Типы судовых энергетических установок. Основные схемы мощности на винт

Судовые энергетические установки в зависимости от вида главного двигателя делятся на паротурбинные, газотурбинные и дизельные.

Паротурбинная установка (ПТУ) представляет собой совокупность агрегатов, двигателей и устройств, объединенных единой тепловой схемой. Рабочее тело (водяной пар) создается в паровом котле или в парогенераторе. Пар соответствующих параметров (давления и температуры) вращает паровую турбину. Прошедший через турбину отработавший пар поступает в конденсатор, где превращается в воду (конденсат), которая далее используется для питания парового котла. Таким образом, пароводяной цикл замыкается. Паровая турбина через зубчатую передачу передает вращающий момент через судовой валопровод на гребной винт. Паровые турбоустановки (ПТУ) судовой валопровод на гребной винт. Паровые турбоустановки (ПТУ) отличаются высокой надежностью и относительной простотой обслуживания.

Газотурбинные установки отличаются тем, что в них главным двигателем является газовая турбина (газотурбинный двигатель), рабочее тело, для которой готовится в камере сгорания. В отличие от ПТУ для ГТУ не требуется громоздкий паровой котел. В результате ГТД является компактным и легким, имеющим высокую мощность. Это качество ГТД позволяет применять его в составе СЭУ достаточно эффективно, несмотря на меньшую экономичность. Однако, в связи с высокой скоростью вращения ротора ГТД его мощность не может быть передана на судовой валопровод непосредственно и поэтому необходимо применять промежуточные передачи мощность (зубчатые, гидравлические или комбинированные) с понижением числа оборотов. Выходящие из ГТД газы имеют высокую температуру (450…550ºС), а их количество весьма значительно. Это используется для получения водяного пара в утилизационном котле с дальнейшим применением пара для привода паровой турбины без дополнительных затрат топлива. В результате получается комбинированная газопаротурбинная установка (ГПТУ) или ГТУ с теплоутилизирующим контуром. Кроме того, ГТД может использоваться в качестве форсажного для достижения максимальной скорости хода в СЭУ с ПТУ или дизельной установкой.

Дизельные СЭУ являются наиболее распространенными энергоустановками. В качестве главных двигателей в дизельных СЭУ применятся двигатель внутреннего сгорания – дизель. Дизели бывают малооборотные (n=50…250 об/мин), которые присоединяются к валопроводу непосредственно (прямая передача); среднеоборотные (n=250…750 об/мин) с передачей мощности на винт через зубчатую или гидравлическую передачу; высокооборотные (n=750…2500об/мин) с зубчатой или электрической (через гребной электродвигатель) передачи мощности на винт.

СXEМЫ МОЩHОСТИ HА ВИHТ.

По способу передачи мощности от двигателя к движителю (гребному винту) ССУ можно условно разделить на следующие основные виды:

1. ПРЯМАЯ - установка с винтом фиксированного шага (ВФШ) или винтом регулируемого шага (ВРШ). Это наиболее простая и надёжная установка. В ней коленчатый вал двигателя жёстко соединён с гребным валом, при этом потери будут минимальными. Частота вращения главного двигателя (ГД) обычно не превышает 500 об/мин, что повышает надёжность работы, удобство эксплуатации, большой моторесурс и малый удельный расход топлива. Однако, нельзя одновременно получить высокие КПД винта т.к. это ограничено большими оборотами двигателя.

2. РЕДУКТОРНАЯ - установка с зубчатой редукторной передачей. Такая установка с двумя и более ГД обладает повышенной живучестью и манёвренностью по сравнению с прямой передачей. Она включает в себя редуктор, состоящий из набора зубчатых колёс и валов. Подбором передаточного числа (i - отношение диаметров или числа зубьев колёс) можно получить самую выгодную частоту вращения.

Недостаток: конструктивное усложнение, меньший моторесурс, больший удельный расход топлива, относительно низкий КПД за счёт потерь в редукторе.

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ - установка с электрической передачей. Такая передача состоит из гребного электродвигателя, электропроводников, генератора и дизеля (ДГ). Отсутствует жёсткая связь. Дизель-генераторов может быть несколько от 2-х до 8. Дизель вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию и она, через ГРЩ, поступает на электродвигатель, который, в свою очередь вращает гребной вал и винт судна. При этом происходит трансформация энергии - механическая преобразуется в электрическую и наоборот. Такие суда называют дизель-электроходами.

