Глава III. Главные судовые двигатели
§ 17. Характеристики главных судовых энергетических установок
Главными показателями, которые определяют технико-экономические качества судовых энергетических установок, являются:
— малый вес и небольшие габариты при достаточной мощности, что способствует повышению скорости хода судна;
— простота обслуживания и высокая экономичность;
— живучесть и надежность в работе при различных внешних воздействиях;
— быстрое изменение нагрузки главных машин и направления вращения гребных винтов (реверс);
— быстрый пуск и развитие полной мощности в наиболее короткое время;
— устойчивость работы главных машин при малой частоте вращения;
— минимально возможная шумность и отсутствие вибраций корпуса при работе главных машин;
— технологичность конструкции во время монтажа и ремонта установки.
Основные типы главных судовых энергетических установок, отвечающие указанным требованиям и применяемые в настоящее время на морских судах, были перечислены ранее в § 6, гл. I. Ниже приводятся основные характеристики каждой из этих установок.
Установки с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Современные установки такого типа отличаются высокой мощностью, надежностью в работе и экономичностью. Перспективным в применении этих установок на морских судах является использование для их работы тяжелых сортов топлива. Строящиеся в настоящее время на отечественных заводах мощные дизельные установки (с агрегатной мощностью до 15000 квт) могут кратковременно (при пуске и реверсах) работать на дизельном топливе и длительно (в период рейса) — на тяжелом топливе. Осваивается постройка еще более мощных дизелей — до 25 000 квт.
В зависимости от назначения и типа судна установки с ДВС могут быть реверсивными и нереверсивными. В первом случае они работают на гребной вал непосредственно или через какую-либо передачу (зубчатую, гидравлическую и др.). Нереверсивные установки имеют или специальные реверсивные муфты, или передают энергию непосредственно на гребной вал, имеющий винт регулируемого шага (ВРШ), или приводят в движение электрогенераторы, питающие током гребные электродвигатели.
Паротурбинные установки. Такие установки могут обладать неограниченной мощностью; их применяют исключительно на крупных морских судах. Современная паротурбинная установка имеет мощность 150 000 квт и более при частоте вращения ротора до 12 000 об/мин и в то же время отличается относительно малыми габаритами и небольшим удельным весом, т. е. весом установки, приходящимся на единицу мощности.
В отличие от ДВС основные подвижные детали паротурбинной установки совершают вращательное движение, что создает возможность их полного уравновешивания, обеспечивает плавность работы и исключает вибрацию. Кроме того, отсутствие поступательно движущихся трущихся частей позволяет снизить потери энергии на трение, а следовательно, повысить механический к. п. д. установки.
Однако применение паротурбинных установок на морских судах ограничивается рядом недостатков, свойственных этим установкам. Для работы паровых турбин необходим пар, поэтому на судне устанавливают громоздкие и тяжелые паровые котлы со всеми обслуживающими их вспомогательными механизмами и трубопроводами. С целью уменьшения высокой частоты вращения турбин до приемлемой для работы гребных винтов (75—250 об/мин) между турбинами и гребным валом размещают понижающую зубчатую (редукторную) передачу. Для обеспечения обратного направления вращения гребного винта в один из корпусов турбин встраивают турбину заднего хода или применяют специальное реверсивное устройство. Все это утяжеляет турбинную установку, делает ее громоздкой и снижает механический к. п. д. Кроме того, большой расход пара при работе турбины на малых режимах и при реверсах делает нерентабельным их применение для судов с малой мощностью энергетической установки (менее 5000 квт).
Газотурбинные установки. Развитие газотурбинных установок (ГТУ) началось в послевоенный период. Особенно широкое распространение получили газотурбинные установки со свободно-поршневыми генераторами газа (СГТГГ), сочетающие в себе положительные качества ДВС (высокая экономичность) и газовой турбины (малый удельный вес).
Современные ГТУ обладают мощностью до 20 000 квт при частоте вращения ротора турбин до 6000 об/мин. Они отличаются быстротой пуска, надежностью в работе, простотой в изготовлении и обслуживании. Отсутствие громоздкой котельной установки, тяжелых паропроводов и конденсатора и сравнительно малые габариты ГТУ позволяют сократить и рационально использовать объем машинного отделения, увеличить объем трюмов и полезную грузоподъемность судна. Благодаря полной уравновешенности движущихся частей у газовой турбины и генераторов газа они не передают вибрацию корпусу судна и потому могут устанавливаться на облегченном фундаменте. Газовые турбины и генераторы газа более просты по конструкции, чем дизельные установки, не требуют специального обслуживания и вскрытия в течение навигации, а их профилактический осмотр можно проводить во время рейса без существенного снижения скорости хода судна.
Ядерные энергетические установки. Значительные успехи, достигнутые в области ядерной энергетики, позволили создать судовые ядерные энергетические установки (ЯЭУ), применяемые в настоящее время на судах транспортного и военно-морского флота. Одним из преимуществ ЯЭУ перед другими типами установок является высокая концентрация энергии в ядерном горючем.
Наряду с несомненными преимуществами ЯЭУ имеют и ряд недостатков, связанных с необходимостью ограждения активной зоны ЯЭУ специальной биологической защитой, имеющей значительные вес и габариты, а также применения автоматизации и дистанционного управления механизмами, находящимися внутри этой защиты. Все это усложняет установку и повышает требования к надежности ее работы. Кроме того, стоимость постройки и эксплуатации атомных судов выше, чем обычных судов морского флота.
Рассмотренные судовые энергетические установки наиболее распространены в морском судостроении. На судах старой постройки еще встречаются установки с паровыми поршневыми машинами. Несмотря на простоту и надежность в эксплуатации, а также довольно значительный срок службы (40—50 лет и более), они громоздки, маломощны и малоэкономичны. На вновь строящихся судах такие установки применения не находят. В табл. 1 приведены основные характеристики современных судовых энергетических установок.
Характеристика | Главные двигатели | ||
внутреннего сгорания (тихоходные дизели) | паротурбинные | газотурбинные | |
Мощность одного агрегата (наибольшая), л. с. | 25 000 | 150 000 | 25 000 |
Частота вращения (наибольшая), об/мин | 110—225 | До 10 000 | До 5000 |
Удельный вес агрегата, кг/л. с. | 30—50 | 14—16 | 12—18 |
Применяемое топливо | Тяжелое дизельное, котельный мазут | Топочный мазут | Флотский мазут |
Время перемены хода (реверс), с | 5—15 | 20—25 | 15—20 |
Время приготовления установки к действию, мин | 2—30 | 20—180 | 10—30 |
Мощность на заднем ходу в процентах от мощности переднего хода | 80—95 | 35—40 | 60—70 |
Эффективный к. п. д. установки (наибольший), % | 35—40 | 23—27 | 29—36 |
- § 18. Общие сведения о двигателях внутреннего сгорания
- § 19. Конструкции судовых двигателей внутреннего сгорания
- § 20. Механизмы и арматура, обслуживающие двигатели внутреннего сгорания
- § 21. Способы пуска и реверсирования двигателей внутреннего сгорания и управления ими
- § 22. Главные судовые паровые и газовые турбины, принцип их действия и устройство
- § 23. Главный турбозубчатый агрегат, его состав и конструкция
- § 24. Установки с электродвигателями и электропередачей