОУ.
Применение компрессорных ВОУ на судах носит эпизодиче-
ский характер. Вместе с тем работы по совершенствованию этих
машин продолжаются весьма успешно, о чем свидетельствует
опыт фирмы МАН, которая создала стационарную ВОУ произ-
водительностью 500 м3/сут с удельным расходом механической
энергии 17,2 кВт-ч/т.
На рис. 12.10 показано устройство этой машины, которая отличается тем,
что механический привод расположенного в испарительном сосуде 4 центро-
бежного компрессора 3 осуществляется от четырехтактного дизеля 1 через
мультипликатор 2. Морская вода, предварительно обработанная химическими
реактивами против коррозии, проходит последовательно через три регенера-
тивных теплообменника ВОУ: охладители паровоздушной смеси П в.с вакуум-
ного насоса, дистиллята Д и рассола н два теплообменника двигателя — водо-
водяной охладитель и нагреватель, работающий на выпускных газах. При этом
вода нагревается до 60 °C и поступает в верхнюю часть испарительного со-
суда к водораспыливающему устройству 6 Пленка морской воды обтекает на-
ружные поверхности труб 8 теплообменной поверхности и получает теплоту от
конденсирующегося на внутренней поверхности пара более высокого давления.
Образовавшийся при испарении морской воды пар через нижнюю перфориро-
ванную часть 7 внутренней цилиндрической трубы 5 поступает к центробеж-
ному компрессору и после сжатия в нем направляется к трубной системе теп-
лообменника, где отдает теплоту нагреваемой морской воде. Для равномер-
ного подвода пара служат дефлекторы 9,
333
Основные параметры описанной ВОУ приведены ниже:
Параметры
Значение
Производительность по пару, м9/с.............................. 44,5
Мощность двигателя, кВт........................................ 370
Полезно использованная энергия тепловых потерь двига-
теля, кВт ..................................................... 390
Частота вращения компрессора, об/мин ......................... 4833
Давление на входе в компрессор, кПа ............................ 20
Дааление на выходе из компрессора, кПа ......................... 24
Разница температур конденсации и испарения, °C .................. 4
Мощность, потребляемая компрессором, кВт....................... 267
Тепловая мощность ВОУ, МВт ................................. 14,152
Выход опресненной вода на 1 кг топлива, кг/кг ................. 262
Общая масса ВОУ и двигателя, т.................................. 65
Рис. 12.10. Устройство теплонасоснон ВОУ
Данная ВОУ отличается высокой эффективностью: на 1 кг
сжигаемого топлива получается около 260 кг пресной воды
(в лучших вариантах многоступенчатых ВОУ адиабатного типа
этот показатель не превышает 150 кг/кг). Это достигается за
счет развитой системы регенеративного подогрева, позволяющей
нагревать морскую воду до 60 °C, и невысокой разностью давле-
ний на входе в компрессор и выходе из него, что уменьшает
работу сжатия. Несмотря па небольшую разность температур
греющей и нагреваемой сред (4 °C) размеры теплообменной по-
верхности ВОУ сравнительно невелики (около 1200 м2), что явля-
ется следствием высоких значений коэффициентов теплоотдачи
при конденсации пара внутри труб и нагрева пленки морской
воды с последующим ее испарением с поверхности пленки.
Рассмотренная схема ВОУ может быть применена на рыбо-
обрабатывающих судах.
334
12.4. Основные параметры водоопресннтельных
и испарительных установок
К числу основных технических параметров ВОУ относятся:
производительность Do, т/ч или т/сут; удельный расход электро-
энергии А, кВт ч/т; удельный расход пара d, кг пара/кг дистил-
лята; соленость дистиллята, мг/л; коэффициент подачи морской
воды в ВОУ, равный отношению количества подаваемой морской
воды IF к ее производительности £>о, т/т; коэффициент продува-
ния ВОУ тр, равный отношению количества удаляемого за борт
рассола к производительности ВОУ, т/т; относительная масса
ВОУ, кг/(кг/ч); период между чистками поверхности нагрева-
тельных элементов. Производительность судовых ИК.В и ВОУ
составляет от 2 до 400 т/сут. При определении производитель-
ности ИКВ учитываются утечки пара и конденсата, продувание
котлов и поэтому £>икв- т/сут, определяется в зависимости от
расчетной производительности главных котлов О« на ходовом
режиме:
Дикв = 24АЭ (Сут4~ ?пр) Dk, (12-3)
где — коэффициент запаса, k3— 1,254-1,5; £ут— коэффициент,
учитывающий утечки пара и конденсата, £ут = 0,0054-0,01; ?пр —
коэффициент, учитывающий расход воды из котлов через систему
продувания.
При определении производительности ВОУ Do, т/сут, "учиты-
вается ее назначение и тип судна:
Do = kadn (Zj + ?г) 4-От. и, (12.4)
где dH— нормированный расход пресной воды на одного члена
экипажа или пассажира (по существующим санитарным нормам
dn— 1804-240 кг/(сут-чел); гг — число членов экипажа; гг — число
пассажиров; Dt. „ — суточный расход воды на технические и тех-
нологические нужды, который определяется в соответствии с мощ-
ностью ГД и производительностью технологического оборудова-
ния. Приведем пример определения £>т. н: для судов с ДУ на
каждые 1000 кВт мощности ГД или ВД требуется 0,27 т/сут
пресной воды, а на каждую тонну мороженой рыбы расходу-
ется до 100 кг пресной воды (для глазурования рыбы использу-
ется только пресная вода).
Экономичность работы теплоиспользующих ВОУ определяется
удельными расходами электроэнергии А и пара. Термодинамиче-
ский анализ процессов опреснения показывает, что минимальные
затраты энергии на опреснение составляют -4min= 1,33ч-
4-3,27 кВт-ч/т; меньшее значение (1,33) определяли по парамет-
рам осмотического давления морской воды, а большее (3,27) —
по методу термодинамического потенциала. Действительные зат-
раты энергии на опреснение превышают теоретические значения
в 13—25 раз, что свидетельствует о больших резервах повыше-
ния экономичности ВОУ.
335
Удельный расход пара на опреснение зависит от числа сту-
пеней ВОУ. Для одноступенчатых он близок к единице, для трех —
пятиступенчатых ВОУ может снижаться до значений d —0,25-4-
4-0,4 кг/кг.
Наиболее объективным показателем экономичности ВОУ яв-
ляется отношение ее производительности к расходу топлива, ис-
пользуемого в котлах или двигателях для работы ВОУ. Этот без-
размерный показатель do учитывает затраты тепловой и электри-
ческой или механической энергии, а также степень совершенства
ВОУ и оборудования для производства пара, механической и
электрической энергии.
Ниже приведены значения do для различных типов ВОУ.
Тип установки
<#0, кг/кт
ИКВ:
на ходовом режиме............................................ 150—200
на стояночных режимах .................................... [5—20
Водоопреснительные:
одноступенчатые поверхностные ............................ 60—80
многоступенчатые адиабатные .......................... 100—120
компрессорные ........................................ 120—260
Как видно, в среднем на 1 кг сжигаемого топлива в судовых
ВОУ можно получать 80—100 кг дистиллята. Если не учитывать
стоимость ВОУ и обслуживающих ее котлов, двигателей и элек-
трогенераторов, то себестоимость производства дистиллята в су-
довых условиях должна быть примерно 0,4—0,5 руб./т. С учетом
стоимости оборудования и затрат на обслуживание она возрас-
тает до 1—2 руб./т, однако существенно ниже (в 5—10 раз), чем
стоимость пресной воды во многих морских портах. Высокая цена
пресной воды на мировых рынках, с одной стороны, и сравни-
тельно низкая себестоимость ее опреснения, с другой, позволяют
получить значительный эффект от применения ВОУ на судах
при небольшом сроке окупаемости ВОУ (за 2—3 года).
Важным параметром ВОУ является соленость дистиллята, ко-
торая зависит от качества сепарации вторичного пара и солености
рассола. Рассмотрим массовый, солевой и тепловой балансы ис-
парительного сосуда (рис. 12.11). Массовый баланс сосуда может
быть описан уравнением
U7 = U7p + D(„ (12.5)
где W—масса подаваемой за единицу времени морской воды;
W'p — масса удаляемого из сосуда рассола за то же время; Do —
производительность ВОУ.
Разделив каждый член уравнения (12.5) на Da, получим в без-
размерном виде
т~тР+ 1, (12.6)
где т и тр — коэффициенты соответственно подачи и продувания
испарительного сосуда.
336
Если пренебречь соленостью дистиллята, то солевой баланс
испарительного сосуда можно выразить равенством
WS^ wpSp,
(12.7)
где Su, и Sp — соленость соответственно морской воды и рассола.
Тепловой баланс испарительного сосуда необходим для опре-
деления расхода греющего пара или горячей воды, требуемых
для работы ВОУ. Этот баланс выражается следующим урав-
нением:
^1(Л“ £'1) ^ВОУ "I" Wite^Dolo-l- I^ptp,
(12.8)
где D\ — расход первичного (греющего) пара (или воды); и
t'i — энтальпии соответственно пара па входе в нагревательный
элемент и конденсата на выходе из элемента j
(или соответствующие энтальпии горячей j, - р
воды); т)воу — коэффициент, учитывающий по-
тери теплоты в окружающую среду, т)Воу= I
= 0,97-s-0,98; iw — энтальпия морской воды. | А | 4 '
Уравнения (12.5), (12.6) и (12.7) позво- * | —51
ляют определять основные параметры ВОУ, ’ Г J
в том числе и соленость дистиллята. Если обо- .
значить степень сухости вторичного пара после |_ "Pty Р
сепаратора х„, то соленость дистиллята опре-
делится зависимостью Рис 12 ] J. Схема ба-
ла neon испаритель-
ного сосуда
So — (1 — Хо) Sp.
(12-9)
Для получения качественного дистиллята с соленостью до
10 мг/л необходимо, чтобы соленость рассола не превышала
50 г/л, а степень сухости вторичного пара была не ниже 0,9998.
Поскольку соленость морской воды около 35 г/л, из уравнений
(12.5) и (12.7) получим, что коэффициент продувания испари-
тельного сосуда должен быть не ниже 2,3. Для ВОУ поверхност-
ного и компрессорного типов коэффициент продувания принима-
ется в диапазоне 3—4, а для одноступенчатых адиабатных до
35—40. С повышением солености рассола не только возрастает
соленость дистиллята, но и нарушается устойчивая работа ВОУ
в связи с увеличением количества пены на поверхности испаре-
ния и колебания уровня рассола в испарительном сосуде.
Для устойчивой работы ВОУ поверхностного и компрессор-
ного типов и получения дистиллята высокого качества важное
значение имеет средняя разность температур между греющей и
нагреваемой средами, которая не должна превышать 20 °C. Чем
она меньше, тем выше качество дистиллята и меньше скорость
образования накипи на поверхности нагрева. Однако с уменьше-
нием разности температур греющей среды и кипения морской
воды увеличивается площадь поверхности нагревательных эле-
ментов и общая масса ВОУ. Таким образом, от выбора этой
337
величины зависят многие технические параметры ВОУ: соленость
дистиллята, удельные энергозатраты, масса и габариты ВОУ.
При определении массогабаритных показателей ВОУ следует
учитывать, что решающее влияние на массу установки оказы-
вают такие элементы, как испарительный сосуд, нагревательные
элементы и конденсатор. Габариты ВОУ определяются в основ-
ном размерами испарительного сосуда и схемой компоновки ус-
тановки.
Все современные ВОУ выпускают в агрегатированием виде
с размещением всех элементов установки на общей фундамент-
ной раме или каркасе. Основу агрегатированной ВОУ состав-
ляют испарительный сосуд и конденсатор, находящиеся в верх-
ней части каркаса. В нижней ее части размещены насосное обо-
рудование, арматура, средства автоматики и контроля.
На рис. 12.12 показана конструктивная схема утилизационной поверхно-
стной ВОУ серии Д, применяемой на судах с ДУ и имеющей производитель-
ность 1—25 т/сут. Основу конструкции составляет цилиндрический испаритель-
ный сосуд 1. В нижней его части установлен прямотрубный нагреватель 4,
в который подается горячая вода П.в, а в верхней расширительной части —
горизонтальный сепаратор 3 жалюзийного типа и двухходовой прямотрубный
конденсатор 2 горизонтального исполнения.
Для регулирования ВОУ необходимо поддерживать в опреде-
ленных пределах уровни рассола в испарительном сосуде и дис-
тиллята в сборнике конденсата, а также величину разрежения
в испарительном сосуде. Уровни рассола и дистиллята регули-
руются автоматически управляемыми клапанами на нагнетатель-
ных линиях рассольного и дистиллятного насоса. Клапаны снаб-
жены сервоприводами пневматического типа, получающими сиг-
налы от датчиков уровня.
Таблица 12.5
Параметры утилизационных ВОУ серии Д
Параметры Д-2У д-зу Д-4У Д5У
Производитеньность уста- новки, т/сут 2,5—3,2 5,0—6,0 10—12,5 20—25
Подача воды к конденсатору, 20 35—40 55—62 90—100
Подача питательной воды, кг/ч 530 1050 2060 4160
Расход нагретой пресной во- ды, м3/ч 10—16 20—45 35—70 70—135
Подача пара к эжектору, кг/ч 180 265 530 1050
Расход электроэнергии, кВт 0,85 725 1,4 785 1,4 1620 1,4 2520
Масса сухой установки, кг
абариты, м 1.18Х1Х 1,215Х 1.67Х 1.59Х1.8Х
XI,59 Х1.12Х Х1.78 X 1,39X2 Х2,4
338
При отсутствии подсоса воздуха, нормальной работе насосов
и подаче греющей среды вакуумные насосы (или эжектор) под-
держивают необходимый вакуум (91—93 % для утилизационных
ВОУ) или абсолютное давление (7,5—9,8 кПа).
В табл. 12.5 приведены основные параметры ВОУ серии Д,
успешно работающих на многих судах транспортного и промыс-
лового флота. Для предотвращения попадания в цистерны прес-
ной воды некачественного дистиллята все ВОУ оборудованы со-
лемерами со звуковой и световой сигнализацией на местном и
центральном постах управления. В случае превышения установ-
Рис. 12.12. Конструк-
тивная схема утили-
зационной ВОУ се-
рин Д
Рис. 12.13. Зависимость
массы горячей аоды от ее
температуры и протводи-
тельности ВОУ
ленных значений солености дистиллята его подача в цистерну
прекращается автоматически и он сливается в испарительный
сосуд.
Внутренние, поверхности ВОУ омываются морской водой, ко-
торая вызывает коррозию корпуса испарительного сосуда, нагре-
вательных элементов, деталей конденсатора. Для зашиты дета-
лей от коррозии применяют протекторы и коррозионно-стойкие
материалы (медно-никелевые сплавы). От накипи нагреватель-
ные элементы очищают с помощью химических методов, включая
щелочение и кислотную очистку.
Производительность утилизационных ВОУ зависит от темпе-
ратуры горячей воды и скорости ее подачи, что иллюстрируется
кривыми на рис. 12.13 для установки типа Д-4У. Для работы
ВОУ при снижении мощности ГД необходимо поддерживать тем-
пературу воды, охлаждающей ГД, поскольку при ее колебании
ВОУ оаботает неустойчиво и возможно засоление дистиллята.
339
Глава 13
СУДОВЫЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
13.1. Судно
как источник загрязнения
окружающей среды
В процессе эксплуатации судно находится во взаимосвязи
с окружающей средой: для работы ЭУ и судовых систем потреб-
ляет забортную воду и воздух, сбрасывает в атмосферу выпуск-
ные газы, а в гидросферу — забортную воду из теплообменных
аппаратов и нефтесодержащие воды, является источником теп-
лового, шумового, вибрационного и радиационного загрязнений
биосферы и др. Вследствие несовершенства процессов сгорания
топлива, судовых систем и ЭУ, конструкций механизмов, наруше-
ний правил технического обслуживания, а иногда в результате
аварий или гибели судов сильно загрязняется биосфера. Это
приводит к изменению санитарко-гигиенических условий жизне-
деятельности человека, способствует развитию различных забо-
леваний и оказывает негативное влияние на флору и фауну.
Источниками загрязнения биосферы при эксплуатации судна
являются ЭУ, перевозимый груз, экипаж и пассажиры. Качест-
венная и количественная стороны загрязнения составляющих
биосферы (атмо-, гидро- и литосферы) определяются типом и на-
значением судна, видом перевозимого груза, типом и мощностью
ЭУ, сортом топлива, степенью автоматизации СЭУ и пр.
Источники загрязнения биосферы при эксплуатации СЭУ при-
ведены на рис. 13.1 (установки КВ и РЖ — кондиционирования
воздуха и рефрижерации). Ниже рассмотрены основные пет оч-
ники.
Выпускные газы. Их токсичность определяется сортом топлива
и условиями его сгорания. Так, применение более дешевых тя-
желых сернистых топлив вызывает повышенное загрязнение ок-
ружающей среды, увеличивает изнашивание и число отказов
СЭУ. Очевидно, что при выборе сорта топлива решающее зна-
чение могут иметь перечисленные факторы, а не его де-
шевизна.
В выпускных газах находится около 200 компонентов, кото-
рые можно разделить на шесть групп (табл. 13 1). Группа I
представляет собой продукты полного сгорания топлива, кото-
рые способствуют образованию парникового эффекта и кислот-
ных дождей: СО (группа II), NO и т. д (группа III) участвуют
в образовании фотохимических реакций смога; примеси группы
IV являются канцерогенами. Наиболее опасен 3,4-бензо(а)пирен-
(С2оН)2), представляющий собой желтые кристаллы, хорошо ра-
створяющиеся в органических растворителях. Альдегиды отно-
340
сятся к группе V. Сажа (группа VI) является переносчиком кан-
церогенных свойств. При работе СЭУ на сернистых топливах
в состав выпускных входят неорганические газы группы VII
(сернистый ангидрид SO2 и др.).
Выпускные газы способствуют задымлению атмосферы (чер-
ный цвет придают сажа и зола, а бурый — двуокись азота). Дым-
ление, кроме загрязнения биосферы, ухудшает видимость и умень-
Утечки выпускных
газов через неплот-
ности трубопроводов
Продувание
котлов,
свисток
| Тептота
[ Шум
[Вибрация
[ Радиоактивность
Выпускные газы
ГД, ВД, котлов
Вентиляционные
пары из бункера
и картера цви> а-
» т -
I Газы, пары I
-I—V
ГД Атмосфераг
' I I
Утечки хлад-
агентов усга-
новокКВиРЖ
Утечки агентов
судовых систем
Испарения
ингибиторов
Сброс золы
и нагара
Нефть и ее про-
дукты
Рис. 13.1. Источники загрязнения биосферы при эксплуатации СЭУ
шает солнечную радиацию на поверхность земли в результате
поглощения и рассеяния света взвешенными частицами. С по-
мощью искусственных спутников Земли были обнаружены устой-
чивые дымовые образования над основными курсами движения
судов (ежесуточно до 2000 ед.) в Атлантике.
Концентрация токсичных веществ выражается в %, мг/л, мг/м3,
см3/м3. Предельно допустимая концентрация (ПДК) — это мак-
симальная концентрация примеси, отнесенная к определенному
341
Таблица !3.l
Токсичные примеси в выпускных газах дизелей
Груп- па Примеси пдк, к Концентрация примесей в выпускных газах. % Воздействие на человека при концентрации.
1 Азот N2, кислород О2, водород Н2, водяной пар НаО, углекис- лый газ СО2 - -
II Окись углерода СО 0,0008 0,005—0,5 0,01 — хрониче- ское отравление при длительном воздействии; 0,05 — слабое отравление че- рез 1 ч; ] — по- теря сознания после несколь- ких вдохов
III Окисли азота: NO, NO2, NsO4, N2Os и т. Д. 0,000009 (в пересче- те на NtOs) 0,04—0,2 0,0013 — раздра- жение слизи- стых оболочек носа и глаз; 0.004—0,008 — отек легких •
IV Углеводородные соеди- нения СхНу Альдегиды: — 0,013—0,047
акролеин СН4СНСНО (жидкость) 0,0008 0,001—0,004 0,014 — смерть через 10 мин
формальдегид НСОН (газ) 0,00001 4—7 • 0,007 — раздра- жение дыха- тельных путей и глаз
VI Сажа С 0,000038 0,01—0,5 •• .—
VII Сернистый ангидрид so2 0,000012 0,003—0,05 0,0017 — раздра- жение глаз, кашель; 0,004— отравление че- рез 3 мин
* Концентрация примесей в см’/м’.
Концентрация примесей в мг/л.
периоду осреднения, не оказывающая вредного воздействия на
человека и окружающую среду (при периодическом воздействии
или на протяжении всей жизни человека).
Концентрация токсичных веществ в выпускных газах зави-
сит от типа двигателя (табл. 13.2), сорта топлива, температуры
и давления газов, конструкции камеры сгорания или форсунки,
степени сжатия, состава рабочей смеси, режима работы
(табл. 13.3) и др. Загрязнение атмосферы при работе судовых
342
Таблица 13.2
Вредные примеси в выпускных газах двигателей
Тип двигателя Концентрация. % мг/(кВт ч)
Окись углерода Углеводородные соединения Окисли азота
Внутреннего сгорания 0,02—0,5 0,02—0,04 (0,815—16,3) 0,04—0,2
(0,27-6,8) (0,543—2,7)
'азотурбинный 0,025—0,045 0,00015 0,009—0,025
(2,7—4,89)* (0,0163—0,0978)* (0,951—2,7) *
Карбюраторный (54,3—135) (20,3—163) (0,815—2,7)
Внешнего сгорания 0,007—0,03 0,0001—0,0002 0,001—0,002
Стирлинга) (0,068—0,27) (0,002—0,00)2) (0,135—0,27)
* ГТУ с регенерацией.
Таблица 13.3
Состав выпускных газов на различных режимах работы ДВС
Примеси Режим работы
Малый ход Средний ход Полный ход Маневры
со, % схну, % NOx. см’/м3 НСОН, см’/м3 0 0,055 68 17 0,05 0,021 856 37 0 0,015 778 9 0 0,038 9 70
котлов иллюстрируется табл. 13.4, из которой ясно, насколько
оно опасно для портов, каналов, узкостей и прилегающих к ним
территорий. Например, при стоянке в порту работающий на ма-
зуте вспомогательный котел производительностью 1 т/ч выбра-
сывает в атмосферу 4 кг SO2 и 2,25 кг NOX в час. Работающие
дизель-генераторы выделяют 0,95 кг/(кВт-ч) SO2; 16,3 NOX; 5,4
Таблица 13.4
Загрязнение атмосферы при работе судовой
котельной установки
Точка замера от борта, м Концентрация, иг/м’
SO, СО Сажи
10 0,43 31,5 14,5
50 0,21 9.5 0,84
75 0,11 4,7 0,23
150 0,08 2,3 0,11
343
CO; 4,75 сажи. В газах инсинераторов (печей для сжигания отхо-
дов), кроме того, содержатся кислые пары соляной и плавиковой
кислот, пятиокиси фосфора. В СССР ПДК вредных примесей
в выпускных газах составляют 0,05 мг/м3 SO2; 0,085 мг/м3 NOX;
1 мг/м3 СО; 0,05 мг/м3 сажи, что значительно ниже, чем за ру-
бежом.
Содержание примесей в выпускных газах ДВС зависит от
максимального давления сгорания топлива, частоты вращения
ДВС и коэффициента избытка воздуха. На номинальном режиме
работы около 77 % объема выпускных газов составляет азот,
13 % — кислород, по 5 % — углекислый газ и водяные пары. Со-
держание сажи, окислов азота NOX, СО и углеводородов не пре-
вышает 0,5%. В частности, при номинальной нагрузке в ДВС об-
разуется около 7 г/(кВт*ч) окислов азота, что меньше по массе
0,1 % всех выпускных газов. На частичных нагрузках содержание
окислов азота значительно снижается (рис. 13.2). С уменьшением
нагрузки двигателей в продуктах сгорания возрастает, как пра-
вило, содержание сажи и окиси углерода, что обусловлено ухуд-
шением процессов сгорания топлива.
На содержание в отработавших газах окисей различных эле-
ментов заметно влияет состав рабочей смеси ДВС (например,
избыток воздуха при горении) (рис. 13.3).
Учитывая вышеизложенное, при проектировании многовалъ;
ных СЭУ число ГД необходимо выбирать таким, чтобы на до-
левых режимах часть их отключалась, а на основном режиме
обеспечивалось наименьшее загрязнение окружающей среды.
Теплота. При работе СЭУ значительная часть тепловой энер-
гии передается атмосфере или гидросфере. На рис. 13.4 пред-
ставлено долевое распределение теплового загрязнения частей
биосферы в зависимости от типа ГД (малооборотный ДВС и
обычная ПТУ). Площадь секторов обусловлена типом ГД и ча-
стотой вращения его вала, тепловой схемой ЭУ и т. д.
Нефтесодержащие воды. Основной причиной загрязнения мор-
ской среды в нормальных условиях эксплуатации судна является
сброс нефтесодержащих вод. Нефть и ее продукты, попадая
в море, растекаются в виде тонкой пленки. Например, 1 т нефти
может покрыть до 12 км2 водной поверхности. Исследованиями
установлено, что треть поверхности Мирового океана покрыта
нефтяной пленкой, негативное влияние которой проявляется в том,
что она препятствует обмену теплоты и водяных паров между
гидро- и атмосферой, т. е. глобальному процессу, регулирующему
климат на планете и определяющему погоду; задерживает про-
никновение солнечных лучей в глубь воды, ослабляя процесс фо-
тосинтеза водорослей, генерирующих кислород; препятствует за-
глатыванию личинками рыб первичного воздуха для заполнения
плавательного пузыря; является токсичной.
На судах имеется несколько видов нефтесодержащих вод
(льяльные воды МО, балластные воды топливных цистерн, бал-
ластные и промывочные воды танкеров и нсфтсрудовозов). При
344
эксплуатации СЭУ используются топливо, масло, пресная и за-
бортная вода, которые образуют сточные пефтесодержащие воды,
стекающие в трюм МО и МКО и накапливающиеся в льялах- и
сборочных колодцах.
Рассмотрим главные источники образования льяльных вод.
Топливо, масло, пресная и забортная вода просачиваются через
неплотности соединений комплектующего оборудования систем
СЭУ и общесудовых систем, через сальники арматуры и насосов,
а также через язвы и свищи на комплектующем оборудовании
и трубопроводах при их изнашивании. Кроме того, рабочие ве-
Рис. 13.2. Изменение содержа-
ния окислов азота в выпуск-
ных газах СОД (6ЧН 40/45)
при работе по нагрузочной (а)
и винтовой (б) характеристи-
кам
Рис. 13.3. Содержание в от-
работавших газах окиси
азота, углеводородов СхНу
и окиси углерода в зави-
симости от состава рабочей
смеси
щества попадают в льяла при профилактических осмотрах и ре-
монтах оборудования, небрежной транспортировке веществ по
МО и МКО и при нарушении машинной командой правил техни-
ческой эксплуатации оборудования.
Пресная вода поступает в льяла также при конденсации во-
дяных паров и отпотевании внутренних поверхностей корпуса
судна; продувке парогенераторов, баллонов сжатого воздуха, во-
домаслоотделителей и другого оборудования; мытье настилов
и пр.
В качестве дополнительных источников поступления заборт-
ной воды можно назвать протечки через сальниковое уплотне-
ние дейдвудного устройства валопровода, фильтрацию через не-
плотности наружной обшивки корпуса.
Различные рабочие вещества могут поступать в льяла слу-
чайно и в результате аварий. В льяльных водах может содер-
жаться 70—80 % топлива, 30—20 % масла, 4—6 % механических
примесей, а также поверхностно-активных веществ. Такая слож-
345
ная смесь (рис. 13.5) разделяется с трудом. Часть ее осаждается
на конструкциях набора судна.
Масса льяльных вод зависит от типа и водоизмещения судна,
типа ЭУ (табл. 13.5), режима нагрузки. Так, общая концентра-
ция нефти в льяльных водах на ходовом режиме в 4—5 раз
больше, чем на других режимах, потери нефти с этими водами
составляют около 18,5 % всех потерь нефти танкерами.
На танкерах и нефтерудовозах, не имеющих специальных бал-
ластных цистерн, для обеспечения остойчивости и мореходных
качеств принимают забортную воду в пустые топливные цистерны
Рис. 13.4. Тепловое загрязнение био-
сферы СЭУ разного типа
Рис. 13.5. Распределение нефтепро-
дуктов в льяльных водах:
и грузовые танки. Промывочные воды образуются в процессе
мойки грузовых танков для зачистки остатков груза (нефть, вред-
ные жидкие вещества), ржавчины и грязи, скопившихся за время
эксплуатации судна. Качественные и количественные характери-
стики балластных и промывочных вод определяются физико-хи-
мическими свойствами остатков топлива и груза, химическими
свойствами забортной воды, способами мойки и зачистки. Доля
загрязнения морской среды промывочными водами с танкеров со-
ставляла (1971 г.) 50,6 % при мойке танков по обычной системе
грузовых работ и 19,1 %—при системе «загрузка поверх остат-
ков».
Аварийные разливы. Возможность попадания нефти и ее про-
дуктов в море из танкеров при авариях предваряется комплексом
мер: совершенствованием конструкции корпуса (двойные борта
и дно, специальные балластные цистерны), повышением надеж-
ности средств судовождения, мойкой танков сырой нефтью и т. д.
Для аналогичных целей подобный комплекс используется на
химовозах — танкерах, перевозящих ядовитые жидкие вещества
различной категории (А, В, С, Д) наливом. Группа категории
оказывает влияние на схему конструктивной защиты, состав и
размещение оборудования СЭУ. Установлено, что современные
размещение UlAip vauoonnn . О V1 НПОВЛСНО, чти современные
химовозы оборудуются ДУ (36% с МОД и 62 % с СОД) с мощ-
346
ностью установок 9,6—13,5 МВт; ВРШ (одна треть), носовыми
подруливающими устройствами (25%), двухвальными установ-
ками (8%). В связи с широким ассортиментом грузов применя-
ется большое количество грузовых насосов (40—50), которые мо-
гут располагаться в I—4 грузовых помещениях, разнесенных по
длине судна. Промывочные воды, разбавленные в зависимости от
категории ядовитого жидкого вещества, сбрасывают в море через
шланг на грузовой палубе (8—10 м от борта судна) или через
кингстоны, расположенные ниже ватерлинии.
Таблица 13.5
Загрязнение льяльных вод на морских судах
Судно (водоиамещение, т) тип ЭУ (мощность. кВт) Количество откачиваемых вод, - от Д) Загрязненность
Танкер «София» (64 000) ПТУ (14 000) 250—290 (0,39—0,45) 150—72 000
Танкер «Прага» (43 000) ПТУ (14 000) 145—180 (0,34—0,42) 150—80 000
Танкер «Казбек» (11 800) ДРУ (2 950) 90—110 (0,76—0,94) 100—20 000
Сухогруз «Красноград» (12 000) ДУ (6 600) 160 (1.33) 100—28 000
Сухогруз «Архангельск» (7800) ДУ (6 150) 98—108 (1,25—1,38) 250—35 000
Ледокол «Москва» (15 420) дау (1X11 000; 2 X 5500) 100—110 (0,65—0,71) 150—2 600
Дейдвудные уплотнения. Эксплуатация дейдвудных устройств
с металлическими подшипниками может сопровождаться протеч-
ками масла в результате отказов уплотнительных манжет. На-
пример, при истирании манжет утечки достигают 10, а при тре-
щинах в кольцах 30—50 л/сут.
Прочие источники загрязнения. Транспортировка нефтепродук-
тов сопровождается испарением летучих углеводородных соеди-
нений в атмосферу, часть из которых попадает в Мировой океан.
Количество испарений при перевозке нефти в 1973 г- составляло
95,3 млн. т, что почти в два раза больше, чем загрязнение от
автомобильного транспорта (50 млн. т). Углеводородные соеди-
нения также выделяются из бункера и находятся в выпускных
газах. Учет всех перечисленных источников показал, что в 1970 г.
суммарные выбросы их в атмосферу были 9,23, а в 1980 г.
347
22,06 млн т. В целом загрязнение атмосферы при работе СЭУ
составляет 6 % по сравнению с другими источниками.
Количество сточных и фекальных вод на судах зависит от
типа и категории судна, принятой схемы судовой системы. Твер-
дые отходы СЭУ (ветошь, упаковка, шлам) уничтожаются в су-
довых печах (инсинераторах).
13.2. Судовые технические средства
и устройства защиты окружающей среды
В соответствии с требованиями Международной конвенции по
предотвращению загрязнений с судов (1973 г.) и Протокола к ней
(1978 г.) — Конвенция МАРПОЛ 73/78 —все строящиеся суда
оборудуют комплексом природоохранных устройств.
Нефтесодержащие воды на судах очищаются в сепараторах
(коалесцирующего, центробежного и флотационного типов) и
в двух-, трехступенчатых сепарационных установках, в которых
в качестве 1-й ступени может быть применен механический фильтр
или гравитационный сепаратор, 2—3 коалесцирующие приставки
или фильтры, а также модули из полупроницаемых мембран.
В соответствии с правилами Конвенции МАРПОЛ 73/78 степень
очистки нефтесодержащих вод в сепарационном оборудовании
до содержания нефти на выходе должна быть не более 100 мг/д
или 100 частей на миллион (100 млн-1) для открытых районов
и 15 млн-1 (фильтрационное оборудование) для особых районов
(Балтийское, Черное, Средиземное, Красное моря и Персидский
залив).
В настоящее время на судах применяются различные типы
сепараторов и сепарационных установок. Отечественная промыш-
ленность выпускает отстойно-коалесцирующие сепараторы типов
СК и СКМ производительностью 1—10 м3/ч, удовлетворяющие
требованиям Конвенции для открытых районов. При нахождении
судна в особых районах нефтесодержащие воды скапливаются
в сборных цистернах, откуда передаются на плавучие приемные
станции, берег или по выходе судна из этих районов сливаются
в море после обработки в сепараторах.
Конструкция и схема включения сепаратора типа СКМ изображены на
рис. 13.6 Нефтесодержащая смесь из льял насосом 9 подается через предвклю-
ченный фильтр 8 в подогреватель /и далее в полость отстоя 2 и полость смеси
сепаратора 5. Каскадная перегородка 3 способствует отделению наиболее круп-
ных частиц нефтепродуктов, всплывающих и нефтесборнику 6, а смесь посту-
пает к наружной поверхности фильтроэлементов 4, представляющих собой по-
лые цилиндры из напыленного полипропилена. Вода продавливается сквозь
слой полипропилена, а частицы нефтепродуктов, имеющие размеры, значи-
тельно большие размеров пор, укрупняются и всплывают к нефтесборнику 6
Остальные частицы нефтепродуктов адсорбируются порами фильтроэлементов
Вода, очищенная от нефтепродуктов, поступает через каскадную перегородку 3
в полость очищенной воды 7 и далее к системе автоматизировапного контроля
Степень очистки до момента предельного насыщения объема пор доста-
точно высокая, а затем она резко снижается. Каскадная перегородка не обес-
печивает должной степени очистки, поэтому значительная часть нефтепродукт
348
тов поступает,к фильтроэлементу, насыщая его. На поверхности фпльтрпэле
мента Происходят также процессы осаждения и проникновения в его поры
механических примесей, не уловленных предвключенпым фильтром 8. Все это
способствует снижению очистной способности сепаратора и ресуоса фильтро-
элементов.
В настоящее время проводятся работы по гидродинамическому
совершенствованию отстойно-коалссцирующих сепараторов типа
СКМ, которое достигается увеличением скорости потока нефте-
содержаших вод у поверхности коалесцирующих фильтроэлемеп-
тов в направлении снизу вверх. Это осуществляется перепуском
части нефтесодержащих вод мимо фильтроэлемеита. При коэф-
фициенте расхода 0,5 ресурс фильтроэлементов увеличивается
на 40—45 %, а степень очистки достигает 80—100 %.
На судах внедряется отечественная сепарационная установка
типа УСФ с фильтром насыщения, в коюрбм использованы раз-
личные гранулированные материалы с размерами гранул 0,3—
3 мм. Регенерация осуществляется промывкой фильтра чистой
водой, подаваемой в направлении, противоположном движению
потока при очистке нефтссодержащей смеси.
Сброс нефтесодержащих вод за борт регламентируется
МАРПОЛ 73/78. В связи с этим (Правило 9) воду с танкеров
можно сбрасывать при одновременном соблюдении следующих
условий: судно находится в пути за пределами особого района;
на расстоянии более 50 миль ог ближайшего берега; мгновенная
интенсивность сброса не превышает 60 л на милю; действует си-
стема автоматизированного замера и контроля над сбросом и
имеются отстойные танки и пр. (рис. 13.7).
Для предотвращения загрязнения морской среды все суда обо-
рудуют цистернами сбора сточных вод и установками для их
349
обработки с целью слива за борт в любых акваториях. Применя-
ются установки биохимической очистки и обеззараживания сточ-
ных вод с различными способами обработки вод. Например, поль-
ские установки типа ЛК-30, -50, -80, -100 (цифра обозначает
число людей на судне), принцип работы которых основан на очи-
щающем действии аэробных бактерий, образующихся вследствие
эффекта аэрации в активном иле; шведская установка «Непту-
матик» производительностью 12—28 м3/ч и потребляемой мощ-
Рис. 13.7. Принципиальная схема автоматизи-
рованной системы контроля за сбросом нефти:
ностью 5—6 кВт, в которой используется принцип флотации; оте-
чественная установка типа ЭОС с электрохимическим способом
очистки, выпускаемая производительностью 2—25 м3/ч и мощ-
ностью 4,3—10 кВт.
