Типы, состав и размещение судовых энергетических установок

I Типы, состав и размещение судовых энергетических установок 

    Судовая энергетическая установка представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных механизмов, теплообменных аппаратов, устройств и трубопроводов, предназначенных для обеспечения движения судна с заданной скоростью, а также для снабжения энергией  различных механизмов,  систем,  устройств и т. п.

  Основная  часть вырабатываемой судовой энергетической установкой энергии расходуется на перемещение судна по воде под действием упора, создаваемого работой судового движителя (гребного винта, гребного колеса, крыльчатого движителя и т. д.), который приводится в движение главным судовым двигателем.

  На  судах применяют в основном двигатели, в которых механическая энергия вырабатывается в результате преобразования тепловой энергии, образующейся при сжигании топлива. В зависимости от используемой рабочей среды такие двигатели, называемые тепловыми, подразделяют на две основные группы — паровые  и двигатели  внутреннего сгорания.

  Паровые двигатели — паровые турбины и машины (на старых судах) — используют энергию пара, который образуется в паровых котлах при сжигании топлива в их топках.

  Двигатели внутреннего сгорания используют энергию газов, эбразующихся при сгорании топлива в самих двигателях. К этой группе относятся также газовые турбины, которые используют энергию газов, образующихся при сгорании топлива в специальных  камерах  или  генераторах  газа.

  В зависимости от способа превращения  тепловой энергии в механическую в двигателях последние подразделяют на следующие гипы: поршневые, у которых возвратно-поступательное движение юршней под давлением рабочей силы преобразуется во враща-гельное движение вала; турбинные — вал вращается под действием скоростного потока частиц пара или газа, воздействую-цего на лопатки насаженного на вал рабочего колеса; реактивные, у которых тяга создается под влиянием реакции струи газов, вытекающей из сопла двигателя.

  На  современных судах устанавливают  следующие типы главных двигателей: двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, газовые турбины. Каждому типу соответствует свой способ передачи крутящего момента от главного двигателя к греб-юму  валу.

  Прямая  передача от главного двигателя к  гребному валу осуществляется  при  использовании малооборотных судовых дизелей. При средне- и высокооборотных дизелях вращение гребному валу передается с помощью зубчатой передачи — редуктора. Редукторную передачу применяют также в паротурбинных установках (ПТУ) (при этом турбина делает 5000—6000 об/мин, а гребной вал — 80—200 об/мин), а также в установках из нескольких любых двигателей, работающих на один гребной вал (рис. 9.1).

  

Рис.   9.1.   Дизель-редукторная   установка   (два   двигателя   внутреннего  сгорания работают через редуктор на один вал) 

На гражданских  судах наибольшее распространение получили дизельные и паротурбинные установки. Первые применяют почти на всех новых судах с мощностью энергетической установки до 20 000—30 000 кВт. Паротурбинные установки целесообразно использовать при мощностях от 15 000—18 000 до 30 000— 38 000 кВт на один вал, однако в связи с созданием мощных экономичных дизелей, а также резким ростом цен на топливо, число паровых турбин даже на крупных морских судах существенно сократилось. В 1986 г. в составе мирового торгового флота около 98 %. судов имели дизельные установки. Применение газотурбинных установок (ГТУ) на больших судах носит пока экспериментальный характер, зато на малых быстроходных судах, например на судах на подводных крыльях, они получили широкое распространение. На судах, имеющих по условиям эксплуатации два ходовых режима, отличающихся по потребляемой мощности и продолжительности, применяют комбинированные установки. Они состоят из двигателей двух типов — основного (дизеля или паровой турбины), обеспечивающего длительный экономический ход, и так называемого форсажного двигателя, предназначенного для   резкого   кратковременного   увеличения   мощности   с   целью получения большой скорости хода. В качестве форсажных двигателей обычно применяют менее экономичные, но зато значительно более компактные газовые турбины. Такие комбинированные судовые энергетические установки применяют на тех судах, которым необходимо точно выдерживать расписание независимо от погоды (некоторые линейные пассажирские, контейнерные, накатные и т. п. суда). К комбинированным относятся также такие установки, в которых двигатели обоих типов связаны единым термодинамическим циклом, с целью существенного повышения общего КПД установки. В таких установках теплота отходящих газов двигателя одного типа используется в утилизационном парогенераторе для приготовления рабочего пара или газа для двигателя другого типа (подобная комбинированная газопаротурбинная установка применена на быстроходных контейнеровозах типа «Капитан Смирнов»).

