Файл: Учебники по предмету Общее устройство судов.doc

Судовые силовые установки являются теплосиловыми комплексами, состоящими из котлов, машин, различных механизмов, теплообменных аппаратов, систем и приспособлений, преобразующих тепловую энергию, получающуюся при сгорании топлива или делении ядра расцепляющихся элементов, в механическую работу. Судовые силовые установки по своему значению подразделяются на две основные категории:

1) главные судовые силовые установки (ГССУ), являющиеся неотъемлемой частью всякого самоходного судна. Они вырабатывают механическую энергию, передающуюся движительному комплексу, обеспечивающему движение судна с заданной скоростью;

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.

§ 44. Паровые котельные установки

Судовые паровые котельные установки производят пар, необходимый для работы главных машин, а также и для других вспомогательных целей на судах с паровыми поршневыми или паротурбинными силовыми установками. В зависимости от потребителей пара судовые котлы разделяют на главные, обеспечивающие главные машины паром, и вспомогательные, питающие вспомогательные механизмы и подающие пар для других нужд.

Главные судовые паровые котлы должны обладать высокой степенью надежности в работе, выдерживая быстрое изменение режима работы, а для обеспечения форсированного хода судна временно увеличивать паропроизводителыюсть сверх нормального количества.

На судах в качестве главных паровых котлов применяют в большинстве случаев водотрубные котлы. Поверхность нагрева водотрубных котлов составляют трубы, заполненные водой и омываемые снаружи горячими газами, получаемыми в результате горения топлива. В отличие от труб водотрубных котлов трубы огнетрубных котлов, наоборот, омываются горячими газами изнутри, а снаружи находится вода, подлежащая испарению. На судах находят

применение также и комбинированные котлы, по своей конструкции близкие к огнетрубным, но имеющие элементы и водотрубных котлов.

Котлы бывают с естественной и принудительной циркуляцией воды. Прямоточными котлами называются такие, у которых при принудительной циркуляции воды она за один раз прохождения по трубкам полностью превращается в пар.

Применяющиеся на морских судах в качестве главных паровых котлов водотрубные котлы с естественной циркуляцией барабанного типа имеют высокую удельную паропроизводительность, достигающую 80 кг/м2 в час и при давлении 100-120 атм. К. п. д. этих котлов достигает 93%.

Такие котлы обладают большой надежностью в эксплуатации. Малое количество находящейся в них воды позволяет быстро вводить их в действие, а поддержание постоянного давления пара во время эксплуатации требует обязательного автоматического регулирования.

Вспомогательные судовые паровые котлы служат для обеспечения паром вспомогательных механизмов, для обогрева помещений, для других нужд на судах, где в качестве главных двигателей установлены двигатели внутреннего сгорания (дизели или газовые турбины). Часто на теплоходах устанавливают вспомогательные котлы, использующие тепло отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Такие котлы называются утилизационными.

На всех теплоходах, наряду с утилизационными котлами, работающими только на ходу судна, устанавливают вспомогательные паровые котлы, обеспечивающие паром потребителя на стоянке, или водотрубные комбинированные котлы, работающие на ходу судна как утилизационные, а на стоянке – как обычные вспомогательные котлы, отапливаемые жидким топливом.

§ 45. Турбинные установки

Судовые турбины служат для преобразования тепловой энергии пара или газа в механическую работу. Метод превращения энергии в турбине не зависит от рабочего тела, которое используется в турбине. Поэтому рабочие процессы, протекающие в паровых турбинах, не имеют существенного отличия от рабочих процессов, протекающих в газовых турбинах, а основные принципы проектирования паровых и газовых турбин одинаковы.

Свежий пар или газ, поступая в сопло, являющееся направляющим аппаратом, расширяется, потенциальная энергия превращается в кинетическую, и пар или газ приобретают значительную скорость. По выходе из сопла пар или газ попадает в каналы рабочих лопаток, насаженных на обод турбинного диска, сидящего на валу турбины. Рабочее тело давит на изогнутые поверхности рабочих лопаток, заставляя диск с валом вращаться. Совокупность рассматриваемых таких направляющих аппаратов (сопел) и рабочих лопаток на турбинном диске называется ступенью турбины. Турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми в отличие от многоступенчатых турбин.

Турбины по принципу работы рабочего тела (пара или газа) разделяют на две основные группы. Турбины, в которых расширение, пара или газа происходит только в неподвижных направляющих аппаратах, а на рабочих лопатках используется лишь их кинетическая энергия, называются активными. Турбины, в которых расширение пара или газа происходит также и при движении рабочего тела в каналах рабочих лопаток, называются реактивными. Турбины вращаются только в одну сторону и являются нереверсивными, т. е. они не могут изменять направление вращения. Поэтому на одном валу с главными турбинами переднего хода обычно предусматривают турбины заднего хода. Мощность судовых турбин заднего хода не превышает 40-50% мощности турбин переднего хода. Поскольку эти турбины не должны обеспечивать высокую экономичность в работе, число ступеней в них невелико.

Судовые паротурбинные установки, работающие при начальном давлении пара 40-50 атм и температуре пара 450-480° С, имеют экономический к. п. д. 24-27%.

Экономическим (эффективным ) к. п. д. называется отношение тепла, превращенного в полезную работу, к теплу, развивающемуся при полном сгорании затраченного топлива. Эффективный к. п. д. характеризует экономичность двигателя. При повышении давления до 70-80 атм и температуры пара до 500- 550° С экономический к. п. д. возрастает до 29-31%. Дальнейшее повышение начального давления пара и совершенствование установок позволит увеличить к. п. д. судовой паротурбинной установки примерно до 35%.

Работа над судовыми газотурбинными установками (ГТУ) по существу носит еще экспериментальный характер, так как все еще не создано их серийной конструкции.

Газовая турбина отличается от паровой тем, что рабочим телом ее является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах.

Устройство и работа газовой турбины аналогичны устройству и работе паровой турбины. Они также бывают активные или реактивные, однокорпусные, многокорпусные и т. п. Отличаются газовые турбины от паровых более высокими температурными нагрузками: температура горячих газов бывает в пределах 700-800° С. Разница в температурном режиме уменьшает ресурсы времени работы газовых турбин.

В зависимости от способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают газотурбинные установки с камерой горения и ГТУ со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ). Отрицательным качеством ГТУ является большая потеря тепла при отводе отработавших газов.

Методом повышения экономичности ГТУ является использование тепла отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, так называемая регенерация.

Применение регенерации с одновременным двухступенчатым сжатием воздуха повышает эффективный к. п. д. установки до 28-30%. Такие ГТУ находят применение в качестве судовых силовых установок.

В судовой газотурбинной установке с камерой горения (рис.69) атмосферный воздух засасывается, сжимается компрессором низкого давления 1, располагаемым на одном валу с газовой турбиной 5, и направляется в холодильник 2, охлаждаемый забортной водой. Охлажденный воздух поступает в компрессор высокого давления 3, где снова сжимается до более высокого давления, после чего подается в регенератор 4, откуда подогретый отработавшими газами идет в камеру горения 6, где сгорает подающееся туда топливо. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 5 и через регенератор,