Для предотвращения загрязнения моря эксплуатационными и
бытовыми отходами суда оснащают контейнерами для сбора и
хранения отходов, мусоросжигательными печами и вспомогатель-
ными котлами — печами. При установке мусоросжигательной
печи, в которой отходы термически обезвреживаются, повыша-
ется расход топлива, увеличивается пожароопасность судна и
требуются дополнительные площади. Твердые или жидкие от-
ходы (или те и другие) сжигаются в универсальных печах, полу-
чивших наиболее широкое применение. Основные показатели этих
печей: производительность по твердым отходам 10—350, жидким
350
—]50 кг/ч; расход топлива 8—18 кг/ч; потребляемая мощность
2—18 кВт; объем 1,6—23 м3; площадь 0,8—4,8 м2; удельная теп-
ловая нагрузка 42—500 М.Дж/(м3-ч) (по объему) и 188—
775 МДж/(кг-ч) (по массе).
Некоторые характеристики отечественных судовых инсинера-
торов приведены в табл. 13.6.*
На рис. 13.8 приведена принципиальная схема судовой инси-
нераторной установки с печью типа СП-50. Установка состоит из
узла подготовки отходов и печи для их сжигания. Узел подго-
товки работает следующим образом.
Обводненная смесь нефтеотходов подается по патрубку 4 в смесительную
цистерну 2, где при помощи паровой грелки 1 смесь подогревается до 60—
70 “С и тщательно перемешивается циркуляционным насосом-эмульгатором 3
по схеме: насос 3 — клапан 5 — цистерна 2— насос 3.
При многократном прохождении смеси нефтеотходов через насос 3 она
дробится на мельчайшие частицы и образуется эмульсия (нефтепродукт —
вода), пригодная для сжигания в камере сгорания. Эмульгированная смесь по-
дается дозирующим насосом 6 к воздухомеханической форсунке 9, через ко-
торую распиливается. Для пуска камеры сгорания и последующего поддержа-
ния режима горения смеси нефтеотходов предусмотрена форсунка 1/ с элек
трозажиганием 10, работающая на дизельном топливе, подаваемом насосом 7
Для поддержания горении смеси нефтеотходов и дизельного топливо воз-
дух подается дутьевым устройством 8. Твердые отходы загружают в камеру
сгорания через лаз 13\ воздух для сжигания этих отходов поступает из Атмос-
феры по каналам 16, образованным в нижней части камеры сгорания. Воздух
засасывается вытяжным вентилятором (дымососом) 12, который создает раз-
режение в камере сгорания осуществляет отсос (выброс) в атмосферу про-
дуктов сгорания (газов), а также обеспечивает охлаждение наружных частей
печи при прохождении наружного воздуха в зазоре между корпусом 14 ti
огнеупорной кладкой 15. Далее воздух смешивается с выпускными газами и
снижает температуру на входе в дымосос 12 до приемлемого уровня (около
300 °C).
Характеристики судовой лечи СЛ-50: производительность по
твердым и жидким отходам по 50 кг/ч, расход дизельного топ-
лива 6,5—13 кг/ч, площадь 1,77 м2, объем 3,2 м3, сухая масса
2800 кг.
Мусор можно сжигать в установке, представляющей собой
комбинацию вспомогательного котла и судовой печи, одно из
достоинств которой состоит в том, что для работы печи может
быть использовано оборудование вспомогательного котла. Такая
установка типа AQ-Ю датской компании «Аальборг Ваерфт»
паропроизводительностью 1,37—3,75 т/ч приведена на рис. 13.9.
В ней сжигают твердые и жидкие отходы. Топочная камера вспо-
могательного котла ограждена стальным листом. Время горе-
ния 4—6 мешков мусора объемом по 0,05—0,075 м3 составляет
6 ч. Жидкие отходы, содержащие до 20—25 % воды, сжигают
через специальную форсунку, однотипную нефтяной для выра-
ботки пара.
В связи с экономией энергии и топлива на судах большее
внимание стали обращать на источники низкопотенциальной теп-
* Жуков И. Л. Нужны ли на судах инсннераторы?//Рыбное хозяйство, 1986,
№ 8. С. 49—51.
351
Таблица 13.6
Характеристики инсинераторов
Параметры СП 10 СП-25 СП-50 П-15
Количество сжигаемых отходов, кг/ч: мусора 10 25±5 50±5 15
нефтеостатков — — 50±5 —
Загрузка (объем) макси- Разовая Постепенная по мере сгорания
мальная, кг/м3 Способ загрузки отходов 300 (0,2) В мешках 1 1 Россыпью и в мешках
Вид топлива Дизельное, ГОСТ 305—82 и ГОСТ 4749—73
Расход топлива на сжи- гание, максимальный, кг/ч: мусора 2,5 3,5 6,5 0,75—0,3
нефтеостатков (обвод- ненных) Давление перед форсун- — — 13 (только для розжига)
0,9±0,1 1,3±0,1 0,9±0,1 Самотеком, на-
кой, МПа Расход воздуха на уста- 700 2000 5500 пор 0,005—0,025 Естественная
новку, нм3/ч Количество дымовых га- 850 2500 8600
зов при максимальной нагрузке, нм3/ч Газовоэдушное сопро- 100 800 550
тивление дымохода за установкой, максималь- ное, Па Температура максималь- ная, К (°C): наружных поверхно- 333 (60) 333 (60) 333 (60) 313 (40)
выпускных газов 623 (350) 623 (350) 623 (350) 973 (700)
Род тока Напряжение Потребляемая мощность, Переменны 50 Ги 4 трехфазный 380 В 16
кВт Продолжительность рабо- 16 12 12 Не регламен-
ты, печи ч/сут эазмеры печи, мм 1050Х980Х 1770Х 1770Х тируется 1175Х980Х
Х2215 Х1470Х X 1810 XI470X X 1810 Х184О
лоты, вызывающие тепловое загрязнение. Наряду с расширением
возможностей традиционных источников использования теплоты
выпускных газов и охлаждающей пресной воды применяются и
новые — это маслоохладители СЭУ и воздухоохладители систем
воздухоснабжения ДВС, теплоту рабочих сред которых утили-
зируют для нужд установки.
352
Уменьшение выбросов в атмосферу отложений (сажи и пр.)
достигается установкой в судовых дымоходах и газовыпускных
трубопроводах искрогасителей, а также глушителей (помимо их
основного назначения), Применяют искрогасители сухого и мок-
рого типов различных конструкций.
Рис. 13.9. Судовая печь — вспомогательный
котел типа AQ-10:
Рис. 13.10. Искрогаситель
сухого типа
В искрогасителе сухого типа (рис. 13.10) выпускные газы из приемного
патрубка I входят на завихряющие лопатки 2, установленные под постоянным
углом. Далее, огибая конус 3, газы выходят из камеры 4 через патрубок 5
в атмосферу. Твердые иесгоревшке частицы улавливаются через щели б с ло-
вушками 7 в виде отогнутых полос. Чаегицы, отброшенные центробежными
силами к стенке, скользят по ее поверхности и, достигнув ловушки, проникают
через щель в зарубашечное пространство 8. Частицы удаляются через лючок 9.
С целью полного искрогашения применяют мокрые искрога-
сители, поглощающие некоторые газообразные компоненты, с от-
крытой и закрытой системами искрогашения.
Сажу, частицы топлива и масла, растворенные токсичные
вещества (SOs, альдегиды, высшие окисли азота) улавливают
с помощью жидкостных нейтрализаторов, в которых выпускные
газы проходят через слой воды.
12 Зака! М Б68 353
Работа судовых машин, механизмов и систем вызывает шум
и вибрацию. Источниками шума являются также движитель, кор-
пус судна (удары воли и льда) и пр. В соответствии с природой
и видом передачи нежелательных колебаний разработан комп-
лекс методов и устройств, направленный на снижение шума и
вибрации (рис. 13.11): в источнике возникновения (воздействие
на рабочие процессы, изменение конструкции и т. д.) (7); ослаб-
лением их влияния через фундаментные и корпусные конструкции
виброизоляцией и вибродемпфированием (77); установкой защит
от воздушного шума (///, /V).
При эксплуатации ЭУ любого судна образуются нефтяные ос-
U8 11 в
татки (в результате сепарации топлива и масла, их утечек в МО).
Если они не могут быть соответствующим образом обработаны,
то их сливают в сборные цистерны, выбор числа-которых зависит
от типа СЭУ и продолжительности рейса.
Минимальная вместимость сборной цистерны определяется:
— для судов, не перевозящих водяной балласт в топливных
танках, Vf — KiGD, где Ki — коэффициент, равный 0,01 (тяжелое
топливо для ГД перед употреблением подвергается пурифика-
ции) и 0,005 (дизельное или тяжелое топливо, не требующее
нурификации); G— суточный расход топлива, т; D—максималь-
ная продолжительность рейса между портами, в которых нефтя-
ные остатки могут быть сданы в приемные устройства, сут. При
неизвестной продолжительности рейса ее принимают равной
30 сут;
— для судов, оборудованных гомогенизаторами, установками
для сжигания нефтяных остатков или другими устройствами для
их обезвреживания на борту судна и одобренными Регистром,
Vi = l м3 при валовой вместимости от 400 до 4000 per. т; Уг = 2 м3
при валовой вместимости 4000 per. т и более;
— для судов, перевозящих водяной балласт в топливных тан-
ках, Уг= Vi + foB, где К2— коэффициент, равный 0,01 (для тан-
ков тяжелого топлива) и 0,005 (для дизельного топлива); В —
354
вместимость балластных танков, которые могут быть использо-
ваны также для перевозки нефтяного топлива, т.
На любом судне, имеющем сепарационное или фильтрующее
оборудование, должен быть танк (и) для сбора льяльных вод
МО. Может быть установлен сборный танк (и) для хранения
всех пефтесодсржащих смесей с последующей сдачей их в при-
емные устройства, если судно имеет валовую вместимость менее
400 per. т или если оно совершает международные рейсы и пред-
назначено для эксплуатации в особых районах, территориальных
и внутренних водах.
13.3. Обитаемость помещений СЭУ
Обитаемость занятых СЭУ помещений в общем случае харак-
теризуется уровнем (пума и вибрации, наличием вредных излу-
чений, микроклиматом, освещенностью, безопасностью эксплуа-
тации электрооборудования и другими показателями. Все это
должно учитываться при проектировании и удовлетворять тре-
бованиям, определенным соответствующей нормативной доку-
ментацией.
Микроклимат или состояние воздушной среды в помещениях
СЭУ характеризуется температурой, влажностью, содержанием
вредных примесей и скоростью воздуха. Необходимые параметры
воздушной среды в МКО поддерживаются с помощью системы
вентиляции, которая бывает приточной, вдувной и вытяжной, отоп-
ления и системы кондиционирования воздуха.
Температура воздуха на рабочих местах в МКО регламенти-
руется Санитарными правилами для морских судов СССР и дол-
жна поддерживаться не выше 25 °C при плавании в холодных и
умеренных широтах. Относительная влажность должна составлять
40—60 %. В изолированных постах управления температура для
указанных районов соответственно должна быть 20—23 и 22—
28 °C, а скорость воздуха 0,2—0,5 и 0,5—1 м/с.
Поддержание указанных параметров связано с рядом труд-
ностей, обусловленных большими тепловыделениями при работе
двигателей и их систем. Наибольшие тепловыделения наблюда-
ются в энергонасыщенных помещениях и особенно в ПТУ. Доля
удельных тепловыделений q по отношению к полезной мощности
двигателей и других источников теплоты в СЭУ равна 0,02—0,05
и зависит от типа теплоисточника.
Главные малооборотные дизели ............................
Вспомогательные дизели ..................................
Главный турбозубчатый агрегат^...........................
Вспомогательные паротурбинные агрегаты ..................
Газотурбинные агрегаты ..................................
Электрогенераторы с выбросом охлаждающего воздуха в поме-
щение ...................................................
Тепловыделения от главных котлов, кДж/кг пара ...........
Тепловыделения от вспомогательных и утилизационных котлов,
кДж/(ма-ч)...............................................
140—280
120
170
180—250
250
625
12*
355
Зная удельные тепловыделения, можно по соответствующим
формулам подсчитать тепловыделения от конкретных источников.
Избыточные тепловыделения должны быть отведены из МО,
для чего необходимо подать приточный воздух и подвести его
к источникам теплоты с помощью специальной системы венти-
ляции (рис. 13.12). Минимально необходимый объем подаваемого
воздуха может быть определен при наибольшей расчетной
температуре наружного воздуха по формуле 1/в=Физб/(рСрДО>
где VB — суммарная подача приточного воздуха, м3/ч; фВэб— из-
быточные тепловыделения, кДж/ч; р — плотность наружного воз-
духа при расчетной температуре, кг/м3; сР — теплоемкость воз-
духа, кДж/(кг-К); — повышение температуры приточного
воздуха МО, °C (Д/<5 °C).
Приточный воздух подводят к механизмам в нижней и сред-
ней частях МО в рабочие зоны, где может находиться обслужи-
вающий персонал. Количество подаваемого воздуха Vt на пло-
щадке МКО и его скорость w могут быть следующими:
Район оод»чв аоадухв Нр м’/(чы)
Вдоль ГД и постов управления.............. 900
В районе цилиндровых крышек главных ДВС 500
В районе вспомогательных дизель- и турбогене-
раторов ................................... 900
2,0
2,7
356
Продолжение
В районе ГЭД .............................
Вдоль фронта главных котлов...............
К вспомогательным механизмам котлов ....
К вспомогательным механизмам в трюме МКО
К ГРЩ и вспомогательным механизмам на плат-
форме и в шахте МКО ......................
500
2,0
Значительная часть поступающего в МКО воздуха расходу-
ется на горение топлива в двигателях и котлах и па системы
пускового воздуха. В зимний период воздух, поступающий на
рабочие площадки, должен подогреваться. Для этого в систему
вентиляции включают поверхностные подогреватели. Минималь-
ная температура в рабочей зоне не должна быть ниже 16 °C.
Кроме приточной вентиляции МО оборудуют естественной и
искусственной вытяжной вентиляцией. Естественную вытяжную
вентиляцию рассчитывают на отвод из МКО избыточного воз-
духа, т. е. разности количества воздуха, поступающего по при-
точной вентиляции и потребляемого всеми главными и вспомо-
гательными двигателями и котлами. Искусственная вентиляция
дополняет вентиляцию естественную и применяется для отвода
тепловыделений от отдельных механизмов и участков МКО или
скоплений вредных газов (места установки сепараторов топлива
и масла, из-под настила пола и т. д.). Суммарная подача вы-
тяжных вентиляторов составляет до 50 % подачи вдувных.
Центральные посты управления имеют самостоятельную при-
точную вентиляцию, подача которой должна быть достаточной
для отведения избыточных теплопрмтоков от работающего обо-
рудования и устройств. В ЦПУ современных судов сосредото-
чены электронно-вычислительная техника и приборы, надежность
которых во многом зависит от условий их работы. Поэтому по-
мещение должно быть оборудовано системой кондициониро-
вания воздуха, которая поддерживает необходимые параметры
среды.
На обитаемость помещений СЭУ существенное влияние ока-
зывают уровни шума и вибрации. Основными источниками шума
и вибрации являются главные и вспомогательные двигатели, на-
сосы, вентиляторы, компрессоры и другие работающие устрой-
ства и механизмы. Выбор средств звуко- и вибропоглощения
общего и местного назначения определяется на стадии проектиро-
вания СЭУ. К общим средствам снижения воздушного шума
относятся звукозаглушающие устройства (глушители), звукоизо-
лирующие кожухи и выгородки, звукопоглощающие покрытия внут-
ренних поверхностей МО, звукопоглощающие экраны и щиты
у местных постов управления. Снижение вибрации достигается
применением амортизации механизмов, амортизаторов и эластич-
ных подвесок для крепления газовыпускных и воздухоприемных
трубопроводов, гибких вставок в соединениях трубопроводов
357
системы с двигателями, внбропоглощающих покрытий и т. д. Важ-
ное средство защиты обслуживающего персонала, несущего вахту
в МО, от шума и вибрации — звуко- и виброизоляция ЦПУ.
13.4. Экологические проблемы СЭУ
Экологически чистым считается двигатель, не загрязняющий
окружающей среды. Например, двигатель, работающий ’на водо-
роде, выбрасывает в биосферу лишь водяные пары. Перспек-
тивно применение установок закрытого цикла, имеющих внеш-
нюю по отношению к двигателю камеру сгорания.
В связи с этим представляет интерес двигатель внешнего сго-
рания (Стирлинга), который характеризуется малошумностью и
непрерывным процессом горения, происходящим вне его рабочих
органов, что уменьшает токсичность выпускных газов. Для ра-
боты двигателя может быть использовано любое топливо. Име-
ются примеры применения двигателя Стирлинга на судах мощ-
ностью до 50 кВт и на подводных аппаратах.
Судовые двигатели (паруса, ветротурбины), использующие
энергию ветра, также являются экологически чистыми. В Японии
с 1980 г. эксплуатируется экспериментальный танкер каботаж-
ного плавания дедвейтом 1800 т и скоростью 12 уз, имеющий па-
русное вооружение — два жестких паруса, установленных на двух
мачтах, каждый площадью 100 м2 (высота 12, 15, ширина & м).
Заданная скорость танкера обеспечивается совместно с работой
вспомогательного двигателя, в качестве которого установлен ДВС
мощностью 1180 кВт при 250 об/мин с передачей па ВРШ. Без
парусного вооружения требуемая для обеспечения той же ско-
рости мощность ДВС составила бы 1840 кВт. Эксплуатация
танкера показала, что благодаря парусному вооружению эконо-
мится до 36 % топлива.
Эксплуатируются два японских балкера типа «Аква сити» не-
ограниченного района плавания дедвейтом 31 тыс. т (длина 180,
ширина 26, осадка 10,4 м). Каждое из них имеет по два поли-
пропиленовых паруса площадью 176 м2, установленных на баке.
Главный двигатель мощностью 6100 кВт (94 об/с) расходует 21т
топлива в сутки и сообщает судну скорость 13,5 уз. Применение
парусов при неизменной скорости позволило получить экономию
топлива 33 %.
Рассмотренные суда являются обычными судами, дооборудо-
ванными парусным вооружением. Результаты их эксплуатации
оказались благоприятными и поэтому были построены специаль-
ные суда со вспомогательным парусным вооружением. Первым
таким судном стал балкер-лесовоз «Юсуки пайонир» (Япония)
дедвейтом 26 тыс. т, вооруженный двумя парусами каждый мощ-
ностью по 320 м2. На мостике судна установлена ЭВМ, которая
определяет угол установки и степень раскрытия парусов и авто-
матически согласовывает режим работы парусов с ГД, выбирая
его оптимальное значение. Предполагают, что такое судно по
358
сравнению с обычным судном аналогичных размерений позволит
экономить от 15 до 40 % топлива.
Применение комбинирозанных двигателей на судах, связан-
ных по термодинамическому циклу (ГТУ с ТУК, ДВС с ТУК),
не только преследует цель повышения эффективности, но и спо-
собствует уменьшению теплового загрязнения и выбросов в био-
сферу. Продолжается совершенствование оборудования СЭУ в це-
лях охраны природы. Можно отметить применение централизован-
ных систем охлаждения ГД и ВД.
Задача уменьшения протечек масла в забортную воду через
манжеты дейдвудных уплотнений решается в двух направлениях.
Первое предусматривает подбор материала и формы манжеты
с целью снижения потерь на трение в соединении. Так, манжеты
дейдвудного уплотнения типа «Симплекс-компакт», выполненные
из витона (с меньшим коэффициентом трения) бульбообразной
формы, имеют в пять раз меньшую площадь контакта трущихся
поверхностей, чем манжеты из пертунана сильфонной формы
уплотнения типа «Симплекс-компакт», которые применяются при
меньших значениях давления, температуры и окружной скорости.
Второе направление предусматривает создание более надеж-
ных конструкций дейдвудных уплотнений. Например, две англий-
ские фирмы предложили конструкцию дейдвудного уплотнения
типа «Костгард» (рис. 13.13) для валов диаметром 400—900 мм.
Уплотнение состоит нз кармового и носового сальников и устроено так,
что при их износе или повреждении исключаются протечки масла в забортную
воду, и наоборот В кормовом сальнике установлены два масляных уплотни
тельных кольца 4 (кормовое и носовое) одно против другого, а также торце-
вое уплотнение 2, которое препятствует проникновению забортной воды в бу
ферную полость 3 сальника. Просочившаяся забортная вода или масло отво
лнтся через сточную трубку 5 в сточную или масляную цистерны. При запол-
нении системы смазки масло попадает через носовое уплотнительное кольцо
в кольцевую полость между носовым и кормовым кольцами 4 и прижимает
их к защитной втулке вала 1 Этим создается препятствие для протечек масла
в воду, а излишки масла из верхней части кольцевой полости через переливную
трубку 6 попадают в масляную цистерну.
При повреждении или износе торцевого уплотнения излишки забортной
воды, не успевая стечь по трубке 5, заполняют буферную полость 3 и далее
через кормовое уплотнительное кольцо — кольцевую полость и через трубку 6 —
сточную цистерну Одновременно в результате разности давлений .забортной
воды и масла носовое уплотнительное кольцо будет прижиматься к втулке
вала, что предотвращает утечки масла из системы. При повреждении или из
носе уплотнительных колец 4 масло поступает в буферную полость 3, откуда
через трубку 5 дренируется в масляную цистерну Контроль за уплотнением
осуществляется в зависимости от того, какая среда отводится через сточную
трубку. Носовой сальник выполнен обычным с одним уплотнительным кольцом.
Высота дымовой трубы оказывает влияние на загрязнение па-
лубы судна и биосферы. Чем выше труба поднята над палубой,
тем лучше тяга, способствующая более полному догоранию топ-
лива, лучшим золоудалению и искрогашению. На рис. 13.14 по-
казана судовая дымовая труба. Благодаря площадке 3 исключа-
ется задымление палубы при любых скорости и направлении ветра,
что является определяющим для судов этого типа.
359
В настоящее время нет ограничений содержания Токсичных
примесей в выпускных газах судовых двигателей и паровых кот-
лов. Работы по снижению их токсичности проводятся в направ-
лении совершенствования полноты сгорания топлива и дожига-
Рис. 13.13. Схема сальникового дейдвудного уплотнения типа «Костгард»
11500
ния токсичных веществ в выпускных газах. Первое направление
предусматривает, например для ДВС, регулирование рабочего
процесса, изменение конструкции камеры сгорания, состава сцеси
и др. В ГТД дополнительно можно
подмешивать пар к воздуху или
впрыскивать воду в газы, осуществ-
лять плазменное сгорание топлива
и пр. Ведутся работы по повышению
эффективности сжигания в котлах
нефти и угля. Так, добавка известняка
в процессе сгорания угля снижает со-
держание серы в дымовых газах, а по-
нижение температуры горения до
850 °C уменьшает образование окиси
азота.
Токсичные вещества в выпускных
газах дожигают в каталитических или
пламенных нейтрализаторах. Дейст-
вие каталитического нейтрализатора
основано на беспламенном окислении
СО и СхНу и разложении NOX на О2
и N2. В качестве катализатора приме-
няют гранулированную смесь мар-
ганца и окиси меди, хрома, железа
(для низких температур) и элементы
шарики н пр.) из керамики, покры-
тые платиной или палладием (для высоких температур). Нейтра-
лизаторы размещают в выпускном коллекторе или в газоходе.
В пламенных нейтрализаторах дожигание происходит в специаль-
но
Рис. 13.14. Дымовая труба
турбохода «Максим Горь-
1 — кожух; 2 — опоры; 3 — пло-
щадка; 4 — дымоход; S — нскрога-
сителв
различной формы (трубки,
ной реакционной камере подводом дополнительного топлива или
включением электронагревателя.
До настоящего времени в СЭУ не применяется дожигание
вредных примесей. Отсутствуют, кроме того, нормативные доку-
менты, регламентирующие содержание вредных примесей в вы-
пускных газах СЭУ. Принятие таких документов, безусловно, спо-
собствовало бы снижению загрязнения биосферы.
Глава 14
УПРАВЛЕНИЕ ЭУ И ЕЕ
АВТОМАТИЗАЦИЯ
14.1. Назначение и характеристики
систем управления
Автоматизированное управление дизелями. Под управлением
понимают такое преднамеренное воздействие на объект управле-
ния, которое обеспечивает достижение определенных целей.
Целями управления ГД являются поддержание на заданном
уровне скорости судна и ее изменение в соответствии с принятой
программой, а также выполнение операций по подготовке к пуску,
пуск, остановка и реверсирование двигателя.
Управление осуществляется с помощью устройств: пусковых
(клапанов управления пуском, воздухораспределителя и пусковых
клапанов цилиндров), топливорегулирующих, реверсивных. На
управляющие органы воздействуют с помощью командных орга-
нов: рукояток, штурвалов и кнопок.
Управление двигателем заключается в перестройке режимов
его работы, т. е. в изменении нагрузки и частоты вращения.
Способы управления установкой зависят от ее состава и осо-
бенностей входящего в нее оборудования. При прямой передаче
мощности на ВФШ управление двигателем соответствует управ-
лению ПУ. Если в качестве движителя используется ВРШ или
в линию вала входят устройства, определяющие режим работы
ВФШ, управление установкой включает в себя управление и
этими устройствами. Например, в установке с ВРШ обычно ис-
пользуется нереверсивный двигатель, а реверс производится из-
менением шага винта. Изменяя шаг винта, можно регулировать
нагрузку на двигатель. Управление установкой в этом случае за-
ключается в управлении ГД и ВРШ. При наличии в составе ре-
версредуктора управление осуществляется пуском, остановкой и
регулированием частоты вращения нереверсивного двигателя,
361
включением и выключением разобщительной муфты, а реверсиро-
вание - с помощью реверсредуктора.
В установках с электродвигателем после запуска первичных
двигателей управление осуществляется через электрическую си-
стему. Лишь в некоторых случаях частота вращения движителя
зависит от скоростного режима двигателя.
Двигателями, движителями и элементами передач управляют
с постов и пультов управления. Пост управления объединяет
органы управления и связанные с ними задающие распредели-
тельные и блокирующие устройства. На пульте управления
находятся органы управления установкой, на которые непосред-
ственно воздействует оператор. Его оборудуют контрольно-из-
мерительными приборами (индикаторами) и аппаратурой ава-
рийно-предупредительной сигнализации, размещаемыми на специ-
альных щитах. Посты управления должны иметь надежную
двустороннюю связь (обычно два вида связи — например, машин-
ный телеграф и переговорное устройство) с ходовым мостиком и
другими постами управления.
Различают местное и дистанционное управление. Местное уп-
равление (МУ), осуществляемое с местных постов управления,
предназначено для агрегатов ПУ, котлов, электроэнергетических
установок и систем, которые находятся в помещениях’ СЭУ. При
МУ пульт устанавливается на объекте или вблизи него с учетом
удобства его обслуживания. <
В случае работы нескольких двигателей па один движитель
необходим одни (объединенный) местный пост управления.
Дистанционное управление осуществляется из ЦПУ и постов
управления на ходовом мостике.
Посты управления местный, центральный и на ходовом мо-
стике связаны таким образом, что управление движением судна
можно производить только из одного поста. Доминирующими бу-
дут местный пост управления по отношению к ЦПУ и ЦПУ по
отношению к посту управления на ходовом мостике. Переключение
управления с одного поста на другой производится при автомати-
ческой подаче сигнала о переключении.
На пультах местных постов управления ГД размещают органы
управления: штурвалы, рукоятки или кнопочные устройства, тахо-
метр, указатель направления вращения вала и необходимое число
приборов-измерителей для контроля за работой объекта и обслу-
живающих систем.
В ходовом режиме судна вахту в ЦПУ несет механик.
Центральный пост управления оборудуют органами управле-
ния агрегатами ПУ и обслуживающими их вспомогательными
механизмами, средствами управления СЭС, судовыми системами
связи, а также пультами диагностики двигателей. Все это обо-
рудование размещают на специальных пультах, а на щитах рас-
полагают контрольно-измерительные приборы с комплектом инди-
каторов системы автоматической световой и звуковой сигнализа-
ции, блокировки п защиты.
362
ЦПУ могут иьнь открытыми, расположенными в звукоизоли-
рованной выгородке вблизи ГД или закрытыми, размещенными
в специальных помещениях, обычно на платформах М.0 или
вблизи ГД. В закрытом посту управления должны быть преду-
смотрены окна для обзора МО.
Ходовой мостик судна оснащен приборами связи и контроля,
техническими средствами судовождения, пультами ДАУ главным
двигателем и аварийно-предупредительной сигнализацией, сраба-
тывающей при отклонении важнейших параметров СЭУ от до-
пустимых. Этот пост управления комплектуют минимальным
количеством приборов. При наличии ДЛУ и ЦПУ его оборудуют
тахометрами; приборами сигнализации, показывающими готов-
ность к работе главных механизмов и систем ДАУ; указателем
поста, с которого ведется управление; устройством для экстрен-
ной остановки главных механизмов и др.
Зарубежные специалисты предлагают упростить систему ди-
станционного управления СЭУ с ходового мостика на морских
судах, кроме паромов, оставив за ней только функцию изменения
частоты вращения вала п остановки двигателя и исключив функ-
ции пуска и реверса5-. Это мотивируют тем, что при плавании
в открытом море любой аварийный маневр может быть выполнен
изменением курса и скорости судна без использования заднего
хода. При выполнении судном маневров или при плавании в узко-
стях и прибрежных районах управление ГД должно осущест-
вляться вахтенным механиком из МО.
Система управления элементами СЭУ должна обеспечивать
следующие операции: подготовку к пуску, пуск, остановку, ревер-
сирование и изменение частоты вращения вала ГД. В установках
с ВРШ система обеспечивает изменение угла поворота лопастей
с помощью дистанционного воздействия на МИШ, а ДАУ — следя-
щую обратную связь. Включение и отключение движителя в уста-
новках с непрямой передачей мощности осуществляют посредст-
вом разобщительных муфт, управляемых дистанционно.
Условия плавания судна и режимы работы ГД и вспомогатель-
ных механизмов не являются постоянными в связи с изменением
состояния моря и погоды, района плавания и воздействием раз-
личных факторов. Обеспечить при этом высокие экономичность,
надежность и ресурс агрегатов СЭУ можно только при высокой
автоматизации СЭУ. Различают дистанционное неавтоматизиро-
ванное (ДУ) и дистанционное автоматизированное управление
(ДАУ). Рациональный объем автоматизации определяется эконо-
мической целесообразностью с учетом типа, назначения и района
плавания судна. Управлять такими сложными энергетическими
комплексами, какими являются СЭУ современных морских судов,
можно только с применением систем ДАУ.
Системы автоматизированного управления СЭУ, формируются
по принципу трехступенчатой иерархической структуры: первый
* Судостроение за рубежом. 1983, № 5, С. 82.
высший уровень — пост ДАУ на ходовом мостике, второй уро-
вень— ЦПУ и третий уровень — посты управления отдельными
двигателями и механизмами.
Автоматизацию каждого процесса (объекта) можно рассмат-
ривать либо самостоятельно, либо как подсистему в системе авто-
матизации установки в целом, которая в свою очередь является
подсистемой в системе автоматизации судна.
Автоматизация всего комплекса операций по управлению тех-
нологическим (производственным) процессом, его контроль А за-
щита представляют собой комплексную автоматизацию.
Комплексная автоматизация судна позволяет повысить без-
опасность плавания, сократить численность экипажа и, следова-
тельно, снизить строительную стоимость судна вследствие умень-
шения числа жилых и служебных помещений. Она способствует
также увеличению ресурса механизмов; экономии топлива благо-
даря выбору оптимальных режимов; сокращению пути в резуль-
тате точности выдерживания курса при плавании; повышению
надежности механизмов и т. д. В задачу комплексной автомати-
зации входит рациональное распределение функций управления и
контроля между человеком-оператором и средствами автоматики.
При комплексной автоматизации СЭУ централизованный автома-
тизированный контроль производится из ЦПУ, а управление
двигательно-движительным комплексом—из рулевой рубки. Цри
высокой степени автоматизации судна к системе управления
подключается ЭВМ, в памяти которой содержатся значения мно-
гих параметров. С ее помощью решаются навигационные задачи
и задачи, обеспечивающие нормальную эксплуатацию ЭУ.
Регистр СССР устанавливает для автоматизированных судов
три знака автоматизации: Al, А2, АЗ. Знак AI присваивается
судну, если его ЭУ может обслуживаться на ходу без постоянной
вахты в МО и в ЦПУ. Знак А2 присваивается в том случае, если
на ходу судка предусматривается вахта одного механика-опера-
тора в ЦПУ (в МО постоянная вахта не несется), а на стоянке
обслуживание безвахтенное. Процесс управления в этом случае
сводится к изменению заданий или программ, по которым рабо-
тают двигатели или механизмы в автоматизированном режиме.
Суда со знаком автоматизации AI должны быть оборудованы
системами и устройствами автоматизации таким образом и в та-
ком объеме, чтобы при потере ими знака А1 их можно было бы
нормально эксплуатировать со знаком автоматизации А2 в сим-
воле класса Регистра СССР.
Знак АЗ присваивается судам с главными ДВС мощностью
1500 кВт и более, оборудованным системами автоматизации, кото-
рые позволяют осуществлять управление главными механизмами
из рулевой рубки без несения вахты в МО. Допускаются кратко-
временные (не чаще одного раза за 12 ч) операции по уходу за
механической установкой.
Большинство строящихся и находящихся в эксплуатации судов
имеют знак автоматизации А2. Выработаны специальные требо-
Ж
вания по объему автоматизации А2 в символе класса Реги-
стра СССР. В соответствии с этими требованиями в установке
должны быть предусмотрены: дистанционное управление ГД из
рулевой рубки и из ЦПУ; дистанционное автоматизированное и
автоматическое управление ДГ, насосами охлаждения и масля-
ными, вспомогательными и утилизационными котлами, сепарато-
рами топлива и компрессорами сжатого воздуха; дистанционный
пуск и остановка вентиляторов и пожарных насосов; дистанцион-
ный замер уровней жидкости в цистернах и осушение колодцев;
автоматическое регулирование вязкости и температуры тяжелого
топлива; автоматическая сигнализация и регистрация контроли-
руемых величин в СЭУ; дистанционное автоматизированное и
автоматическое управление швартовными и буксирными лебед-
ками, насосами и клинкетами грузовых систем танкеров; дистан-
ционное измерение длины вытравленной якорной цепи, уровня
груза в танках и параметров системы трюмного кондиционирова-
ния воздуха.
Системы ДАУ главными двигателями обеспечивают автомати-
зированное управление пуском, реверсом, изменением режима
работы.
Дистанционное автоматизированное и автоматическое управле-
ние ДГ и вспомогательными механизмами предусматривает их
пуск и остановку при дистанционной подаче команд или при до-
стижении управляемым параметром определенного значения. На-
пример, компрессоры сжатого воздуха, насосы балластной и
осушительной системы могут включаться дистанционно. Отключе-
ние компрессоров происходит обычно автоматически по достиже-
нии в баллонах-хранилищах давления определенного значения.
Подкачивающие компрессоры могут включаться автоматически
при падении давления в баллонах до определенных пределов. На-
сосы осушительной системы также могут включаться и выклю-
чаться автоматически в зависимости от уровня воды в колодцах,
к которым они подсоединены. При параллельной работе ДГ и па-
дении нагрузки до 30 % автоматически отключается один из
двигателей.
Поддержание на заданном уровне основных параметров ГД
(угловой скорости вала, температуры охлаждающей воды и масла,
вязкости топлива, температуры продувочного воздуха) и вспомо-
гательных механизмов обеспечивается автоматическими регулято-
рами. Регулятор и объект регулирования образуют автоматиче-
скую систему регулирования.
Составной частью системы управления является система
централизованного контроля (СЦК). Она обеспечивает индика-
цию и регистрацию основных параметров СЭУ, а также, сигнали-
зацию при отклонении их от допустимых значений.
В СЦК входят датчики контролируемых величин, машина
централизованного контроля, анализирующая информацию от дат-
чиков, и средства представления информации, объединяющие уст-
ройства светозвуковой сигнализации и мнемосхемы (стрелочные
365
и цифровые индикаторы, печатающие машинки и другие регистри-
рующие устройства).
Автоматизация СЭУ и судна значительно облегчает управле-
ние судном, но вместе с тем порождает и ряд новых проблем, ко-
торые необходимо учитывать при создании автоматизированных
судов.
СЭУ следует комплектовать механизмами и оборудованием,
приспособленными к безвахтенному обслуживанию и имеющими
относительно простые системы управления и кон (роля, Необхо-
димо сокращать число контролируемых параметров, вводить обоб-
щенные параметры контроля, а также создавать системы техниче-
ской диагностики.
Высокоавтоматизированное судно требует организации новой
системы обслуживания на базе высокой технической нотготовки
обслуживающего персонала. Следует принимать меры для без-
опасной работы персонала, выполняющего регламентные работы
в МО при автоматизированном режиме.
14.2. Особенности управления
главными двигателями СЭУ
и их регулирование
Мощность двигателя можно изменить воздействием на топлив-
ный насос высокого давления (ТНВД), например через топлив-
ную тягу, которая фиксируется в определенном положении.
