Главная энергетическая установка судна

Э то комплекс технических средств, предназначенных для преобразования химической или ядерной энергии топлива в механическую энергию движителя. По традиции основу классификации главных энергетических установок составляют тип главного двигателя и способ генерирования рабочего тела, обеспечивающего его работу. По этим признакам различают котломашинные, котлотурбинные, дизельные, газотурбинные, атомные и комбинированные энергетические установки.

В котломашинных энергетических установках, являющихся разновидностью паросиловых установок, в качестве главных двигателей используется паровая машина, а рабочее тело (пар) генерируется в паровом котле, работающем на органическом топливе (твердом, жидком, газообразном). Паровая машина это тепловой поршневой двигатель возвратно-поступательного движения, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в механическую энергию вращения вала.

 

Рис.4.1. Паровая машина: 1 – цилиндр низкого давления; 2 – цилиндр

высокого давления; 3 – механизм управления; 4 – коленчатый вал; 5 – ползун

 

Изобретение данного двигателя И.И.Ползуновым и Дж.Уаттом относится к 1763-74 г.г. На всем протяжении своего длительного использования она претерпела существенные изменения: от одноцилиндровой машины с выбросом отработавшего пара в атмосферу до машины многоступенчатого действия, в которой пар последовательно проходит через несколько цилиндров, а затем конденсируется. Мощность существующих паровых машин достигает 15 МВт, однако, большие массы и габариты, их низкий КПД. (20…25%), а вместе с котлом и паровой системой меньше 7%, практически к середине ХХ века исключили их применение на судах.

В котлотурбинных энергетических установках, также относящихся к паросиловым установкам, главным двигателем является паровая турбина, тепловой ротативный двигатель, в котором энергия нагретого под давлением водяного пара преобразуется в механическую работу вращения вала.

 

Рис. 4.2. Схема реактивной многоступенчатой паровой турбины:

1- патрубок входящего пара; 2 – сопловые лопатки; 3 – рабочие лопатки; 4 – корпус турбины; 5 - патрубок выходящего пара; 6 – ротор турбины с рабочими лопатками; 7 – разгрузочный поршень; 8 – соединительный трубопровод для уменьшения осевых усилий

 

Патент на паровую машину получил в 1883 г. Г.Лаваль (Швеция). КПД современных паровых турбин находится в пределах 89…94%, мощность достигает 27 МВт. Количество турбин, а также котлов в котлотурбинных энергетических установках может быть разное. Удельный расход топлива в таких установках составляет 230…300 г/(кВт ч), при этом с ростом их мощности КПД увеличивается, это обусловливает целесообразность их применения при мощности более 15…22 МВт. В настоящее время развитие котлотурбинных установок продолжается в направлении оптимизации параметров пара, регенерации и утилизации теплоты.

 

Рис. 4.3. Котлотурбинная ЭУ: 1 – паровой котел; 2 – конденсатор; 3 - гребной винт;

4 - гребной вал; 5 – редуктор; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления.

 

В дизельной энергетической установке в качестве главного двигателя используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Это тепловой поршневой двигатель, в котором сгорание топлива, образование рабочего тела и совершение работы осуществляется в одном устройстве – цилиндре. По способу воспламенения они бывают двух видов: с принудительным зажиганием от электрической искры или запального шара и воспламенением топлива от сжатия.

 

 

Рис. 4.4. Тронковый четырехтактный ДВС V-образной конструкции

(шатун крепится непосредственно к поршню): 1 – поршень;

2 – цилиндровая втулка; 3 – коленчатый вал

 

Первый керосиновый двигатель с воспламенением от сжатия был создан Дизелем в 1897 г., чье имя дало название всем двигателям данного типа. ДВС классифицируются: по частоте вращения: – малооборотные (n £ 350 об/мин), среднеоборотные (350 < n £ 750 об/мин), повышенной оборотности (750 < n £ 1500 об/мин), высокооборотные (n > 1500 об/мин); по средней скорости движения поршня – тихоходные, средней быстроходности и быстроходные. Основные достоинства ДВС – высокий КПД (до 48%), обусловливающий высокую топливную экономичность, высокая готовность к действию. К недостаткам таких двигателей можно отнести: значительные шум и вибрации, повышенный расход смазочного масла. Агрегатные мощности судовых ДВС достигают: малооборотные – 35 МВт, среднеоборотные – 24 МВт, высокооборотные – 5900 кВт. В настоящее время 90% судов морского флота оснащены дизельными энергетическими установками.

Основой газотурбинной энергетической установки является газовая турбина – тепловой ротативный двигатель, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу вращения вала. Современные газовые турбины по конструкции и принципу действия идентичны паровым турбинам и отличаются от них сравнительно невысокими давлениями рабочего тела на входе и его высокой температурой. КПД газовых турбин составляет 92%. Совокупность газовой турбины, компрессора и камеры сгорания, конструктивно объединенные в единое целое, представляет собой газотурбинный двигатель – главный двигатель газотурбинной энергетической установки.

