Электродвигательные СЭУ

Классификация СЭУ

Глава I. Судовые энергетические установки

ВЫЕ СИСТЕМЫ

Судовой энергетической называют установку, предназначенную для перемещения судна при помощи движителя.

Движитель – устройство для преобразования механической энергии СЭУ в поступа

тельное движение судна.

К движителям относятся: гребные винты, гребные колеса и водометные движите-ли).

На транспортных судах в качестве СЭУ применяют дизели, турбины и электродви

гатели.

Водометные СЭУ применяют на небольших пригородных пассажирских судах с ма

лой осадкой.

§7.2. Дизельные СЭУ

Д и з е л ь - поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспла­менением от сжа-

тия.

Суда, на которых в качестве СЭУ используется дизельная установка, называются теплоходами.

Пуск двигателя проводится сжатым воздухом из баллонов пускового воздуха, чем

обеспечивается автономность работы и быстрота пуска (до 30 с).

Дизели более экономичны по сравнению с турбинами, достаточно надежны и про-

сты в эксплуатации. Ресурс судовых дизелей относительно высок и составляет 30-40 тыс. ч.

На судах дизели используются в качестве главных и вспомогательных двигателей.

Главные двигатели предназначены для обеспечения хода судна, вспомогательные –

для производства электроэнергии (дизель-генераторы).

Рис. 7.1. Дизельная установка фирмы «Вяртсиля»:

1 – дизель; 2 – редуктор с отбором мощности на валогенератор; 3 – навешенный валогенератор; 4 – гребной вал; 5 – дистанционная система контроля «Wichmatic»; 6 – винт регулируемого шага (ВРШ)

К недостаткам дизелей следует отнести:

1. малую перегрузочную способность (не более 10 % номинальной мощности в течение 1 ч);

2. неравномерность хода.

Для уменьшения неравномерности хода число цилиндров дизеля должно быть чет-

ным, кроме того, часто на валу дизеля устанавливают массивный маховик.

На судах скорость вращения гребного винта составляет 120 – 180 об/мин.

Это объясняется тем, что при больших скоростях на винтах возникает явление кавитации.

Это явление состоит в следующем.

При вращении винта на всасывающей поверхности лопастей образуется разреже-

ние, приводящее к образованию пузырьков воздуха. При дальнейшем повороте лопасти пузырьки попадают в зону высокого давления и лопаются, вызывая образование сильных гидравлических ударов, выбивающих из поверхности лопасти микрочастицы металла.

В результате поверхность лопастей становится шершавой, что приводит к значи-

тельному уменьшению скорости хода судна.

В зависимости от частоты вращения, дизели делятся на низкооборотные (до 150 об/мин), среднеоборотные (до 500-600 об/мин) и высокооборотные (свыше 600 об/мин).

Нам судах для привода гребных винтов используют все три типа дизелей

При этом низкооборотные дизели соединяются с гребным валом непосредственно

(без передачи), а средне- и высокооборотные дизели – через редуктор.

Применение винтов регулируемого шага (ВРШ) вместо обычных с фиксирован-

ным шагом (ВФШ) позволило перейти от реверсивных ДВС к нереверсивным, что значи-

тельно упростило устройство ДВС и их системы управления.

В настоящее время ДВС являются основным типом СЭУ - они установлены на бо-

лее чем 80% судов мирового флота.

Основные производители среднеоборотных дизелей – фирмы «Wärtsilä», Finland

(«Вяртсиля», Финляндия), MAN B&W, Germany (МАН Бурмистер и Вайн, ФРГ), Kater-

pillar-MAK Motoren (Катерпиллер-МАК моторен, интернациональная), Daihatsu, Japan

(Дайхацу, Япония), Yanmar, Japan (Янмар, Япония).

Мощность самого крупного в мире дизеля типа 12К108МЕ-С фирмы MAN B&W

составляет 83 400 кВт, его частота вращения – 94 об/мин, число цилиндров – 12.