В установках с ВФШ при неавтоматизированном управлении
способ задания ходового режима — непосредственное воздействие
на топливную тягу. Программа управления определяется и реали-
зуется механиком на основе его опыта, знаний и ситуации. При
таком способе регулирования частота вращения вала двигателя
будет нестабильной. Так как двигатель работает при фиксирован-
ном положении топливной тяги, а на судно действуют внешние
возмущения (волнение, ветер, перекладка руля), то нагрузка на
двигатель также будет нестабильной во времени, что приведет
к колебаниям скорости судна.
Главные двигатели морских судов оборудуют всережимными
регуляторами частоты вращения, которые поддерживают задан-
ную скорость судна при различных условиях плавания. Задание
и поддержание определенной скорости судна осуществляют вво-
дом командного сигнала от рукоятки управления к регулятору.
Регулятор управляет частотой вращения вала двигателя за счет
изменения затяжки пружины, В этом случае команда на пере-
мещение топливной тяги, управляющей ТНВД, поступает нс от
рукоятки управления, а от выходного элемента регулятора. Такой
способ называют способом управления по стабилизации частоты
вращения вала двигателя.
Рассмотрим процессы перехода от одного установившегося
режима к другому (рис. 14.1), Пусть исходный установившийся
режим определяется точкой А пересечения винтовой характерн-
ее
стики Me с регуляторной характеристикой Ra, заданной подачей
топлива h-t, определенной положением топливной тяги, чему на
графике соответствует частичная характеристика двигателя <М(,
проходящая через точку А.
Для изменения режима (перехода в точку В винтовой характе-
ристики) необходимо увеличить затяг пружины регулятора, чтобы
обеспечить требуемую угловую скорость вала шв- Этому новому
значению команды будет соответствовать и новая регуляторная
характеристика Rb, проходящая через точку В. При резком пере-
ключении органов управления в начальный момент подача топ-
лива регулятором увеличится до величины Лттах, а угловая ско-
рость шл вала сохранится прежней. Такому неустановившемуся
Рис 14.1. График изменения
ходовых режимов
Рис 14.2 Вращающие мо-
менты турбины и компрес-
режиму работы двигателя будет соответствовать точка С, опре-
деляющая вращающий момент Мг, развиваемый двигателем. Мо-
мент Мг больше момента сопротивления на винте Мс, который по-
прежнему сохраняется постоянным. Под действием разности
моментов происходит разгон двигателя п судна, частота враще-
ния увеличивается, возрастает и момент сопротивления на винте.
Процесс разгона протекает по внешней характеристике с макси-
мальной подачей топлива /iTmax до момента, когда частота враще-
ния в процессе разгона достигнет значения, соответствующего
новой настройке регулятора (точка О). Затем регулятор вступает
в работу и уменьшает подачу топлива, приводя со в соответствие
с заданным режимом, характеризуемым точкой В. Наступает
установившееся состояние.
В действительности перестройка регулятора (изменение за-
тяга пружины) может протекать с различной скоростью. Поэтому
и процессы перехода из режима А в режим В могут располагаться
в пределах многоугольника ACDBA.
Способ управления по стабилизации частоты вращения обеспе-
чивает поддержание постоянной заданной скорости судна не-
зависимо от колебаний момента на винте. При этом регулятор
367
постоянно находится в работе и воздействует на рейку топливного
насоса, которая все время перемещается около некоторого сред-
него положения, регулируя подачу ТНВД. Особенность данного
способа управления в том, что при резком увеличении подачи
топлива двигатель может выходить на предельные характери-
стики и некоторое время работать с механическими и тепловыми
перегрузками.
Особенности управления ГТУ. Характерные особенности, свой-
ственные ГТУ, значительно усложняют процесс ее управления и
автоматизацию. 1
Первая особенность состоит в том, что ГТД имеет малую устой-
чивость, обусловленную упругой газовой связью между турбиной
и компрессором. Снижению устойчивости способствует сближе-
ние выходных статических характеристик турбины и компрессора
(рис. 14.2), которые на малых скоростных режимах стремятся
к совпадению. Ухудшает устойчивость ГТД также работа на-
вешенного топливного насоса, подача которого зависит от угло-
вой скорости турбокомпрессора.
Вторая особенность состоит в том, что линии статических ре-
жимов располагают близко к границе помпажа компрессора,
в результате чего возникают неустойчивые и опасные режимы
работы компрессора, приводящие к снижению подачи, степени
сжатия и КПД.
Высокие тепловая напряженность ГТД, начальные темпера-
туры газов и основных элементов двигателя обусловливают
третью особенность. Известно, что повышение начальной темпера-
туры газов на 1 % и увеличение при этом угловой скорости сни-
жает запас прочности лопаток на 14—18 %. Повышение начальной
температуры газов на 5 °C при работе ГТД может сократить срок
его службы на 5%. С другой стороны, снижение температуры
газов на 5°C приводит к потерям мощности на 2%. Во время
работы двигателя может происходить кратковременное повышение
температуры, которое в режимах пуска и разгона достигает 120—
150 °C.
Положения статических характеристик ГТД, кроме того, за-
висят от температуры атмосферного воздуха и степени загрязнен-
ности проточной части двигателя. Повышение температуры воз-
духа на входе в компрессор приводит к росту температуры газов
и снижению мощности двигателя. Все это должно учитываться
в программах управления ГТД.
В процессе эксплуатации ГТД обычно регулируются следую-
щие параметры: частота вращения силовой турбины (угловая ско-
рость со), частота вращения компрессора и температура газов на
входе Тз. В случае работы двигателя на гребной винт регулируе-
мым параметром следует считать частоту вращения турбины.
Стабилизацию этой величины можно осуществить воздействием
на подачу топлива в двигатель. Однако реализация программы
управления w = const посредством изменения подачи топлива при-
водит к частым изменениям мощности ГТД, что вредно сказыва-
368
ется на качестве рабочего процесса и прочностных характеристи-
ках напряженных деталей и узлов двигателя.
Температура газов перед турбиной и мощность — взаимосвя-
занные величины, причем при уменьшении мощности до 15—20 %
номинальной Т$ достигает минимума, а затем при последующем
снижении мощности повышается. Программа регулирования
7,3 = const сложная; трудности возникают и при измерении темпе-
ратуры Тз. Поддержание постоянных значений расхода топлива
G = const обеспечивает стабильность работы газогенераторной ча-
сти двигателя и реализуется с помощью простого по конструкции
автоматического регулятора.
Программа G = const обеспечивает значительно большую эф-
фективность регулирования ГТД по сравнению с программами
d)i = const и 7,3 = const. Однако при ее реализации необходимо
устанавливать ограничительные регуляторы по параметрам <о
и Тъ.
Наиболее сложной и ответственной задачей, требующей состав-
ления специальных программ, является управление ГТД во время
его пуска и реверса. Во время пуска происходит разгон пусковым
двигателем (электрическим, пневматическим или гидравлическим)
компрессора, который нагнетает воздух в камеру сгорания. По до-
стижении определенных параметров воздуха в камеру сгорания
начинает поступать топливо, воспламеняемое в начальный период
запальным устройством, и турбина начинает работать, частота
вращения ротора увеличивается. Двигатель выходит на режим
холостого хода, а пусковой двигатель отключается.
Программа пуска должна быть составлена так, чтобы обеспе-
чивались плавное изменение подачи топлива, плавный разгон
ротора; исключить резкое возрастание температуры газов выше
допустимой и помпажные явления в компрессоре. Обычно пуск
осуществляется пусковым автоматом, который подает команды
к началу последовательных операций и с помощью встроенного
в него блока логики обеспечивает защиту двигателя при различ-
ных опасных ситуациях.
Реверс судовых ГТУ осуществляют с целью изменения направ-
ления движения судна на противоположное или для его торможе-
ния с помощью пропульсивной ТЗХ (или специального яруса
лопаток заднего хода на турбине винта), посредством реверсив-
ной передачи, с помощью ВРШ. При использовании пропульсив-
ной турбины вначале производят торможение ротора турбины
газом, подаваемым на ТЗХ. Затем, когда на ТЗХ поступит боль-
шее количество газа, она начнет вращаться в обратном направле-
нии. Перекладке органов газораспределения должны предшество-
вать уменьшение подачи топлива в двигатель и снижение его
частоты вращения. Это необходимо для предотвращения раз-
гона турбокомпрессоров. После полной перекладки газорас-
пределительных органов можно увеличивать подачу топлива
в камеру сгорания и выводить двигатель на заданный ре-
жим.
369
При реверсировании ГТУ другими способами не требуется из-
менять направление вращения ротора турбины, и двигатель при
этом работает в более благоприятных условиях. Однако при пере-
кладке реверсивных органов установки, как и в первом случае,
следует уменьшить подачу топлива в двигатель и снизить его ча-
стоту вращения до значений, соответствующих режиму холостого
хода.
Направление вращения судового валопровода и движителя
можно изменять гидрореверсивной передачей или реверсредукто-
ром. Основными элементами гидрореверсивной передачи являются
гидромуфта и гидротрансформатор. При работе ГТУ на передней
ходу мощность пропульсивной турбины передается валопроводу
через фрикционную (или кулачковую) муфту. Насосное и турбин-
ное колеса гидромуфты вращаются как одно целое. Турбинные
колеса гидромуфты и гидротрансформатора, связанные с редукто-
ром, передают вращение гребному винту.
При реверсе с переднего хода на задний фрикционная муфта
разобщается и рабочая полость гидротрансформатора начинает
заполняться жидкостью. В это время полости гидромуфты опо-
рожняются. Пропульсивная турбина передает вращающий момент
насосному колесу гидротрансформатора, которое через неподвиж-
ный направляющий аппарат подает рабочую жидкость на турбин-
ное колесо, приобретающее противоположное направление
вращения.
Реверс с помощью реверсредуктора происходит за счет пере-
ключения механических передач переднего и заднего хода. В пере-
даче заднего хода кроме ведущей шестерни и ведомого колеса
имеется паразитная шестерня, которая изменяет направление
вращения ведомого колеса, связанного с судовым валопроводом.
Управление фрикционами переднего и заднего хода, с помощью
которых выходной вал ротора двигателя соединен с передачей,
осуществляется с помощью гидропривода. Программа управления
должна обеспечить последовательность таких операций: уменьше-
ние подачи топлива и снижение частоты вращения ротора двига-
теля до значений режима холостого хода; включение фрикциона
заднего хода и выключение фрикциона переднего хода, или на-
оборот (на роторе двигателя возникает вращающий момент с об-
ратным знаком, замедляющий его вращение, возможен и перегрев
двигателя); увеличение подачи топлива в двигатель и вывод его
на заданный режим.
Реверс ГТУ с помощью ВРШ осуществляется аналогично ре-
версу установки с редукторной передачей. Перекладку лопастей
ВРШ выполняют с помощью М.ИШ, имеющего дистанционное
управление, выведенное на пульт управления установкой. Следует
иметь в виду, что при переходе лопастей ВРШ через нулевое по-
ложение момент сопротивления на винт уменьшается до пуля и
ротор двигателя может получить значительный разгон. Поэтому
уменьшают подачу топлива в двигатель, снижая тем самым его
частоту вращения. По окончании реверса можно увеличить подачу
370
топлива. Время, необходимое для перекладки лопастей ВРШ, 15—
30 с.
Одна из особенности ГТУ заключается в малой инерционности
и скоротечности переходных процессов, что вызывает для опера-
тора трудности при управлении ПУ с ГТД. Это вынуждает при-
менять автоматизированные системы управления. Газотурбинная
установка лучше приспособлена к автоматизации, чем установки
других типов,
Управление частотой вращения турбоагрегатов ПТУ. Главный
турбозубчатый агрегат непосредственно связан с валопроводом и
движителем и вся эта система имеет большую инерцию вращения.
По этой причине ГТЗЛ сравнительно медленно реагирует на из-
менения внешних условий. В то же время при изменении расхода
или параметров пара система турбина—передача—движитель
легко переходит на новый устойчивый режим.
Указанные обстоятельства являются причиной широкого
применения ручной системы управления и регулирования
ГТЗА.
Органами управления ГТЗА являются маневровое устройство
и сопловая коробка регулировочной ступени с сопловыми клапа-
нами. При обводном регулировании мощности используются об-
водные клапаны. Для мгновенного отключения турбоагрегата от
главного паропровода предусмотрен быстрозапориый клапан,
срабатывающий от системы автоматической защиты.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся способы регулиро-
вания мощности ГТЗА ПТУ.
Качественное регулирование заключается в дросселировании
пара перед I-й ступенью турбины с помощью маневрового или
соплового клапанов. Уменьшение расхода пара через ступень вы-
зывает уменьшение давления перед ней и, если ГТЗА работает на
ВФШ,—снижение частоты вращения и мощности. При этом КПД
турбоагрегата уменьшается.
Частота вращения турбины может остаться постоянной, если
турбина соединена с электрогенератором или ВфШ, но тогда дол-
жна быть снижена потребляемая мощность. При таком способе
регулирования КПД не снижается.
Количественное регулирование достигается путем перекрытия
отдельных клапанов, когда оставшиеся полностью открыты. При
этом количество пара перед соплами 1-й ступени изменяется, а его
параметры остаются неизменными. Такое регулирование более
экономичное, чем качественное.
Смешанное регулирование заключается в использовании коли-
чественного регулирования на основных режимах, а качествен-
ного— на промежуточных.
Обводное регулирование осуществляют посредством вывода
из работы на расчетном режиме ступеней малых ходов (с корот-
кими лопатками). В этом случае КПД установки повышается. При
таком способе регулирования свежий пар направляется по обвод-
ному каналу сразу к основной группе ступеней, минуя ступени
371
малого хода, по которым проходит только небольшая часть пара
для их охлаждения.
При работе турбоагрегата на движитель равновесное состоя-
ние системы, как и в случае работы ГД других типов, будет
характеризоваться равенством момента Ме, развиваемого турби-
нами, и момента сопротивления винту Мс, а следовательно, по-
стоянством частоты вращения п. Для перехода на ббльшую ча-
стоту вращения оператор переставляет органы управления турбо-
агрегатом в такое положение, которое обеспечивает повышение
расхода пара и его давления перед регулировочной ступенью.
Из-за большой инерционности системы турбины изменяют частоту
вращения довольно плавно, и плавно происходит разгон ротора,
увеличение мощности и уменьшение момента. Затем наступает но-
вое равновесное состояние при Ме=Мс.
Реверс турбоагрегата осуществляется так.
Вначале закрывается маневровый клапан переднего хода. При
этом под действием сил инерции вращение системы турбины —
передача — винт продолжается в том же направлении с некото-
рым замедлением, и уже через 15—40 с под действием сил со-
противления воды частота вращения винта уменьшается почти
в два раза. Винт будет продолжать вращаться под действием на-
бегающего потока и работать в режиме гидротурбины до полной
остановки судна. Время движения судна по инерции в этом случае
может быть значительным (особенно при остановке с полного
переднего хода)—до 15 мин. Путь, пройденный судном за это
время, составит 10—15 длин корпуса.
При маневрировании или экстренной остановке судна пере-
крывают подачу пара в ТПХ и подают его в ТЗХ, не ожидая оста-
новки вала. Пар, расширяясь в соплах, поступает на лопатки ТЗХ,
которые движутся вначале кромками вперед (режим контрпара).
Давление и температура пара повышаются, ТЗХ развивает боль-
шой вращающий момент и затормаживает валопровод и движи-
тель, которые через некоторое время начинают вращаться в об-
ратном направлении. Режим контрпара позволяет остановить
валопровод за 20—50 с, сократить время остановки судна в четыре
раза и уменьшить его выбег в 2,5 раза.
В этом разделе рассмотрены лишь общие положения, связан-
ные с процессами управления ГД и их автоматизацией. Волее под-
робно эти вопросы освещены в специальной литературе.
14.3. Управление
основными параметрами систем,
обеспечивающих работу ГД,
и их регулирование
Главные двигатели имеют автоматическое регулирование и ди-
станционный автоматизированный контроль основных рабочих
параметров обслуживающих их систем. Поддержание этих пара-
метров в заданных пределах в эксплуатации осуществляется со-
372
ответствующимп регуляторами, По предельным значениям наи-
более важных параметров осуществляются сигнализация, регист-
рация и защита.
В топливной системе автоматизированы весь процесс топливо-
подготовки, пополнение топливом расходных и отстойных цистерн
с сигнализацией о предельных уровнях, удаление шлама из се-
параторов, регулирование вязкости тяжелого топлива и темпера-
туры его подогрева при сепарации, механизирована очистка филь-
тров.
В масляной системе предусмотрены автоматическое регулиро-
вание давления, температуры и аварийная защита по минималь-
ному давлению масла. Кроме того, осуществляются механизиро-
ванная очистка масляных фильтров, автоматизированное удаление
щлама из сепараторов, автоматическое включение резервного мас-
ляного насоса и пополнение масла в сточной цистерне по достиже-
нии минимального уровня,
В системе сжатого воздуха осуществляется автоматическое по-
полнение запаса воздуха. Включение и выключение компрессоров
также автоматическое в зависимости от давления воздуха в бал-
лонах.
Автоматически поддерживается давление пара во вспомога-
тельных и утилизационных котлах судовой установки, темпера-
тура питательной воды, уровень воды в барабанах котлов и в теп-
лом ящике, температура топлива перед форсунками, работаю-
щими на тяжелом топливе. Работа вспомогательного котла
обычно полностью автоматизирована: автоматические пуск и
остановка топливного и питательного насосов, продувка топки и
газового тракта, включение и выключение запального устройства.
Кроме систем ЭУ автоматизируют и общесудовые системы:
водоснабжения, противопожарную, фановую, осушительную, бал-
ластную и др.
Схема автоматизации систем, обеспечивающих работу ГД, мо-
жет быть рассмотрена на примере схемы автоматизации систем
ДУ (рис. 14.3). Судовой дизель с прямой передачей мощности на
гребной винт работает на тяжелом топливе, оборудован замкну-
той системой охлаждения пресной водой, циркуляционной масля-
ной системой, топливной системой и системой пускового воздуха.
Температура сред регулируется перепуском их через охладители.
Топливная система оснащена регулятором вязкости и темпера-
туры, масляная система — регулятором температуры.
Вязкость топлива при работе двигателей на тяжелых сортах
топлива должна поддерживаться в определенных заданных пре-
делах. Опыт эксплуатации однотипных двигателей показывает, что
применение системы регулирования вязкости позволяет умень-
шить расход топлива на 3—5 % по сравнению с тем, когда регули-
руется только температура топлива, так как постоянная темпера-
тура не обеспечивает постоянной вязкости топлива. На судах при-
меняют системы автоматического регулирования вязкости
с регуляторами различных типов. Наибольшее распространение
373
получил зарубежный пневматический регулятор «Лскаиия Виско-
зимат», поддерживающий заданное значение вязкости в пределах
1,5—4,5 мм2/с. Находят применение и другие регуляторы: отечест-
венные Р-1005 и VAF—«Вискотерм».
На автоматизированных судах обычно применяют регуляторы
температуры наддувочного воздуха и регуляторы, стабилизирую-
щие заданную температуру воздуха наддува и точки росы. Цель
регулирования температуры наддувочного воздуха —стабилиза-
Рис !4 3. Схема автоматизации систем, обеспечивающих работу ГД:
ция избытка и предотвращение выпадения влаги в воздушных
ресиверах судовых дизелей, чего трудно добиться без применения
автоматических регуляторов при изменяющихся режимах работы
двигателей.
Азтоматическое регулирование температуры охлаждающей
воды и смазочного масла двигателей применяется практически во
всех установках, а требования к системам терморегулирования
воды и масла определены ГОСТом. Эти системы должны поддев-
живать температуру охлаждающей воды на выходе из дизеля и
масла на входе в него не более 12 °C при нагрузке 25—100 % и
374
при изменении температуры забортной воды от 5 до 35 °C. В прак-
тике эксплуатации пределы нагрузок и температур забортной
воды обычно ниже.
Особенности судовых ГТУ обусловили отличие их систем от
систем управления ЭУ других типов. В ГТУ особое внимание уде-
ляется регулированию расхода топлива и температуры газов
перед ТВД. Устойчивая работа судовых ГТД в диапазоне от холо-
стого до полного хода обеспечивается регулятором расхода топ-
лива. Принцип действия его основан на изменении давления перед
топливными форсунками и подачи топлива в двигатель. Одно-
временно регулятор расхода топлива используется и как регули-
рующий орган изменения подачи топлива при работе регуляторов
угловой скорости турбокомпрессоров.
Работа ГТД зависит от таких важных параметров, как частота
вращения турбокомпрессора и температура газа перед турбиной,
которые определяют температурную и динамическую напряжен-
ность в деталях двигателя и устойчивость его работы. Регулиро-
ванием этих параметров ГТД поддерживаются оптимальные зна-
чения основных показателей его работы (мощность, частота
вращения вала), что предохраняет двигатель от опасных темпера-
турных и динамических напряжений и неустойчивых режимов.
Работа судовых ГТД на основных эксплуатационных режимах
при высоких температурах газов обусловливает необходимость ис-
пользования ограничительного способа регулирования темпера-
туры газов. Обычно температуру газов измеряют за ТВД, так как
значения перед ТВД и за пей связаны почти однозначной зависи-
мостью. Если кратковременное (0,5—0,8 с) повышение темпера-
туры больше заданного значения на 80 °C, регулятор посылает
сигнал на срабатывание защиты по температуре газов, которая
включает электромсханнзм закрытия стоп-крана топливоподачи.
Управление частотой вращения вала двигателя осуществля-
ется рукояткой сектора газа, связанной с дроссельным краном.
Система управления частотой вращения роторов ГТУ полностью
определяется ес схемой и условиями работы.
14.4. Системы ДАУ главными двигателями
при работе на ВФШ
Системы ДАУ предназначены для автоматизации процессов
управления ГД при пуске, реверсе, изменении режимов из руле-
вой рубки (или ЦПУ) с помощью одного органа, обычно совме-
щенного с рукояткой машинного телеграфа. Степень автоматиза-
ции процессов управления при этом должна быть такой, чтобы
судоводитель при задании режимов мог перемещать рукоятку
управления с любой скоростью, не опасаясь аварии ГД.
В общем случае системы ДАУ должны выполнять следующие
функции: пуск подготовленного к работе двигателя, а в случае
неудачного первого пуска — повторный пуск; реверс установки,
а в особых случаях — экстренный реверс дизеля с подачей контр-
воздуха при повышенной угловой скорости вала двигателя с одцо-
375
временным отключением защит, кроме защиты по разносу; из-
менение угловой скорости вала двигателя при бесступенчатом
задании команд на изменение режима из рулевой рубки; аварий-
ную остановку двигателя при подаче соответствующей команды
с пульта управления или от системы защиты; выполнение необ-
ходимых блокировок; регистрацию и светозвуковую сигнализацию
по наиболее важным параметрам и их отклонениям от нормаль-
ных значений.
Системы ДАУ призваны повысить надежность и оперативность
выполнения процессов управления ГД. Эти системы освобождают
обслуживающий персонал от постоянного присутствия у органов
управления ГД в ожидании команд.
На судах отечественного флота установлены системы ДАУ
различных типов, наиболее распространенные из которых электро-
пневматические и электронно-пневматические (с логической частью
на электронных печатных картах); пневмоэлектрические с логиче-
ской и исполнительной частями, выполненными на пневмоэлемен-
тах; электронно-пневматические с электронными логическими бло-
ками.
Рассмотрим в качестве примера работу электропневматиче-
ской системы ДАУ установки с МОД (рис. 14.4). В этой системе
полностью сохранена местная система управления двигателем
с системами защиты и блокировки, а также применен всережим-
ный регулятор. Он позволяет задавать режимы работы ГД, вклю-
чая режим минимально устойчивой работы и программное ограни-
чение подачи топлива в зависимости от скоростного режима.
Система обеспечивает автоматизированное управление двига-
телем, включая операции пуска и реверса. В состав системы
входят три группы функциональных элементов автоматики: испол-
нительных, элементов информации, задатчиков команд и логиче-
ских элементов.
В систему включены три исполнительных элемента: два пневма-
тических сервомотора и электромотор. Один пневматический трех-
позиционный сервомотор служит для перестановки штатных орга-
нов реверса, другой — двухпозиционный сервомотор — для переме-
щения штатного клапана управления пуском двигателя. Электро-
мотор изменяет затяг пружины регулятора, воздействуя тем
самым на подачу топлива и задавая скоростной режим двигателя.
Элементы информации выдают сведения о состоянии штатных
органов управления (контакты) и о скоростном режиме двигателя
(тахогенератор).
Основной пост управления СЭУ расположен на мостике. Он
оборудован машинным телеграфом, маневровым и сигнальным
табло и кнопками включения аварийной программы. На мостике
предусмотрено еще два бортовых поста с рукояткой управления,
реверсографом и индикаторами. Рукоятки управления всех трех
постов связаны между собой цепной передачей и поэтому пере-
мещаются синхронно. В основном телеграфе сосредоточена ап-
паратура, вырабатывающая командные сигналы.
376
Большая Часть аппаратуры управления установкой размещена
в ЦПУ. В нем имеются: шкаф управления, в котором сосредоточены
все электрические и электронные элементы системы, задатчики
Рис. 14.4. Схема электропневматической системы ДАУ:
настройки регулятора двигателя при его пуске; маневровое табло
с сигнальными транспарантами и кнопками, на котором установ-
лен главный переключатель постов; репитер команд для повторе-
ния команд в случае управления через систему ДАУ из ЦПУ;
377
машинный телеграф для задания режимов при управлении уста-
новкой из ЦПУ.
В М.0 вблизи двигателя размещены маневровое табло с сиг-
нальными транспарантами и нажимными кнопками, репитер
команд и световое табло с указаниями «Максимум», «Пере-
грузка», «Неправильное направление вращения», «Напряжение
питания».
Непосредственно на двигателе в районе местного поста управ-
ления установлены рукоятки переключения постов ДУ и МУ;
пневматические сервомоторы реверса и пуска; электромагнитные
клапаны, управляющие подводом воздуха к пневматическим серво- '
моторам; микровыключатели, посылающие импульсы и информи-
рующие логическую часть системы о срабатывании штатной си-
стемы управления; тахогенератор.
Регулятор скорости оснащен программной приставкой для за-
тяга пружины регулятора.
Основные элементы логической части системы управления раз-
мещены в шкафу управления в ЦПУ, в регуляторной программной
приставке и в тумбе машинного телеграфа на мостике.
Управление установкой осуществляется при воздействии опера-
тора на рукоятку и включает следующие операции: пуск под-
готовленного двигателя; увеличение или уменьшение подачи топ-
лива с целью получения заданного режима; автоматическое под-
держание заданной частоты вращения вала двигателя; реверс
двигателя; автоматическое ограничение общей продолжительно-
сти цикла «Пуск» или «Реверс»; остановку двигателя; автоматиче-
скую остановку двигателя при обесточивании ГРЩ или системы
управления; автоматическое включение подачи пара для обогрева
топливных трубопроводов при остановке двигателя; автоматиче-
ское закрытие клапана перепуска циркуляционного масла на
малых ходах.
Кроме того, система ДАУ обеспечивает автоматические блоки-
ровку и защиту двигателя по давлению масла, температуре охлаж-
дающей воды и другим параметрам.
14.5. Системы управления комплексом
двигатель — ВРШ
Система управления ПК с ВРШ сложнее, однако при этом по-
является возможность более полно использовать мощность двига-
теля в различных условиях плавания и оптимизировать его ра-
боту по расходу топлива.
Основная особенность комплекса двигатель — ВРШ заключа-
ется в наличии двух взаимосвязанных регулируемых величин: ча-
стоты вращения валопровода п и шага винта Н. Способы управ-
ления комплексом двигатель — ВРШ могут быть классифициро-
ваны, как показано на рис. 14.5 (TH — топливный насос).
Структурно-функциональная система раздельного управления.
Такая система (рнс. 14.6, а) наиболее простая и надежная в экс-
378
плуатации. Особенность ее заключается в том, чго в зависимости
от заданного режима движения судна оператор устанавливает
частоту вращения валопровода двигателя и шага ВРШ, опти-
мальные значения которых предварительно определяет по специ-
ально составленным номограммам. К недостаткам такой системы
управления следует отнести сложность управления по сравнению
с установками с ВФШ и возможность перегрузки двигателя при
Рис 14 5. Классификация систем управления комплексом двигатель — ВРШ
несогласованном управлении частотой вращения и шагом винта.
Кроме того, расчетные режимы работы установки, определенные
по номограммам, составленным для идеальных условий, не будут
соответствовать действительным оптимальным режимам работы
комплекса при изменении внешних условий.
Опыт эксплуатации показывает, что пользоваться номограм-
мами неудобно, и оператор в большинстве случаев предпочитает
обходиться без них. При этом снижение КПД установки на до-
левых режимах может достигать 25%. Поэтому в современных
системах раздельное управление применяется как резервный
вариант при отказе аппаратуры совместного управления.
379
Система с жесткой программной зависимостью
В этой системе (рис. 14.6, б) управление двигателем и ВРШ осу-
ществляется одной рукояткой, на оси которой установлены не-
Рис. 14.6. Структурно-функциональная схема систем управле-
ния комплексом двигатель — ВРШ:
линейные задатчики частоты вращения и шага винта. Нелинейно-
сти задатчиков выбирают в соответствии с номограммами управ-
ления для наиболее характерного режима движения судна.
В этом случае другие режимы работы не будут оптимальными.
380
Вместе с тем такая система обеспечивает управление установкой
и исключает возможность перегрузки двигателя.
Система с регулированием мощности двигателя. Для поддер-
жания максимальной экономичности ПУ в состав системы управ-
ления должен быть включен регулятор мощности двигателя, под-
держивающий оптимальное соотношение частоты вращения вала
и щага винта с учетом изменения внешних условий. При этом
может быть достигнут оптимальный или квазиоптимальный ре-
жим работы комплекса двигатель — ВРШ на всех нагрузках и
исключается (полностью или частично) перегрузка двигателя.
Программное регулирование мощности двигателя, При таком
регулировании (рис 14.6, в) частота вращения вала двигателя
задается рукояткой, а сигнал, управляющий шагом винта, фор-
мируется регулятором мощности в соответствии с заданной про-
граммой. Программа основывается на зависимости частоты враще-
ния вала от одного из параметров, характеризующего мощность
двигателя. Последний подбирают в зависимости от типа двига-
теля и от тех задач, которые должна решать система управления.
Такими программными зависимостями могут быть следующие:
вращающий момент — частота вращения вала [M = f (и)]; темпе-
ратура выпускных газов — частота вращения вала K°=f(n)J; упор
винта — частота вращения вала [P=f (л)]; зависимость положения
рейки топливных насосов — частота вращения вала =
Наиболее удобная зависимость (п).
При управлении по программе MOpt = f (п) потери мощности
при отклонении режима движения судна от расчетного будут
минимальными. Кроме того, такое управление обеспечивает за-
щиту двигателя от перегрузки при изменении сопротивления
движению судна на установившемся режиме; при разгоне и ре-
версе судна; при неисправности ВРШ; при отключении одной из
линий вала в многовальных установках; при парциальной ра-
боте в многомашинных установках.
Следует иметь в виду, что измерить момент двигателя не-
просто, а датчик момента является довольно сложным прибором.
Поэтому в некоторых случаях прибегают к реализации других
программных зависимостей.
Программа, связывающая мощность двигателя с шагом винта
и частотой вращения вала, определяется пересчетом характери-
стик часовой расход топлива — частота вращения = f (n)J. При
этом можно выбрать оптимальную кривую этой зависимости
только для каких-то средних значений внешних воздействий и со-
стояния винта и двигателя. Для других внешних условий и со-
стояний винта и двигателя опа будет квазиоптимальной.
Программно-экстремальное регулирование. В состав системы
структурно-экстремального регулирования (рис. 14.6, г) входит
программный регулятор поиска экстремума (оптимизатор), кото-
рый включается в работу в момент окончания переходных про-
цессов, вызванных изменением задания. В этот период режим
работы установки близок к оптимальному (за счет работы про-
381
граммного регулятора), и поиск экстремума упрощается. Такая
сис1ема позволяет более точно отыскать оптимальный режим ра-
боты установки, но отличается сложностью (в се составе обяза-
тельно должен быть датчик расхода топлива).
Система управления по задающему воздействию и отклонению
(комбинированное управление). Такая система представлена иа
рис, 14.6, д. Опа применяется для снижения динамической ошибки
при регулировании мощности двигателя. В этом случае при зада-
нии нового скоростного режима частота вращения и шаг винта
меняются ио жестко заданному закону, регулятор вырабатывает
корректирующий сигнал, подбирая такой шаг ВРШ, при которое
двигатель будет работать по оптимальному или близкому к опти-
мальному закону.
Из рассмотренных схем видно, что паилучшим является ком-
бинированное управление по задающему воздействию [// = ?(«)] и
отклонению с использованием регулятора мощности, реализую-
щего зависимости M=f (п) или h=f (п).
14.6, Автоматизированные системы управления
дизель-генераторами и вспомогательными
механизмами
Установлены четыре степени автоматизации судовых дизель-
генсраторов, отличающиеся объемом автоматизации и продолжи-
тельностью безвахтенного обслуживания.
При первой степени автоматизации ДГ обеспечивается авто-
матическое регулирование угловой скорости вала, температуры
воды и масла, аварийной сигнализации и зашиты ДГ. Продолжи-
тельность безвахтенно! о обслуживания составляет не менее 4 ч.
Вторая степень автоматизации, кроме объема регулирования,
определенного выше, предусматривает дистанционное автоматизи-
рованное управление ДГ при безвахтенном обслуживании дли-
тельностью нс менее 24 ч.
При третьей степени автоматизации, кроме отмеченного, преду-
сматривается автоматическое пополнение пусковых воздушных
баллонов, расходных цистерн топлива, циркуляционного масла,
охлаждающей воды и безвахтениое обслуживание до 150 ч.
Объем автоматизации при четвертой ее степени позволяет ис-
пользовать ДГ в составе комплексно-автоматизированных ЭУ
с централизованным управлением.
Обычно на судах с безвахтенным обслуживанием МО (классы
автоматизации А1 и А2) используют ДГ третьей и четвертой сте-
пеней автоматизации.
В объем автоматизации управления электроэнергетической
установкой входят: автоматический пуск Д1\ находящегося
в горячем резерве (подготовленного к дсйстзию), если судно обе-
сточилось или если нагрузка на работающих агрегатах превысила
80 % номинальной; автоматическая синхронизация по угловой
382
скорости введенного в действие ДГ с работающим ДГ и включе-
ние его на шины ГРЩ; автоматическое распределение нагрузки
между работающими ДГ; автоматическая остановка очередного
ДГ при уменьшении суммарной нагрузки параллельно работаю-
щих ДГ ниже 30—35 % номинальной.
Система ДАУ с дизель-генераторами является частью общей
автоматизированной системы управления ЭУ. В ее состав обычно
входят пульты управления (основной и выносной) и блоки управ-
ления и питания. Основной пульт управления, блоки питания и
управления располагаются вблизи ДГ, а выносные (дублирую-
щие) пульты управления всех ДГ сосредоточиваются на щите
автоматизированного управления электроэнергетической уста-
новкой.
Компрессоры сжатого воздуха оборудуются автоматизирован-
ными устройствами для пуска и остановки, продувки скопившейся
влаги, снятия давления при пуске и остановке, охлаждения и
смазывания, сигнализации и защиты. Пуск ч остановка компрес-
соров могут производиться дистанционно из ЦПУ и с местных по-
стов управления.
В состав компрессорной станции судна обычно входит два
главных компрессора, которые обеспечивают необходимый запас
сжатого воздуха для нужд ЭУ. Кроме того, может быть предус-
мотрен отдельный подкачивающий компрессор с меныпей подачей
в сравнении с главным компрессором.
Рассмотрим управление компрессорной установкой, в состав
которой входят два автоматизированных главных компрессора
(рис. 14.7). Номинальный режим работы обеспечивается автомати-
ческим действием одного компрессора, а другой находится в ре-
зерве. Резервный компрессор подключается автоматически при
падении давления в системе до определенных пределов. Автомати-
ческое включение и выключение компрессора происходят с по-
мощью контактных манометров, на которых контакт установлен па
определенное минимальное или максимальное давление в системе.
Например, если один компрессор не обеспечивает пополнения воз-
духа в системе и давление падает до 1,9 МПа, то автоматически
включается второй компрессор. Когда давление в системе дости-
гает 3 МПа, второй компрессор автоматически выключается. Та-
ким образом, давление в баллонах поддерживается автоматически
в пределах 1,9—3,0 МПа.
При пуске компрессора автоматически закрывается электромаг-
нитный клапан 11 и прекращается подача сжатого воздуха на раз-
грузочный клапан 12, который закрывается. После этого компрес-
сор начинает нагнетать воздух в систему.
Управлять компрессорной станцией можно и вручную. При
этом пуск и остановка компрессоров осуществляются дистанци-
онно из ЦПУ или из местного поста управления.
Автоматизация подготовки и сепарации топлив предусматри-
вает регулирование температур сепарируемой жидкости и воды
для создания водяного затвора, разгрузку сепараторов, защиту их
383
от перегрузок и контроль за их работой. При работе сепараторов
контролю подлежат такие параметры, как частота вращения ба-
рабана, нагрузка, температура сепарируемой жидкости и воды,
наличие потока сепарируемой жидкости, наличие водяного за-
твора, вибрация и др.