 

 

Рис. 4.5. Газотурбинный судовой двигатель:

1 – камера сгорания; 2 – осевой компрессор;

3 – компрессорная турбина; 4 – рабочая турбина

 

Авторство данного двигателя принадлежит П.Д.Кузьминскому и относится к 1886 г. КПД современных газотурбинных двигателей с начальной температурой газа 850°С составляет 27%. Наиболее перспективным путем совершенствования рассматриваемых двигателей является повышение параметров газа: температуры и давления. В настоящее время на судах применяются установки открытого цикла в которых воздух забирается из атмосферы и отработавший газ выходит в атмосферу. Энергетическая установка данного типа может иметь несколько двигателей, работающих через общий редуктор на движитель. Основным преимуществом газотурбинных установок по сравнению с другими энергетическими установками являются меньшие массы и габариты при большой агрегатной мощности, а также высокая маневренность.

Атомная энергетическая установка (АЭУ) включает в себя главный двигатель, в качестве которого используется паровая или газовая турбины, и ядерную паропроизводящую (ЯППУ) или ядерную газогенераторную установку (ЯГГУ).

 

 

Рис.4.6. Двухконтурная АЭУ: 1 – реактор; 2 – первичная биологическая защита (вод. цистерна); 3 – циркуляционный насос; 4 - вторичная биологическая защита (самоэкранирование); 5 – нагреватель1-го контура; 6 – парогенератор; 7 – турбина высокого давления; 8 – турбина низкого давления; 9 – редуктор; 10 – вход забортной воды; 11 – выход забортной воды; 12 – конденсатор; 13 – насос 2-го контура; А – 1-й контур (теплоноситель); Б – 2-й контур (рабочее тело)

 

 

Основным отличием установок такого типа является использование в качестве источника энергии ядерного горючего, небольшие объемы которого обладают значительным запасом энергии, что обеспечивает судам высокую скорость полного хода и практически неограниченную дальность плавания. К их достоинствам также можно отнести то, что для работы им не требуется ни кислорода, ни других окислителей и отсутствуют отходящие газы (продукты сгорания топлива), т.е. они могут работать без связи с атмосферой. По принципу генерирования рабочего тела различают 1-. 2 – и 3 – контурные схемы АЭУ. Наибольшее распространение получили 2 – контурные схемы, в которых теплоносителем является вода, а рабочим телом – водяной пар. Регулирование скорости движения судна осуществляется изменением количества рабочего тела, поступающего на главный двигатель. КПД таких установок достигает 35% и применяются они на судах большого водоизмещения.

 

3.Виды и структурные схемы СЭЭС. Автономная СЭЭС.

 

Каждая автономная СЭЭС имеет в своем составе автономные источники электрической энергии. В качестве автономных источников электрической энергии могут применяться турбогенераторы (паро- или газо-) либо дизель-генераторы. В общем случае, полностью автономной является электростанция, имеющая в своем составе только дизель–генераторы или газотурбогенераторы.

Если же в составе электростанции имеются паротурбогенераторы, то вместе с ними в качестве резервных, стояночных или аварийных источников всегда устанавливаются дизель–генераторы, так как паротурбогенераторы обычно работают только тогда, когда функционирует котельная установка. Паротурбогенераторы также требуют значительно большего времени по сравнению с дизель-генераторами для ввода их под нагрузку из «холодного» состояния.

Типовая структура автономной СЭЭС представлена на рис. 4.1

 

ГА3

ГА2

ГА1

Г   Р   Щ

ЩПБ

В Р Щ

В Р Щ

В Р Щ

Рис.4.1. Структурная схема автономной СЭЭС

Рост установленной мощности потребителей приводит к увеличению единичной мощности источников и их количества. В результате этого возникают проблемы по обеспечению защиты от токов короткого замыкания, устойчивой параллельной работы и живучести, а также размещению большого количества источников и т.д.

Одним из путей решения этих проблем является создание многостанционных систем, иначе говоря, разукрупнению больших систем. На рис. 4.2 представлена структурная схема автономной СЭЭС с двумя основными станциями.

В таких СЭЭС электростанции имеют между собой одну или две электрические связи (перемычки), по которым в том или ином направлении может передаваться электроэнергия. Станции располагаются в разных отсеках, разделенных водонепроницаемыми перегородками. Ответственные потребители получают питание от двух станций (двойное питание). Такое решение повышает живучесть системы.

ГА3

ГА1

ГА6

ГА5

ГРЩ2

ГРЩ1

ЩПБ

П

П

ГА4

 

Рис. 4.2. Структурная схема ЭЭС с двумя основными станциями

 

Особое место в многостанционных системах занимают многоагрегатные ЭЭС. Такие системы, как правило, имеют военные корабли (КЭЭС) и мощные морские суда технического флота. Для таких систем характерно:

- большое количество источников (не менее 8…10) с разнотипными первичными двигателями;

- многообразие схем соединения источников и секций ГРЩ в различных режимах.