§7.3. Турбинные СЭУ

Т у р б и н а - двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора, пре-

образующий в механическую работу кинетиче­скую энергию пара или газа.

Суда, на которых в качестве СЭУ используется турбинная установка, называются турбоходами. В свою очеред, турбоходы делятся на паротурбоходы (пт/х) и газотурбохо-

ды (гт/х).

Паровые турбины перед пуском должны быть прогреты, причем время прогрева достигает 1 ч. Они менее экономичны, чем дизели, вследствие 2-кратного преобразования энергии, однако имеют повышенную перегрузоч­ную способность (до 20 % номи­нальной мощности), значительно надежней дизелей и имеют бóльший ресурс (до 50 тыс. ч).

Массивный ротор турбины обеспечивает равномерность хода.

Рис. 7.2. Турбина высокого давления с промежуточным перегревом пара мощ-

ностью 19 000 кВт:

1 – турбина среднего давления; 2 – подвод пара из промежуточного пароперегревателя; 3 – подвод свежего пара; 4 – иурбина высокого давления (ТВД);

5, 7 – отбор пара для подогрева питательной воды; 6 – разделительная диафрагма

Поскольку паро­вые турбины имеют частоты вращения до 14 тыс. об/мин, между ними и винтом устанав­ливают редуктор (главный турбозубчатый агрегат – ГТЗА).

Паровые турбины вследствие увеличенного расхода топлива нашли на судах огра-

ниченное применение, в основном, на танкерах, где в качестве грузовых насосов исполь-

зуются мощные паровые насосы, получающие пар от вспомогательного парового котла.

Газовые турбины соединяют в себе достоинства дизеля и паровой турбины. Они автономны в работе, так как конструктивно выполнены вместе с камерой сгорания и ком

прессором, не требуют прогрева перед пуском, время пуска составляет 30-50 с.

Рис. 7.3. Одновальная газотурбинная установка:

1 – входной направляющий аппарат с изменяемой геометрией; 2 – многоступенча

тый компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина; 5 – газовыпускная камера;

6 – фланец отбора мощности

Эти турбины имеют неболь­шие размеры и массу, относительно большой ресурс (до 20 тыс. ч), надежны. К их недостаткам относят большой удельный расход топлива и повы-

шенную шумность.

Газовые турбины нашли также ограниченное применение, в основном, на судах на

подводных крыльях (СПК).

Суда, на которых в качестве СЭУ используется турбинная установка, называются турбоходами.

В настоящее время испытывается комбинированная парогазовая турбина фирмы EDI, сочетающая в себе свойства паровой и газовой турбин (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Комбинированная парогазовая турбина:

1 – вал; 2 – ротор; 3 – подвод газа; 4 – статор; 5 – впуск воды или пара; 6 – выпуск газа; 7 – выпуск пара

Суда, на которых в качестве СЭУ используются электродвигатели, называются электроходами.

На электроходах применяют три вида СЭУ:

1. постоянного тока с гребными электродвигателями независимого возбуждения;

2. переменного тока с синхронными и асинхронными электродвигателями;

3. двойного рода тока, в которых переменный ток судовой сети преобразуется в постоянный, а последний передается к электродвигателям постоянного тока независимого возбуждения.

Гребной электродвигатель распола­гают ближе в корму, насколько позволяют обво-

ды кормового подзора и условия выемки гребного вала.

Дизель-генераторы и гребные двигатели устанавливают либо в одном отсеке (рис. 7.5), либо в разных.

Рис. 7.5. Расположение компонентов 2-вальной дизель-электрической ГЭУ:

палуба 2 – центральный пост управления; палуба 3 – щит электродвижения напря-

жением 6,6 кВ; палуба 4 – дизель-генераторы (4 шт.) и гребные электродвигатели (2 шт.)