Принцип действия автоматизированного сепаратора с периодической очист-
кой барабана можно уяснить из схемы на рис. 14.8. При пуске сепаратора
вначале через электромагнитный клапан 2 подводится вода для запирания ба-
рабана сепаратора поршнем-затвором 3, который, поднимаясь в верхнее поло-
Рис. 14.7. Схема автоматизированного управления
компрессорной станцией:
жение, входит в полость 14 и запирает разгрузочные окна 5, расположенные
по окружности барабана. Примерно через 4 мин работы сепаратора откры-
вается электропнсвматический клапан 12, подводящий сжатый воздух в серво-
мотор топливного клапана 13, который, открываясь, пропускает подогретое
топливо в барабан сепаратора. Топливо подается насосом 18 через подогрева-
тель 16. Производительность сепаратора устанавливают дроссельным клапа-
ном 19. регулируй разность давлений перед н за этим клапаном. Очищенное
топливо на полости 6 сепаратора откачивается насосом 17.
По сигналу на пульте управления «Барабан засорен», который подается
датчиком 7, производится очистка барабана. Это происходит следующим об
разом Топливный клапан 13 перекрывает поток топлива в сепаратор. Элек-
тромагнитный клапан 1 открывает доступ воды в полость 4 в результате чего
поршень-затвор 3 опускается вниз и открывает разгрузочные окна 5 барабана
для удаления шлама. Через 15 с клапан 1 закрывается н вода нз полости 4
отводятся по отверстию 15 в барабане. Клапан водяного затвора 10 открыва-
ется через 100 с после включения программы очистки и остается открытым
примерно 35 с.
384
Сепарирование прекращается включением программ остановки. Электро-
двигатель при этом продолжает работать еще около 70 с, что достаточно для
и все клапаны закрытыми
Рис. 14.8 Схема автоматизации сепаратора тяжелого топлива
Работа сепаратора обеспечивается холодной пресной водой, подводимой
в бак по трубопроводу 8, и теплой пресной водой, которая подается к сепара-
юру по трубопроводу 9. К клапану 12 подводится сжатый воздух от си-
стемы И.
14.7. Понятие о технической диагностике в СЭУ
Под технической диагностикой понимают способы и процессы
определения технического состояния объекта, т. е. проверку его
исправности, работоспособности и правильности функционирова-
ния.
13 З.,|;;,з № S68 385
Техническое состояние — совокупность свойств и параметров
объекта, характеризующих его в данный момент времени. Эти
свойства и параметры определены технической документацией и
изменяются в процессе эксплуатации
Диагностировка объекта позволяет определить периодичность
технического обслуживания, ремонта, установить его ресурс,
а также решить задачу технического ретроспектирования, т. е.
установить причины, приведшие к преждевременному’ изнашива-
нию отдельных его узлов Диагностика судовых механизмов про-
водится постоянно обслуживающим персоналом путем периодиче-
ских осмотров и наблюдений с помощью штатных установок и пе-
реносных приборов, которыми оборудованы СЭУ. Это требует
больших затрат труда и времени. Например, состояние судового
двигателя определяют по его вибрации и акустическим данным,
по цвету дымовых газов, расходу топлива и масла и т. д.
В последнее время возможности диагностики, т. е. повышение
качества и точности определения технического состояния, возросли
в связи с появлением новых средств измерительной техники и
электронно-вычислительных устройств
Энергетические установки современных судов оборудуют си-
стемами технической диагностики, которые позволяют осуществ-
лять непрерывный контроль технического состояния, получать
оперативную сигнализацию об отказах и в ряде случаев их прог-
нозировать. Кроме того, появляется возможность обслуживания от-
ветственных узлов установки не по регламенту, а по фактическому
состоянию, т. с. обслуживать механизм тогда, когда это требуется.
Все это приводит к снижению трудоемкости обслуживания уста-
новки без снижения качества, увеличению межремонтных перио-
дов и дает большой экономический эффект. Применительно к ДУ
с МОД введение системы технической диагностики позволяет уве-
личить период между вскрытиями цилиндров дизеля до 15 тыс. ч,
а следовательно, уменьшить расходы на обслуживание и ремонт
па 20—25%, увеличить среднеэксплуатациопную мощность ГД на
7—10 % и уменьшить расходы топлива на 1,5—2,0 %.
Известно, что надежность узлов двигателя неодинаковая, по-
этому в систему технической диагностики следует включать тс де-
тали, которые менее надежны, чаще отказывают и требуют непре-
рывного наблюдения за их состоянием. В ДВС это детали воздухе-
снабжения, цилиндропоршневой группы, топливная аппаратура;
в ГТД — детали проточной части, камер сгорания, подшипники
и др.
Для получения информации, необходимой для диагностирова-
ния перечисленных объектов, следует определить оптимальный
объем параметров, наиболее полно раскрывающих их дефекты.
Средства технической диагностики контролируют диагностические
параметры (температура, давление, уровни, расходы и т. д.), ко-
торые косвенно характеризуют техническое состояние и работо-
способность механизма. Диагностические параметры показывают
изменение так называемых структурных параметров, к которым
386
относятся линейные величины, отражающие геометрические раз-
меры, сопряжения деталей и т. п В системе технической диагно-
стики каждый диагностический параметр может быть представлен
четырьмя значениями:
— номинальным (настроечным), полученным в результате об-
катки или назначенным при хорошем состоянии механизма;
— допустимым, при котором еще ие требуется регулировки, ре-
монта или профилактического осмотра механизма;
— предельным, при котором дальнейшая эксплуатация не до-
пускается:
— текущим — значением параметра в процессе изменения
Основываясь на контроле параметров рабочего процесса дви-
гателя, можно определять его дефекты и прогнозировать состоя-
ние. Метод, базирующийся на данных контроля, регистрации и
последующей обработки параметров объекта, получил название
параметрической диагностики.
Виброакустический метод диагностики основан на анализе уп-
ругих колебаний сопряженных деталей механизма. Состояние
механизма определяется путем сопоставления вибрационных ха-
рактеристик объема, регистрируемых при диагностировании,
с эталонными (начальными для нового механизма или после его
ремонта).
Методом спектрального контроля смазочного масла определяют
количество накапливаемых в пем продуктов износа сопрягаемых
трущихся деталей. Затем, анализируя химический состав этих про-
дуктов и сравнивая с составом материала деталей, определяют
конкретно, какая деталь изнашивается. Обнаружить в масле
стружку можно при помощи магнитных пробок, устанавливаемых
в масляных магистралях или фильтрах.
Визуальный метод контроля находит довольно широкое приме-
нение в диагностике турбомашин. Он позволяет с помощью баро-
скопов и зондов со световодами производить осмотр деталей, на-
ходящихся в труднодоступных местах: дисков, лопаток, роторов,
жаровых труб и др. При осмотрах обнаруживают трещины и дру-
гие внешние дефекты деталей, по которым и судят об общем со-
стоянии узлов механизма и необходимости его ремонта.
На судах применяют различные системы диагностики ЭУ с ис-
пользованием автоматических записывающих устройств, позволяю-
щих получать значения измеряемых параметров в любой момент
времени, строить графики изменения измеряемых величин. Вы-
числителглгое устройство, подключенное к системе, выявляет от-
клонения параметров двигателя и анализирует его состояние.
13*
Глава 15
РАСПОЛОЖЕНИЕ ЭУ
НА СУДНЕ
15.1. Местоположение МО
Расположение помещений ЭУ по длине судна оказывает влия-
ние на технические, эксплуатационные и экономические показа-
тели судна, а также на его общую архитектуру. В морской прак-
тике встречается четыре варианта расположения помещений ЭУ
по длине судна: среднее, кормовое, промежуточное (сдвинутое
в корму от мидель-шпангоута) и носовое (последнее применяется
в основном для судов, перевозящих крупногабаритные грузы).
Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. Для на-
глядности сопоставим типичные варианты расположения — кормо-
вое и среднее — по таким показателям, как грузовместимость и
1 рузоиодъемность, удифферентовка и управление судном, разме-
щение груза и выполнение грузовых операций, обитаемость.
Грузовместимость — грузоподъемность. При неизменных габа-
ритах судна и смещении помещения ЭУ в корму грузовместимость
возрастает. Это объясняется, во-первых, тем, что несмотря на не-
которое удлинение МО, его объем все же уменьшается. Во-вторых,
линия вала получается короче, и отпадает необходимость в Тун-
неле гребною вала, который проходил ранее через кормовые
трюмы. Снижение массы валопровода и отказ от туннеля гребного
вала способствуют увеличению грузоподъемности судна до 0,5,
а в отдельных случаях до 1 %.
Выигрыш в грузовместимости зависит от размерений судна и
типа ЭУ. Так, для судов дедвейтом 10 тыс. т он составит в среднем
1,5—3%. Большие значения (до 15%) могут быть получены для
судов с компактной схемой ЭУ. Например, применение ГТУ с элек-
тродвижением по схеме с разнесенными по высоте ГТГ и ГЭД
позволяет увеличить грузовместимость на 12 % Исполнение ЭУ
по данной схеме особенно целесообразно для таких судов, верхняя
палуба которых не используется для перевозки груза (танкеры,
рефрижераторы и пр.).
Удифферентовка и управление судном. В связи с тем что при
кормовом расположении ЭУ центр тяжести груженого Судна пере-
мещается в нос, удифферентовка таких судов затруднительна. Уп-
равление судном также усложняется из-за ухудшения видимости.
Размещение груза на судне и выполнение грузовых операций.
При кормовом варианте размещения СЭУ в центральной части
судна высвобождаются помещения большего объема, что облег-
чает размещение груза. Отказ от туннеля гребного вала и кормо-
вою трюма также способствует лучшему размещению груза. На
всем протяжении грузовых трюмов верхняя палуба не имеет над-
строек, что делает более безопасной работу береговых кранов.
388
Обитаемость, При кормовом варианте размещения ЭУ условия
обитаемости хуже, чем при среднем, из-за возрастающего влияния
шума и вибрации ЭУ и гребною винта, а также амплитуды ко-
лебаний при продольной качке. Однако при кормовом располо-
жении ЭУ планировка жилых помещении более свободная, ввиду
того что появляется возможность увеличить размеры надстройки,
Промежуточное расположение СЭУ характеризуется тем, что
МО сдвинуто в корму от мидель-шпанюута. За помещением ЭУ,
Рас. 15.1. Расположение помещений СЭУ по длине
судна: а —среднее; б—кормовое; в — промежуточное
как правило, находится один трюм, реже — два. Этот вариант раз-
мещения СЭУ занимает промежуточное положение между кор-
мовым и средним. Например, удифферентовка судна в данном слу-
чае улучшается по сравнению с кормовым размещением СЭУ; ус-
ловия обитаемости также средние.
Существуют определенные типы судов, для которых вопрос
о месте нахождения ЭУ по длине судна можно решить однозначно.
Определяющими факторами при выборе расположения ЭУ на
контейнерном судне являются возможность размещения груза
в трюмах большего объема и возможность более свободной ра-
боты грузовых устройств на верхней палубе. Руководствуясь этими
соображениями, следует отдавать предпочтение кормовому рас-
положению СЭ$’. Однако наряду с кормовым вариантом применя-
389
ется п промежуточный. В последнем случае в кормовом трюме пе-
ревозят рефрижераторные контейнеры.
Суда, перевозящие крупногабаритные или тяжеловесные грузы,
могут иметь кормовое, промежуточное и носовое расположение ЭУ.
Выбрав вариант расположения ЭУ по длине судна в зависимо-
сти от ею назначения, следует решить вопрос о числе отсеков для
размещения ЭУ. Необходимо руководствоваться следующим: число
отсеков под ЭУ должно быть минимальным при наименьшей их
протяженности. Это позволяет уменьшить массу и объем помеще-
ний СЭУ, упростить ее обслуживание. Максимальная длина от-
сека определяется из условия аварийной непотопляемости, а ми-
нимальная— из возможности размещения в нем элементов СЭУ.
На транспортных судах, как правило, СЭУ размещают в одном
отсеке. Расположение СЭУ в двух или более отсеках характерно,
например, для пассажирских судов, ледоколов, паромов и объясня-
ется повышенными требованиями к живучести ЭУ таких судов.
В нескольких отсеках размещается и оборудование ЭУ с электри-
ческой передачей (рис. 15.4). Отсчет отсеков ведется от носа судна.
15.2. Главные и вспомогательные механизмы
в помещениях СЭУ
Расположение на судне СЭУ и ее оборудования должно со-
ответствовать требованиям Правил Регистра СССР.
Энергетическая установка должна надежно работать на Btex
возможных режимах эксплуатации, в том числе при длительном
крене судна до 15 и дифференте до 5°, а аварийные источники
энергии и механизмы — при длительном крене судна до 22,5 и диф-
ференте до 10°.
Оборудование СЭУ располагают так, чтобы к нему был сво-
бодный и удобный доступ для обслуживания и аварийного ре-
монта. Между оборудованием предусматривают проходы шириной
не менее 0,6 м.
Механизмы и аппараты СЭУ устанавливают и закрепляют на
прочных и жестких фундаментах. Фундаменты должны быть лег-
кими, для чего следует располагать оборудование над флорами,
стрингерами и в районе шпангоутов. На палубах и платформах
(отсчет палуб ведется снизу вверх, а платформ — вниз от верхней
палубы) предусматривается специальное подкрепление набора,
если фундамент ire устанавливается .непосредственно на жестких
связях перекрытий корпуса. Малогабаритные механизмы и обору-
дование можно крепить непосредственно на платформах пли на-
стиле второго дна на наварышах. Допускается установка механиз-
мов и другого оборудования на наружной обшивке корпуса, водо-
непроницаемых переборках, стенках туннеля валопровода или на
стенках топливных и масляных цистерн при условии крепления их
к ребрам жесткости или на кронштейнах, приваренных к обшивке
в районе ребер жесткости.
Эксплуатационные качества механического оборудования СЭУ
390
во многом зависят от его рационально! о расположения в ЛЮ. От
размещения агрегатов в МО зависит протяженность трубопрово-
дов и кабелей- Расположение оборудования в помещениях МО
в основном определяется его функциональным назначением и на-
дежностью работы (например, часто насосы для лучших условий
всасывания устанавливают в трюме).
Принцип размещения механического оборудования по функцио-
нальному назначению легко реализуется при агрегатном методе
монтажа.
Размещение оборудования в помещении СЭУ может быть одно-
и многоярусным. На крупных морских судах с большой высотой
борта применяют многоярусное расположение, что позволяет
уменьшить длину МО и габариты установки, компактно разме-
стить ее в помещении. В этом случае, однако, повышается центр
тяжести установки.
Главные двигатели п передачи располаоют в нижней части
ЛЮ, в трюме, на фундаментах, связанных с днищевым набором
корпуса судна. Их компоновка должна быть такой, чтобы обеспе-
чивались надежность, маневренность, удобство в эксплуатации
п обслуживании. Для удобства обслуживания двигателя необхо-
димо освобождать вокруг него достаточные площади, па которые
можно было бы положить крупные детали, вынутые из двигателя
для ремонта. С этой же целью над двигателем оставляют свобод-
ное пространство для извлечения поршней со штоками или шату-
нами посредством специальных подъемных устройств.
В случае применения ДРУ положение СОД относительно пе-
редачи зафиксировано. Как правило, в редукторе располагают
ГУП.
При использовании высокооборотных ДВС с электропередачей
можно размещать ДВС с генераторами и ГЭД как в одном по-
мещении, так и в разных В первом случае для уменьшения длины
МО двигатели и генераторы устанавливают па платформе над
ГЭД. При среднем положении МО с целью сокращения протяжен-
ности валопровода ГЭД располагают в крайнем кормовом отсеке,
который малопригоден для перевозки 1рузов.
Встречаются два принципиально различных вида компоновки
ГТЗА в МО: осевая — с расположением главного конденсатора
в нос от ТНД и в одной плоскости с ней и другими узлами ГТЗА;
подвальная — с расположением главного конденсатора под ТНД
При осевой компоновке ГТЗА КПД агрегата выше (на 0,2%)
в связи с использованием значительной части выходной кинетиче-
ской энергии пара последней ступени ТНД. Кроме того, уменьша-
ются габаритная высота (примерно на 30%) и масса (на 10%)
ГТЗА, положение центра тяжести смещается вниз, по длина ГТЗА
увеличивается. Недостатком осевого расположения ГТЗА является
возможность заливания проточной части ТНД конденсатом при
значительных дифферентах судна и аварийных подъемах уровня
воды в конденсаторе. Поэтому подвальное расположение конден-
сатора предпочтительнее.
391
Все узлы ГТЗА рекомендуется размещать на одной общей жест-
кий рамс, используя преимущества aiрегатирорания. Турбины рас-
полагают в нос от редуктора, ГУП выполняют отдельно от корпуса
редуктора.
Главный конденсатор устанавливают вдоль или поперек судна.
Поперечное расположение обычно используют на судах с доста-
точно широкими обводами корпуса, что облегчает компоновку
ГТЗА, позволяет выполнить фундамент более легким по сравнению
с продольным расположением. Поперечное расположение конден-
сатора не является препятствием для осуществления самопроточ-
пой циркуляции.
По Правилам Регистра СССР каждый ГТЗА должен быть обо-
рудован автономной конденсационной установкой, обеспечиваю-
щей устойчивый вакуум на всех расчетных режимах работы. Вспо-
могательные турбины могут иметь общую конденсационную уста-
новку. На ходовом режиме допускается отводить отработавший
пар вспомогательных турбогенераторов в главный конденсатор или
в ступени главного турбоагрегата.
В состав паропроизводящей установки входят главные (ГПК),
вспомогательные (ВПК), утилизационные паровые котлы (УПК),
механизмы и аппараты, обеспечивающие их нормальную работу.
Главные паровые котлы устанавливают на судах с ПТУ, ВПК —
практически на всех судах независимо от типа СЭУ, а УПК — на
газотурбоходах и теплоходах.
На судах неограниченного района плавания применяется, .как
правило, не менее двух ГПК. Их можно размещать как в трюме,
так и на платформе в общем МО или в специальных выгородках.
На большинстве судов (особенно большого водоизмещения) ГПК
устанавливают в корму от ГТЗА на платформе. Это удобно при
осевой компоновке ГТЗА.
Вспомогательные паровые котлы размещают преимущественно
на платформах. Их ограждают нефтенепроницаемыми комингсами
высотой не менее 0,2 м, а в районе топочного устройства — метал-
лической выгородкой, предохраняющей оборудование от воздей-
ствия пламени в случае его выброса из топочного устройства.
Паровые котлы устанавливают на фундаментах так, чтобы
их сварные соединения не располагались на опорах. Для предохра-
нения котлов от смещений предусматривают соответствующие
упоры и штормовые крепления для возможности тепловых удлине-
ний корпуса. В соответствии с требованиями Регистра СССР рас-
стояние от наружной поверхности изоляции парового котла до сте-
нок топливных и масляных цистерн должно быть не менее 0,6 м.
Если топливо хранится в междудонном пространстве под котлом,
расстояние между обшивкой котла и настилом второго дна дол-
жно быть не менее 0,75 м. Перед фронтом котла запрещается
устраивать лазы для доступа в топливные цистерны. Котлы пре-
имущественно размещают так, чтобы оси коллекторов были па-
раллельны ДП судна. При линейном расположении котлов их пе-
редние фронты должны быть обращены один к другому.
392
Вблизи паровых котлов целесообразно устанавливать агрегаты
водоподготовки, турбонаддувочные агрегаты, элементы обслужи-
вающих их систем.
15.3. Расположение судовой электростанции
Оборудование судовой электростанции размещают в МО вместе
с ГД или в специальных отсеках, помещениях. Регистр СССР тре-
бует наличия не менее двух основных источников электроэнергии,
один из которых должен иметь собственный независимый привод.
Дизель-генераторы чаще всего располагают в трюме или на
платформе, а турбогенераторы — преимущественно на платформах.
Электрические машины с горизонтальным валом размещают
параллельно ДП судна для удобного доступа к органам управле-
ния и ко всем частям, требующим ухода, осмотра и замены.
Распределительные щиты устанавливают в местах наименьшей
вероятности концентрации газов, паров, пыли и воды — чаще всего
на платформе. Если имеется изолированный центральный пост уп-
равления ЭУ, то ГРЩ располагают в этом посту. При наличии си-
стемы дистанционного управления ГРЩ они могут находиться вне
ЦПУ.
В соответствии с требованиями Правил Регистра СССР проход
перед ГРЩ должен быть не менее 0,8 м при длине щита до 3 м
и не менее 1 м при длине щита свыше 3 м С задней стороны
вдоль свободно стоящих ГРЩ обеспечивают проход шириной нс
менее 0,6 м при длине щита до 3 м и не менее 0,8 м для более
длинных щитов. Пространство позади распределительных щитов
с открытыми частями, находящимися под напряжением, выгора-
живают и устраивают двери.
На судах, где освещение и другие ответственные устройства
питаются через трансформаторы, устанавливают пе менее двух
трансформаторов такой мощности, чтобы при выходе из строя са-
мого мощного из них остальные были в состоянии обеспечить по-
требность в электроэнергии на всех режимах работы судна.
В состав аварийных источников тока входят генераторы элек-
трической энергии и аккумуляторные батареи. В качестве первич-
ного двигателя генератора используют ДВС или ГТД, обслуживае-
мые автономными системами. В зависимости от типа судна запасы
топлива должны обеспечивать работу аварийного ДГ от G до 36 ч.
Аварийный ДГ вместе с аварийным распределительным щитом
устанавливают в одном помещении, находящемся выше палубы
переборок и вне шахты МО и имеющем выход на открытую па-
лубу.
В зависимости от назначения и мощности аккумуляторные ба-
тареи могут быть размещены в специальных аккумуляторных по-
мещениях, соответствующих ящиках, установленных в МО, на от-
крытой палубе или внутри корпуса судна; шкафах внутри корпуса
судна; в любом помещении (кроме жилого) при отсутствии до-
ступа воды и возможности механических повреждений, а также
393
вредного влияния батарей на окружающее оборудование. Аккуму-
ляторные батареи служебных телефонов, сигнализации обнаруже-
ния пожара и аварийной сигнализации устанавливают выше па-
лубы переборок вне шахт МО. В случае размещения этих батарей
в специальных аккумуляторных помещениях предусматривается
выход из них на открытую палубу. На судах, имеющих электро-
станцию малой мощности, эти батареи могут быть размещены
в МО таким образом, чтобы в случае затопления судна верхняя
часть батарей находилась, по крайней мере, выше предельной ли-
нии погружения судна. Аналогично располагают аккумуляторные
батареи аварийных потребителей на грузовых судах.
Кабели прокладывают в верхней части помещений, по возмож-
ности по прямым и доступным трассам. В необходимых случаях их
заключают в металлические трубы Запрещается прокладывать
кабели в цистернах и в отсеках, предназначенных для перевозки
воспламеняющихся жидкостей. Не рекомендуется прокладывать их
под настилом МО. Кабели не должны быть утоплены в тепловую
или звуковую изоляцию. При необходимости в изоляции выпол-
няют специальные каналы, облицованные несгораемыми материа-
лами. Последние закрепляют с помощью скоб, зажимов пли обойм,
изготовленных из металла или другого негорючего или трудносго-
раемого материала.
15.4. Оборудование систем СЭУ .
Трассы трубопроводов прокладывают по наиболее короткому
пути Они должны иметь простую конфигурацию. Запрещается
проводить трассы через жилые и служебные помещения. Топлив-
ные трубопроводы, как правило, не должны проходить над двига-
телями, паровыми котлами и газоходами.
По Правилам Регистра СССР вне двойного дна должно хра-
ниться не мепее суточного запаса топлива
Топливные цистерны не следует располагать в МО. Смежными
с МО выполняют расходные и отстойные цистерны, в этом случае
они могут иметь с ним только одну общую стенку По высоте МО
их располщают на уровне платформы
Топливные цистерны не следует размещать над трапами, ГД
п механизмами, паровыми котлами, газоходами, электрическим
оборудованием и постами управления главными механизмами
Если возникает необходимость размещения цистерн над указан-
ным оборудованием, то под ними устанавливают поддоны, выпол-
ненные под всей плошадью днища цистерны.
При работе ГД на двух сортах топлива (тяжелом н легком)
предусматривают меры против их смешения.
Насосы, сепараторы, фильтры и Другое оборудование топлив-
ной системы необходимо располагать в трюме МО компактно,
желательно в агрегате и вблизи расходных цистерн очищенного
топлива Для перекачки топлива устанавливают не менее двух на-
сосов, один из которых резервный Эти насосы, а также насосы се-
394
параторов кроме местного оборудуют дистанционным управле-
нием.
На судах, ЭУ которых работают на тяжелом топливе, устанав-
ливают не менее двух сепараторов.
Топливную систему главных котлов оборудуют не менее чем
двумя комплектами насосов, фильтров и подогревателем. Правила
Pei истра СССР требуют, чтобы ГД имел не менее двух топливных
насосов: один резервный, а другой с независимым приводом По-
дача резервного насоса не должна быть меньше подачи основною.
При двух и более ГД, расположенных в одном МО, достаточно
иметь один резервный насос с независимым приводом. В качесцзе
топливных чаще всего применяют винтовые или шестеренные на-
сосы,
Запасы масла храпят в одном или нескольких отсеках, распо-
ложенных в МО или вблизи него. Не рекомендуется хранить та-
пасы масла в цистернах междудонного пространства. В них под
ГД размещают сточные масляные цистерны, которые отделяют
коффердамами от наружного дна и других отсеков междудонного
пространства.
Каждый ГД должен быть снабжен не менее чем двумя насо-
сами циркуляционной смазки с подачей, обеспечивающей смазку
на режиме максимальной мощности. Один из насосов с независи-
мым приводом является резервным. При расположении двух
ГД в одном МО достаточно иметь по одному насосу для каж-
дого ГД и один общий резервный насос с независимым приводом
с подачей, достаточной для обеспечения работы каждого из дви-
гателей.
Система смазки ГТЗА паротурбинной установки, как правило,
гравитационная. Она включает два маслоохладителя, один из ко-
торых резервный. Это требование Регистра относится и к ГТД.
При расположении в одном МО двух ГД допускается иметь один
резервный маслоохладитель. В ПТУ маслоохладители обслужива-
ются циркуляционными насосами главных конденсаторов.
Каждый вспомогательный двигатель в соответствии с требова-
ниями Правил Регистра СССР должен иметь независимую си-
стему смазки. Объединение систем смазки ВД в каждом случае
является предметом специального рассмотрения Регистра.
При размещении элементов конденсатно-питательной системы
следует исходить из требований надежной работы насосов, что
может быть обеспечено достаточным гидростатическим подпором,
и уменьшения протяженности паропроводов, что достигается рас-
положением основных подогревателей питательной воды вблизи
отборов пара.
Конденсатные насосы обычно устанавливают в специальных
нишах в районе двойного дна под главным конденсатором. Сбор-
ник конденсата, отводной патрубок и конденсатный насос должны
быть расположены так, чтобы исключить затопление нижних тру-
бок конденсатора и обеспечить необходимый подпор и плавный
подвод конденсата к насосу.
Подогреватели низкого давления, эжекторы и их конденсаторы
чаще всего размещают вблизи ГТЗА, однако в некоторых случаях
можно устанавливать подогреватели низкого давления в шахте
МО, что позволяет отказаться от применения специального дре-
нажного насоса. Деаэраторы обычно располагают в шахте, чтобы
обеспечить подпор питательного насоса.
Главные питательные насосы устанавливают в районе ГТЗА,
что обусловлено широким применением механического привода от
ГД в тепловых схемах и необходимостью размещения органов
регулирования питательного насоса около маневрового устрой-
ства.
Подогреватели высокою давления is ПТУ имеют довольно раз-
витую поверхность теплообмена и сравнительно большие габа-
риты. По этой причине их размещают на платформе вблизи глав-
ного котла.
Другие элементы конденсатно-питательной системы (сборники
горячих конденсатов, дренажные насосы) располагают чаще
в трюме МО на свободных местах.
Паропроводы прокладывают в верхней части МО в местах, до-
ступных для наблюдения и обслуживания. Правилами Регистра
СССР запрещено прокладывать их под настилами МО и вблизи
топливных цистерн.
Забортная вода в систему охлаждения принимается насосом
через приемную арматуру (кингстон, клинкетная задвижка, пово-
ротный затвор), которая размещена па кингстонных ящиках, пред-
ставляющих собой специальные выгородки в днищевом наборе
судна. Конструкция кингстонных ящиков должна быть простой и
удобной для осмотра, очистки и ремонта и препятствовать попада-
нию в систему воздуха, ила, песка и пр.
При выборе расположения приемных отверстий в трюме МО
руководствуются следующим: в случае расположения на одном
борту приемные отверстия необходимо размещать в нос по отно-
шению к отливным во избежание попадания в систему сточных
вод, фекалий и пр.; не рекомендуется располагать приемные отвер-
стия под боковыми килями; приемные решетки днищевого кинг-
стонного ящика целесообразно размещать ближе к ДП судна;
приемные отверстия бортового кингстонного ящика желательно
располагать так, чтобы уменьшить возможность попадания в си-
стему воздуха, ила, песка и пр.; при размещении ЭУ в корме
судна приемные решетки необходимо располагать по возможности
дальше от кормы судна во избежание срыва насоса при работе
гребного винта на задний ход; не допускается оголение приемных-
решеток при любых условиях плавания; при днишевом расположе-
нии приемных решеток они могут находиться в одной шпации
с отливными отверстиями.
Кингстонные ящики соединены между собой трубой, что дает
возможность забирать воду из любого из них. Систему оборудуют
двумя насосами с равной подачей — основным и резервным, один
из которых имеет независимый привод. Эти насосы расположены
ниже ватерлинии, работают с подпором, имеют большую подачу и
малое противодавление. Они одноступенчатые и характеризуются
большими значениями коэффициента быстроходности, способст-
вующими снижению массогабаритных характеристик при высоких
значениях КПД.
Опыт эксплуатации судов ледового плавания с различными ти-
пами СЭУ показал, что надежность системы охлаждения повыша-
ется, если в ее состав входит ледовый ящик (в связи с использо-
ванием схемы рециркуляции забортной воды, отработавшей в си-
стеме). Ледовый ящик располагают так, чтобы вероятность
заслона и забивания мелкобитым льдом приемных решеток была
минимальной. Этим условиям хорошо удовлетворяет днищевое рас-
положение ящика, по прп движении судна па мелководье возни-
кает опасность приема ipyirra. Сотласпо Правилам Регистра СССР
на судах с ледовыми усилениями категорий УЛА, УЛ и Л1 обяза-
тельно нужно устанавливать один ящик, а для ледоколов — не ме-
нее двух, по одному с каждого борта.
Трубопроводы системы охлаждения, проходящие над механиз-
мами и проходами, во избежание отпотевания должны быть изо-
лированы. Изолируют также корпуса теплообменных аппаратов,
температура наружной поверхности которых выше 60 и ниже
10 °C.
На судах неограниченного района плавания должно быть не
менее двух компрессоров, один из которых может иметь привод
от ГД.
Оборудование газовыпускной системы (УК, глушитель, искро-
гаситель) располагают в кожухе дымовой трубы. Здесь же могут
быть размещены заборные решетки для системы воздухоприема
ГТД и паровых котлов, а также приточной системы вентиляции
и решетки вытяжной системы вентиляции.
В МО также размещают насосы и аппараты судовых систем,
компрессоры и оборудование рефрижераторных установок, обору-
дование ВОУ и др.
25.5. Посты управления
и прочее оборудование
Расположение ЦПУ зависит от степени автоматизации СЭУ.
Для СЭУ без вахты в МО и с постоянной вахтой в ЦПУ (знак ав-
томатизации А2) его располагают либо в трюме, либо на плат-
форме вблизи ГД. Желательно размещать ЦПУ поперек судна и
так, чтобы обеспечивался хороший обзор оборудования МО. Цен-
тральный пост управления изолируют шумопоглощающей изоля-
цией, оборудуют устройствами индикации и аварийно-предупреди-
тельной сигнализации, органами управления и остановки механиз-
мов, средствами связи.
Для СЭУ без вахты в МО и в ЦПУ (знак автоматизации А1)
последний может быть выполнен закрытым или открытым- Откры-
тый ЦПУ необходимо располагать вблизи органов (поста) управ-
397
ления ГД. По согласовании) с Pei ветром СССР ЦПУ может быть
размещен и вне МО. Из ЦПУ должен быть выход в МО-
В МО на уровне платформы или нижней палубы устраивают
в специальной выгородке судовою мастерскую, укомплектованную
необходимым оборудованием. Для испытания топливной аппара-
туры и хранения ЗИПа также предусматривают отдельные поме-
щения. Мастерские, ЦПУ и другие помещения, выгороженные
внутри МО, могут иметь выходы в МО.
Помещения СЭУ соединяются с открытой палубой шахтами,
оканчивающимися световым люком (капом). Через него осуществ-
ляются воздухообмен МО с окружающей средой и погрузка-вы-
1рузка оборудования при ремонте.
Пол в А\О покрыт рифленой сталью, уложенной на металличе-
ский обрешетпик. Направление рифов--под углом 30° к направ-
лению преобладающего движения. В шахте МО, в районе УПК,
настил площадок решетчатый
Для доступа к механизмам и арматуре, расположенным на вы-
соте более 1,9 м от настила, устраивают площадки с леерным
ограждением. Высота леерных ограждений не менее 1 м, просвет
под самым нижним леером ограждения не должен превышать
0,23 м, а между другими леерами 0,38 м.
Для монтажа и демонтажа элементов ГД, механизмов и обо-
рудования в МО устанавливают мостовые краны, монорельсы с та-
лями и тельферами, обухи для подвешивания талей, тележки.
Обычно крупные запасные части располагают вблизи тех механиз-
мов, к которым они относятся.
По Правилам Регистра СССР ширина трапов должна быть не
менее 0,6 м, угол наклона их к горизонту пе более 60°. Трапы,
как правило, размещают вдоль судна ближе к ДП, Длина марша
не должна превышать 6 м. На крупнотоннажных морских судах
с большой высотой МО в дополнение к трапам предусмотрены
лифты.
Машинное отделение и туннели валопроводов в соответствии
с требованиями Правил Регистра СССР должны иметь два неза-
висимых выхода на палубы к спасательным плавсредствам, рас-
положенных на разных бортах и максимально удаленных один от
другого.
15.6. Примеры расположения механизмов
и оборудования СЭУ в помещениях МО
На рис. 15.2 показано расположение механизмов и оборудова-
ния ДУ танкера «Победа» (дедвейт 68 тыс. т, скорость 15,2 уз).
Машинное отделение собрано из шести комплексно насыщенных
блоков, в которых смонтированы зональные и монтажные блоки и
трубопроводы. Компоновка блоков и трубопроводов выполнена
с учетом обеспечения удобных зон обслуживания механизмов и
проведения ремонтных работ-
В качестве ГД установлен МОД типа 7 ДКРН 80/160-4, раз-
398
вивающий длительную эксплуатационную мощность 12,36 МВт при
частоте вращения 122 об/мин. В случае необходимости ГД может
развивать в течение 1—2 сут максимальную длительную мощность
13,61 МВт при 126 об/мин. Работа на перегрузочной мощности
(14,9 МВт, 130 об/мин) разрешена в течение 1 ч с перерывом нс
менее 12 ч. Двигатель внутреннего сгорания работает на тяжелом
топливе с вязкостью до 3,8-10-4 м2/с при 50 °C и содержанием
серы до 3%. Удельный расход топлива на длительной эксплуата-
ционной мощности (QpH = 42700 кДж/кг) не превышает 0,212 +
0,007 кг/(кВт*ч). В конструктивном исполнении ДВС отличается
от предшествующего ряда МОД третье! о поколения.
В состав СЭС входят три автоматизированных дизель-генера-
тора ДГР 500/500 каждый мощностью по 500 кВт при частоте вра-
щения 500 об/мин, о.-щн утилизационный турбогенератор ТГУ-800
мощностью 800 кВт и один аварийный дизель-генератор ДГфА
100/1500-Р мощностью 100 кВт.
В состав наропроизводящей установки входят два одинаковых
вспомогательных водотрубных автоматизированных котла типа
КВ-2 на нефтяном топливе с естественной циркуляцией и паро-
перегревателями и один утилизационный водотрубный котел
КУП-1100 с принудительной циркуляцией производительностью
7 i/ч при давлении 0,7 МПа. Паропроизводительность BCnoMOia-
тельиого котла 25 т/ч (минимальная 1,2 т/ч) при давлении пара
1.6 МПа и температуре 225 °C. Паропроизводительность УК регу-
лируется автоматическим регулятором давления пара.
В МО расположены паротурбинные приводы грузовых и за-
чистных насосов. Отработавший пар этих турбин сбрасывается
в специальную вакуумную конденсационную установку ВКУ
250/0,35. При необходимости, когда котлы КВ-2 работают в ре-
жиме генераторов инертных газов для заполнения танка судна при
трудовых операциях и па ходу судиа, в эту установку поступают
излишки пара, предварительно прошедшие через дросселыго-
увлажнительное устройство. Содержание кислорода в выпускных
газах на нагрузках 40—100% не превышает 5%.
Главный двигатель на основных режимах работы и вспомога-
тельные котлы работают на тяжелом топливе. Для работы дизель-
генераторов, а также для пуска и остановки ГД, режимов манев-
рирования и при проходе узкостей используется дизельное топ-
ливо.
Для сепарации тяжелого топлива предусмотрены два самоочи-
щающихся сепаратора МАРХ-309, а для сепарации дизельного
топлива и масла — три самоочищающихся сепаратора М.АРХ-207,
Каждый из них снабжен системой автоматического управления.
Суточный расход тяжелого топлива (типа ДМ) очищается при-
мерно за 17 ч, дизельного (типа ДС или ДЛ) —за 14 ч, масла —
за 10 ч.