  На  некоторых судах, которые должны обладать повышенной маневренностью — ледоколах, паромах, плавучих кранах, портовых буксирах, — используют установки с электродвижением; гребные винты вращаются гребными электродвигателями, которые питаются электрическим током от генераторов, имеющих в качестве первичного двигателя дизель, паровую или газовую турбины. Такие суда называют соответственно дизель-электроходами,  турбоэлектроходами  или  газотурбоэлектроходами.

  Бурное  развитие атомной энергетики и успехи применения атомной энергии в мирных целях привели к созданию нового типа судовой энергетической установки, отличающейся от обычной паротурбинной или турбоэлектрической тем, что рабочая среда — пар — вырабатывается не в котле, а в специальном аппарате (парогенераторе), который использует тепло, образующееся в результате ядерной реакции, протекающей в реакторе.

  Судовая энергетическая установка должна быть компактной, легкой и экономичной, т. е. расходовать возможно меньше топлива на единицу мощности в час и потреблять наиболее дешевое топливо. Одним из главных требований, предъявляемых к судовой установке, является высокая надежность в работе и большой моторесурс — продолжительность работы без капитального ремонта.

По экономичности  первое место занимают дизельные  установки, у которых удельный расход топлива не превышает 180— 220 г/(кВт • ч). Однако дизельные установки тяжелы (100—120 г/кВт) и громоздки (длина МКО, в которых их размещают, должна составлять 14—16 % длины судна). ПТУ, наоборот, значительно легче дизельных (60—75 г/кВт) и компактнее (длина МКО составляет лишь 11—12,5 % длины судна), но они менее экономичны, так как удельный расход топлива у них 280—320 г/(кВт-ч), а у современных ПТУ большой мощности —245—260 г/(кВт-ч). Поэтому при выборе типа энергетической установки следует учитывать, что даст большую экономию в массе – сама энергетическая установка или запасы топлива для нее. Наиболее высоким моторесурсом отличаются ПТУ — 100 000—150 000 ч до капитального ремонта. 

Рис. 9.2. Общее расположение механизмов в машинно-котельном отделении турбинного танкера.

/ —  испаритель; 2 — питательный электронасос; 3 — питательный турбонасос; 4 — редуктор; 5 — главный конденсатор; 6 — турбина низкого давления; 7 — турбина высокого давления; 8 — главные охлаждающие насосы; 9 — деаэратор; 10 — турбогенераторы; // — грузовые насосы; 12 — вспомогательный конденсатор; 13 — дизель-генератор; 14 — главный пульт управления;   15 — воздухоподогреватель;   16 — главный   котел 
 

ГТУ легче, компактнее (объем МКО уменьшается  на 40— 50 %), они (в сочетании с теплоутилизационными приставками) потребляют еще меньше топлива, чем ПТУ, поэтому их считают наиболее перспективными для применения на тех транспортных судах, для которых наиболее важен выигрыш в использовании объемов (суда типа «ро-ро», контейнеровозы и т. п.), особенно если удастся устранить их главные недостатки — высокую шум-ность и малый моторесурс (20 000—25 000 ч). Преимуществом дизельных установок является их способность к реверсу, т. е изменению направления вращения вала. У ПТУ и ГТУ для этой цели приходится предусматривать турбину заднего хода или применять гребной винт регулируемого шага  (ВРШ).

В состав каждой энергетической установки входят: главный двигатель—для создания необходимой мощности, которая обеспечивает судну заданную скорость; движитель —для преобразования энергии вращения двигателя в упор, приложенный к судну; валопровод — для  передачи мощности от главного двигателя к движителю (если главный двигатель имеет большее число оборотов, чем движитель, между последним и валопроводом устанавливают понижающий редуктор); вспомогательные механизмы для обеспечения судна электроэнергией, паром для бытовых  нужд,  опресненной  водой  и пр.

