Судовые паровые машины

Судовые силовые установки

Судовые силовые установки являются теплосиловыми комплексами, состоящими из котлов, машин, различных механизмов и приспособлений, преобразующих тепловую энергию, получающуюся при сгорании топлива, в механическую работу. Судовые силовые установки по своему значению разделяются на две основные категории:

1) главные судовые силовые установки, являющиеся частью любого самоходного судна. Они вырабатывают механическую энергию, передающуюся движителю, обеспечивающему движение судна;

2) судовые вспомогательные механизмы, предназначающиеся для обеспечения работы силовой установки и общесудовых нужд. Они подразделяются на палубные механизмы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию судовых устройств, и судовые насосы, обслуживающие судовые системы, а также холодильные и водоопреснительные установки, вспомогательные котлы и т. д.

Двигатели, применяемые в судовых силовых установках, разделяются по роду рабочего тела, при расширении которого тепло превращается в работу, на две группы: к первой относятся двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, у которых рабочим телом является смесь газов, получившихся при сгорании топлива, а ко второй — паровые турбины и поршневые паровые машины, рабочим телом которых служит водяной пар.

Все эти двигатели в основном работают на жидком топливе. В отдельных случаях на судах, используется ядерное топливо; в этом случае единственным двигателем пока что является паровая турбина.

Выбор типа главной силовой установки судна производится в зависимости от ее мощности, а также от водоизмещения, назначения и условий эксплуатации судна и главных элементов судна.

Каждый тип судовой силовой установки имеет свои преимущества и недостатки.

Так, поршневые паровые установки, наряду с простотой их обслуживания и надежностью в эксплуатации, имеют низкий коэффициент полезного действия, лежащий в пределах 10—15%. На судах новой постройки паровые поршневые машины почти не устанавливают.

Паротурбинные установки имеют значительные преимущества, заключающиеся в малых габаритах и малом весе установки при больших ее мощностях (достигающих 70 000 л. с.) и фактически неограниченных возможностях дальнейшего роста мощности. Большие выгоды и удобства представляет применение на судах газотурбинных установок.

Наиболее широкое распространение на современных судах находят дизельные установки (мощность которых доходит до 30 000 л. с.) благодаря высокой экономичности.

На судах с очень высокими маневренными качествами, таких, как ледоколы, буксиры, спасательные суда и т. п., используют электродвижение (приведение в действие движителей электродвигателями). В этом случае для питания электрической энергией гребных электродвигателей устанавливают главные электрические генераторы с вращением от двигателей внутреннего сгорания, от паровой или газовой турбины. Большинство советских ледоколов и ледокольно-транспортных судов имеют главные судовые дизельэлектрические установки.

Судовые паровые машины

Как уже упоминалось, поршневую паровую машину в качестве судового двигателя начали использовать с 1810 г. Вначале это были одноцилиндровые машины малой мощности, из которых пар выходил в атмосферу. В период расцвета, около 1910 г., поршневые паровые машины развивали мощность до 14 720 кВт. В дальнейшем их вытеснили паровые турбины и дизели. Сегодня еще можно встретить старые суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами. К преимуществам этих машин относятся простота конструкции и обслуживания, а также относительно малая склонность к повреждениям. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рисунке ниже.

1 — цилиндр низкого давления; 2 — цилиндр высокого давления; 3 — механизм управления;

4 — ползун; 5 — коленчатый вал.

Рабочий пар подается в паровой цилиндр через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник изменяет свое положение. Свежий пар подается под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется. Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна и соединенного с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном 2. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой

Перемещение шатуна с помощью переводного рычага вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъем поршня, а следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении. Это обусловливает обратное движение судового движителя. Наряду с перераспределением с помощью поршневого золотника, имеются системы с плоскими золотниками или клапанами. В первых судовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения. Принцип действия машины трехступенчатого расширения схематично показан на следующем рисунке. В цилиндре высокого давления свежий пар понижает свое давление от 1,47 МПа (на входе) до 0,49 МПа (на выходе). Затем пар проходит в цилиндр среднего давления, где его давление понижается почти до 0,15 МПа. Отсюда пар идет дальше, к цилиндру низкого давления, где давление окончательно понижается от 0,15 МПа до давления в конденсаторе, составляющего около 9,8—68,7 гПа. При понижении давления объем пара возрастает. Для того чтобы пар разместился в цилиндрах, их объем должен с каждой ступенью увеличиваться. Так как все поршни имеют одинаковый ход, следует увеличить и диаметр цилиндров.

Схема прохождения пара в поршневой паровой машине трехкратного расширения

1 — вход ларе; 2 — цилиндр высокого давления; 3 — цилиндр среднего давления; 4 — цилиндр низкого давления; 5 — выход пара.

Коэффициент полезного действия энергетической установки с поршневой паровой машиной возрастает с уменьшением конечного значения давления рабочего пара. Однако вместе с этим объем пара увеличивается настолько, что цилиндр низкого давления должен был бы иметь огромный диаметр. По этой причине в более поздних конструкциях поршневых паровых машин стали прибегать к комбинированию, т. е. поршневая паровая машина трехступенчатого расширения соединялась с турбиной отработавшего пара, причем эта турбина имела приблизительно четыре ступени расширения. Такая конструкция изображена на нижнем рисунке. Пар, выходящий из цилиндра низкого давления поршневой паровой машины, проходит в турбину, затем в конденсатор. Так как частота вращения турбины намного выше, чем у поршневой паровой машины, между валом турбины и гребным валом установлена понижающая двухступенчатая зубчатая передача и муфта. Последняя устраняет различия в частоте вращения, а также случайные нагрузки и удары, возникающие, например, из-за неравномерной нагрузки судового движителя при выходе из воды и т. д. Переключающий клапан направляет отработавший пар от паровой машины непосредственно к конденсатору, мимо турбины. Это бывает необходимо в случае изменения частоты вращения машины при маневрировании или заднем ходе.