Блок воздушных компрессоров, снабжающий сжатым возду'хом
(под давлением 3 МПа) СЭУ, состоит из двух автоматизирован-
ных электрокомпрессоров ЗЭК 420/32 подачей по 420 м3/ч и одного
399
Рис. 15.2. Общее расположенье механизмов ц оборудования ДУ танкера
б — план трюма; в,
1 — ГД; 2 — вспомогательный котел КВ-2; 3 —резервуар бассейна; 4 ••утилиза-
яруса: 7 — шахта лифта; 8— электротехническая кладовая; 9— верхняя палуба;
Цистерны тяжелого топлива; 13 — ГНО, 14 — блок сепарации топлива и масла,
ной установки и турбогенератора; 17 — блок топливоподкачки и перекачки топ-
ГД; 19— блок пожарных электронасосов. 20 — блок насосов забортной воды и
блок масляных насосов ГД; 23 — блок системы смазки дейдвудного устройства;
конденсационная вакуумная установка; 27— электропривод балластного насоса,
станции, 32 — блок турбогенератора с ДГ; 33 — щитовая; 34 — цистерна хозяй-
ЛЛЯ обработки сточных Вод типа ЛК-50: 37— блок водоподготовки питьевой и
терская. 40 — механическая кладовая инструментов; 41 — помещение топленной
э
«Победа»: а — продольный разрез (здесь и далее — вид на левый борт);
г— планы платформ III и II:
автоматизированного электрокомпрессора ЭК 140/32 подачей
140 м3/ч. Электрокомпрессор высокого давления ЭКПА 2/150-2 по-
дачей 0,11 м3/ч обеспечивает заполнение воздухом под давлением
15 МПа баллонов станции объемного пожаротушения и пуска ава-
рийного ДГ, пневмогидроаккумуляторов системы «Ильмень-М» и
привода мотопомпы. Воздух низкого давления (0,8 МПа) для су-
довых потребителей вырабатывается электрокомпрессором
ЭК 16/П подачей 160 м3/ч.
402
Системы охлаждения пресной водой ГД и ВД выполнены раз-
дельными. Однако при вводе в работу турбогенератора, обеспечи-
вающего ходовые режимы, для поддержания одного из ДГ в го-
рячем резерве (на случай параллельной работы) предусмотрен
отбор воды из системы охлаждения ГД. После включения ДГ ав-
томатически запускается один из насосов системы охлаждения ДГ.
Утечки пресной воды пополняются двумя водоопреснительнымп
установками Д5У, утилизирующими теплоту охлаждающей прес-
ной воды.
403
Предусмотрена масляная система смазки и охлаждения дейд-
вудного подшипника гребного вала.
Все вспомогательные механизмы имеют электрический привод
Управление СЭУ осуществляется из ЦПУ и рулевой рубки.
Расположение ДРУ многоцелевого грузового судна ледового
плавания «Норильск» дедвейтом 14 500/19 800 т соответственно
при арктической и полной осадке и скоростью на чистой воде
(90 % Ne) 17,5 уз приведено на рис. 15.3. В качестве главных уста-
новлены два четырехтактных СОД простого действия с турбонад-
404
дувом фирмы «Вяртсиля — Зульцер» типа 14ZV 40/48 единичной
мощностью 7720 кВт при частоте вращения 560 об/мин,
Условия эксплуатации в Арктике определили выбор схемы пе-
редачи мощности СОД движителю. Подключение СОД к редук-
тору осуществляется через эластичную муфту гидродинамической
муфтой (плавание во льдах) или муфтой сцепления (в чистой
воде). В первом случае КПД передачи равен 0,89, во втором 0,98.
Вращающий момент редуктора передается валопроводом со встро-
енным ГУП четырсхлопастному ВРШ типа KaMeWa диаметром
405
5,6 м из нержавеющей стали, Возможна эксплуатация ДРУ на од-
ном или двух СОД. Реверс обеспечивается как ВРШ, так и СОД.
Работа многоцелевого судна в арктических условиях, где по-
требление электроэнергии определяется временем года и суток,
а также схемой погрузочно-разгрузочных работ, определила со-
став СЭС. Электроэнергия вырабатывается четырьмя генерато-
Рис )5 5. Общее расположение механизмов и оборудования
комбинированной днзелн-газотурбоэлектричсскои установки ледо-
кола «Норман Маклеод Роджерс*- а — продольный разрез; б —
план трюма-
t — опорный подшипник; 2 — ГЭД; ,3 — главный электрогенератор; 4 —
циркуляционная масляная цистерна, 5 — ГТД; 6 — валоповоротное уст
ВДГ и ГДГ;
рами «Стромберг» типа HSPTL 11/554 (400 В, 50 Гн), приводи-
мыми дизелями Вяртсиля-Васа типа 624 TS мощностью по 810 кВт
при частоте вращения 750 об/мин.
Работа системы пневмообмывки корпуса при работе судна
в ледовых условиях обеспечивается двумя компрессорами.
Трехвальная ДЭУ (рис. 15.4) ледокола «Ермак» водоизмеще-
нием 20 240 т (скорость 19,5 уз) размещена в пяти отсеках, В но-
совом отсеке расположено насосное отделение, за ним—носовое
дизельное отделение (по четыре ГДГ и ВДГ), далее кормовое ди-
406
зольное отделение (пять ГДГ, два ВДГ, два ВПК), носовое (два
бортовых электродвигателя) и кормовое (центральный электродви-
гатель) отделения ГЭД.
Общая мощность на фланцах дизелей составляет 30,5, на греб-
ных валах 26,5 МВт. Двухтактные 12-цилиндровые дизели фирмы
«Вяртсиля —Зульцер» типа Z 40/48 (М—3380 кВт, п=380 об/мин)
вращают 1енераторы постоянного тока мощностью 3080 кВт и на-
пряжением 800 В. Вспомогательные генераторы ,Уе=1126 кВт,
380 В) приводятся 8-цилиндровыми четырехтактными дизелями
Рис. 15 6 Общее расположение механизмов оборудования тагг-
ксра «Шеврои Орегон»' а — продольный разрез; б — план ниж-
ней палубы
фирмы «Вяртсиля» типа 824 TS мощностью 892 кВт при
750 об/мин. Гребные электродвигатели — двухъякорные постоян-
ного тока мощностью по 2x4410 кВт при 115 об/мин и напряже-
нием 2X1200 В Предусмотрено дистанционное автоматизирован-
ное управление ДРУ из пяти постов управления.
Комбинированная дизель-газотурбоэлектрическая установка
двухвинтового ледокола «Норман Мак.тсод Роджерс» дедвейтом
2320 т II эксплуатационной скоростью 15,5 уз размещена в трех
помещениях МО (рис 15 5). В носовом отделении установлены че-
тыре ГДГ и два ВДГ. Мощность каждого ГДГ 1380 кВт. Два ГДГ
(ГТД промышленного типа) и один ВДГ размещены в среднем
oicckc МО. Кормовое уделение предназначено для установки
двух ГЭД. Комбинированная установка может развивать номи-
нальную мощность 2x3750 и максимальную 2X4550 кВт. При но-
минальной мощности расход топлива на все нужды ледокола со-
ставляет 0,441 к[/(кВт-ч).
40?
Рис. 15.7. Общее расположение механизмов и оборудования ГТУ
с ТУК судна «Капитан Смирнов»: а — продольный разрез; б —
план трюма; в — план платформы, г—поверенный разрез (см.
в нос):
Особенностью расположения газотурбизлектритсской установка
танкера «Шеврон Орегон» дедвейтом 35 564 т и скоростью 15 уз
является разнесение по высоте ГТГ и ГЭД (рис. 15.6). Установка
максимально сдвинута в корму. В связи с тем, что в трюме рас-
положен только ГЭД, вращающий ВрШ, не требуется большой
длины МО.
Газотурбогенератор, питающий ГЭД, размещен под главной
палубой и еще более сдвинут в корму. Здесь же по левому борту
расположен вспомогательный ГТГ. "Такая компоновочная схема,
несмотря на несколько меньший КПД электропередачи, предпочти-
тельна для определенного типа судов из-за небольшого занимае-
мого объема, большей надежности, высокой степени автоматиза-
ции, простоты и быстроты замены ГТГ при ремонте.
Главный турбогенератор установлен в специальном помещении
в ДП судна. Электрогенератор приводится ГТД промышленного
типа (MS-3002R) с регенерацией воздуха и утилизацией теплоты
выпускных газов. Газотурбинный двигатель имеет блочную компо-
новку со вспомогательными механизмами: на общей раме с ГТД
установлен вспомогательный редуктор, приводящий насосы, комп-
рессор, а также пусковые двигатели. Установка развивает номи-
нальную мощность 9200 кВт н обеспечивает ge=0,269 кг/(кВт-ч).
Общее расположение ГПТУ двухвинтового судна с горизонталь-
409
пым способом грузообработки типа «Капитан Смирнов» показано
па рис. 15.7. Особенностью ГТУ с ТУК является агрегатирование
вспомогательного оборудования. Вес агрегаты ГТД, кроме утили-
зационного парового котла (УПК), размещены в трюме МО и ог-
раждены специальным звукоизолирующим кожухом с целью сни-
жения шума до допустимых пределов Утилизационный паровой
котел размещен над ГТД и соединен с ним компенсатором,
В трюме МО установлены агрегаты системы топливоподготов-
ки и обработки масла, насосные агрегаты и другое оборудование
систем СЭУ и судовых систем.
Вспомогательная ЭУ размещена на первой платформе МО и
включает электростанцию, парогенераторную, испарительную и
компрессорные установки. Судовая электростанция состоит из трех
автоматизированных ДГ и двух УТГ одинаковой мощности, раз-
мещенных на платформе Аварийный ДГ расположен в специаль-
ном помещении выше верхней палубы. В состав вспомогательной
котельной установки входит автоматизированный ВПК, выраба-
тывающий насыщенный пар. Испарительная установка работает
на паре от УПК или от ВПК.
Газотурбинная установка, вспомогательные комплексы и си-
стемы автоматизированы и могут управляться из навигационной
рубки и ЦПУ, расположенного в кормовой части МО на уровне
главной палубы. Объем автоматизации, контроля и сигнализации
соответствует знаку автоматизации А2.
Газотурбинная установка может работать на легких и мало-
вязких сортах тяжелого топлива. Для этого в системе топливопод-
готовки предусмотрена специальная моющая установка.
410
Комплектующее оборудование ПТУ пассажирского судна «Мак-
сим Горький» расположено в четырех помещениях (рис. 15.8).
В первом размещены две установки кондиционирования воздуха,
во втором — три главных паровых котла—ГПК (два из них
имеют общую стенку), в третьем — два ГТЗА, в последнем — че-
тыре ВОУ. То же число отсеков (рис. 15.9) занимает иаротурбо-
электрическая установка парома «Рэнтатира» дедвейтом 2020 т,
номинальной мощностью 2x5150 кВт (максимальная 2x7550 кВт)
при скорости 22 уз. В отсеках последовательно расположены: че-
тыре ГПК, три ВТГ, два ГТГ, два ГЭД.
На рис. 15.10 представлено расположение механизмов и обору-
дования ПТУ с ППП танкера «Крым».
С применением угля в ПТУ потребовалось выделить бункеры
для его хранения Они MoiyT быть устроены или в специальном
411
отсеке перед отделением паровых котлов (рис, 15.11) или за пре-
делами МО (рис. 15.12).
На судне «Рива Бойн» применена ПТУ на угольном топливе.
Два паровых котла максимальной производительностью 35 т/ч
каждый вырабатывает пар с параметрами 6,15 МПа и 480 °C.
Главный турбозубчатый агрегат типа «Мицубиси» MS-21-2 потреб-
ляет пар давлением 5,9 МПа и температурой 475 °C и развивает
Рис. 15.10. Общее расположение ме-
ханизмоа и оборудования ПТУ
с ППП танкера «Крым»: а — про-
дольный разрез; б — план трюма;
в — план платформы I:
мощность 13,975 МВт вращая с частотой 80 об/мин гребной винт
с большим углом отброса. Такая конструкция винта способствует
снижению уровня вибраций. Тепловая схема установки предусмат-
ривает две ступени подогрева питательной воды. Удельный расход
угля 0,664 кг/(кВт-ч).
Объем угольных бункеров 4222 м3. Они расположены за поме-
щением МО с целью предохранения котлов от вибрации, а также
для возможности одновременных бункеровки углем и выгрузки
бокситов. Для приема угля на судно и подачи ого в ГПК установ-
лены пневматические системы производительностью 80 и 16 т/ч со-
ответственно. Уголь подается из бункеров в хопперы (расходные
бункеры) по четырем трубопроводам диаметром 125 мм. Объем
412
хоппера достаточен для 6-часовой работы ГПК на максимальной
нагрузке. Герметичность системы исключает появление угольной
пыли.
Сажа улавливается вакуумной системой производительностью
3 т/ч, а зола удаляется (за борт или на берег) водопульпой с по-
дачей 25 т/ч.
Электронная система дози-
рует подачу угля и воздуха в
тонки ГПГ, регулирует толщину
слоя угля на движущейся колос-
никовой решетке и осуществляет
контроль дымности газов.
Выработка электроэнергии на
собственные нужды для судна
с ПТУ на угле должна бьиь
больше, чем для такого же
Рас. 15.12. Общее расположение механизмов и оборудования ПТУ на уголь-
ном топливе бокситовоза «Рива Бойн»:
10 — золонакопитель, П — ГТЗА, 12 — экономайзер
413
паротурбинного судна на жидком топливе. Поэтому СЭС со-
стоит из двух турбогенераторов мощностью но 1850 кВт и одного
ДГ мощностью 700 кВт.
При эксплуатации ПТУ на угольном топливе обслуживание в
ЛЮ безвахтеиное. Управление процессами бункеровки, подачи и
регулирования горения угля, а также золоудаления производится
автоматически или дистанционно.
Глава 16
ВЗАИМОСВЯЗЬ ТИПА СУДНА И ЭУ
16.1. Влияние типа судна на состав
и основные параметры СЭУ
Судовая энергетическая установка является составной частью
судна, и поэтому тип судна и его параметры оказывают влияние
ла состав и параметры СЭУ. Это влияние определяется требова-
ниями к СЭУ различных судов, составом и параметрами потре-
бителей энергии, режимами и условиями эксплуатации судов. *
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к СЭУ, тип
судна определяет число ГД и движителей, место расположения
СЭУ, нагрузку СЭС, вспомогательной котельной и водоопресни-
тельной установок, наличие вспомогательных механизмов и си-
стем специального назначения. Рассмотрим отличительные осо-
бенности СЭУ судов различных типов.
Танкеры, относятся к числу наиболее распространенных судов
морского транспортного флота. На них применяются как дизель-
ные, так и паротурбинные ЭУ, преимущественно одновальные.
Дизельные установки устанавливают на танкерах любого водо-
измещения. паротурбинные — на танкерах водоизмещением бо-
лее 40 тыс. т.
Особенностью танкеров является наличие крупных потребите-
лей электрической или механической энергии—грузовых насо-
сов большой мощности, время работы которых в течение рейса
(во время разгрузки танкеров) ограничено. На судах, перевозя-
щих сырую нефть и мазут, расходуется большое количество теп-
ловой энергии для подогрева груза перед его выгрузкой, и по-
этому их оборудуют крупными вспомогательными котельными
установками для производства преимущественно насыщенного
пара.
Привод грузовых насосов на танкерах может осуществляться
от автономных паровых турбин, питающихся паром от вспомо-
гательных котельных установок, или от электродвигателей. В по-
414
еледнем случае установленная мощноаь ДГ увеличивается, что
приводит к снижению их загрузки в ходовом режиме.
Все современные танкеры для повышения безопасности пере-
возки нефтепродуктов оборудуют системами инертных газов, ко-
торые также оказывают влияние на СЭУ, Эго проявляется в ис-
пользовании в качестве инертных выпускных газов вспомогатель-
ных котлов (под инертными газами здесь подразумевается смесь
азота и других газов с минимальным содержанием кислорода),
В состав системы инертных газов входит энергоемкое оборудова-
ние (нагнетатели, насосы), увеличивающее нагрузку СЭС.
Энергетические установки на танкерах располагают в кормо-
вой часзи, Газовыпускные системы и дымоходы должны быть
оборудованы искрогасителями.
Сухогрузы (суда для перевозки генеральных грузов) имеют
широкую область применения, разнообразные конструктивные и
архитектурные формы. На этих судах применяются в основном
ДЭУ, преимущественно одновальные. Номенклатура потребите-
лей всех видов энергии минимальная по сравнению со всеми
другими типами судов, что определяет их минимальные относи-
тельную мощность СЭС и производительность вспомогательных ко-
тельных установок. По сравнению с танкерами годовая продол-
жительность ходового времени универсальных сухогрузных судов
меньшая, а продолжительность стоянок без грузовых операций
большая, что повышает себестоимость производства всех видов
энергии (механической, электрической, тепловой) и срок окупа-
емости утилизационных установок.
Балкеры предназначены для перевозки сыпучих грузов (угля,
руды и пр.) и характеризуются по сравнению с сухогрузными су-
дами повышенной долей ходового времени, что приближает эти
суда к танкерам. Балкеры оборудуют в основном ДУ с МОД.
Энергетические установки балкеров по своим параметрам близки
к СЭУ сухогрузов, но отличаются от них повышенной мощностью
СЭС, обеспечивающей работу крупных грузоподъемных уст-
ройств.
Комбинированные суда (нефтерудовозы, нефтенавалочные
суда) оборудуют СЭУ, которые по своему составу близки к СЭУ
танкеров и балкеров. На них применяются преимущественно ДУ,
а также ПТУ.
Контейнеровозы по сравнению с другими судами характери-
зуются повышенными скоростями и мощностями СЭУ. На этих
судах применяют дизельные, паротурбинные и газотурбинные
ЭУ (одно-и двухвальные). В связи с особенностью эксплуатации
контейнеровозов (регулярность рейсов и высокая стоимость гру-
зов) к СЭУ этих судов предъявляется требование повышенной
надежности. Дизельные установки контейнеровозов оборудуют
МОД и СОД, паротурбинные выполняют на основе простых теп-
ловых схем (пар с умеренными начальными параметрами без
ППП). В ГТУ контейнеровозов используют ГТД авиационного
типа с развитой системой утилизации теплоты выпускных газов,
415
Газовозы предназначены для перевозки различных газов
в ожиженном или сжатом состоянии и в зависимости от “вида
перевозимых грузов делятся на метановозы, аммнаковозы и суда
для перевозки ожиженных цеф1яных тазов. На аммиаковозах и
судах для перевозки нефтяных газов используются установки для
повторного ожижения испаряющихся газов и поэтому их СЭУ
работают на жидком нефтяном топливе. Преимущественное рас-
пространение на этих судах получили ДУ с МОД.
На метановозах установки повторного ожижения испаряюще-
гося при транспортировке газа, как правило, не применяются и
в качестве топлива используется испаряющийся в грузовых тап-
ках метан. Метановозы чаще всего оборудуют ПТУ, которые мо-
гут работать только на газообразном топливе (если эго экономи-
чески выгодно). Реже на метановозах применяют ДУ, оборудо-
ванные так называемыми газодизелями, в которых в дополнение
к газообразному сжигается в качестве запального жидкое топ-
ливо (5—10% общего количества). Паротурбинные установки на
метановозах имеют ряд преимуществ перед ДУ: возможность ра-
боты только на газообразном топливе, меньшие затраты энергии
на подготовку топлива, большая безопасность газовых трубопро-
водов, более высокая надежность. КПД газодизелей на 2—3%
ниже, чем КПД двигателей, работающих на жидком топливе. На
метановозах могут быть установлены также и ГТУ.
Для газовозов характерны большие установочные мощности
СЭС, достигающие на крупных судах 2—4 МВт или J0—20%
мощности ГД. Это объясняется наличием дополнительных круп-
ных потребителей энергии: газовых компрессоров, установок по-
вторного ожижения газа, установок инертных газов, меха-
низмов дополнительной системы вентиляции газоопасных поме-
щений.
Накатные суда (ролкеры) предназначены для перевозки ко-
лесной техники и трейлеров и оборудуются ДУ, ПТУ и ГТУ- Эти
суда имеют такую же скорость, как и контейнеровозы, и поэтому
их СЭУ близки по составу и параметрам к СЭУ контейнеровозов.
На накатных судах имеются дополнительные крупные потреби-
тели электроэнергии (вентиляторы для вентиляции грузовых
трюмов, компрессоры для заполнения пневматических буферных
баллонов), однако число грузоподъемных механизмов невелико,
поэтому в целом мощность СЭС не превышает СЭС контейнеро-
возов. Энергетические установки ролкеров должны иметь огра-
ниченную высоту для размещения их под палубой.
Пассажирские суда оборудуют СЭУ, которые но составу и па-
раметрам значительно отличаются от СЭУ транспортных судов.
Для них характерны большие мощности ГД и СЭС, среднее рас-
положение СЭУ, повышенные требования к надежности и шум-
ности двигателей и механизмов. Установки пассажирских судов
выполняют многовальными (2—4 гребных винта); установленная
мощность СЭС достигает 20—25% мощности ГД; в состав СЭУ
включают ВОУ большой производительности (до 250 т/сут).
416
Паромы укомплектовываю! разнообразными типами СЭУ: ди-
зельными с механической или электрической передачей, газотур-
бинными. Основное требование к СЭУ таких судов — высокая
маневренность, что достигается установкой средне- или высоко-
оборотных ДВС, ГТД, электрических передач, увеличением чи-
сла гребных винтов, применением подруливающих устройств. На
паромах используются разнообразные варианты расположения
СЭУ, включая комбинацию носового и кормового расположений.
Автономность плавания большинства паромов небольшая, и
вследствие эюго запасы топлива, воды и масла на них ограни-
ченные.
Лихтеровозы, также оборудуют разнообразными типами СЭУ;
дизельными, паротурбинными на органическом и ядерном топли-
вах. Для СЭУ лихтеровозов характерны высокие мощности ГД,
большая продолжительность ходового времени, ограниченное чи-
сло общесудовых потребителей энергии.
Рыбообрабатывающие базы и транспортные рефрижераторы
оборудованы преимущественно ДУ. Для этих типов судов харак-
терна большая мощность СЭС, значительная часть которой ис-
пользуется для привода механизмов холодильных установок. На
рыбообрабатывающих судах большая часть топлива расходуется
для получения водяного пара, используемого на технологические
нужды, и пресной воды, и поэтому в состав СЭУ этих судов
включают крупные вспомогательные котлы и ВОУ.
Рыбопромысловые суда укомплектовывают только ДУ с МОД
и СОД. Энергетические установки этих судов имеют в своем со-
ставе развитые СЭС, мощность которых часто сопоставима
с мощностью ГД. На этих судах часто устанавливают валогене-
раторы, вспомогательные котлы и ВОУ большой производитель-
ности, крупные грузоподъемные механизмы (траловые лебедки).
Характерны также применение ВРШ, большая номенклатура по-
требителей электрической и тепловой энергии (оборудование для
обработки рыбопродукции), разнообразие режимов работы ГД и
СЭС.
Ледоколы оборудуют разнообразными типами СЭУ: дизель-
ными с электрической или гидромеханической передачами, газо-
и паротурбинными установками на ядерном и органическом топ-
ливах. Главные двигатели ледоколов должны иметь большую
мощность и выдерживать многократные перегрузочные режимы.
Основные требования к СЭУ ледоколов — высокая маневренность
и надежность. Этим требованиям в наибольшей степени удовлет-
воряют установки с электрической передачей. Большая автоном-
ность СЭУ достигается применением ядерной энергии. Энергети-
ческие установки ледоколов размещают в средней части судна
(число гребных валов должно быть не менее двух) и они имеют
в своем составе мощные СЭС с достаточным резервированием
электрогенераторов.
Буксиры оборудуют преимущественно ДУ с СОД и ВОД. Ос-
новными свойствами СЭУ этих судов являются высокая удельная
14 Зикаэ № 56Я 4)7
Мощность ГД, наличие двух основных режимов работы, а также
высокие маневренность и надежность. Мощность СЭС на таких
судах сравнительно невелика (за исключением буксиров-спасате-
лей, у которых мощность СЭС увеличивается за счет потребле-
ния электроэнергии водоотливными и пожарными насосами). На
буксирах не применяются ВОУ ввиду ограниченной автономности
этих судов.
Большую группу составляют суда технического флота (зем-
снаряды, землесосы и землечерпалки, плавучие краны, трубоук-
ладчики, плавучие мастерские и электростанции) и специальные
суда (научно-исследовательские, учебные плавучие краны). На-
учно-исследовательские, гидрографические, учебные суда обору-
дуют СЭУ, которые по составу и параметрам близки к СЭУ ры-
бопромысловых судов. Плавучие краны, мастерские, электро-
станции не имеют в своем составе ГД. На них устанавливают
ДГ и ГТГ различных 1ипов, вспомогательные и утилизационные
котлы.
В качеств СЭУ землесосов и землечерпалок в основном ис-
пользуются ДЭУ, которые позволяют обеспечить эффективный
привод движителей и землеуглубительных механизмов (грунто-
вых насосов и черпаковых барабанов).
Таблица 16.1
Основные параметры СЭУ различных судов
Суда Днаплтон мощности । д. МВт Относитсль- МОЩНОСТЬ СЭС, движете- СЭУ гд
Танкеры 0,8—25 0,17—0,26 1, 2 ПТУ, ДУ пт, МОД, сод мод
Сухогрузы 0,6—18 0,25—0,32 1, 2 ДУ
Балкеры и комбиии- 10,0—22 0,13—0,15 1. 2 ду, пту пт, мод
роваиные Контейнеровозы 1,2-55 0,19—0,21 1, 2 ДУ, ПТУ сод, мод,
Газовозы 12,0—18 0,22—0,27 1, 2 ПТУ, ДУ пт, мод
Накатные 5,0—20 0,18—0,29 1, 2 ДУ, ГТУ СОД, ГТ
Пассажярсяие 1,3—18 0,25—0,7 2—4 ДУ МОД, СОД
Паромы 0,6—15 0.22—0,45 2—4 ДУ сод
Лихтеровозы 4,0—30 0,1—0,2 2 ДУ, ЯПТУ мод, сод,
Рыбообрабатывающие 1,5-12 0,6—0,8 1, 2 ДУ мод, сод
Транспортные рефри- жераторы 1,0—15 0,3—0,4 1, 2 ДУ мод, сод
Рыбопромысловые 0,6—8 0,5—0,75 1, 2 ДУ мод, сод, вод
Ледоколы 8—30 0 08—0,11 2—4 ДУ, ЯПТУ сод, пт
Буксиры 0,6—14 0,12—0,16 1, 2 ДУ сод
Технического флота 2—10 0,3—0,4 1, 2 ДУ сод, вод
Специальные 0,11—0,6 1, 2 ДУ сод, мод, вод
Наиболее сложными и развитыми СЭУ оборудованы геолого-
разведочные, буровые суда и суда для добычи полезных ископа-
емых— плавучие предприятия, вырабатывающие и потребляю-
щие большое количество энергии: механической, электрической,
тепловой, сжатого воздуха. Мощность СЭС на них может значи-
тельно превышать мощность ГД. На этих судах применяется
много уникального оборудования — для удержания судна на ме-
сте, для подъема и опускания бурильных труб, драг и тралов,
для приготовления бурильных растворов и т. п.
В табл. 16.1 приведены основные параметры СЭУ судов раз-
личных типов. Как видно, диапазон параметров СЭУ для всех
типов судов достаточно широкий и доминирующим типом СЭУ
является ДУ.
16.2. Дизельные установки судов транспортного,
промыслового и технического флота
Дизельные энергетические установки получили широкое рас-
пространение на судах различного назначения вследствие ряда
преимуществ: возможности получения большого диапазона агре-
гатных мощностей на базе стандартизации типоразмеров; до-
ступности использования различных типов передач; высокой топ-
ливной экономичности; относительной простоты автоматизации
управления. На рис. 16.1 показано изменение за последние годы
количества, суммарной мощности и дедвейта судов с ДУ и ПТУ.
Тенденция увеличения доли ДУ наметилась с начала энергетиче-
ского кризиса (середина 70-х годов) и особенно стала заметной
в последние годы, когда ДУ практически вытеснили все осталь-
ные типы ЭУ па морском и речном флоте.
Дизельные установки отличаются разнообразием технических
характеристик и конструктивных схем. Применение того или
иного типа ДУ зависит от типа судна, его назначения, характер-
ных условий эксплуатации, специфических требований к погрузке
и выгрузке и др.
Рассмотрим характерные особенности применения ДУ па су-
дах различных типов.
На морских танкерах применяются в основном одновальные
ДУ с МОД и прямой передачей (см. § 7.1). Характерные усло-
вия эксплуатации танкеров, т. е. большая доля ходового времени,
позволяют максимально использовать преимущества ДУ с пря-
мой передачей. Состав СЭС на танкерах среднего и большого
водоизмещения отличается стабильностью: три-четыре ДГ мощ-
ностью 400—600 кВт и один УТГ мощностью 400—900 кВт. При
этом относительная мощность СЭС колеблется от 0,185 до 0,253.
Это объясняется тем, что на танкерах привод грузовых насосов
может выполняться как с помощью паровых турбин, так и с по-
мощью электродвигателей (суда типа «Дмитрий Медведев»).
В последнее время для подогрева груза перед выгрузкой стали
применять высокоэффективный струйный способ, что несколько
14’ 4J9
уменьшило потребности в паре. Комплектация котельных уста-
новок па дизельных танкерах весьма типичная: два вспомога-
тельных котла и один утилизационный.
На речных танкерах чаще применяются двухвальные ДУ, что
объясняется ограничениями 'по предельной осадке и требовани-
ями к повышенной маневренности. В качестве ГД используются
СОД мощностью 800—1200 кВт, работающие напрямую или че-
рез редуктор на ВФШ. Судовая электростанция комплектуется
с учетом необходимости обеспечения электроэнергией мощных
грузовых насосов и, как правило, включает ДГ. На ходовом ре-
Рис. 16.1. Изменение по годам количества (а), суммарной мощности (б) и
дедвейта (а) судов с разными типами установок:
--------- ПТУ;------— ДУ
жиме применяются валогенераторы. Для этих судов характерно
отсутствие УК. Паром судно обеспечивает один вспомогательный
котел небольшой паропроизводительности, так как расходы пара
на речных судах весьма ограничены.
На нефтенавалочных судах применяются ЭУ, аналогичные
установкам морских танкеров как по размещению их по длине
судна, так и по комплектации ГД и ВД. На этих судах относи-
тельная мощность СЭС снижается до 0,145. Это можно объяс-
нить увеличением мощности ГД для создания повышенной ско-
рости при относительно большом водоизмещении.
Большим разнообразием типов ДУ и их комплектующего обо-
рудования отличаются сухогрузные суда, перевозящие грузы
большой номенклатуры и имеющие грузовые устройства различ-
ной конструкции. Так, на лихтеровозах типа «Алексей Косыгин»
применена двухвальная ДУ с МОД кормового расположения.
Суда этого типа отличаются повышенной скоростью (до 18—
19 уз) и небольшой относительной мощностью СЭС (0,11—0,12).
На фидерных лихтеровозах используются двухвальные ДУ с СОД
420
промежуточного расположения со смещением в корму. При этом
относительная мощность СЭС составляет 0,14—0,16. Особый ин-
терес представляет ГЭУ лихтеровозов типа «Матрос Железняк»,
в которой на каждый винт работает пара СОД разной мощности.
Двигатель большей мощности V-образный 12-циливдровыЙ,
а меньшей мощности—рядный 6-цилиндровый (установка типа
«отец и сын»). Двигатель «сын* может работать на генератор
переменного тока.
На балкерах применяется типичная для танкеров ДУ с МОД
схема кормового расположения. Поскольку на этих судах грузо-
вые средства отсутствуют, относительная мощность СЭС умень-
шена до 0,16.
Если на многоцелевых универсальных сухогрузах небольшого
дедвейта (до 5000 т) применены двухвальные ДУ с СОД, то на
аналогичных судах дедвейтом до 20 тыс. т использована одно-
вальная ДУ с МОД. Для этого класса судов характерно кормо-
вое расположение МО, наличие мощного кранового хозяйства и
тяжеловесных стрел с электроприводом. Все это вызывает уве-
личение относительной мощности СЭС до 0,27—0,31.
На аналогичных по назначению ледокольно-транспортных су-
дах типа «Норильск* установлена одновальная ДУ с СОД с от-
носительной мощностью СЭС до 0,204. Особенностью этих судов
является наличие в составе ГЭУ гидродинамических муфт для
смягчения ударов при плавании во льдах, а в составе вспомога-
тельной ЭУ—двух двигателей, аналогичных двигателям ДГ, ра-
ботающих на компрессоры пневмообмывочпого устройства. Каж-
дое судно типа «Норильск» поставляется с грузовой платформой
на воздушной подушке грузоподъемностью 40 т (ПВП-40).
Большим разнообразием типов ДУ отличаются сухогрузные
суда с горизонтальным способом погрузки. На судах сравни-
тельно небольшого дедвейта (до 5500 т) применяется одноваль-
ная ДУ с МОД, на крупных судах дедвейтом до 22 тыс. т — од-
новальная двухмашинная ДУ с СОД. Для этих судов характерно
большое количество разнообразных погрузчиков с электроприво-
дом, что вызывает увеличение относительной мощности СЭС до
0,25—0,28.
На контейнеровозах применяют также одновальпые ДУ
с МОД при относительной мощности СЭС около 0,2. Это можно
объяснить отсутствием на этих судах мощных потребителей элек-
троэнергии— грузовых кранов и лебедок. Комплектация котель-
ной установки — один вспомогательный и один утилизационный
котлы — также отличается от общепринятой для сухогрузных
судов.
На речных судах и судах смешанного плавания отечественной
и зарубежной постройки типы ДУ ограничены. Здесь, как пра-
вило, применяются двухвальные ДУ кормового расположения
с СОД. На этих судах относительная мощность СЭС невелика
(около 0,11—0,13), поскольку все грузовые операции выполня-
ются несудовыми средствами.
Потребность в электроэнергии в ходовом режиме обеспечива-
ется одним или двумя валогенераторами; потребность в паре —
одним вспомогательным котлом небольшой производительности.
Утилизационные котлы начали устанавливать лишь на судах по-
вой постройки.
На специализированных судах-газовозах, предназначенных
для перевозки ожиженных нефтяных газов и аммиака, применя-
ется типичная для танкеров ЭУ — одновальная ДУ кормового
расположения с МОД. В связи с тем, что на этих судах имеется
специфическое оборудование (установки повторного ожижения,
установки инертных газов, газовые компрессоры и др.), работа-
ющее на электрическом токе, относительная мощность СЭС по
сравнению с танкерами увеличена до 0,22—0,265. Хотя на этих
судах имеются утилизационные паровые котлы, турбогенераторы
в составе СЭС отсутствуют, что является недостатком в комп-
лектации состава ЭУ.
В последние годы на пассажирских судах, морских и речных,
используется вполне определенный тип ЭУ — двух-или трехваль-
ная многомашинная ДУ с СОД среднего или смешенного в корму
расположения. Так, на морском пассажирском судне типа «Георг
Отс» установлена двухвальная ДУ, расположенная в средней ча-
сти судна. В качестве ГД применены четыре СОД, которые по-
парно через суммирующие редукторы работают па свои ВРШ.
На речных пассажирских судах типа «Октябрьская револю-
ция» применена трехвальная ДУ с СОД промежуточного распо-
ложения. Многовальность на этих судах вызвана повышенными
требованиями к маневренности и живучести, а также ограничен-
ностью диаметра гребных винтов. Среднее расположение М.0 вы-
брано в связи с необходимостью вписать в общую архитектуру
жилых и служебных помещений шахту МО и дымовую трубу.
Поскольку на пассажирских судах имеется большое количество
специального оборудования с целью создания комфортных усло-
вий для пассажиров, относительная мощность СЭС возрастает
до 0,392 (суда типа «Георг Отс») и даже до 0,68 (суда типа
«Максим Горький»), С этим связано наличие развитой котельной
установки: кроме УК, которыми снабжен каждый ГД, имеются,
как правило, два или три вспомогательных котла.
Комплектация ЭУ паромов разнообразна. Так, на железнодо-
рожных и автомобильно-пассажирских паромах типа «Узбеки-
стан», предназначенных для Каспийского моря, применена двух-
вальная ДУ с МОД кормового расположения. В то же время на
автомобильно-пассажирских паромах типа «Белоруссия» исполь-
зована двухвальная ДУ кормового расположения с СОД, что вы-
звано необходимостью прокладки в ДП железнодорожных путей
или проезда для автомобилей. Поскольку паромы типа «Узбеки-
стан» в основном предназначены для перевозки железнодорож-
ных вагонов, они оборудованы ограниченным числом подъемни-
ков и, следовательно, относительная мощность их СЭС невелика
(до 0,238). На автомобильных паромах требуются грузоподъем-
422
цые устройства для перемещения автомобилей по различным па-
лубам, поэтому относительная на1рузка их СЭС может возра-
стать до 0,35—0,42.
На судах промыслового флота применяются разнообразные
ДУ с прямой, дизель-редукторной и дизель-электрической пере-
дачами. Преимущественное распространение получили одноваль-
ные установки, так как двухвальные и тем более трехвальные
ухудшают пропульсивные качества судна. К тому же при их при-
менении увеличивается ширина М.6, что приводит к большим
потерям полезного объема трюмов. Расположение МО по длине
судна чаще всего среднее, что объясняется наличием кормового
слипа для подъема трала.