  Энергетическую  установку размещают на судне  в специальных помещениях, которые называются отделениями. В зависимости от типа установки различают: котельные отделения, в которых размещают главные котлы с обслуживающими их механизмами; машинные отделения, в которых располагают главные двигатели с обслуживающими их механизмами; отделения вспомогательных механизмов, в которых размещают механизмы судовой электростанции, испарительные   установки,   рефрижераторные   установки   и   пр.

  На  большинстве гражданских судов  все отделения энергетической установки находятся в одном водонепроницаемом отсеке (рис. 9.2) и только на очень крупных судах, например на океанских  пассажирских  лайнерах, — в  нескольких  отсеках.

  Чаще  всего ее располагают в кормовой части судна либо в корму от середины судна и, реже, в средней части. 

  Паровые котлы и котельные установки 

Паровые котлы устанавливают на судах  для превращения воды в пар за счет тепла, выделяющегося при сжигании топлива. В зависимости от назначения судовые котлы подразделяют на главные, вырабатывающие пар для главных и вспомогательных механизмов, и вспомогательные, обеспечивающие паром систему отопления, камбуз, баню, прачечную и т. п., а также вспомогательные  механизмы  во  время  стоянки.

  На  пароходах вспомогательные котлы  действуют только на стоянках (иногда вместо вспомогательного работает один из главных),  на теплоходах — в течение всего рейса.

  Судовые котлы работают в основном на жидком топливе. Каждый паровой котел состоит из корпуса, топки и газоходов. В корпусе находится вода и пар (внизу водяное, выше — паровое пространство). Поверхность котла, обогреваемая с одной стороны горячими газами, а с другой омываемая водой, называется поверхностью нагрева. Топка служит для сжигания топлива, газоходы — для движения горячих дымовых газов из котла в дымовую   трубу.

Паровые котлы характеризуются: площадью поверхности нагрева; паропроизводительностью — количеством пара, вырабатываемого в течение одного часа; рабочим давлением и температурой перегрева пара — основными параметрами пара, производимого котлом *;   удельным   паросъемом — отношением   паропроизводи тельности к площади поверхности нагрева; коэффициентом полезного действия КПД—отношением полезно использованной теплоты (израсходованной на получение пара) ко всей теплоте, которое отдало сгоревшее в топке топливо.

  В зависимости от того, как обтекают горячие газы поверхность нагрева, котлы подразделяют на огнетрубные, водотрубные и   комбинированные.

  В огнетрубных котлах горячие дымовые газы движутся внутри дымогарных труб и камер, омываемых водой. В водотрубных котлах, наоборот,    горячие    газы    омывают

снаружи трубки, внутри которых находится  вода. В комбинированных котлах часть труб служит для прохода горячих газов, а часть омывается газами снаружи. В зависимости от принятого принципа циркуляции различают котлы с естественной и с принудительной циркуляцией воды. Огнетрубные котлы относятся к котлам с естественной циркуляцией. В водотрубных котлах предусматривается либо естественная, либо принудительная циркуляция. Если при принудительной циркуляции вода только один раз проходит по трубкам и полностью испаряется, то такой котел называют прямоточным. Огнетрубные котлы имеют невысокую паропроизводительность (5—6 т/ч), низкий КПД (70—75 %), большие габариты и массу, поэтому они сейчас встречаются только на судах внутреннего плавания старой постройки. На современных пароходах   устанавливают только водотрубные котлы.

  В водотрубных котлах находящаяся  в трубках вода нагревается омывающими их горячими дымовыми газами, которые образуются в топке, и превращается в пар. Чтобы процесс парообразования протекал непрерывно, в трубки все время должна поступать вода. Это обеспечивается естественной или принудительной циркуляцией воды. Естественная циркуляция воды в трубках происходит по  схеме,   показанной   на  рис.   9.3.

Рис. 9.3. Схема циркуляции воды в   трубках   водотрубного   котла.