Преимущества электропри­вода следующие:

1. отсутствие длинных валопроводов, так как гребные электродвигатели размещают

ся в корме судна (см. рис. 7.5, DECK 2);

2. возможность применения более простых нереверсивных бы­строходных двигате-

лей, число которых можно выбирать, независимо от числа гребных винтов;

3. высокие маневренные качества и возможность работы на низких скоростях хода судна при неполном числе работающих первичных двигателей;

4. возможность использовать вырабатываемую главными генераторами энергию для работы судовых вспомогательных механизмов.

Однако электропривод имеет и недостатки:

1. увеличенный вес;

2. более низкий к. п. д. (на 8 - 13% ниже, чем у зубчатой передачи);

4. более высокую стоимость и пр.

Поэтому электродвижение применяют либо на специальных судах с повы­шенными маневренными качествами и частыми реверсами (бук­сиры, ледоколы, паромы) или в тех случаях, когда выгодно использовать мощность электрической СЭУ для обеспечения рабо

ты общесудовых механизмов (плавучие краны, земснаряды, рыбопромысловые суда, плав

мастерские).

На атомоходах тепло, выделяющееся в результате расщепления атомов урана, ис-

пользуется для получения перегретого пара высокого давления, который приводит во вра-

щение турбогенератор, снабжающий электроэнергией гребной электродвигатель.

Таким образом, атомоходы – это электроходы.

Первый атомоход был построен в б. СССР – ледокол «Ленин» (1959 г.), через не-

сколько лет появились американское грузопассажирское судно «Саванна» и немецкий ру-

довоз «Отто Ганн» (назван в честь выдающегося немецкого физика-ядерщика, работавше

го в 30-х годах ХХ века).

В последние годы на судах с электродвижением устанавливают гребные азиподные установки или, иначе, полноповоротные движители (слово AZIPOD – сокращение от двух слов: «AZIMTYTH» - азимут, направление, и «POD» - гондола, в свободном переводе – полноповоротный движитель с электроприводом).

Эта установка сочетает в себе перо руля, роль которого выполняет корпус гондолы, и гребную электрическую установку (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Азиподная установка с синхронным электродвигателем и винтом фикси-

рованного шага (ВФШ)

Установку также называют «винторулевая поворотная колонка» (ВРПК).

В обтекаемой капсуле (гондоле) находится нереверсивный синхронный двигатель, поэтому вращающий винт - фиксированного шага. Скорость двигателя регулируется.

При помощи гидропривода капсула может поворачиваться на угол 360º, что необ-

ходимо для обеспечения переднего и заднего хода.

При движении судна по курсу гондола равномерно обтекается с обеих сторон пото-

ком воды, поэтому судно курс не меняет.

При необходимости смены курса с помощью гидропривода поворачивают гондолу

в нужном направлении на необходимый угол.

При этом гондола начинает выполнять роль обычного пера руля – сила давления воды на гондолу заставляет корму судна поворачиваться в нужном направлении.

Однако основное усилие на корму создает не давление воды на гондолу, а сила упо

ра винта, приводимого в движение электродвигателем.

В результате маневренные качества судов с такими установками резко улучшают-

ся, т.к. судно поворачивается гораздо быстрее, чем при использовании обычных рулей.

Кроме синхронных двигателей, возможно применение асинхронных.

Рис. 7.7. Азиподная установка с синхронным двигателем мощностью 25 000 кВт:

а – внешний вид установки; б – установка в натуральную величину (морская вы-

ставка в Гамбурге, 2007 г.)

Мощность этих двигателей зависит от водоизмещения судна и достигает десятков тысяч кВт.

Рис. 7.8. Размеры машинных отделений на судне с ДВС (а) и с азиподной установкой (б) в сравнении

Использование азиподных установок позволяет сократить размеры машинного от- деления (см. рис. 7.8), а освободившийся объем (на рис. 7.8 затемнён) использовать для

перевозки грузов.

Азиподные установки применяются на судах, где требуется повышенная маневрен-

ность - буксирах, ледоколах и крупных пассажирских судах,