Малые, средние и большие траулеры, а также промысловые
и транспортные рефрижераторы, например типа «Берингов про-
лив», укомплектовывают установками с прямой передачей. Сна-
чала в таких установках применяли ВФШ, а с середины 60-х го-
дов начали широко использовать ВРШ. Сейчас ВРШ устанавли-
вают на средних и больших траулерах, промысловых и
транспортных рефрижераторах. Практически весь промысловый
флот пополняется только судами с ВРШ. Установки с прямой
передачей могут быть оборудованы валогенератором для отбора
мощности. Применяют также установки с обратимой электрома-
шиной на валопроводе, например на СРТ типа «Ленинская куз-
ница». На переходах опа работает в режиме электродвигателя,
получая энергию от вспомогательных ДГ, а на промысле — в ре-
жиме генератора, обеспечивая работу траловой лебедки или дру-
гих потребителей.
В установках промысловых судов с дизель-редукторной пере-
дачей редуктор служит не только для понижения частоты враще-
ния гребного винта, но и для простоты и удобства отбора мощ-
ности, а также для возможности привода гребного винта от не-
скольких двигателей. Это позволяет повысить экономичность ра-
боты ДУ на частичных режимах, характерных для судов промыс-
лового флота. Чаще всего применяют двухмашинные ДУ, па-
пример на БМРТ типов «Пулковский меридиан» и «Горизонт».
В 60-х годах считалась перспективной двухмашинная ДРУ
с дизелями одной размерности, но разной мощности («отец и
сын»). В настоящее время наиболее распространены двухмашин-
ные ДРУ с двигателями одинаковой мощности.
В некоторых ДЭУ гребная электрическая установка и СЭС
автономны. В этом случае ДГ гребной установки вырабатывают
постоянный ток, а электростанции — переменный. На этом прин-
ципе были основаны установки производственных рефрижера-
торов.
Наиболее полно преимущества ДЭУ используются в установ-
ках с единой электроэнергетической системой, где ДГ не делятся
на главные и вспомогательные, а вырабатываемая ими энергия
в зависимости от режима эксплуатации судна распределяется
между гребной электрической установкой и другими потребите-
423
лями (например, па траулерах типов «Север» и «Наталья Ков-
шова»).
В связи с наличием на судах промыслового флота большого
количества специального технологического оборудования относи-
тельная мощность их СЭС возрастает до 0,6—0,75.
На некоторых судах (главным образом судах малых размере-
ний) паровая котельная установка отсутствует, и помещения
отапливаются электрогрелками или горячей водой от водогрей-
ного котла. Иногда ее может не быть и на более крупных судах
(например, на сельдяных траулерах достройки ГДР). Тем не ме-
нее наличие вспомогательного парового котла — неотъемлемый
признак современной ДУ промыслового судна.
Следует отметить, что УК не нашли применения на трауле-
рах, поскольку использование теплоты отработавших газов для
получения пара нужных параметров сопряжено с трудностями
из-за постоянно меняющихся режимов работы ГД на промысле.
В качестве вспомогательных на траулерах обычно служат водо-
трубные котлы с автоматизированным режимом питания и горе-
ния, а также огнетрубные. Производительность котлов зависит
от типа судна и состава потребителей пара и составляет от 300
(СРТ «Океан») до 4500 кг/ч (ППР «Рембрандт»), Рабочее дав-
ление пара относительно невелико (0,3—1,2 МПа).
На большинстве судов котельная установка состоит из од-
ного агрегата, по два котла установлено лишь па БМРТ отече-
ственной постройки и консервных траулерах. <
На судах технического флота МОД практически не применя-
ются, что объясняется повышенными требованиями к массогаба-
ритным показателям ЭУ. Выбрать тип ГЭУ для таких судов бы-
вает затруднительно, поскольку мощность технических средств
(грунтовых или пожарных насосов, подъемных кранов) нередко
становится соизмеримой с мощностью, необходимой для обеспе-
чения движения судна. Поэтому тип ЭУ следует выбирать с уче-
том применяемых технических средств. Так, на землесосах типа
«Готланд», предназначенных для дноуглубительных работ на
песчаных и илистых грунтах, установлена двухвальная ДУ
с СОД. При этом ГД могут передавать мощность либо через ре-
дукторы на гребные винты, либо через мультипликаторы на глав-
ные генераторы, которые обеспечивают электроэнергией насосы
гядроразмыва и грунтовые насосы.
Для обеспечения электроэнергией общесудовых потребителей
на судне имеется вспомогательная электростанция с относитель-
ной мощностью 0,325.
Часто на судах технического флота для технических средств
используется не электропривод, а дизельный привод. Это застав-
ляет предъявлять совсем иные требования к комплектации ДУ,
а также вызывает перераспределение мощности между ГЭУ,
СЭС и установкой для привода технических средств.
Так, на пожарных судах типа «Дибрар» СЭУ выбрана с уче-
том обеспечения двух скоростей — экономической, с которой су-
дно патрулирует в заданном районе, и максимальной, с которой
судно подходит к очагу пожара. В качестве ГЭУ применена
двухвальная ДУ с СОД. Наличие ВРШ, а также характер ниж-
ней ограничительной характеристики ГД, позволяюший полу-
чать устойчивую работу дизеля при малой нагрузке, дают судну
возможность длительное время двигаться со скоростью 1—2 уз
для маневрирования при тушении пожара. Для привода четырех
пожарных насосов используются ВОД, относительная мощность
которых составляет 0,435. В то же время относительная мощ-
ность СЭС всего лишь 0,135. Следует заметить, что на пожар-
ных судах предыдущего поколения типа «Генерал Гамидов», на
которых для пожарных насосов использовался электропривод,
относительная мощность СЭС составляла 0,615.
16.3. Паре- и газотурбинные установки
судов транспортного флота
Паротурбинные установки наиболее широко применяются на
танкерах большого водоизмещения (более 100 тыс. т), нефтена-
валочных судах, контейнеровозах и метановозах.
Распространение ПТУ на этих судах обусловлено следую-
щими причинами: возможностью создания компактных ЭУ при
мощности ГД более 20 МВт; хорошими массогабаритными пока-
зателями; высокой надежностью; способностью эффективно ра-
ботать на различных сортах топлива, включая топочные мазуты,
природный газ и уголь.
На танкерах большого водоизмещения применяются ПТУ
двух типов: без ППП и с ППП.
Применение ППП позволяет, как указывалось в гл. 8, повы-
сить экономичность ПТУ на 5—8% и довести удельный расход
топлива на установку до 235—250 г/(кВт-ч). До начала 80-х го-
дов такая экономичность считалась достаточно высокой и вместе
с другими преимуществами ПТУ (низкий удельный расход масла
(0,25—0,4 г/(кВт-ч), более низкая строительная стоимость, вы-
сокая надежность] способствовала резкому увеличению доли
ПТУ на танкерном флоте, особенно на крупнотоннажных судах
(см. рис. 16.1). В отдельные годы суммарная мощность ПТУ на
крупнотоннажных танкерах составляла 30—50% всей мощности
ЭУ этих судов. При этом доля ПТУ с ППП обычно не превы-
шала 10—15% суммарной мощности ПТУ.
С увеличением водоизмещения судов, а также с уменьшением
их скорости относительная доля расходов на топливо и масло
снижается. Танкеры всегда отличались большим водоизмеще-
нием и невысокой скоростью. К тому же повышенная опасность
при перевозке груза и возможность загрязнения Мирового оке-
ана в случае аварии поставили в число важнейших параметров
СЭУ танкеров надежность, поэтому большинство танкеров по-
стройки 60-х — 70-х годов оборудовали ПТУ без ППП, несмотря
425
на то что удельные расходы топлива в них достигали 280—
305 г/(кВт-ч).
В немалой степени распространению ПТУ на танкерах спо-
собствовали: широкое применение грузовых насосов с паровым
приводом; возможность быстрого включения в работу паровых
систем пожаротушения; наличие на танкерах крупных потреби-
телей тепла — паровых змеевиков обогрева тяжелого топлива.
В настоящее время ПТУ на танкерах вытесняется ДУ, кото-
рые, как и ПТУ, могут успешно работать на тяжелом топливе,
однако имеют более низкие (на 30—35%) расходы топлива и
масла.
На нефтенавалочных судах ПТУ применялись и применяются
гораздо реже. Использование ПТУ на этих судах обусловлено
в основном теми же причинами, что и на танкерах, поскольку
нефтенавалочпые суда 50—60% времени работают как танкеры,
а остальное время — как навалочные суда (рудо-или углевозы).
Между ПТУ танкеров и нефтенавалочных судов принципиальных
отличий почти нет, за исключением мощности ГД, которая для
танкеров выше в связи с их бблыними водоизмещениями.
В последние годы ПТУ стали устанавливать на углевозах
в связи с возможностью их работы на более дешевом угольном
юпливе, что имеет особое значение для стран с высоким уров-
нем добычи угля и низким — нефти (например, ПНР, Австра-
лия) .
Ниже приведены основные параметры ПТУ морских танкерод
п пефтснавалочных судов:
Параметры
Мощность ГД, МВт ......................
Мощность вспомогательных турбогенерато-
ров, кВт.............................
Частота вращения, об/мин:
гребного винта .......................
ТВД...............................
ТНД ..............................
Начальное давление пара, МПа...........
Начальная температура пара, °C ....
Привод вспомогательного турбогенератора
Число регенеративных отборов пара . . .
Удельный расход топлива, г/(кВт-ч) . .
Удельная масса ГТЗА, кг/кВт ...........
Удельная стоимость ГТЗА, руб./кВт . . ,
ПТУ с ППП ПТУ без ППП
18—35 10-30
1000—1500 ’*700—1400
70-85 60-85
4500-5500 4000—5500
3000—3300 2800—3300
9—12 6—7
500—530 510—5,50
ТВД, ТНД ТВД, ТНД
5—7 3 4
235-250 280-305
11-13 14—16
45—50 40—45
Из наиболее .характерных особенностей ПТУ этих судов сле-
дует отметить: широкое применение в качестве источников элек-
троэнергии валогенераторов с приводом от ТНД или ТВД;
в установках с ППП применение одного главного и одного вспо-
могательного котла, который используется в качестве резервного,
а также для питания турбоприводов грузовых насосов; использо-
вание резервного вспомогательного котла в ходовом режиме
в качестве нспартеля грязных конденсатов (ИГК): использова-
426
ние паротурбинного привода для грузовых и зачистных насосов;
большие по сравнению с другими типами судов тепловые на-
грузки ИГК, что связано с необходимостью подогрева груза (тя-
желой нефти и мазутов) перед началом разгрузки судна.
Танкеры и нефтенавалочникн с ПТУ имеют, как правило, один
грибной винт с невысокой частотой вращения, которая обеспечи-
вается двухступенчатыми редукторами четырех- и пятипогочпого
типа. Нагрузка электростанций ПТУ танкеров составляет в сред-
нем 2,5—3,5% номинальной мощности ГД.
На контейнеровозах применяются в основном ПТУ без ППП.
К, отличительным особенностям ПТУ этих судов относятся: на-
личие двух гребных винтов с автономными ГТЗА и котельными
агрегатами; упрощенные тепловые схемы с небольшим числом
регенеративных отборов (2—3); значительная мощность СЭС,
которая в ходовом режиме составляет 4—5% номинальной мощ-
ности ГД. Последнее связано с дополнительными затратами
энергии на перевозку грузов (вентиляция трюмов, перевозка
рефрижераторных контейнеров).
Контейнеровозы обычно имеют более высокую скорость (20—
28 уз), чем другие транспортные суда, и поэтому мощность ПТУ
у них выше и достигает в зависимости от контейнеровместимости
50—70 МВт. Высокие требования к надежности СЭУ контейнерово-
зов определяют такие специфические особенности ПТУ, как умерен-
ные начальные параметры пара (р] = 6-г-7 МПа,/(=’5004-510° С),
привод электрогенераторов от автономных турбин, применение
достаточного резервирования вспомогательных механизмов и ап-
иараюв. Все это приводит к зпачшельному снижению экономич-
ности ПТУ контейнеровозов и повышению удельного расхода
топлива 300—320 г/ (кВт • ч).
На большинстве метановозов применяются ПТУ, что объяс-
няется возможнос1ыо работы ПТУ только на газообразном топ-
ливе без добавления жидкого, высокой надежностью ПТУ и бо-
лее простыми по сравнению с другими типами ЭУ системами газо-
вых топливных трубопроводов.
В связи с требованием высокой надежности на метановозах
применяются исключительно ПТУ без ППП. Параметры ПТУ
метановозов и контейнеровозов весьма близки и различаются
только тем, что на метановозах используются одновальные уста-
новки. Нагрузка СЭС метановозов больше, чем других транс-
портных судов, и составляет в ходовом режиме 4—5% номиналь-
ной мощности ГД. Это объясняется наличием достаточно
мощного компрессора для сжатия испаряющегося при транспор-
тировке метана. С целью уменьшения нагрузки СЭС для привода
газовых компрессоров используют автономные паровые турбины,
отработавший пар которых подают для подогрева холодного газа
до требуемой температуры (не ниже температуры окружающего
воздуха).
Газотурбинные установки на транспортных судах имеют огра-
ниченную область применения вследствие целого ряда факторов,
427
из которых основными являются невозможность применения тя-
желых сортов топлива и ограниченный ресурс работы. В тече-
ние 60-х—70-х годов в различных странах были предприняты
попытки применить ГТУ на контейнеровозах, накатных судах,
танкерах, автопассажирских паромах, метановозах и плавучих
электростанциях.
Ниже приведены значения основных параметров этих ГТУ
с ТУК:
Мощность ГД, МВт ......................................... 9—55
Частота вращения гребных винтов, об/мин ............... 100—171
Удельный расход топлива, г/(кВт-ч) .................... 230—315
Удельная масса, кг/кВт:
ГД .................................................. 7,0—12
установки......................................... 15—25
Ресурс до капитального ремонта, тыс. ч .................. 10—25
Частота вращения ГТД, об/мин......................... 5000—8500
Относительная мощность СЭС .................... 0,05—1,1
Число гребных винтов................................. 1—2
В судовых ГТУ применяются различные типы приводов элек-
трогенераторов: ДВС, ГТД, утилизационные паровые турбины.
Относительная нагрузка СЭС зависит от типа судна и в значи-
тельной степени определяется нагрузкой общесудовых потреби-
телей.
Важное значение имеет выбор типа передачи и реверса для
ГТУ. Наибольшее распространение получили механические и
электрические передачи, а в качестве средства реверса — ВРШ и
реверсивные ГТД (газовый реверс).
Незначительное число судов с ГТУ не позволяет четко опре-
делить влияние типа судна на состав и параметры ЭУ.
Судовые ГТУ для водоизмещаюших судов и судов с динами-
ческими принципами поддержания значительно различаются по
составу и параметрам.
На водоизмещающих судах применяются как легкие (авиаци-
онного типа), так и тяжелые (индустриального типа) ГТД. Со-
став таких ГТУ практически близок (за исключением ГД) к со-
ставу ДУ с СОД, а их массогабаритные показатели на 30—50%
меньше, чем у ДУ. Это объясняется большой массой других эле-
ментов установок: валопроводов, гребных винтов, топливных и
масляных цистерн, трубопроводов, доля которых в обшей массе
СЭУ достигает 40—50 %. Более низкая экономичность ГТУ по
сравнению с ДУ не способствует их применению на водоизмеща-
ющих судах даже при лучших массогабаритных показателях.
Иная картина наблюдается на судах с динамическими прин-
ципами поддержания (ДПП). Массогабаритные показатели СЭУ
имеют большое значение для таких судов, поскольку масса уста-
новки снижает полезную нагрузку, а габариты оказывают зна-
чительное влияние па их полезную вместимость. Кроме того,
суда с ДПП имеют обычно ограниченную дальность плавания,
428
что обусловливает небольшие запасы топлива. Перечисленные
выше факторы являются исключительно благоприятными для
использования Г ГД авиационного типа, и поэтому на судах
с ДПП широко применяются ГТУ.
Рассмотрим отличительные особенности ГТУ судов с ДПП.
На этих судах применяются ГТД простых схем без промежуточ-
ного охлаждения воздуха, регенерации и утилизации теплоты
с небольшой удельной массой (1—2 кг/кВт). ГТД используются
также для привода гребных винтов (СПК), вентиляторов для
создания воздушной подушки, воздушных винтов (СВП), элек-
трогенераторов и вспомогательных механизмов. Все общесудовые
системы и системы СЭУ максимально упрощены и удобны в об-
служивании. В состав ГТУ входят сложные редукторные агре-
гаты, которые обеспечивают распределение мощности между
вентиляторами и несущими винтами (СВП), заглубление винга
с помощью угловых колонок (СПК) и привод вспомогательных
механизмов. Установленная мощность ГТД сравнительно неве-
лика и составляет от 2 до 10 МВт.
На судах с ДПП применяются специальные воздухоприемные
и газовыпускные устройства, использующие эффект высокой ско-
рости этих судов. Удельный расход топлива в ГТУ судов с ДПП
обычно высокий.
Проблемы реверса для судов с ДПП имеют второстепенное
значение: на СПК реверс может осуществляться только в водо-
измещающем положении, а на СВП — разворотом воздушных
винтов. Обычно на судах с ДПП применяются нереверсивные
ГТД, а реверс движителей производится с помощью реверсивных
передач. Ремонт ГТД на судах с ДПП обычно выполняется аг-
регатным методом, что позволяет сократить время пребывания
судна в ремонте.
16.4. Сравнительная эффективность дизельных,
паро- и газотурбинных установок
На большинстве современных судов применяются ДУ и на-
блюдается тенденция все более широкого их распространения.
Однако при определении целесообразности сохранения этой тен-
денции необходимо объективно сравнивать эффективность всех
типов СЭУ применительно к конкретным типам судов.
В настоящее время ДУ занимают монопольное положение на
речном и промысловом флоте, а также на некоторых классах
судов морского флота (специального назначения, технического
флота, служебно-вспомогательные, лесовозы). Для этих судов
ДУ более эффективны, чем другие типы СЭУ, и поэтому можно
утверждать, что при мощностях ГД, меньших 5000 кВт, другие
типы СЭУ не являются конкурентами ДУ. Ниже приведены дан-
ные о распределении основных классов морских судов и вари-
анты их СЭУ;
429
щснню, т-„
Варианты
Танкеры ...........................
Балкеры............................
Для перевозки генеральных грузов
Комбинированные (нефтерудовозы, угле-
рудовозы) .........................
Контейнеровозы ....................
Г азовозы .........................
Химовозы...........................
Накатные...........................
Прочие ............................
Специального назначения ...........
Промысловые .......................
Ледоколы и суда активного ледового пла-
вания .............................
ДУ, ПТУ
ДУ
ДУ
ду, ту
ду, ПТУ, ГТУ
пту, ду
ду
ду, пту, гту
ДУ
ДУ
ДУ
ДУ, ЯПТУ
Из этих данных видно, чго свыше 80 % всех судов по водо-
измещению составляют танкеры, балкеры и суда для перевозки
генеральных грузов (универсальные сухогрузы). Для балкеров и
универсальных сухогрузов ДУ предпочтительнее. Мощность ГД
этих судов в большинстве случаев не превышает 20 МВт, а при
этом условии ДУ имеют перед другими типами СЭУ следующие
преимущества: более высокую (на 30—50 %) топливную эконо-
мичность, простоту обслуживания и ремонта, высокую надеж-
ность. Для танкеров небольшого и среднего водоизмещения (до
150 тыс. т) эти преимущества сохраняются, и поэтому здесц
также доминируют ДУ. На балкерах, универсальных сухогрузах,
мало- и среднетоннажных танкерах применяются в большинстве
случаев ДУ с МОД.
На крупнотоннажных танкерах (водоизмещением свыше
150 тыс. т) наряду с ДУ применяются ПТУ. С ростом водоизме-
щения танкеров преимущества ДУ перед ПТУ уменьшаются, что
связано с увеличением абсолютной массы ДУ, повышением эф-
фективности ПТУ при возрастании их мощности и главным обра-
зом со снижением влияния расходов на топливо в себестоимости
морских перевозок нефти и нефтепродуктов. Тем не менее, как
показывают результаты технико-экономического анализа, даже
на крупнотоннажных танкерах ДУ эффективнее ПТУ. Об этом
свидетельствуют 1акже участившиеся за последние годы случаи
переоборудования крупнотоннажных танкеров с заменой ПТУ
на ДУ.
На рис. 16.2 показан график годовых затрат (1982 г.) на топ-
ливо и масло для танкера «Альфа Си» (дедвейт 225 тыс. т)
с ПТУ, которая была установлена на судне во время его по-
стройки, и с ДУ, заменившей ПТУ после шестилетней эксплуа-
тации. При модернизации танкера ПТУ без ППП (производство
фирмы «Сталь Лаваль») была заменена ДУ с СОД (производ-
ство фирмы М.АН). Из рисунка видно, что использование ДУ по-
зволяет сэкономить около 33—45 % топлива. Ниже приведены
дополнительные сравнительные данные этих двух установок, из
430
которых видно, что для крупнотоннажных танкеров ДУ более
эффективны, чем ПТУ:
Параметры
ПтУ ДУ с СОД
Грузовместимость, т ........................ 120 707
Мощность ГД, МВт ........................... 23,8
Частота вращения гребного винта, об/мин ... 86
Суточная экономия топлива, т/сут ......... —
Срок окупаемости модернизации СЭУ, годы —
120 234
23,5 (20)
82 (78)
35
Сказанное выше относится и к комбинированным судам —
нефтерудовозам. На углерудовозах эффективность ПТУ опреде-
ляется возможностями использования в них
Цена твердого топлива на мировом рынке
ниже дизельного в 4,7 раз, топочного мазу-
та в 2,0—2,5 раза. Если учесть разницу в
теплоте сгорания твердого и жидкого топ-
лива, то указанные выше соотношения цен
снизятся до 3,4 и 1,45—1,8 соответственно.
Таким образом, если на углерудовозах
КПД ПТУ на твердом топливе составит
25—30 %, то затраты па топливо будут со-
измеримы с затратами на топливо для ДУ,
работающей на котельных мазутах, и зна-
твердого топлива.
120 41) 60 а
Рис 162. Относительные
затраты 3 на топливо в
масло при эксплуатации
танкера с ПТУ (() и
ДУ (2)
чительно ниже таковых при работе ДУ на
дизельном топливе. Проектные разработки,
выполненные в ряде стран (Австралия,
ПНР, Япония), показывают, что при суще-
ствующих соотношениях цен на топливо
для углерудовозов ПТУ на твердом топливе
эффективнее (по затратам на топливо и масла), чем ПТУ на
жидком топливе на 35—45 % и чем ДУ — на 10—15%.
При использовании твердого топлива, однако, требуются боль-
шие затраты на оборудование топливных систем и дополнитель-
ной системы удаления золы; в этом случае увеличивается также
(в 2,0—2,5 раза) масса запаса топлива, что уменьшает провозо-
способность судов.
Наиболее разнообразными типами СЭУ оборудуют контейне-
ровозы, что объясняется более высокими скоростями и преиму-
ществами способов грузообработки этих судов. Относительная
доля контейнеровозов па морском флоте сравнительно неве-
лика.
До начала энергетического кризиса к СЭУ контейнеровозов
предъявлялось основное требование — высокая надежность, что
вытекало из жестких графиков работы контейнеровозов на рей-
совых линиях. Этому требованию в наибольшей степени соответ-
ствовали ПТУ без ППП, которые имели определенный запас
мощности, используемый при изменении метеорологических усло-
вий плавания судов, Наряду с ПТУ на контейнеровозах приме-
няют ДУ с СОД и ГТУ различных типов. В настоящее время
431
расходы на топливо для контейнеровозов стали основными и это
привело к снижению их скорости и преимущественному приме-
нению ДУ с СОД.
Подобная ситуация наблюдается на накатных судах (типа
ро-ро), где до начала энергетического кризиса в капиталистиче-
ских странах наряду с ДУ широко применялись ГТУ и ПТУ, Эти
суда имеют много общего с контейнеровозами (высокие скоро-
сти, небольшое время загрузки и выгрузки), и поэтому при низ-
ких ценах на топливо на них могли использоваться все типы СЭУ
на органическом топливе. В настоящее время перспективными
для накатных судов являются ДУ с СОД. На многих судах, где
раньше были установлены ГТУ, проведена модернизация СЭУ
с заменой ГТД на СОД.
На аммиаковозах и газовозах для перевозки ожиженных неф-
тяных газов (пропана, бутана) применяются исключительно ДУ
с МОД или СОД, которые работают на жидком нефтяном топ-
ливе. Такие суда обычно имеют небольшое водоизмещение (до
100 тыс. т) и невысокие скорости (до 20 уз), СЭУ этих судов от-
личаются большой нагрузкой СЭС, которая может достигать
10—15 % номинальной мощности ГД из-за больших затрат энер-
гии па поддержание в грузовых тапках низких температур (от
—40 до —50 °C), на вентиляцию междутанковых пространств и
на работу грузовых насосов и компрессоров. Высокая эиергона-
сыщепяость судов обусловливает необходимость применения эф-
фективных двигателей, и этим требованиям в наибольшей сте- •
пени отвечают ДУ.
Иная картина наблюдается на метановозах, где газ перево-
зится при низких температурах (около —162° С), что нередко
технически и экономически нецелесообразно. Ежесуточно на ме-
таповозах испаряется в среднем около 0,25 % перевозимого ме-
тана, в связи с чем требуются повышенные скорости этих судов
и использование испаряющегося газа в качестве топлива. Скоро-
сти современных метановозов составляю"1, 20—25 уз, а грузовме-
стимость достигает 125 тыс. м3. В течение часа па таком судне
испаряется около 5—6 т метана, что по теплоте сгорания эквива-
лентно 5,5—6,5 т дизельного топлива. Этого количества топлива
достаточно для работы всей СЭУ, однако классификационные
общества с целью повышения безопасности мореплавания не
разрешают работу СЭУ только на метане. Для маневрирования
и прохождения узкостей требуется дополнительно к газообраз-
ному снабжать СЭУ жидким топливом.
Наименьшие затраты потребовались для переоборудования
на газообразное топливо ПТУ. и это определило их широкое при-
менение на метановозах. Дизельные установки для работы па
газообразном топливе были созданы несколько позднее, для чего
пришлось ’пачительно изменить конструкцию двигателей и топ-
ливную систему (заменив ее комбинацией систем подачи метана
и жидкого топлива). Жидкое топливо используется как запаль-
ное, поскольку газообразное подается в цилиндры двигателя
432
с помощью управляемых газовых клапанов после наполнения ци-
линдров свежим воздухом, а температура воспламенения метана
достаточно высокая (640—800 °C). Для устойчивого воспламене-
ния газообразного топлива в цилиндры двигателя следует пода-
вать жидкое топливо по массе не менее 7,5 % на номинальном
ремиме и 12 % на режиме 50 %-й нагрузки. При переводе на га-
зообразное топливо показатели ДВС снижаются: падает среднее
эффективное давление, увеличивается удельный расход топлива.
Это иллюстрируется данными о параметрах СОД при работе
на дизельном и газообразном топливах (двигатели типа
ЧН 317/368, п = 600 об/мин):
Среднее эффективное дааление, МПа .... 1 ,41 1,24
Удельный расход воздуха на номинальной на-
грузке, кг/(кВт-ч).............................. 7,79 8,21
Температура выпускных газов на номинальной
нагрузке, °C .................................... 365 415
Удельный”’”расход топлива при нагрузке,
г/(кВт-ч):
номинальной ................................ 204 216
75 %-й.................................... 204 223
50 %-й.................................... 213 264
Потери теплоты, %:
в охлаждающую воду .......................... 14,6 13,8
в охладителе наддувочного воздуха . . 10,7 8,9
Механические потери, % 4,4 5,0
Особенно ухудшаются показатели ДВС на режимах частичных
нагрузок (КПД снижается до 32—34%). С учетом ухудшения
параметров ДВС на газообразном топливе, необходимости ис-
пользования в качестве запального легкого дизельного топлива,
а также стабильной доли испаряющегося газообразного топлива
на метановозах преимущественное распространение получили ПТУ
без ППП как установки более надежные, достаточно простые и
допускающие продолжительную работу лишь на газообразном топ-
ливе.
Следует подчеркнуть еще одно обстоятельство: постоянное
испарение газа вызывает необходимость его непрерывного полез-
ного использования и в этом случае для более экономичной СЭУ
мощность ГД требуется выше, чем для менее экономичной уста-
новки, что в конечном итоге будет влиять на скорость газовоза,
Так, при использовании ДУ с КПД ГД 35 % и ПТУ с КПД ГД
30 % разность в скоростях метановоза составит всего 5 %. Таким
образом, ПТУ без ППП, несмотря па более низкую по сравне-
нию с ДУ экономичность, перспективны для применения на ме-
тановозах, где в качестве основного топлива используется при-
родный газ. Последнее является необходимым условием, так как
если на метановозах предусмотреть установки повторного ожи-
жения метана и перевести на жидкое топливо все ГД и ВД, то
ПТУ лишится своих преимуществ перед ДУ,
433
При сравнении эффективности СЭУ различных типов кроме
экономичности следует учитывать и другие факторы: строитель-
ную стоимость, амортизационные отчисления, ремонтопригод-
ность, надежность, возможность обеспечения сервисным обслу-
живанием в других портах, работу на альтернативных топливах
и в комбинации с СЭУ других типов. По большинству из пере-
численных выше показателей ДУ занимают ведушее положе-
ние, что и определяет их преимущественное распространение
на всех типах судов морского флота (за исключением метано-
возов) .
Особенно перспективны в настоящее время ДУ в комбинации
с парусами или ветровыми установками, используемыми как ос-
новной или вспомогательный источник для движения судов.
В начале 80-х годов возрос интерес к парусным транспортным
судам в связи с возможностью решения двух важных проблем:
энергетической и экологической. Например, известны случаи ус-
пешного применения парусного вооружения на танкерах и рудо-
возах водоизмещением до 30—35 тыс. т. Расчеты и практика
эксплуатации парусных судов показывают, что применение пару-
сов позволяет снизить затраты на топливо в ДУ на 10—18 % или
обеспечить движение судов только под парусами со скоростью
10—12 уз.
Глава 17
ПРОБЛЕМЫ И
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СЭУ
17.1. Пути совершенствования
и направления развития СЭУ
В области совершенствования СЭУ имеется еше много не-
решенных вопросов. По-прежнему основными проблемами судовой
энергетики остаются экономия топлива, снижение массогабарит-
ных показателей и повышение надежности. Не теряет своего зна-
чения и совершенствование СЭУ в области мансвренности, шум-
ности, автоматизации управления, стоимости изготовления и мон-
тажа.
Экономия топлива. В процессе проектирования судна каждое
техническое решение необходимо оценивать с позиции экономии
топлива. Снижение расходов на топливо — важнейшая задача,
которую следует решать па всех стадиях проектирования, строи-
тельства и эксплуатации судов. Возможны два пути ее решения:
сокращение потребности в энергии на судах (повышение эффек-
434
тивности применяемых машин и механизмов) и повышение эконо-
мичности собственно ЭУ.
Благодаря проведенным научно-исследовательским и опытно-
конструкторским работам в 1976—1982 гг. удалось значительно
(на 15—25 %) повысить экономичность судовых МОД и СОД,
ко орые практически вытеснили газовые и паровые турбины.
Один из путей экономии топлива — применение в СЭУ топлив
альтернативных, которые могут заменить используемые в настоя-
щее время дорогие жидкие углеводородные топлива высокого ка-
чества. К альтернативным топливам относятся: твердые (уголь
и твердые продукты его переработки: кокс и коксоподобные об-
разования); газообразное (природный и нефтяные газы, биогаз —
продукт переработки растительных остатков, водород); жидкое
(тяжелый углеводородный мазут, сланцевое масло, спирты и аль-
дегиды); ядерное.
Актуальность применения тяжелых топлив в судостроении
обусловлена, с одной стороны, потребностью в легких дизельных
топливах в других отраслях народного хозяйства (автомобильном
и железнодорожном транспорте, сельском хозяйстве), а с другой,
более низкой ценой этого топлива.
Применение тяжелых сортов топлива в ДВС, однако, вызывает
определенные трудности, связанные с их повышенной коксуе-
мостью и ухудшением качества сгорания. Увеличивается, кроме
того, износ топливной аппаратуры и деталей цилиндропоршневой
группы, требуются более качественные н дорогие цилиндровые
масла, растет объем асфальтосмолистых отложений в цистер-
нах, возрастают затраты энергии на топливоподготовку. Для уст-
ранения этих недостатков в современных судовых ДВС применяют
следующие меры:
— повышают температуру подогрева топлива при его хране-
нии в цистернах, перед очистными устройствами и подачей к дви-
гателям (на 1 кг сжигаемого тяжелого топлива расходуется до
0,38 кг насыщенного пара);
— применяют гомогенизацию тяжелого топлива с целью раз-
рушения асфальтосмолистых образований, которые неполностью
сгорают в двигателях (на гомогенизацию затрачивается 1—2 %
полезной мощности двигателя);
— повышают давление подачи топлива к форсункам до 140—
160 МПа для улучшения его распиливания (на дополнительное
сжатие топлива в топливных насосах высокого давления затрачи-
вается энергия около 200 кДж/кг).
Качество сгорания тяжелых сортов топлива в ДВС резко ухуд-
шается при работе на долевых нагрузках (ниже 50 % номиналь-
ной) вследствие снижения температуры воздуха в момент подачи
топлива. Поэтому на таких нагрузках предусматривается не ох-
лаждение наддувочного воздуха, а его подогрев за счет теплоты
охлаждающей двигатель пресной воды.
Перечисленные технические мероприятия не решают, однако,
до конца проблему использования тяжелых сортов топлив в СЭУ,
435
и поэтому наряду с тяжелым на судах применяют и более дорогое
легкое топливо, которое используется при пуске и перед останов-
кой двигателя, при плавании в ограниченных акваториях и
в штормовых условиях. Использование двух сортов топлива при-
водит к дополнительным затратам, связанным с необходимостью
дублирования топливных цистерн, трубопроводов, механизмов и
аппаратов.
К новым направлениям в решении проблемы следует отнести:
создание бортовых установок для крекирования тяжелых сортов
топлива с целью увеличения вывода его легких фракций, магнит-
ную и лазерную обработку топлива, озонирование и ионизацию
воздуха для повышения его окислительной способности.
В связи с необходимостью применения тяжелых топлив в судо-
вых ДУ потребовалось провести исследования по приспособлению
двигателей к сжиганию таких топлив и прогнозировать изменение
их качества. В частности, по прогнозу фирмы «Пилстик» (Фран-
ция) тяжелые топлива будут иметь вязкость при 50 °C 500—
600 мм2/с.
При плотности топлива, превышающей единицу, отделить от
него воду с помощью сепарирования невозможно, поэтому при-
нято решение ограничить плотность топлива значением 0,99 г/см3.
Высокое содержание алюминия и кремния, имеющих абразивные
свойства, предполагается снизить с помощью электростатических
фильтров или улучшением сепарирования и фильтрации. Соответ-
ствующие меры намечены и для снижения содержания серы и
ванадия, способствующих коррозии.
В целом относительная стоимость (отношение стоимости топ-
лива к его теплоте сгорания) газообразного и твердого топлив
ниже, чем нефти и особенно нефтепродуктов, и поэтому они более
перспективные,
Газообразное топливо используется на специализированных
судах-метановозах. Применяется в основном топливо, которое
судно перевозит (ожиженный метан), а в качестве резервного и
дополнительного для ДУ — жидкое нефтяное. На большинстве
судов-метановозов установлены ПТУ без ППП. Применение ПТУ
обусловлено высокими мощностями СЭУ на этих судах, высо-
кой надежностью ПТУ и более низкой экономичностью ДУ (на
2—4 %) при их работе на газообразном топливе.
Известен пример использования на метановозах и ГТУ (нор-
вежский метановоз <Лусайн>), однако эти установки пока не по-
лучили широкого применения из-за ограниченного ресурса и более
низкого КПД, чем в ПТУ и ДУ.
При использовании газообразного топлива в СЭУ необходимо
обеспечить его безопасное и экономичное хранение, надежную и
безопасную работу двигателей, котельных установок и газовых
трубопроводов.
Газообразное топливо можно хранить в ожиженном (под ат-
мосферным давлением) или сжатом (давлении до 20—35 МПа)
состоянии. В первом случае требуются большие энергозатраты на
ожижение (до I кВтч на 1 кг ожиженного метана), специальные
материалы, выдерживающие низкие температуры хранения (—162
для метана, —253°С для водорода), а также изоляция емкостей
для хранения. Во втором случае энергозатраты в 2—3 раза
меньше, однако плотность сжатого газа ниже, чем ожиженного,
также " 2—3 раза, При хранении недостатком топлива в сжатом
состоянии является необходимость использования емкостей боль-
шой массы, достигающей на 1 кг хранимого топлива 9 — 14 кг
(стальные баллоны) и 7—8 кг (алюминиевые, армированные
стекловолокном). Все это ограничивает использование газообраз-
ного топлива в СЭУ, несмотря на его большие природные запасы
и интенсивное развитие отечественной газовой промышленности.
Принципиальные вопросы использования ядерной энергии
в судостроении в общих чертах решены на основе отечественного
опыта эксплуатации атомных ледоколов и лихтеровоза. С ростом
стоимости нефтяных топлив расширяется нижняя граница мощно-
стного диапазона, в котором может быть рентабельной судовая
ядерная установка. Однако использование ядерной энергетики не
решает и ближайшей перспективе топливных проблем примени-
тельно к массовому судостроению.