1 — водяной коллектор; 2 — пароводяной коллектор; 3 — подъемная трубка;  4 — спускная трубка 
 
 
 
 
 

  Нагреваемая горячими дымовыми газами вода, находящаяся  в подъемной трубке, поднимается в верхний пароводяной коллектор, одновременно с этим по спускной трубке холодная вода опускается в нижний водяной коллектор. Так устанавливается непрерывное движение воды: по подъемной трубке вверх, по спускной — вниз. По мере нагревания вода в подъемной трубке превращается в пар, который поступает в паровой коллектор, оттуда в пароперегреватель и затем к потребителям.

  

Рис.   9.4.   Вертикально-водотрубный   двухбарабанный   котел. ; _ водяной коллектор;   2 — подъемные водогрейные трубки;  3 — трубки  пароперегревателя;   4 — спускные водогрейные трубки;   5 — водоподогреватель;   б — дымоход;   7 — пароводяной   коллектор;   8 — осевые  линии   мазутных   топок 

Водотрубные котлы бывают с малонаклонными трубками — горизонтально-водотрубные (секционные) и с крутонаклонными трубками — вертикально-водотрубные.Наиболее распространены на судах вертикально-водотрубные котлы (рис. 9.4). Они состоят из одного-двух нижних водяных коллекторов и одного верхнего — парового. Водогрейные трубки расположены под углом 35—75° к горизонту. Во время работы котла нижние водяные коллекторы и половина верхнего наполнены водой. Горячие дымовые газы, образующиеся в топке при сжигании мазута, омывают нижние пучки водогрейных трубок, трубки пароперегревателя, расположенные между рядами водогрейных трубок, задние пучки водогрейных трубок, а также подогреватель питательной воды (водяной экономайзер) и воздуха и выходят через дымоходы и дымовую трубу в атмосферу. Эти котлы имеют высокий КПД (до 93 %), большую производительность и меньшую массу, чем секционные. Они позволяют получать пар давлением 4,5—10,0 МПа (45— 100 кгс/см²) с температурой перегрева 470—540 °С (на крупнотоннажных танкерах параметры пара котельной установки — 8,0 МПа (80 кгс/см²);   515 °С).

  Для работы любого котла к нему нужно подвести топливо, питательную воду и воздух, необходимый для горения. Все это обеспечивается топливной, питательной и воздухоподающей системами, которые вместе с котлом, паропроводами и дымоходом образуют котельную установку (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Судовая котельная установка: I — котел; II —топливная система; III — питательная система.

1 — топливная цистерна; 2 — топливный фильтр грубой очистки; 3 — топливный насос; 4 — подогреватель топлива; 5 — топливный фильтр тонкой очистки; 6 — цистерна питательной воды; 7 — деаэратор; 8 — турбопитательный насос; 9 — водоподо-греватель; 10 — экономайзер котла; // — воздухоподогреватель; 12 — котельный вентилятор; 13 — паровой коллектор котла; 14 — пароперегреватель; 15 — воздухопровод; 16 — форсунки 
 
 
 
 

Топливная система состоит из топливных цистерн, фильтров, топливных насосов, подогревателей топлива, трубопроводов. В качестве топливных насосов используют поршневые, шестеренные турбо- или электронасосы. Топливо в топку подается в распыленном  виде через  распылители — форсунки.

  Питательная система подготавливает котельно-питательную воду и подает ее в котел. Она состоит из водяной цистерны, питательных насосов, подогревателей и трубопроводов. Котельные установки, вырабатывающие пар высоких параметров, имеют в составе питательной системы деаэраторы, предназначенные для выделения из воды растворенного в ней кислорода. Это необходимо для того, чтобы избыток кислорода не увеличивал коррозию (ржавление) внутренних поверхностей котла. Питательные насосы бывают поршневыми (для котлов низкого давления) и центробежными — с электро- или турбоприводом.

    Воздухоподающая система подает воздух, необходимый для процесса горения топлива, в топку специальными котельными вентиляторами (с турбо- или электроприводом). Горячие дымовые газы, пройдя котел, удаляются в атмосферу через дымоходы и дымовую трубу.

    Паропроводы, состоящие из труб и арматуры, служат для отвода пара от котлов к потребителям.