Преимущества: высокие маневренные качества судна; возможность применения высокооборотных, нереверсивных ДВС и размещение их в любой части корпуса судна; повышение живучести всей ССУ.

Недостатки: большая стоимость установки; низкий КПД передачи.

Для сравнения, если КПД прямой передачи принять за 1, то КПД редукторной передачи будет ≈ 0,96, КПД электрической будет ≈ 0,87.

Схемы передачи мощности ДВС на гребной вал:

На рисунке а дана принципиальная схема силовой установки с прямой передачей мощности от главного ДВС 9 с маховиком 8 на гребной вал 3. Коленчатый вал двигателя жестко соединен с гребным валом при помощи короткого упорного вала 6 и двух промежуточных валов 4, установленных в опорных подшипниках 5. Гребной вал вращается в дейдвудной трубе 2. Упорный вал 6 выполнен заодно с упорным гребнем, который передает осевое усилие гребного винта 1 упорному подшипнику 7.
Преимуществами прямой передачи являются высокий КПД передачи, простота ее устройства, надежность в работе.
Недостаток прямой передачи — при работе двигателя на долевых нагрузках его мощность используется неэффективно, что приводит к значительному увеличению удельного расхода топлива. Кроме того, жесткая связь между двигателем и гребным винтом ухудшает маневренные качества судна, а частые реверсы значительно снижают моторесурс двигателя.
Редукторные передачи используются в судовых силовых установках с быстроходными ДВС, применение которых дает определенные преимущества и в первую очередь уменьшение габаритных размеров и массы установок. В последние годы такие передачи нашли применение в сочетании со среднеоборотными ДВС, так называемые дизель-редукторные агрегаты.
Силовые установки с редукторной передачей чаще всего включают в свой состав два главных ДВС, от которых мощность передается на один гребной вал через редуктор. Между коленчатым валом главных ДВС и редуктором устанавливаются индукционные или гидравлические муфты, которые сглаживают колебания крутящего момента двигателя, обеспечивая плавность зацепления шестерен редуктора, быстрое отключение валопровода от коленчатого вала, отключение одного из ДВС при неисправностях и т. д. Широко применяются фрикционные муфты.
Редукторные передачи дают возможность применения в составе силовых установок обратимых электрических валомашин,позволяющих осуществлять отбор мощности от главных двигателей для питания судовых потребителей или, наоборот, использовать мощность судовой электростанции для увеличения скорости движения судна.
На рисунке б дана принципиальная схема силовой установки с редукторной передачей от главных двигателей 5 к гребному винту 1. Главные двигатели через муфты 4 приводят во вращение валы редуктора с шестернями 3 и 6, которые вращают зубчатое колесо, соединенное с валопроводом 2 и гребным винтом 1. Усилие гребного вала воспринимается упорным подшипником, установленным в корпусе редуктора.
К недостаткам редукторных передач (в сравнении с прямыми) относятся сложность конструкции, меньшие моторесурс и КПД передачи. Несмотря на эти недостатки, возможность рационального использования мощности двигателей при различных режимах работы судна, а также применение быстроходных ДВС относительно небольших размеров и массы делают редукторную передачу наиболее перспективной для промысловых судов.
На рисунке в дана принципиальная схема силовой установки с электрической передачей мощности от главных двигателей к гребному винту 1. Главные ДВС 5 приводят в действие генераторы 4, вырабатывающие электрический ток, который подводится к распределительному щиту 3. От него электроэнергия подается к потребителям, в том числе и к гребному электродвигателю 2, соединенному с гребным винтом 1.
Таким образом, происходит двойная трансформация энергии, что приводит к увеличению потерь в передаче и снижению ее КПД.
Электрическая передача имеет ряд преимуществ перед прямой и редукторной. Ее применение позволяет: использовать нереверсивные быстроходные ДВС, размещая их независимо от гребных валов; эффективно использовать мощность силовой установки независимо от скорости вращения гребного винта; легко осуществлять реверс гребного электродвигателя (гребного винта) с помощью переключателей из машинного отделения и рулевой рубки; использовать главные генераторы для обеспечения электроэнергией вспомогательных механизмов.
Несмотря на указанные преимущества силовые установки с электрической передачей на промысловых судах широкого применения не получили из-за сложности, высокой стоимости и низкого КПД оборудования по сравнению с другими видами передач. К недостаткам также относится необходимость увеличения числа обслуживающего персонала (в штат машинной команды дополнительно вводятся электромеханики). В настоящее время такие установки применяются главным образом на производственных рефрижераторах, консервных траулерах и некоторых транспортных судах.