Стоимость угля (па единицу массы) в 5—10 раз меньше со-
ответствующей стоимости жидких нефтяных топлив. Из всех типов
СЭУ наиболее приспособлены для работы на твердом топливе
ПТУ. Принципиальных трудностей для перевода судовых ПТУ на
твердое топливо ист, поскольку имеется опыт работы этих уста-
новок на твердом топливе в прошлом, а также опыт работы на
угле стационарных паротурбинных электростанций. Для создания
современных ПТУ, использующих твердое топливо, требуется
решить ряд технических задач, связанных с его хранением и
транспортировкой, механизацией удаления золы и очистки по-
верхностей нагрева от шлаковых отложений.
Уголь в топках котлов ПТУ можно сжигать в виде угольной
пыли с применением пылеугольпых форсунок, а также оборудова-
ния для удаления шлака, улавливания и удаления золы, уносимой
с газами; в виде дробленого (гранулированного) угля в топках
с псевдоожиженным (кипящим) слоем. Возникают, однако, труд-
ности в размещении громоздкого оборудования для приготовле-
ния каменноугольной пыли (или гранулированной массы); созда-
нии специальных конструкций котлов (особенно с кипящим
слоем); обеспечении условий взрыво- и пожаробезопасности; пред-
отвращении загрязнений атмосферы угольной пылью, золой
и сернистыми соединениями; автоматизации управления и регули-
рования котельных установок.
Исследуются возможности создания ГТУ закрытого цикла,
работающих на угольном топливе.
В ДУ предполагается использовать уголь в виде пылеугле-
нефтеводяных суспензий и пылеугольного топлива. При этом воз-
никают сложные проблемы, связанные с приготовлением топлив-
ных масс, отработкой процесса горения, предотвращением изнаши-
437
вания топливной аппаратуры, цилиндропоршневой группы,
защитой турбокомпрессоров от эрозии и повышенных отложений.
Новым перспективным топливом на нефтяной основе для СЭУ
любого типа можно считать синтетическое жидкое (СЖТ), по-
лучаемое в результате глубокой химической переработки камен-
ных и бурых углей, горючих сланцев, битуминозных песков.
Синтетические жидкие топлива представляют собой смеси от-
носительно простых углеводородов, по основным качествам более
близкие к нефтяным остаточным топливам, чем к дистиллятам.
От нефтяных топлив СЖТ отличаются пониженным содержанием
водорода, существенно увеличенной долей ароматических угле-
водородов, повышенным содержанием асфальтенов, сравнительно
большой долей азота и кислорода, а также сниженным (у некото-
рых видов СЖТ) цетановым числом. Это несколько усложняет их
использование в судовых установках. Трудности эти могут быть
устранены с помощью известных технических средств и прежде
всего топливоподготовки и топливоочистки. Синтетические жид-
кие топлива практически не уступают нефтяным топливам по
энергетическим качествам — теплота их сгорания 36—
44 тыс. кДж,/кг при плотности около I кг/л.
Для использования СЖТ в судовой энергетике прежде всего
необходимо наладить производство синтетических топлив, отвеча-
ющих специфике применения в судовых условиях, а также при-
способить судовое оборудование и системы к работе на СЖТ.
Повышение надежности СЭУ. Второй по важности проблемой
СЭУ является повышение ее надежности, которая, как известно,
определяется такими свойствами, как безотказность, долговеч-
ность (ресурс) и ремонтопригодность. При ухудшении показате-
лей надежности СЭУ снижается безопасность плавания судна,
увеличивается вероятность возникновения аварийных ситуаций,
возрастают затраты на ремонт. Опыт эксплуатации свидетель-
ствует о том, что для ряда судов (особенно головных) надеж-
ность СЭУ снижается. Это можно объяснить следующим: услож-
нением конструкций двигателей, аппаратов и систем СЭУ; ухуд-
шением качества топлива (повышением в нем агрессивных
составляющих), высокой насыщенностью контрольно-измеритель-
ными приборами и средствами автоматики; повышением пара-
метров рабочих сред (давления и температуры топлива, пара и
конденсата); ускорением темпов проектирования и постройки су-
дов, судовых механизмов и аппаратов; отсутствием в судострое-
нии и судовом машиностроении развитых экспериментальной и
испытательной баз.
Из всех элементов СЭУ наименее надежны трубопроводы ох-
лаждения забортной воды, которые на многих судах подлежат
замене через 2—3 года эксплуатации. При агрегатировании меха-
низмов возрастают местные потери рабочих сред на сравнительно
коротких участках трубопроводов, что приводит к интенсифика-
ции коррозионно-эрозионных процессов. В связи с этим допусти-
мую скорость среды в трубопроводах морской воды стали спи-
438
жать до 2 м/с. Колена, отводы, тройники и другие местные со-
противления подвержены более интенсивной коррозии и снижают
надежность СЭУ в целом.
Надежность ДВС снижается в основном из-за отказов узлов
топливной аппаратуры (форсунки, топливные насосы высокого
давления), деталей цилиндропоршпевой группы (кольца, поршни,
втулки, цилиндровые крышки, выпускные клапаны), турбонагне-
тателей, механизмов привода клапанов. С переходом на тяжелые
сорта топлива число отказов увеличивается, а ресурс работы мно-
гих деталей топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы
уменьшается на 30—50 %. При ухудшении качества топлива и
увеличения в нем сернистых соединений, ванадия и натрия резко
возрастают поломки колец, прогары поршней и выпускных кла-
панов, заклинивание распылителей форсунок и плунжеров топлив-
ных насосов. Существующие конструкции двигателей и схемы топ-
ливоподготовки не обеспечивают полного сгорания тяжелого
топлива и падежной работы наиболее нагруженных деталей двига-
телей.
Применение в ПТУ перегретого пара, усложнение конструкции
ГТЗА в связи с применением валогенераторов в ряде случаев
уменьшают надежность этих установок Не менее острой является
проблема надежности многих элементов ГТУ (коробки приводов,
соединительные муфты, подшипники, лопатки и диски турбин и
компрессоров).
Современная технология вакуумной и плазменной наплавки и
напыления металлов, порошковая металлургия открывают новые
возможности в восстановлении работоспособности многих деталей
СЭУ. Применением биметаллических соединений и труб, полимер-
ных покрытий и клеевых составов, композитных материалов мо-
жно значительно повысить надежность судовых трубопроводов и
снизить трудоемкость и стоимость ремонтных работ.
В связи с прогрессивными методами эксплуатации транспорт-
ного флота (переход па четырехлетний период эксплуатации без
заводских ремонтов) требуется повышать ремонтопригодность СЭУ
в заводских и судовых условиях. Этого можно достичь рациональ-
ной компоновкой М.0 и трассировкой трубопроводов, обеспечением
достаточного количества ЗИГТа, грузоподъемных механизмов и
ремонтных площадок для СЭУ. С целью надежности СЭУ необ-
ходимо шире использовать на судах техническую диагностику для
своевременной профилактики механизмов, определения объема
ремонтных работ и предупреждения аварийных отказов.
При оценке надежности СЭУ следует учитывать современную
тенденцию снижения жизненного Цикла судов до 12—15 лет
(вместо 25—30 в прошлые годы), в связи с чем увеличивается
значение рационального использования вторичных ресурсов. При
постройке судна в МО применяется много ценных и дефинитных
материалов (медные и алюминиевые сплавы, олово, чинк и их
сплавы) Повторное использование многих цветных металлов —
важная народнохозяйственная задача.
439
Снижение материалоемкости. С появлением судов с большим
объемом грузовых помещений, СПК и СВП стали повышаться
требования к массе и габаритам СЭУ. Задача создания легких
и компактных СЭУ с высокой экономичностью и большим ресур-
сом работы все еще не решена.
Для снижения материалоемкости СЭУ важное значение имеет
применение более легких двигателей, форсированных по частоте
вращения и давлению наддува, механических передач с упрочне-
нием контактных поверхностей, рациональная компоновка меха-
низмов и трассировка трубопроводов, обоснованное снижение ко-
эффициентов запаса при расчетах, более рациональное резерви-
рование механизмов и трубопроводов.
Автоматизация управления СЭУ. Автоматизация управления
СЭУ — важный фактор повышения производительности труда па
судах транспортного и промыслового флота, Однако рост уровня
автоматизации сопровождается увеличением строительной стоимо-
сти судов (на 6—15%) и затрат на выполнение ремонтных опе-
раций по СЭУ в целом. Необходимые объемы автоматизации
процессов управления и контроля СЭУ определяются Правилами
Регистра СССР, а затраты на автоматизацию не ограничиваются.
Это в ряде случаев приводит к тому, что экономический эффект
автоматизации остается на низком уровне.
При определении уровня автоматизации СЭУ следует учиты-
вать не только технические или экономические факторы, по также
психологические и эргономические. Большое число контролируе-
мых параметров СЭУ, наличие для многих параметров аварий-
но-предупредительной сигнализации вызывает утомляемость и
повышенную эмоциональную напряженность обслуживающего пер-
сонала. Согласно данным инженерной психологии для подготов-
ленных операторов число сигналов не должно превышать 7—9
в секунду, а для малоопытных 3—4 в секунду.
Из-за несовершенства систем автоматизации безвахтенное об-
служивание СЭУ применяется крайне редко даже на автомати-
зированных судах (класс А1). На большинстве отечественных и
зарубежных автоматизированных судов назначается суточная
вахта в ЦПУ (периодические обходы и осмотры МО, а также
пуски или остановки эпизодически используемых механизмов или
аппаратов). В этих условиях надежность и бесперебойность не-
прерывной работы каждого механизма или аппарата должна быть
обеспечена в течение 18—24 ч.
Для совершенствования систем автоматизации СЭУ следует
широко использовать методы инженерной психологии, позволяю-
щие достичь лучшего согласования комплекса машина — человек.
Снижение стоимости изготовления и монтажа СЭУ. В послед-
ние годы наблюдается тенденция роста стоимости судов и СЭУ.
Повышение уровня технической оснащенности СЭУ и автоматиза-
ции неизбежно приводит к росту стоимости судов и в ряде слу-
чаен снижает рентабельность работы водного транспорта. Снизить
стоимость изготовления и монтажа СЭУ можно применением стан-
440
даргизации, уменьшением типоразмеров оборудования, использо-
ванием прогрессивных методов изготовления, монтажа и испыта-
ния элементов СЭУ. Одним из путей уменьшения стоимости СЭУ
является снижение скорости судов и сокращение мощности СЭУ.
В связи с повышением цен на топливо тенденция к уменьшению
скорости судов может сохраниться и в будущем. Особенно ак-
туальна задача снижения стоимости автоматизированных судов,
где на получение единицы информации затрачиваются большие
средства.
Экологические проблемы СЭУ. Требования к экологической
чистоте оборудования постоянно ужесточаются, н поэтому при
определении путей развития СЭУ следует обязательно учитывать
экологические факторы. Улучшение качества сгорания топлива,
применение газообразного топлива, повышение КПД двигателей
улучшают экологические параметры СЭУ. В то же время при-
менение тяжелых сортов жидкого топлива, твердого топлива с вы-
сокой зольностью и повышенным содержанием серы ухудшают их.
Работы по решению экологических проблем СЭУ ведутся в на-
правлении: воссоздания парусных и парусно-моторных движите-
лей и двигателей; разработки СЭУ на основе эпергохимии.
В некоторых странах уже находятся в опытной эксплуатации
грузовые и грузопассажирские парусные суда. Имеется много
проектов, позволяющих возродить парусные суда на качественно
новом техническом уровне.
Использование энергохимии в СЭУ предполагает применение
агрессивных выпускных газов на судах в качестве сырья для
получения химических продуктов (сернистой и серной кислот,
ароматических углеродов). Замкнутый характер технологических
энергохимических процессов позволяет утилизировать многие аг-
рессивные компоненты и снизить затраты па выработку энергии.
К экологической можно отнести и проблему шумности судо-
вого энергетического оборудования, которую до сих пор решают
в основном звукоизоляцией оборудования. Уровни шума в источ-
никах (высоко- и среднеоборотных ДВС, ГТД, компрессорах, вен-
тиляторах) все еще остаются высокими (до 105—115 дБ).
Улучшение маневренности СЭУ. Эта проблема решается со-
вершенствованием системы реверса судна и снижением времени
на подготовку к работе оборудования СЭУ. Лучший способ ре-
верса — посредством ВРШ, которые все шире используются на
транспортных судах. Актуальна проблема маневренности для су-
дов ледового плавания и ледоколов. Сейчас на этих судах для
повышения маневренности СЭУ применяют электропередачи,
в связи с чем значительно снижается КПД СЭУ (па 15—20%)
и растут затраты на содержание обслуживающего персонала
(в штат машинных команд введен вахтенный электромеханик).
Перспективные направления улучшения маневренности
СЭУ—создание несложных по конструкции, надежных и недоро-
гих реверсивных устройств н передач, уменьшение времени подго-
товки СЭУ к действию.
441
Комплексный характер проблем СЭУ. Ни одна из перечислен-
ных выше задач не может быть решена без учета других. Можно
привести много примеров из практики проектирования СЭУ, по-
казывающих, что решение одной проблемы без учета других обо-
рачивается в конечном итоге убытками. Например, при переводе
двигателей и установок на тяжелые сорта топлив снижаются за-
траты на топливо, однако увеличиваются затраты на юпливопод-
готовку, ремонт и обслуживание двигателей и резко снижается
надежность СЭу (особенно ГТУ). С внедрением агрегатировап-
ных вспомогательных механизмов ускоряется выполнение судомон-
тажиых работ, снижается их стоимость, однако интенсифициру-
ются коррозионные процессы в трубопроводах и снижается ре-
монтопригодность этих механизмов. Длинноходные ДВС более
экономичны, их КПД значительно выше, однако их масса велика
(на 10—15%). Подобные примеры свидетельствуют о том, что
при совершенствовании СЭУ необходимо уделять внимание прежде
всего первоочередным проблемам, таким, как экономия топлива и
повышение надежности.
17.2. Энергетические установки СВП и СПК
Легкие ГТД применяются на крупных быстроходных судах на
подводных крыльях и воздушной подушке различного назначения.
Дизельные двигатели на этих судах устанавливают для достиже-
ния относительно невысоких скоростей (до 35—40 уз). Дальней-
шее увеличение скорости с помощью ДВС приведет к потере про‘-
Возоспособности и рентабельности. Это наглядно проиллюстриро-
вано на рис. 17.1 применительно к дизельному СПК типа
«Метеор», При скорости более 70 км/ч полезная нагрузка судна
составит около 12 % общего водоизмещения, а при скорости
90 км/ч она будет равна нулю.
Эффективность энергетических установок СПК определяется
их технико-экономическими показателями: удельным расходом
топлива, массой, габаритами, надежностью, ресурсом и стоимо-
стью. Главное преимущество ГТД — его способность развивать
большую мощность по сравнению с ДВС при одинаковых массо-
габаритных показателях. Этим можно объяснить интерес к приме-
нению ГТД на СПК несмотря на повышенный удельный расход
топлива.
Малые массы ГТД позволяют создавать энергетические уста-
новки СПК и СВП, нс превышающие 20 % водоизмещения и спо-
собные сообщать судну скорость более 60 уз. Этому условию
могут удовлетворить только ГТД легкого типа. В зарубежной
практике применяют авиационные ГТД, конвертированные в су-
довые.
Наиболее часто встречаются варианты компоновок ПК с ГТД
на СПК (рис. 17.2): с прямолинейной передачей, угловым реверс-
редуктором, гидродинамической муфтой, угловой колонкой, водо-
метным движителем.
Схема энергетической установки СПК с прямой наклонной ли-
нией гребного вала не может считаться оптимальной, в связи
с тем что при такой схеме МО имеет большую длину, и для того
чтобы уменьшить угол уклона валопровода, МО должно быть
расположено в средней части судна или ближе к носовой. Однако
в этом случае уменьшается комфортабельность пассажирских по-
мещений. Наиболее целесообразным следует считать расположе-
ние МО в кормовой части СПК, что позволяет увеличить пасса-
жировместимость судна, уменьшить шумность помещений и сни-
зить массу установки за счет более коротких судового валопро-
вода и газовыпускных трубопроводов.
При использовании передач с угло-
вым редуктором, когда судовой вало-
провод имеет ломаную линию, появ-
ляется возможность рационально ис-
пользовать помещение МО и отнести
его в корму, однако установка при
этом усложняется. Большой наклон
валопровода, как и при прямой пере-
даче, увеличивает волновое сопротив-
ление и снижает упор винта, что при-
водит к уменьшению пропульсивного
КПД на 6—14%. Такая компоновка
ГТУ применяется для СПК с относи-
тельно небольшой высотой подъема
корпуса над поверхностью воды.
Применение гидродинамической
муфты в ГТУ обусловлена одноваль-
ной схемой ГТД, который требуется
отключать от движителя при запуске,
чения плавной нагрузки ГТД.
При создании газотурбинного двигательно-движительного
комплекса (ДДК) Для морских СПК проблема передачи мощно-
сти на гребной винт наиболее сложная. Прямолинейная наклон-
ная и с угловым редуктором передачи непригодны, поскольку при
большой высоте подъема корпуса над поверхностью воды получа-
ется большой угол наклона вала и резко снижается КПД греб-
ного винта, работающего в косом потоке. В связи с этим такие
передачи применяются на небольших СПК- Наиболее подходит
для этого случая угловая (Z-образная) передача типа «колонка»
(см. рис. 17.2, а), По конструкции она достаточно сложная и до-
рогостоящая, но имеет небольшую массу и габариты по сравне-
нию с электрической и гидравлической передачами.
Угловые колонки применяются в основном па морских судах,
передают мощности до 15 мВт и рассчитаны на длительную ра-
боту. Часто их выполняют подъемными для безопасности при под-
ходе судна к берегу и удобства их осмотра и ремонта.
Кинематические схемы угловых колонок, применяющихся на
СВП и СПК, показаны на рис. 17.3.
443
Для передачи небольших мощностей (до 3000 кВт) применя-
ют схемы с одним вертикальным валом, а для больших (10—
12 МВт)—с двумя вертикальными валами. В последнем слу-
чае можно уменьшить диаметры валов и, следовательно, попереч-
ное сечение стоек крыльев, внутри которых они проходят. Схема
размещения такой ПУ канадского СПК «Бра Дьор» представ-
лена на рис. 17.3, д. Здесь же показано расположение двигателя
малого хода, который используется при движении СПК в водо-
Рис. 17.2, Варианты компоновок ГТУ на СПК: а — с прямолинейной
передачей; б — с угловым реверсредуктором; в — с угловой колонкой;
г — с водометным движителем:
измещающем положении малым ходом и при маневрировании.
Газотурбинные установки с водометными движителями (см.
рис. 17,2, е) также удобно располагать в кормовой части судна.
Применение водометного движителя позволяет использовать в ус-
тановке одновальный ГТД и обходиться без разобщительной
муфты перед движителем.
Хорошо компонуются воздухопрнемное и газовыпускное уст-
ройства, которые имеют небольшую длину, несложные погибы и
не оказывают заметных сопротивлений. Большее внимание к уста-
новкам с водометными движителями в последнее время объясня-
ется тем, что при скоростях судна 40—45 уз КПД обычного винта
снижается вследствие кавитации, а суперкавитирующий винт при
этих скоростях создает условия для возникновения кавитации
гондолы, крыльев и стоек.
444
Суда на воздушной подушке имеют более сложную ЭУ, чем
СПК. Установка состоит из двух частей: подъемной, создающей
воздушную подушку, и движительной. Принцип работы СВП со-
стоит в следующем. Под днищем судна в воздушной подушке
создается небольшое избыточное давление, превышающее атмо-
Рис. 17 3. Кинематические схемы угловых колонок: а — с одним вертикальным
валом; 6—с одним вертикальным валом и планетарным редуктором; в —
с двумя вертикальными валами; г — с двумя вертикальными валами и разда-
чей мощности на два гребных винта; д— передача с разделением мощности
445
сферное всего на 0,003—0,005 МПа. Благодаря этому судно отры-
вается от поверхности и под ним в воде образуется впадина глу-
биной 10 см на каждые 0,001 МПа избыточного давления воздуха
в подушке. Поддерживающая сила воздушной подушки тем
больше, чем ближе судно к опорной поверхности. С повышением
высоты парения увеличивается утечка воздуха из подушки и мощ-
ность, необходимая для поддержания судна в режиме парения,
растет. Площадь подушки, а значит, и ее грузоподъемность воз-
растают пропорционально увеличению линейных размеров судна
во второй степени, а периметр, т. е. потери воздуха в подушке,—
пропорционально увеличению ее размеров в первой степени. Бла-
годаря этому с увеличением размеров судна можно либо умень-
шить расход воздуха, отнесенный к 1 т массы судна, либо уве-
личить высоту воздушной подушки.
У малых СВП мощность привода главного вентилятора состав-
ляет 45—65 кВт на 1 т общей массы судна. Для судов массой
около 100 т требуется 25—35 кВт на 1 т массы, а для СВП мас-
сой 200 т и более удельная мощность главных вентиляторов сни-
жается (15—20 кВт/т).
Компоновка ЭУ во многом зависит от типа СВП (снеговое или
амфибийное). Наиболее широко применяются амфибийные СВП
с гибким ограждением воздушной подушки, способные переме-
щаться не только над поверхностью воды, по и над сушей, сне-
гом, ледяными торосами, травянистыми и кустарниковыми зарос-
лями и т. д. На этих судах воздух в подушку нагнетается центро-
бежными или осевыми вентиляторами, а в качестве движителей,
используются воздушные винты изменяемого шага (ВИШ), раз-
мещенные па верхней палубе.
На большинстве судов массой 8—10 т и более фирмы-изгото-
вители предпочитают устанавливать ГТД, имеющие лучшие пока-
затели отношений мощности к скорости движения и массы на
единицу мощности (кг/кВт).
Суммарная мощность N установки СВП определяется затра-
тами энергии на создание воздушной подушки N9 и на горизон-
тальное перемещение судна Лгг:
N= N„+ Nr = Qp/r]B 4- Rv/r\,
где Q — подача вентилятора, ms/c; p— давление, создаваемое вен-
тиляторами, кПа; г|в — КПД системы подачи воздуха для созда-
ния воздушной подушки; R — полное сопротивление СВП, кН;
v — скорость судна, м/с; Г|— пропульсивный КПД движительного
комплекса.
При выборе ГД для СВП необходимо учитывать их эксплуата-
ционные характеристики, возможную потерю мощности в эксплуа-
тации, а также потери трансмиссии и на привод вспомогатель-
ных механизмов. Все это ориентировочно может быть учтено
коэффициентом потерь fe, составляющим 1,04—1,07. Тогда эксплуа-
тационная мощность ЭУ, необходимая для обеспечения заданной
скорости СВП, будет Уду — kN. Она служит основой для вы-
446
бора ГД, мощность которых должна быть принята равной Мэу
или несколько большей. Коэффициент потерь для газотурбинных
двигателей может быть принят меньшим, а для дизельных — боль-
шим.
На эксплуатирующихся СВП типичное распределение мощно-
сти ГД может быть таким: 65—70 % на привод движителя (соз-
дание тяги), 30—35 % полной мощности ЭУ—на создание воз-
душной подушки, примерно 5 % отбирается на нужды установки
и судна.
Высокие скорости современных СВП (свыше 70 уз) обуслов-
ливают большую удельную мощность ЭУ (60—100кВт/т и более).
Обеспечить такую высокую энерговооруженность можно только
применением ГТД легкого типа.
На СВП двигатели обычно располагают в кормовом отсеке
судна.
Один двигатель приводит одновременно вентилятор, создаю-
щий воздушную подушку, и воздушный винт изменяемого шага,
обеспечивающий тягу и движение, однако есть СВП, например,
типа «Нэвиплан» (Франция), па которых применены раздельные
двигатели для приводов вентиляторов и тянущих винтов.
Совмещенный привод вентилятора и движителя позволяет со-
кратить число двигателей, увеличить их единичную мощность и
гем самым повысить экономичность. Кроме того, в этом случае
можно перераспределить мощность между подъемным и движи-
гельным комплексами в зависимости от условий плавания. На-
пример, для большей высоты подъема судна с целью преодоления
волн или других Препятствий дополнительная мощность двига-
теля может быть затрачена на вентилятор. При спокойном со-
стоянии моря скорость судна может быть увеличена повышением
мощности, подводимой к винту, что достигается изменением его
шага. Тогда мощность, затрачиваемая вентилятором, уменьша-
ется, снижается его подача и высота парения судна.
Одно из самых крупных амфибийных судов (английское
СВП SRN4 массой 200 т и скоростью 60 уз) может перевозить
254 пассажира и 30 автомашин. Его Эу имеет четыре главных
ГТД типа «Протей», расположенных в двух бортовых отсеках
(рис. 17.4). Каждый ГТД мощностью 2500 кВт горизонтальным
валом соединен с редуктором, от которого один вал с самоцен-
трирующимися муфтами направлен вверх к четырехлопастному
воздушному ВРШ диаметром 3,5 м, а другой — вниз, к вентиля-
тору. Газотурбинные двигатели, расположенные у бортов, приво-
дят кормовые винты и вентиляторы, а двигатели, размещенные
в сторону ДП,— носовые винты и вентиляторы. Изменением шага
лопастей винта регулируется потребляемая им мощность и ско-
рость судна. От каждого ГТД 1450 кВт передается винту,
850 кВт — вентилятору и 190 кВт — вспомогательным механизмам.
Судно способно преодолевать волны высотой до 4 м.
Успешная эксплуатация этих судов в проливе Ла-Манш и вы-
сокая популярность побудили судовладельцев провести их модер-
447
Нйзацию. Были предложены проекты удлинения двух СВП при-
мерно на 17 м (SRN4MKI1I). Это позволило брать па борт до
420 пассажиров и 55 легковых автомашин. Предполагается повы-
сить мощность каждого ГТД до 2800 кВт при увеличении диаметра
воздушного винта до 6,4 м. Это позволит сохранить при-
мерно такие же технико-эксплуатационные показатели, которые
имело судно до модернизации, несмотря на увеличение массы
судна до 265 т.
Ведутся работы ио созданию СВП нового поколения ВН88.
Фирма «Бритиш Ховеркрафт корпорейшн» предполагает, что
судно ВН88 при той же грузоподъемности будет иметь скорость
Рис 17,4 Схема расположения двнгательно-двнжитель-
ного комплекса СВП SRN4:
I — воздушный винт. 2 — редуктор; S — пассажирский салон;
4 —главные ГТД; 5 — центробежный вентилятор; 6— междудок-
иое пространство (объем плавучести); 7 — гибкое сопло
на 5 уз больше и расход топлива на 60 % меньше, чем СВП
SRN4.
Крупнейшее французское СВП типа «Нэвиплап 500» (рис. 17,5),
введенное в эксплуатацию в 1977 г., имеет общую массу
260 т (масса судна порожнем 150 т, запасы топлива и расходных
материалов 20 т, максимальная масса груза 85 т) и скорость на
спокойной воде 75 уз. При высоте волн около 2,5 м скорость судна
снижается до 40 уз. На нем можно перевозить 400 пассажиров
и 45 легковых автомобилей. При максимальном подъеме на воз-
душной подушке 2,5 м судно способно преодолевать волны вы-
сотой до 4 м.
В камерах, расположенных под днищем (их 24), автоматиче-
ски регулируется давление воздуха при крене или дифференте
судна, что позволяет судну сохранять горизонтальное положение
корпуса при волнении моря. В состав ЭУ общей мощностью около
12 МВт входят пять главных ГТД, два из которых приводят ком-
прессоры для создания давления в воздушной подушке (ЗХ
Х103 Па)', а три других — воздушные винты, обеспечивающие
движение. В ближайшее время ожидается появление'судов на
воздушной подушке массой 300—500 т.
Суда амфибийного типа имеют высокую маневренность и не-
большой тормозной путь. Эти качества важны для плавания
в районах с интенсивным движением. Пролив Ла-манш, напри-
мер, считается одной из самых оживленных в мире транспортных
артерий, которую ежедневно одновременно пересекают не менее
700 различных судов. Для того чтобы исключить аварии, особенно
в условиях плохой видимости, СВП оборудуют навигационными
приборами и радиолокационными станциями, помогающими избе-
жать столкновения. В случае опасной ситуации нагнетатели си-
стемы подъема метут быть при необходимости мгновенно выклю-
чены, шаг воздушных винтов изменен на максимальную реверсив-
ную тягу и СВП остановлен (тормозной путь около 160 м).
Рис. 17.5. СВП типа «Нэвиплан 500»:
Подъемная система СВП состоит из следующих элементов: на-
гнетателей воздуха в ресивер или непосредственно в воздушную
подушку; воздушного тракта в жестком корпусе (воздухоприем-
иыс патрубки, диффузоры, ресиверы, воздушные каналы, сопловые
устройства, жесткие периферийные ограждения); устройства для
дросселирования потока воздуха в нагнетателях и в воздушных
трактах; воздушного тракта в гибком ограждении подушки.
Проектирование подъемной системы — сложная задача, кото-
рую решают методом последовательных приближений. Один из ос-
новных узлов подъемной системы — нагнетательная установка,
в состав которой кроме нагнетателя входят воздухонриемный
патрубок и диффузор.
При расчете нагнетателя определяют его основные характери-
стики: подачу Q, давление р, частоту вращения и диаметр рабо-
чего колеса. Наибольший расход воздуха для создания воздушной
подушки может быть определен по приближенной формуле
Q=»0,75Sny/ir 0, где Sn — площадь воздушной подушки, м2; йг.о—
высота гибкого ограждения, м.
15 За>.эз № 5ьь 44g
Внешний диаметр рабочего колеса D и частоту его вращения п
определяют по формулам D= (60/лп)ур/рр и п = 60/лЦ}/р/рр, где
р — массовая плотность воздуха; р—безразмерный коэффициент
давления
р = р!ри = р/(рла2)2л8/3600).
Мощность нагнетателя N = pQ/75r]a.
На основании опытных данных установлены следующие про-
порция нагнетательной установки: D/D[=\,5-, Fbmx/Fi =F1/f'o=l,2,
где Di—внутренний диаметр центробежного рабочего колеса на-
гнетателя; Авых — площадь воздушного потока на выходе из рабо-
чего колеса, Риых =лЬЬ2; &2—ширина рабочего колеса на выходе;
Pi — площадь воздушного потока на входе в рабочее колесо на-
гнетателя, F\~aDbt- &| — ширина рабочего колеса на входе;
D0Fq— площадь и диаметр воздухоподводящего патрубка перед ра-
бочим колесом нагнетателя,
Зная эти величины, можно определить остальные размеры
нагнетателя: £)р = 0,94у/’вы*; Д=уГвых; Р-ЦбуРвых; bl=O,26yFBMx;
65=0,21д/рЯЬ1Х. По данным практики определен диапазон измене-
ния рабочих и конструктивных характеристик нагнетателей: диа-
метр рабочих колес составляет 0,6—3,8 м, линейные скорости ко-
лес могут достигать 150—160 м/с, втулочное отношение колес
0,6—0,7, и относительная высота 0,05/0,45, удельная мощность по
производительности W/Q = 2,25-j-3,3 кВт/(м3/с). ‘
>7.3. Перспективы применения новых источников
энергии и двигателей в СЭУ
Из новых источников энергии внимание специалистов привле-
кают водород, ветровая и солнечная энергия, энергия морских
волн.
Целесообразность применения водорода в СЭУ связывают
с такими его преимуществами, как абсолютное отсутствие токсич-
ности выпускных газов, высокая теплота сгорания и возможность
Использования в современных типах двигателей и топливных эле-
ментах, которые имеют высокий КПД преобразования химической
энергии в электрическую. Однако при этом необходимо учитывать
и отрицательные свойства водорода: высокую стоимость, трудно-
сти хранения из-за низкой его плотности в газовой и жидкой фа-
зах, большие энергозатраты на ожижение (до 50 кВт-ч/кг), по-
вышенную взрыво- и пожароопасность. Теплота сгорания 1 м3
Водорода в ожиженном состоянии (температура хранения при
атмосферном давлении 20 К) в 4,3 раза ниже, чем дизельного
топлива или мазута, а теплота сгорания 1 м3 водорода при хра-
нении его в виде псевдогидрпдов металлов в 2,3—3 раза ниже,
чем аналогичного объема жидкого органического топлива. Ведутся
работы п уже есть первые результаты по применению водорода
в ДВС (КПД снижается па 3—5%), получению водорода при
термохимических процессах, хранению в псевдогидридах метал-
лов и др.
К числу экологически чистых источников энергии в СЭУ от-
носятся ветровая и солнечная энергия, а также энергия морских
волн. Перспективными следует считать ветровые двигатели и дви-
жители, которые можно будет вначале использовать на судах как
вспомогательные источники энергии, а затем по мере освоения
техники и технологии этих машин и устройств — как основные.
Принципиальных технических трудностей в использовании энер-
гии ветра на судах не существует, однако решение проблемы за-
трудняется нестабильностью этого вида энергии, отсутствием
опыта работы с ветродвигателями, недостаточно убедительными
технико-экономическими обоснованиями. С повышением цен па
топливо и снижением скорости транспортных судов преиму-
щества парусных движителей и ветровых двигателей увеличива-
ются.
Имеется опыт использования энергии ветра на современных
судах. В Японии построено крупнейшее парусное грузовое судно
грузоподъемностью 31 тыс. т, которое вышло в июле 1984 г. из
Иокогамы в свой первый рейс. Оно оснащено дизелем и двумя
жесткими парусами общей площадью 352 м2, При сильном попут-
ном ветре экономия топлива достигает 30 %.
Солнечную энергию можно использовать на судах с помощью
двух типов устройств: фотоэлементов, преобразующих лучистую
энергию в электроэнергию, и зеркальных фокусирующих устройств
с получением тепловой энергии для нагрева рабочих тел в паро-
силовой установке. Современный уровень развития физики и тех-
нологии полупроводниковых фотоэлементов позволяет преобразо-
вывать в электрическую только 10—16 % всей энергии солнеч-
ных лучей, попадающих на поверхность фотоэлементов. Из-за
низкого КПД и высокой стоимости материалов себестоимость
электроэнергии, полученной с помощью фотоэлементов (или, как
их называют, солнечных батарей), в 90—120 раз выше себестои-
мости электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростан-
циях. В этом столетии применения солнечной энергии на судах пе
ожидается из-за ее высокой себестоимости и нестабильности.
Энергию морских волн можно использовать па судах с по-
мощью гидравлических, гвдропневматическнх или механических
волнопреобразователей, которые позволяют получать механиче-
скую энергию с последующим ее превращением в электрическую.
КПД таких преобразователей еще недостаточно высок. Работы
по использованию энергии морских волн для получения электро-
энергии ведутся во многих странах и об успешности этих работ
свидетельствует большое число новых патентов.
Неравномерность распределения источников энергии ветра,
солнца и морских волн и низкая плотность некоторых ее видов,
(солнечной и морских волн) выдвигают в число сопутствующих
задачу аккумуляции энергии, которая может быть решена на ос-
15* 45b
нове создания электрохимических аккумуляторных батарей и
пневмоаккумулирующих систем, Электрохимические аккумуля-
торные батареи (кислотные и щелочные) мало пригодны для ак-
кумуляции энергии большой мощности с учетом их большой
массы и высокой стоимости. Пневмоаккумулирующие системы
позволяют заполнять воздухом повышенного давления элементы
корпуса судна с последующим использованием потенциальной
энергии воздуха для получения механической и электрической
энергии. КПД пневмоаккумулирующих систем ниже, чем у элек-
трохимических аккумуляторов, однако их можно выполнять
в виде элементов корпуса, они долговечнее и дешевле электрохи-
мических аккумуляторов.
Рациональное сочетание преобразователей возобновляемых ис-
точников энергии и пневмоаккумулирующих систем позволит ре-
шить проблему стабилизации выработки и потребления механи-
ческой и электрической энергии на судах. Если ветровая энергия
может быть использована как для движения судна, так и для
снабжения его электрической энергией, то солнечную и энергию
морских волн предполагается применять для работы вспомога-
тельных потребителей с целью общей экономии топлива на флоте.
Специалисты считают, что в ближайшие годы (20—40 лег)
основными видами энергии на судах будут химическая органиче-
ского топлива, ядерная и ветровая.
Принципиально новых двигателей с улучшенными по сравне-
нию с существующими свойствами не появилось за последние
годы. Неудачным был опыт производства роторно-поршпевых
двигателей системы Ванкеля для автомобилей, не нашли широкого
применения из-за ряда недостатков термоэлектрические и термо-
эмиссионные преобразователи энергии. Перспективными оста-
ются поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стир-
линга) и топливные элементы.
Двигатели Стирлинга имеют достаточно высокий КПД, низ-
кую токсичность выпускных газов и могут работать на различных
сортах топлив, включая твердое и ядерное. Их промышленное
производство еще не налажено, но опытные образцы есть во
многих странах и работы по созданию этих двигателей ведутся
уже па протяжении 20—25 лет.
Перспективность топливных элементов (электрохимических ге-
нераторов тока) объясняется их высоким КПД (40—55 %), от-
сутствием движущихся частей, экологической чистотой, бесшумно-
стью. Топливные элементы уже используются в подводных аппа-
ратах. Существуют и крупные стационарные установки
с топливными элементами мощностью 1000—4800 кВт.
Уместно отметить, что долгосрочное прогнозирование развития
науки и техники нс может быть достоверным из-за неизбежных
ошибок. Примеров подобных ошибок много в прогнозах 60-х—
70-х годов В ближайшие годы развитие СЭУ будет определяться
перспективами развития судоходства и требованиями по эконом-
ному расходованию всех видов ресурсов.