    Вспомогательные котлы устанавливают на судах для обеспечения паром бытовых потребителей. Они имеют небольшую по сравнению с главными котлами паропроизводитель-ность (1—5 т/ч) и невысокие параметры пара (давление—до 1,0 МПа (10 кгс/см²), температура—до 200°). Исключение составляют вспомогательные котлы дизельных танкеров, обеспечивающие при необходимости паром привод грузовых насосов, палубных механизмов, а также обогрев груза и пропаривание грузовых танков: их производительность достигает 25—30 т/ч, а давление пара — 2,5—28 МПа (25—280 кгс/см²). КПД вспомогательных котлов —70—80 %. На современных судах используют главные и вспомогательные котлы, у которых управление процессами питания и горения автоматизировано.

  Утилизационные котлы, использующие тепло отработавших газов главного двигателя, применяют на судах с дизельными и газотурбинными энергетическими установками, вследствие чего увеличивается КПД энергетической установки. Их размещают на выхлопном трубопроводе. 

Паровые турбины и паротурбинные  установки 

  Паровая турбина представляет собой механизм, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию скоростной струи пара, а затем в механическую работу вращения вала. Выходящая из сопла струя пара воздействует на лопатки и тем самым вращает колесо, а следовательно, и вал (рис. 9.6).

    

 
 
 
 
 
 
 

Рис. 9.6. Схема простейшей паровой турбины.

/ —  направляющий аппарат (сопло); 2 — вал; 3 — диск; 4 — рабочая лопатка;  5 — струя пара 
 

  Паровая турбина (рис. 9.7) состоит из одного или  нескольких соединенных колес, насаженных на общий вал с радиально укрепленными на ободе каждого колеса криволинейными рабочими лопатками. В составе каждой турбины имеются ротор — вращающаяся часть — и статор — неподвижная часть, в которой расположены подшипники ротора и направляющий струю пара аппарат. В направляющем аппарате происходит расширение пара, во время которого падает его давление и увеличивается скорость струи.

  В зависимости от расположения оси ротора, числа корпусов и принципа работы турбины бывают    вертикальные    и 

  горизонтальные однокорпусные и многокорпусные, активные и реактивные.

Рис. 9.7. Продольный разрез турбины; а — высокого давления (ТВД); б — низкого давления (ТНД).

/ —  статор с направляющим аппаратом;  2 — ротор; 3 — опорные подшипники; 4 — уплотнения; 5 — упорные подшипники; 6 — диски с рабочими лопатками; 7 — фундаментная  рама 

  Вертикальные  турбины в качестве главных двигателей не применяют, их используют для привода к некоторым вспомогательным механизмам — насосам, вентиляторам  и  пр.

  Степень использования энергии пара в турбине зависит от разности давления пара при входе и выходе из нее. Так как уменьшение давления пара связано с увеличением его объема и, следовательно, размеров турбины, паровые турбины мощностью более 3500—7500 кВт изготовляют двух- и трехкорпусными. В многокорпусных турбинах корпуса соединяются последовательно одним паропроводом: пар, проходя через первый корпус —турбину высокого давления (ТВД), снижает давление до некоторой средней величины, затем под этим давлением поступает в следующий корпус—турбину среднего давления (ТСД), а оттуда под еще меньшим давлением — в турбину низкого давления (ТНД). В последнее время для повышения экономичности паротурбинной установки применяют схемы с промежуточным перегревом пара, которые позволяют увеличить КПД на 4—5 %. Экономический КПД паротурбинных установок с обычной схемой без промежуточного перегрева равен 28—31 %.

  Если  расширение пара и связанное с  этим увеличение скорости струи происходит только в неподвижном направляющем аппарате турбины, то турбину называют активной. Если же расширение струи пара происходит также и в рабочем колесе при прохождении пара между лопатками, имеющими в этом случае специальный профиль, то такую турбину называют реактивной.

    Особенностью  паровой турбины является ее способность  вращаться только в одну сторону. Поэтому для обеспечения судну заднего хода (реверса) устанавливают турбину заднего хода, мощность которой составляет 40—50 % мощности турбины переднего хода. Ее размещают либо в отдельном агрегате (на крупных судах), либо на одном валу с турбиной низкого Давления переднего хода в ее же корпусе. Направляя пар в ту или другую турбину, получают передний или задний ход судна. На паротурбинных судах с винтом регулируемого шага (ВРШ), позволяющим изменить ход судна переменной угла поворота лопостей без изменения направления вращения гребного винта, турбину заднего хода не предусматривают (на крупнотоннажных танкерах типа «Крым»).