Перед судостроителями и машиностроителями нашей страны
стоят сложные задачи создания новой техники для освоения
природных ресурсов Крайнего Севера, круглогодичной навигации
по Северному морскому пути, перевозок по рекам Сибири и
Дальнего Востока. Требуется создать СЭУ, имеющие высокие
надежность и маневренность, низкие затраты на топливо и обслу-
живание. С учеюм перспектив развития отечественной топливно-
энергетической базы на ближайшие годы основными типами СЭУ
транспортного н промыслового флота будут ДУ различных типов,
атомные установки и ГТУ- Накоплен опыт проектирования, изго-
товления, монтажа и эксплуатации этих типов СЭУ. подготовлены
кадры производственников и эксплуатационников. Использование
ряда новых технических решений позволит уже в ближайшие
годы повысить эффективность СЭУ всех судов отечественного
транспортного и промыслового флота.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.1.
Ориентировочные значения энергонасыщенное™ судна
и относительной мощности СЭС
сда а^. кВт/т кВт/кВт
Пассажирские и грузопассажирские:
крупные пассажирские и автомо- 0,8—1,7 0,2—0,3
бнльно-пассажярскне паромы
Грузовые сухогрузные:
универсальные сухогрузные 0,3—0,7 0,15—0,25
с горизонтальным способом грузо- 0,5—1,0 0,2—0,3
обработки
скоростные контейнерные 0,8-1,5 0,15-0,25
ледового плавании 0,41-0,56 0,19—0,45 ,
Танкеры и суда дли навалочных грузов 0,1—0,3 0,1-0,2
Химовозы 0,25—0,7 0,2—0,46
Промысловые суда:
средние морозильные рыболовные 0,55—0,81 0,4—0,5
траулеры
рыболовные морозильные траулеры 0,30—0,52 0.7-J.3
большие морозильные рыболовные 0,40—0,48 0.6-0,64
траулеры
промыслово-производственные ре- 0,39-0,41 0,57—0,7
фрижераторы
приемотранспортные рефрижераторы 0,41—0,56 0,19-0,45
базы:
морозильные 0,31—0,56 0,13—0,98
рыбомучные 0,17—0,3 0.23—1,2
морозильно-мутные 0,2—0,39 0,45—0,96
консервно-морозильные 0,21—0,44 0,30—0,68
крабоконсервные 0,16—0,91 0,34-0,71
Суда технического флота (нефтесбор- 1,0-2,5 0,1—0,6
тихи)
Служебные буксиры:
спасательные 3,3—4,6
кантовщики 2,1—4,3
ледоколы 1,3-2,5 0,12—0,22
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.2
Пример распределения массы, т, у двух ПТУ мощностью
по 44,2 МВт
1 ПТУ-60, i ВРШ: I ГК 2 ПТУ-ЗО: 2ВРШ, 2 ГК
1 руппа
А — главная машинная установка 1236 1545
Б — трубопроводы главной машинной установки 434 455
В — независимые вспомогательные установки 126 51
Г — трубопроводы независимых вспомогательных установок 50 .50
Д — валопровод н движители 275 540
Е — системы теплоковтроля и др. 40 60
Жг — жидкие грузы 520 595
Сн — снабжение (по МКО) 5 5
Эл — электроснабжение из 123
Суммарная масса ПТУ (сухая) 2306 2819
Суммарная масса ПТУ, подготовленной к действию 2826 3414
ПРИЛОЖЕНИЕ 2,3.
Пример распределения удельной массы, кг/кВт, у двух ПТУ
мощностью по 44,2 МВт
Группа 1 ПТУ-60: ( вРш- 1 ГК 2 ПТУ-30; 2 ВРШ; 2 ГК
А главная машинная установка 28,5 35,1
А и Б главная машинная установка е трубо- проводами 38,5 45,3
Все группы, кроме Жг сухая масса ПТУ ПТУ, подготовленной к действию 52,2 64.1 64,0 77,6
455
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.4.
Габаритные характеристики МОД типа ДКРН
Длительная эксплуатаци-
онная мощность, МВт
Габариты, и:
длина I.
ширина В
высота Н
Масса, т
ы/но-з 67/140 4 14/160 4 ао/1бо 4
4,49 11,14 6,26 15 5,26 15,6 8,83 21,2
9,23 17,55 3,57 9,20 224 448 9,37 17,35 3,40 8,90 270 570 10,87 20,37 4,07 10,53 355 698 11,11 20,71 3,98 9,98 460 935
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.5
Габернтиые характеристики СОД фирмы МАН — Б и В
Модель: частота вращения, об/с цилиндров Мощность, МВт Габариты, и Масса, т
Длина L Ширина В Высота Н
L 40/45; 6 3,3 7,1 2,55 4,55 61
600 7 3,85 7,7 2,55 4,55 68
8 4,4 8,6 2,55 4,70 76
9 4,95 9,3 2,55 4,70 83
V 40/45; 12 6,6 7.6 3,05 4,60 92
600 14 7,7 8,4 3,05 4,60 105
16 8,8 9,35 3,(0 4,75 117
18 9,9 10.15 3,10 4,75 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.6
Габаритные характеристики ГТЗА фирмы ИХИ
Мощность, МВт Габариты, » Масса, т
Длина L Ширина В Высота Ч
19,85 II 7 9,8 6,9 259
22 11.7 9,8 7,5 269
24,3 12,1 9,8 7,8 277
26,4 12,9 10,0 7,8 306
29,5 13,1 10,0 8 0 345
33,1 13,6 10,3 8 1 352
36,8 14.1 10,3 8,3 37!
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.7
Габаритные характеристики ГТД промышленного типа
Характе ристики MS-1902R MS Э002Я MS 5OO2R MS-7002R
типа А типа F,
Диапазон мощности. МВт 3,68 •5,5—8,8 11 — 16,2 16,2—22 33—44
Номинальная мощ- ность, МВт Габариты (без редук- тора), м: 3,3 8,1 16,1 20,7 40,5
длина 7.2 9,6 13,6 14,7 18,5
Ширина 4,9 5,2 7,3 8,4 12.0
высота’ Масса, т; 0,5 9,1 9,7 10,2 13,4
ГТД с регенера- тором 70 111 180 200 455
ГТД с редуктором 179 303 3(5
• При расположении
регенератора над ГТД.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.8
Отказы ДВС, % общего количества отказов
Откаа =>£ с-п. is 3
Износовый [7 17 7 20 4
Внезапный 46 45 37 49 33
Коррозионный 5 5 7 5
Усталостный 22 22 22 23 26,5
Прочий 10 11 27 3 31,5
457
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.9
Процентное соотношение причин отказов элементов котлов, %
Причины По данным Денисенко Н. И Цо данным Такнд- завы Рэнкятиро По данным Дж Мел- вилла и Г Фостера
Главные котлы пли КВ! • 4К трубные Огне- трубные
Дефекты материалов 1.6 2,9 9
Ошибки в расчетах । 23 2,4 4,3 —
Дефекты изготовления и мои- 7,2 10,1 4,6
тажа
Ошибки при обслуживании 27 75,2 82,7 27,7
В том числе:
управлении — 18,4 28,8 38,8
водоподготовке — 13,0 14,5
управлении вспомога- — 11,2 10.8 —
тельным оборудованием
дефекты ремонтов — 15,2 18,7 4,9
Сернистая коррозия 8 13,6 —
Газовая коррозия 10 — 5
Внутренняя коррозия 18 — — 6,8 ,
Перегрев металла 27
Термическая усталость i 14 - - 19,9
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.10
Средняя наработка на отказ узлов главных котлов, ч
элемент Марка котла
КВГ-25 КВГ-25К КВГ-34К
Пароперегреватель 3080 10 300 19 700
Испарительные пучки 3340 17 070 11 670
Экономайзер — — 7 360
Предохранительные, питательные и глав- ный стопорный клапаны — 9 500 15 680
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.П
Сроки службы трубопроводов общесудовых систем и систем СЭУ
Системы Толщина стенки трубы *, мы
Энергетической установки: 2.5
топливная и масляная
охлаждения главных и вспомогательных двига- телей Судовые: 3,0
противопожарные и во- дяные 3,5
углекислотная бытового водоснабжения: 3,5
пресной воды 2,5
забортной воды 3,5
газовыпускная отопления и хозяйствен- ных паропроводов: 5,0
в закрытых пом.ещс- 2,5
на открытых палубах 2,5
балластно-осушительная 2,5—3,0
подогрева груза в танках 3,0
грувовав 7-е
расчетный (не более) до поянле кия первых Дефектов до частичной или пилкой (П) замены
20 6-8 (0—12 (11)
15 1,5 3 (П)
15 3 6-7 (И)
10 2-3 4-5 (П)
15 0-10
15 2-3 6(H)
’} 3 8 (П)
Ю 3—5 6-8 (П)
8 1,0—1,5 2—3 (П)
12 3,0” 4-5 (П)
16 2,0-2,5 4-5 (П)
20 6-8 10—12 (Л)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.12
Сравнительные херактеристики реверсивных устройств
реве рсивное устройово Достоинства Недостать К
Осевая турбина зад- него хода 1. Универсальность при- менения (может быть использована на любых объектах) 2. Однотипность конструк- ции с двигателями пе- реднего хода 1. Усложнение конструкции 2. Необходимость введения в установку органов распре- деления рабочего тела, экра пирования неработающих турбин обратного кода
450
Продолжение прилож. 2.12
Реверсивное устройство Достоинства Недостатки
Осевая турбина зад- него хода 3. Малые масса и габари- ты 3. Наличие вентиляционных потерь, связанных с враще- нием неработающих турбин обратного хода 4. Ограниченная продолжи тельность работы на режиме заднего хода вследствие воз- можных перегревов проточ- ных частей вентилируемых вхолостую турбин
Реверсредуктор 1. Высокий КПД на ре- жимах переднего и зад- него хода 2. Возможность примене- ния нереверсивных ГД — упрощенные кон- 1. Усложнение конструкции главной зубчатой передачи 2. Большие масса и габариты
3. Отсутствие вентиляци- онных потерь, связан- ных с вращением нера- ботающих турбин обрат- ного хода 3. Понижение общей надежно- сти передачи вследствие вве- дения в нее дополнительных элементов (фрикционы пе- реднего и заднего хода)
Гидрореверсивная передача 1. Возможность примене- ния нереверсивных ГД 2. Умеренные масса и га- бариты 3. Отсутствие вентиляци- онных потерь, связан- ных с вращением нера- ботающих турбин обрат- ного хода 1. Усложнение конструкции главной зубчатой передачи 2. Понижение общей надежно* сти передачи вследствие вве- дения в нее дополнительных элементов (гидропередачи с системами заполнения и опорожнения рабочих поло- стей) 3. Возможность перегрева не- работающей гидропередачи из-за вентиляции воздуха в ее рабочей полости 4. Дополнительный расход энергии на заполнение поло- стей гидропередачи и на циркуляцию рабочей жидко- сти в системе гидропередачи при ее работе
Электрическая пере- дача 1. Возможность примене- ния нереверсивных ГД 2. Высокие маневренные свойства и легкость уп- равления при реверсах 3. Возможность значитель- ного уменьшения длины валопровода за счет раз- мещения ГЭД в корме в любой части судна 1. Большие масса и габариты 2. Малый КПД передачи на пе- реднем и заднем ходу 3. Невозможность плавного изменения частоты вращения ГЭД переменного тока без преобразователей тока
460
Продолжение прилож. 2 12
Реверсивное устройство ДОСТОИНСТВА Недостатки
ВРШ 1. Возможность примене- ния нереверсивных ГД 2. Высокие маневренные свойства и легкость уп- равления при реверсах 3. Отсутствие вситиляин онных потерь, связан- ных с вращением нера- ботающих турбин обрат- ного хода 4. Меньшая, чем при дру- гих способах реверса, мощность на заднем хо- ду, обеспечивающая за данный выбег судна до остановки 1. Ограниченная область при- менения (в основном на су- дах с узколопастными вин- p. 3ai рудпительпость ревизий и ремонтов МИШ 3. Общее усложнение и пони- жение надежности системы реверса в связи с включе- нием в нее дополнительных элементов (Л1ИШ и пр.) 4. Дополнительная затрата энергии па МИШ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.13
Технико-экономические показатели при унификации
комплектующих изделий на судне типа «Меридиан»
Показатель Числъпое значение
Коэффициент применяемости изделий Хцр, % Коэффициент унификации изделий А'у, % Коэффициент повторяемости Кп, % Коэффициент охвата специализированным производством, %- но типоразмерам Кс[, по штукам Ло.еп Коэффициент сокращения конструкторской документации К, % Экономия при проектировании в результате применения в про- екте заимствованной конструкторской документации Э,1р, тыс. руб. Экономический эффект на стадии постройки судна Э^ф, тыс. руб. Годовой экономический эффект на стадии постройки судна Эг, тыс. руб. Сравнительный экономический эффект анализируемого судна с прототипом на стадии постройки ДЭэф, тыс. руб. Степень снижения стоимости, %: проектирования Псп? постройки Лг сТр 96,5 88,0 37,5 71,5 77 6 40,0 323,0 540,0 1050,6 39,34 32,5 4,6
4G1
Требова!
ПРИЛОЖЕНИЕ 8.1
Основные характеристики судовых ПТУ
Характеристики «Прага» «Максим Горький» «Хасси Рмел» «Си Лэнд Маклин» «Крым» де Леон» «Идемицу
«София»
Тип судна Танкер Пассажир- судно Метановоз Контейне- ровоз Танкер Трейлере- Танкер
Страна и год постройки СССР,™ 1963 ФРГ, 1969 Франция, 1972 Голландия, 1972 СССР, 1974 США, 1968 Япония, 1966
Дедвейт, т 30 900 49 370 - - 27 670 150 000 131 000 210 100
Тип установки Фирма-изготовитель ТС-2 AEG Блом унд Фосс MST-19 GE ТС-3 MST-14 GE R-802 IHI
Промежуточный перегрев пара Число: Нет Нет Нет Нет Есть Есть Есть
главных котлов 2 3 2 2 1,5 1,5 ,1
отборов пара из ГТЗЛ (сту- пеней подогрева воды) 3(2) 3(3) 2(2) 2 (2) 5 (5) 3(3) 5(4)
Мощность на гребком валу, кВт Параметры пара перед ГТЗА: 13 950 2X7350 11 950 2X44 100 22 000 23 500 23 500
давление, МПа 3,98 5.89 4,12 5,86 7,65 10 8,36
температура, °C 465 510 505 510 510 (510) 510 (510) 510 (420)
расход, кг/ч 56 690 — — — 78 500 76 810 74 100
Продолжение прилож 8 i
Характеристики «Прага» «София» «Максим Г орькяй» «Хасси Рмел» «Си Лэнд Маклни» «Крым» «Понсе де Леон» «Идемниу
Частота вращения гребного вала, об/мин 110 130 120 135 90 128 100
ТВД/ТНД 4780 7000 7000 5370 6768
2960 4500 4500 2850 3380
Привод:
питательного насоса ЛВТП* ЛВТП ЛВТП АВТП От ТВД О г ТВД АВТП
электрогенератора КВТ** 2АВТП IKBT ЛВТП КВТ От ТВД От ТНД АВТП
Главный конденсатор.
компоновка Подвальная Осевая Подвальная Осевая
способ циркуляции воды Насосом Самопроточная Насосом
способ удаления паровоздуш- ной смеси Эжектором Вакуум-насосом Эжектором
Удельный расход топлива на все нужды судна, кг/(кВт'ч) 0,325 0,336 0,365 0,307 0,290 0,258 0,267 0,265
* ЛВТП — автономная вспомогательная турбина с противодавлением.
’• КВТ — конденсационная вспомогательная турбина.
ПРИЛОЖЕНИЕ 9.1
Основные характеристики судов с ГТД и их установок
Характе ристики «Парижская коммуна» «Айрой Монарх» «Лусайн» «Шеврон Орегон» «Саяэй прянс»
II П П П П
Тип судна Сухогруз Накатное Метановоз Танкер Паром
Страна-изготовитель СССР, 1968 Австралия, 1974 Норвегия, 1974 США, 1977 Австралия, 1975
Дедвейт, т 16 185 15 450 20 900 35 564 5550
Водоизмещение, т 22 225 — — 45 396 —
Эксплуатационная скорость, уз 18,2 20 19,7 15 18
Число судов в серии 1 2 1 6 2
Расположение установки с К К К К
Число гребных валов 1 1 1 1 2
Индекс установки (двигателя) ГТУ-20 MS-5212R MS-5212R MS-3002R MS-3112R
Тип передачи М М М Э Э
Частота вращения гребного ва- 103 125 125 100 200
ла, об/мнн
Способ реверса ВРШ ВРШ ВРШ ВРШ ВРШ
Привод электрогенератора УПТГ ГТД ДВС ГТД ГТД
Мощность установки, МВт:
максимальная 9,6 13,95 14,7 — —
номинальная 8,7 12,85 — 9,2 8,9
Марка топлива д, г Т Д. т, г Д Д
Удельный расход топлива, г/кВт 320, 324 272 — 269
Продолжение прилож. 9-1
Характеристики «Адмирал Каллаган» «Еэролзйнер» «Финнджэт» «Севериое сияние» «Капитан Смирнов»
А А А А ГПТУ
Тип судна Сухогруз Контейнеровоз Паром ПЭС Накатное
Страна-изготовитель ФРГ, 1967 ФРГ, 1971 Финляндия, 1977 СССР, 1969 СССР, 1978
Дедвейт, т — 23 100 23 000 — 20 270
Водоизмещение, т 24 000 32 000 — 2224 35 000
Эксплуатационная скорость, уз 26 26 30,5 — 25
Число судов в серии 1 4 1 5 4
Расположение установки к К К С К
Число гребных валов 2 2 2 — 2
Индекс установки (двигателя) FT4A-2 (LM-2500) FT4A-12 FT4C-2 ГТД-! ГТУ М-25
Тип передачи М М М Прямая М
Частота вращения гребного ва- 135—145 135 171 3000 130
ла, об/мии
Способ реверса Редуктор ВРШ ВРШ — ГТД
Привод электрогенератора ДВС ГТД ГТД ДВС ДВС, УПТГ
Мощность установки, МВт:
максимальная 2X18,3 2X22 —. 2X12 2X18,4
номинальная 2Х 14,7 2X20 2X27,5 2Х 15 2X17,3
Марка топлива Д Д Д Д Д, г
Удельный расход топлива, г/кВт 315 315 272 380 238
Примечание Л — ГТД авиационного типа: Г — газообразное; Д — дизельное. К — кормовое. И — механическая; П — ГТ Д промышлен-
ного типа, ПЭС — плавучая электростанция; С — среднее. Т — тяжелое; Э — электрическая; УПТГ — утилизационный паротурпогенератор
ПРИЛОЖЕНИЕ юл
Комбинированные установки с дизельной МУ
Характеристики Ледоколы СКР
«Норман Май* леод Роджерс», Канада. I9&9 г. «Полар Стар», США. 1976 г. «Альггнно», Италия, 1968 г. «Тип-5», Англия— Иран, 1969 г. «Тип-10», Англия—Брази- лия, 1977 г
Число построенных или заказанных судов I 2 2 4 6
Полное водоизмещение, т 6570 12 000 2700 1290 3800
Энерговооруженность, кВт/т ',79 3,67 8.5 25,6 10,6
Число и тил гребных винтов 2 ВФШ 3 ВРШ 2 ВФШ 2 ВРШ 2 ВРШ
Полная мощность СЭУ, МВт Число и мощность двигателей, шт.X МВт: J1,77 44 23 33 40,3
маршевых 4Х 1,47 6X2,54 4X3.1 2X1,4 4X3,3
форсажных 2X2,94 3X14,67 2X5,5 2X6,9 2X20,6
Степень форсажа 0,5 0,7 0,47 0,92 0,68
Параллельная работа МУ и ФУ Тип передачи: Обеспечена Не преду- смотрена Обеспечена Не преду- смотрена Не преду- смотрена
МУ Электриче- Электриче- Зубчатая, двухскоро- стная Зубчатая Зубчатая
ФУ То же Зубчатая Зубчатая Го же То же
Способ реверса Электропере- дача ВРШ Дизель МУ ВРШ ВРШ
Продолжение прилож. 10.1
X аракте ристики СКР i Катера
С-10, Франция, «Люпо», 1977 г"’ «Э|П1'Нлл», США. 1967 г К-72. Дания, I 1970 г Р 54, Франция. «Виллгмоес», Даная, 1«75 г
Число построенных или заказанных судов 6 10 24 3 4 10
Полное водоизмещение, т 4100 2500 235 1320 350 240
Энерговооруженность, кВт/т 7,4 14,4 40,8 13,9 24,7 36
Число и тип гребных винтов 2 ВРШ 2 ВРШ 2 ВРШ 2 ВРШ 4 ВРШ 3 ВРШ
Полная мощность СЭУ, МВт 30,25 36 10 18,3 8.65 8,65
Число и мощность двигателей, шт.ХМВт:
маршевых 2X4,1 2X2,9 2X0,64 2X2,2 2X2,2 2X0,27
форсажных 2Х 15,44 2Х 18,4 1X10,3 1X18,7 1X8,8 3X2,950
Степень форсажа 0.73 0,84 0,88 0,76 0,50 0,94
Параллельная работа МУ и ФУ Не преду- Не преду- Не преду- Не преду- Не преду- Не преду-
Тип передачи- смотрена смотрена смотрена смотрена смотрена смотрена
МУ Зубчатая Зубчатая Зубчатая Зубчатая Прямая Прямая
ФУ » » » »
Способ реверса ВРШ - — ВРШ ВРШ ВРШ
ПРИЛОЖЕНИЕ 10.2
Комбинированные установки с турбинной МУ
Характеристик и 1961 "г ' Англия, 1961 г «Б рнстоль». 197з"г ’ Канада, 1972 г «1 кп-21», 1974 г ’ «Тип 13». *1975 г.' «Кортеиаер». Голландия, 1979 г
Число состроенных пли заказанных . удов 7 7 1 4 8 10 12
Полное водоизмещение, т 6200 2700 7100 4200 3250 4100 3500
Энерговооруженность, кВт/т 7,11 5,45 8,9 8.5 12,4 8,8 10,3
Число и тип гребных винтов 2 ВФШ 1 ВФШ 2 ВФШ 2 ВРШ 2 ВРШ 2 ВРШ 2 ВРШ
Полная мощность СЭУ, МВт 44,1 14,7 63,2 36 40,4 36 36
Число и мощность двигателей, шт. X ХМВт:
маршевых 2X11 1X9,2 2Х 11 2X2,57 2X3,1 2X2,95 2X2,95
форсажных 4X5,5 1X5,5 2X20,6 2Х 18,4 2X20,6 2.< 18,4 2Х 18,4
Степень форсажа 0,5 0,375 0,65 0,86 0,85 0,84 0,84
Параллельная работа МУ и ФУ Обеспечена Обеспечена Обеспечена Не преду- смотрена Не преду- смотрена Не преду- смотрена Не преду- смотрена
Способ реверса Реверсре- дуктор Реверсре- дукгор Реверсре- дуктор ВРШ ВРШ ВРШ ВРШ
Длина .чпергетических отсеков, м/МВт
суммарная 40 7,5 — — 41,5 — —
относительная 0,9 0,51 - - 1,03
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
^’.спо-ог»'""»8 УЛ°Р™ "°
— гребной 109
— дейдвудный 109
_ промежуточный 11U
— проставочный 110
_ упорный 110
Валогенераюр
у™““’329
Газотурбст»»’0? 806
Гиперфильтрания 32»
Гомогенизация 158
Двигатели
_ главные 9, 1В2
_ вспомогательные^ IV
Движитель судовой 15
ДойлаУДвое устройство
£““оо601>от«че 1«2
_ оредвеоборотные 180
- высокооборотоьзе !УО
Дизель-генераторы 297, »»
Дистилляция 32»
Инсинератор 350
Искрогасшель Jo?
Ко»«.т« проиу.»»™»8 15
Котел ,
. . главны" ЗА> „
— вспомогательны*! з-
, утилизационный 32-
Мазут _
— топочный 1*3
— флотский 143
Масло смазочное вэ
Метай 1^0
^гидравлическая 96
— зубчатая 93
zSr,Xbb“k»“’c»“
- типа «Вулкан» 9г
zi.CS’-»
Обитаемость 355
Паротурбогенератор 303
Передача .
_ вспомогательная о*
— гидравлическая 79
- гидродинамическая /9
-- гидростатическая 79
68
-Идрич-.о.... -
. главная Ю. DJ
комбинированная
_ механическая Ы>
___ непрямая 65
___ прямая
— электрическая
Подшипник _
_ дейдвудный 120. 122
— опорный 123
— упорный 124
Показатели
— абсолютные 33
— автономности зь
— антропометрические 60
— габаритные 41
— маневренные 47
— массы 37
- надежности 44
— относительные 34
__ патенпго-правовые Ь»
_ психологические Ь-
— стандартизации 5/
_ стоимостные Ы
— технологичности 31
— экологические 05
__ Эцергоэффсктивнос1И
_______Агтегическне 62
Регулирование
z: :’ZbS” кстре»а-™° 381
^’диффсре«'1иальН“й Л,! 76
_ планетарно-переборный
_ планетарный 75
— переборный 67
90 Сепарам «Г™"’”" B“3‘8
Сепэракня I58
Система
470
— газовыпускоая 14, 172
— воздухоподводящая 13, 170
— конденсатно-питательная 13, 178
— масляная 12, 163, 164
— охлаждения 12, 167, 168
— паровая 14
— сжатого воздуха 13, 175
— топливная 12
Соединение валов
— втулочное 117
— фланцевое 117
Схема тепловая ПТУ 221
Топливо
— газотурбинное 143
— дизельное 137
— зимнее 140
— моторное 137
— тяжелое 137
Топливоподготовка 157
Трубопровод
— подогрева топлива 157
— приемоперекачивающий 155
— расходно-топливный 159
Управление
— автоматизированное 361
— дистанционное 362
Установка
— судовая энергетическая 7
— главная энергетическая 7
— вспомо! ательная энергетическая
10, 316
— газотурбинная 30
— дизельная 23, 182
— комбинированная 276
— паротурбинная 230
Устройство
— валоповоротное 125
— ограничительное 127
— токосъемное 127
— тормозное 125
Утилизация 195
— идеальный регенеративный 219
— реальный Ренкина 223
— с сепарацией пара 222
Электродиализ 328
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агафонов В., Пугачев Ю. За эффективность топливоиспользования//Мор-
ской флот, 1981, № 4, С. 44—46.
2. Артемов Г. А. Совершенствование судовых газотурбинных установок.—
Л.: Судостроение, 1984.
3. Артемов Г. А., Бойков В П., Гильмутдинов А. Г. Судовые (азотурбин-
ные установки.— Л.: Судостроение, 1978.
4. Белавин Н. И. Летающие корабли — М.: Изд-во ДОСААФ СССР, 1983.
5. Большаков В. Ф., Гинзбург Л. Г. Подготовка топлив и масел в судовых
дизельных установках — Л.: Судостроение, 1978.
6. Булыгни П. А. Газотурбинные установки судов на подводных крыльях.—
Л: Судостроение, 1971.
7. Воржев К>., Гумбутис К. Водотонливные эмульсии для судовых дизс-
лсй//Морской флот, 1983, № 12, С. 44—46
8. Газотурбинные ущановки быстроходных судов/А Г. Курзоп и др.— Л.:
Судостроение, 1969-
9. Голубев Н. В. Проектирование энергетических установок морских судов. —
Л • Судостроение, 1980
16 Гулин Е. И., Сомов В. А., Чечот И. М. Справочник по горюче-смазоч-
ным материалам в судовой технике — Л‘ Судостроение, 1981.
И. Деружинский В. Водотонливная эмульсия — топливо для главного дви-
гателя//Морской флот, 1984, № 6, С. 50
12 Завиша В. В., Декин Б. Г. Судовые вспомогательные механизмы.— М:
Транспорт, 1974
13. Захаров Ю. В., Есин И. П. Судовые машины и механизмы — Л.: Су-
достроение, 1982.
14. Злобин Г, П., Симонов Ю. А. Суда на воздушной подушке.— Л.: Су-
достроение, 1971
15. Исаков Л. И., Кутьин Л. И. Комплексная автоматизация судовых ди-
«е.тьных и газотурбинных установок — Л.' Судостроение, 1984.
16. Козлов В. И. Схдовые -шер1стпческие установки.— Л: Судостроение,
1975
17. Колызаев Б. А., Косоруков А. И., Литвиненко В. А. Справочник по
проектированию судов с динамическими принципами поддержания —Л: Судо-
строение, 1980
18 Кулиев А. М. Химия и технология приеадок к маслам и топливам.—
М' Химия, 1972
19. Курзоп А. Г., Юдовнн Б. С. Судовые комбинированные энергетические
установки — Л: Судостроение, 1981.
20. Ланчуковский В. И., Козьминых А. В. Автоматизированные системы
управления судовых дизельных и газотурбинных установок — М: Транспорт,
21. Макливи Рой. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке: Пер.
с англ.— Л.: Судостроение, 1981.
22. Мануйлов В. П. Эксплуатация судовых энергетических установок.—М.:
Транспорт, 1979.
472
23 Маркевич В. А. Средстаа защиты моря от загрязнения при зксчлуата
Пии СЭУ. Учебное пособие--Л . Изд. ЛКИ. 1983.
24. Маслов Л. А. Судовые газотурбинные установки — Д' Судостроение,
(973
25. Никифоров О. А., Данилова Е. В. Рациональное использование мотор-
ных масел в судовых дизелях,—Л.’ Судостроение, 1986
26. Овсянников М. К., Петухов В. А. Судовые дизельные установки: Спра
вочннк — Л.: Судостроение, 1986.
'27 . Правила по предотвращению загрязнения с судов: Конструкция и
оборудование. Регистр СССР,—Л.: Транспорт, ЛО, 1984.
28. Ракицкий Б. В. Судовые ялерные энергетические установки.—Л.: Судо-
строение, 1976.
29. Рженецхий К. Л Рихтер А. А. Дизель в судовом пропульсивном комп-
лексе.— Л.: Судостроении, 1978.
30. Селиверстов В. М. Утилязааия тепла в судовых лизелъных установ-
нах.—Л.: Судостроение, 1973.
31. Системы судовых энергетических усгановок/Артемов Г. А, Воло-
шин В. П., Шквар А. Я-, Шостак В. П.—Л.: Судостроение, 1980.
32. Справочник инженера-механика судовых газотурбинных установок/Под
ред В. Д. Речистера.— Л.: Судостроение, 1985.
33. Судовые парогенераторы/Пущкин II И. и др,—Л.: Судостроение, 1977.
34 Судовые установки с двигателями внутреннего сгорания/Вапшейдт В А.
и др —Л.: Судостроение, 1978.
35 Тихонов В. И., Захаров А. М. Легкие газотурбинные установки быстро-
ходных судов,—Л : Транспорт, 1973.
36. Шуньгин Ю. А. Масса дизельной энергетической установки и ес основ-
ных элсмептоп//В сб: Техническая эксплуатация дизельных энср1етнческих
установок.--Л. Транспорт, 1985, С 57—62.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 3
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ- 5
Глава ]
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СОСЛАВ СЭУ 7
1.1. Судовая энергетическая установка.........................7
1.2. Судовой пропульсивный комплекс..........................15
1.3. Классификация СЭУ.......................................20
1.4. Состав СЭУ, работающих на органическом топливе..........22
Глава 2
ПОКАЗАТЕЛИ СЭУ 33
2.1. Мощностные показатели ................................ 33
2.2. Показатели энергоэффективности и автономности..........35
2.3. Показатели массы........................................37
2.4. Габаритные показатели...................................41
2.5. Показатели надежности ..................................44
2.6. Маневренные показатели . /..............................47
2.7. Стоимостные показатели..................................51
2.8. Показатели технологичности, стандартизации и унификации . . 52
2.9. Па гентно-правовыс показатели...........................58
2 <0. Эргономические, эстетические в экологические показатели .... 58
Глава 3
ГЛАВНЫЕ СУДОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ И МУФТЫ 63
3.1. Назначение и типы передач......................, .... 63
3.2. Механические передачи.....................................66
3.3. Гидравлические передачи...................................79
3.4 Электрические передачи.....................................86
3.5. Комбинированные передачи............................. ... 88
36. Соединительные и соединительно-разобщительные муфты ... 90
3 7. Параметры и выбор передач и муфт........................98
Глава 4
СУДОВОЙ ВАЛОПРОВОД 108
Назначение, состав и основные элементы . .............108
Расположение валопровода «а судне.....................Ill
4 74
4.3. Коцорукшш основных элементов валопровода.....................114
4.4. Специальные устройства, механизмы и вспомогательное оборудо-
вание валопровода.............................................125
4 5. Условия работы валопровода и его КПД.........................130
4.6. Определение основных размеров валов..........................134
Глава 5
ТОПЛИВА И МАСЛА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СЭУ 137
5.1. Виды, свойства и характеристики топлив...............137
5.2. Смазочные масла и присадки...........................145
5.3. Определение запасов топлива и смазочного масла........149
Глава 6
СИСТЕМЫ СЭУ 154
6.1. Назначение и классификация........................154
6.2. Топливные системы.................................155
6 3. Масляные системы ...................................162
6.4. Системы охлаждения....................... .... ... 166
6.5. Воздушно-газовые системы .............. 170
6.6. Конденсатно-питательные и паровые системы 178
Глава 7
ДИЗЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 182
7.1. Установки с МОД..............................................182
7.2. Установки с СОД и ВОД...................................188
7.3 Утилизация тепловых потерь ДУ.............................195
7.4. Совершенствование эпергоиспользовання в ДУ..................202
7.5. Основные технико-экономические показатели современных и пер-
спективных ДУ.....................................................208
Глава 8
ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ 219
8.1. Циклы ПТУ................................................ 219
8 2. Принципиальные схемы ПТУ на органическом топливе...........225
8 3. Пути совершенствования ПТУ на органическом топливе .... 231
8.4. Примеры ПТУ на органическом топливе........................235
Глава 9
СУДОВЫЕ УСТАНОВКИ С ГТД 243
9.1. Развитие ГТУ и ГТД. Область их применения ... ... 243
9.2 Газотурбинные установки с ТУК (газопаротурбцнные установки) 253
9.3. Термодинамические циклы ГТД...........................262
9.4. Термодинамические циклы комбинированных ГПТУ..........272
Глава 10
КОМБИНИРОВАННЫЕ СЭУ 276
10.1. Особенности комбинированных СЭУ и область их применения 276
(0.2. Комбинированные дйзель-газотурбняные установки.............279
10.3. Комбинированные СЭУ с маршевой турбинной установкой . . . 285
10.4. Режимы и эффективность работы комбинированных СЭУ с фор-
сажной частью ..................................................288
475
Глава 11
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ 293
11.1. Потребители электроэнергии па судах.................293
11.2. Первичные двигатели ..................................296
11.3. Генераторы............................................308
11.4. Типы и сосгав СЭС.....................................309
115. Себестоимость производства электроэнергии..............312
Глава 12
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СЭУ 316
12 1. Характеристики и параметры потребителей тепловой энергии . . 316
12.2 Типы и параметры судопых паровых котлов................320
12 3. Методы опреснения морской воды и типы судовых ВОУ . . . 326
12.4. Основные параметры водоопреснительных и испарительных уста-
вок .....................................................335
Глава 13
СУДОВЫЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 340
13.1. Судно как источник загрязнения окружающей среды............340
13.2. Судовые технические средства и устройства защиты окружающей
среды...............................................................348
13.3. Обитаемость помещений СЭУ....................................355
13.4. Экологические проблемы СЭУ....................................358
Глава 14
УПРАВЛЕНИЕ ЭУ И ЕЕ АВТОМАТИЗАЦИЯ 361
14.1. Назначение и характеристики систем управления.............361
142. Особенности управления главными двигателями СЭУ и их ре-
гулирование . ..............................................366
14.3. Управление основными параметрами систем, обеспечивающих ра-
боту ГД, и их регулирование.................................372
14.4. Системы ДАу главными двигателями при работе иа ВФШ . . . 375
14 5 Системы управления комплексом двигатель — ВРШ..............378
14 6. Автоматизированные системы управления дизель-генераторами и
вспомогательными механизмами................................382
14.7. Понятие о технической диагностике в СЭУ................. 385
Глава 15
РАСПОЛОЖЕНИЕ ЭУ НА СУДНЕ 388
151. Местоположение МО......................................388
15.2. Главные н вспомогательные механизмы в помещениях СЭУ . . 390
15.3. Расположение судовой электростанции ........... 393
15.4 Оборудование систем СЭУ................................394
15.5 Посты управления и прочес оборудование.................397
15.6 Примеры расположения механизмов и оборудования СЭУ в поме-
щениях МО....................................................398
Глава 16
ВЗАИМОСВЯЗЬ ТИПА СУДНА И ЭУ 414
16.1 Влияние типа судна на состав и основные параметры СЭУ . . .414
16.2. Дизельные установки судов транспортного, промыслового и тех-
нического флота.....................................................419
16.3. Паро- и газотурбинные установки судов транспортного флота . 425
16.4. Сравнительная эффективность дизельных, паро- и газотурбинных
установок...........................................................429
476
Глава 17
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СЭУ 434
17.1 Пути совершенствования и направления развития СЭУ .... 434
17 2. Энергетические установки СВП и СПК............442
17.3. Перспективы применения новых источников энергии и двигателей
в СЭУ...............................................450
ПРИЛОЖЕНИЯ 454
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 470
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 472