    Паровая турбина является быстроходным механизмом, совершающим до 6000 об/мин. Поэтому, чтобы частота вращения тихоходного винта составляла 80—200 об/мин, необходимо иметь специальную передачу. Чаще всего для этой цели используют зубчатую передачу—зубчатый редуктор, обычно двухступенчатый. Паровая турбина с редуктором образуют главный турбо-зубчатый агрегат (ГТЗА).

Рис. 9.8. Схема ГТЗА с двухкорпусной турбиной и двухступенчатым зубчатым редуктором

    

      
 
 
 
 

  Пар из котлов поступает по главному паропроводу  в турбину высокого давления (рис. 9.8), из нее по перепускной трубе (ресиверу) в турбину низкого давления и далее в конденсатор. Для регулирования мощности и частоты вращения турбины на паропроводах ставят паровыпускные клапаны, распределяющие поступающий пар по группам сопл. С переднего хода на задний и наоборот переходят, изменяя подвод пара с помощью маневровых клапанов. Кроме того, на пути движения пара от котла к турбине устанавливают стопорный, быстрозапорный и разобщительные клапаны. Для проворачивания турбин и редуктора перед пуском (и систематически во время стоянки — при прокачке масла через подшипники) ГТЗА снабжают валоповоротным устройством с приводом от электродвигателя. Частота вращения вала ГТЗА валоповоротным устройством — около  1  об/мин.

  Конденсатор, куда поступает отработавший пар  из турбины низкого давления, служит для обратного превращения (конденсации) этого пара в воду путем охлаждения и повторного использования конденсата (воды) для питания главных котлов. Кроме того, благодаря созданию в конденсаторе разрежения (вакуума), увеличивается перепад давлений рабочего пара, что позволяет улучшить использование тепловой энергии пара и увеличить мощность турбины.

    На  морских судах с паротурбинными установками применяют конденсаторы поверхностного типа, представляющие собой теплообменные аппараты в виде корпуса, внутри которого находятся трубки, прокачиваемые холодной забортной водой с помощью циркуляционного насоса или самопротоком, используя скоростной напор воды от движения судна. Применение самопроточной циркуляции сокращает количество вспомогательных механизмов и повышает на 1—2 % КПД установки. Отработавший пар, поступающий из турбины низкого Давления  в  корпус  конденсатора,   омывает  трубки  с  холодной забортной водой и охлаждается, конденсируется и снова превращается в воду. Скапливающуюся в нижней части конденсатора воду откачивают конденсатным насосом в питательную систему главного котла. Обычно главный конденсатор устанавливают непосредственно  под турбиной  низкого давления.

    Для подачи смазки к подшипникам роторов  турбины и валов шестерен редуктора предусматривают систему смазки, состоящую из масляных насосов, фильтров, сепаратора, маслоохладителей, сточной цистерны и трубопроводов. Схема общей компоновки паротурбинной установки мощностью 14 000 кВт приведена  на рис.  9.9.

    В настоящее время в ряде стран  проводятся работы, направленные на создание высокоэкономичных ПТУ, способных конкурировать по затратам топлива с дизельными установками. Это достигается применением ПТУ с высокими начальными параметрами пара, промежуточным перегревом пара и подогревом питательной воды, у которых в будущем удельный расход топлива может быть снижен до 225—230 г/(кВт-ч).

Рис. 9.9. Общее расположение механизмов в  машинном отделении турбинного танкера «Рихард Зорге».

                                        

 
    

    Двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки 

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — это поршневые тепловые двигатели, в которых сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра (рис. 9.10). Рабочим телом в этом случае является смесь газов, образующихся при сгорании топлива. Расширяясь в цилиндре, газы давят на поршень, который, перемещаясь под давлением газов вниз, с помощью шатуна передает движение коленчатому валу; последний преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, передаваемое гребному валу с насаженным на него гребным винтом. В верхней части цилиндра размещается распределительный механизм, состоящий из клапанов с приводами и предназначенный для обеспечения всасывания воздуха и выпуска отработавших газов.