Судовая энергетическая установка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Материалы предоставлены интернет - проектом www.globalteka.ru®

Авторское выполнение научных работ любой сложности - грамотно и в срок

Содержание

1. Глоссарий

2. Конспект лекционных занятий

1. Глоссарий

Атомоход	- судно с ядерной энергетической установкой
Газотурбинная установка	- силовая установка, состоящая из газовой турбины и механизмов, обеспечивающих его работу.
Газотурбоход	- судно с газотурбинной силовой установкой.
Гребной вал	- элемент валопровода, непосредственно соединенный с гребным винтом.
Главная энергетическая установка судна	- комплекс энергетических и силовых средств, обеспечивающих движение судна.
Дейдвуд	- подводная кормовая оконечность судна, через которую проходит дейдвудная труба.
Дейдвудная труба	- прочная водонепроницаемая труба в корме судна, через которую проходит гребной вал.
Дейдвудное устройство	- комплекс элементов судового валопровода, предназначенный: для размещения опоры, смазки, охлаждения и защиты проходящего через него гребного вала; и для предотвращения поступления вдоль него забортной воды в корпус судна.
Дизель-газотурбинная установка	- комбинированная силовая установка судна, в которой в качестве основных двигателей служат дизели, а газовые турбины, используются для кратковременного развития больших мощностей.
Дизель-электрическая установка	- силовая установка, которая приводит гребной винт во вращение с помощью электродвигателя, питаемого током, вырабатываемым дизель-генератором.
Дизельная энергетическая установка	- судовая энергетическая установка, в которой в качестве главных двигателей используются один или несколько дизелей.
Коридор гребного вала	- водонепроницаемый туннель, в котором проходит судовой валопровод от машинного отделения до ахтерпиковой переборки.
Промежуточный вал	- элемент судового валопровода; вал, который устанавливается между гребным валом и упорным валом в том случае, когда их общая недостаточна для связи двигателя с движителем.
Старнпост	- передняя (внутренняя) часть ахтерштевня одновинтового корабля, через втулку которой проходит гребной вал.
Судовой валогенератор	- генератор электрического тока, вращение которого осуществляется от судового валопровода или от главного двигателя, обеспечивающего ход судна.
Судовой двигатель	- дизель, паровая или газовая турбина или иная энергосиловая машина, которая используется: для приведения в движение судна (главный двигатель); или для привода судовых электрогенераторов.
Судовая котельная установка	- совокупность одного или нескольких паровых котлов; нефтяных насосов, подающих нефть в топку; питательных насосов, подающих питательную воду в котел; котельных вентиляторов или наддувочных агрегатов, подающих воздух в топку; систем водоподготовки и топливоподготовки, а также расходных цистерн, трубопроводов, арматуры и контрольно-измерительной аппаратуры.
Судовой валопровод	- конструктивный комплекс, обеспечивающий передачу крутящего момента от судового двигателя гребному винту.
Судовая энергетическая установка	- комплекс машин, механизмов, источников энергии, систем и устройств, приводящих судно в движение (главные энергетические установки); и обеспечивающих питание всех потребителей энергии (вспомогательные энергетические установки).
Удельная энергооснащенность судна	- отношение мощности главной энергетической установки к водоизмещению судна.
Теплоход	- самоходное судно, приводимое в движение двигателем внутреннего сгорания (дизелем) или газовой турбиной.
Токосъемное устройство валопровода	- элемент судового валопровода, выполняемый в виде контактно-щеточного устройства, предназначенного для отвода статического электричества, возникающего и накапливающегося во вращающихся элементах движителя.
Тормозное устройство валопровода	- элемент судового валопровода, предназначенный для стопорения валопровода.
Торсионный вал	- предварительно тарированный вал, встраиваемый в валопровод; и служащий для непосредственного измерения мощности главной энергетической установки.
Турбоход	- судно, имеющее в качестве главной энергетической установки газовую или паровую турбину.
Турбоэлектроход	- электроход, в котором первоисточником энергии является газовая или паровая турбина.
Упорный вал	- элемент судового валопровода; вал, устанавливаемый в упорном подшипнике; и служащий для передачи на корпус судна осевого давления от гребного винта
Электроход	- судно, движители которого вращают электромоторы, получающие питание от электрических генераторов, приводимых в движение двигателями внутреннего сгорания, газовыми или паровыми турбинами.
Энергетическая установка	- установка, состоящая из двигателя и всех вспомогательных устройств, необходимых для его работы.

2. Конспект лекционных занятий

МОДУЛЬ 1. Принцип строения, выбор параметров и расчет мощности судовых энергетических установок

Лекция 1. ТЕМА: Введение. Судовая энергетическая установка. Классификация СЭУ. Назначение и требования к СЭУ.

Введение. Современное развитие транспортного флота характеризуется созданием высокопроизводительных грузовых, буксирных и пассажирских судов; повышением их мощности и скорости хода; оборудованием высокоэффективными и экономичными механизмами, устройствами, системами, средствами автоматизации и механизации; стандартизацией и унификацией отдельных механизмов и судовых энергетических установок в целом.

С ростом грузоподъёмности и скорости хода судов увеличивается их энергооснащённость и мощность главных двигателей. В связи с этим судовые энергетические установки, затраты на которые составляют около 35% общей строительной стоимости судов, оказывают большое влияние на технико-эксплуатационные и экономические показатели флота. Большое значение в повышении эффективности работы речного транспорта имеет техническая эксплуатация флота; на неё приходится около 50% расходов, отнесённых на себестоимость перевозок грузов и пассажиров.

Классификация СЭУ. Судовая энергетическая установка представляет собой комплекс технических средств (тепловых двигателей, агрегатов, механизмов и систем), предназначенных для автономного обеспечения судна всеми видами энергии, необходимыми для его использования по назначению.

Судовые энергетические установки классифицируются как по роду используемого топлива (с органическим и ядерным топливом), так и по типу двигателя - двигатели внутреннего сгорания (ДВС), паротурбинные установки (ПТУ) и газотурбинные (ГТУ), а также комбинированные, состоящие из двигателей различных типов.

Состав СЭУ. В состав СЭУ входят главные и вспомогательные энергетические установки.

Главная энергетическая установка включает в себя главный двигатель, главную судовую передачу, валопровод и движитель. Эти элементы главной СЭУ составляют судовой машинно-движительный комплекс (МДК), энергия которого используется для движения судна, а на траулерах и для привода в действие валогенераторов.

Для работы главной СЭУ необходимы:

непрерывная подача топлива и воздуха к главным двигателям;

подача смазки к узлам трения двигателя, главной передачи и судового валопровода;

постоянный отвод теплоты от деталей, работающих в зоне высоких температур, масла, воспринимающего теплоту трения, охлаждающих жидкостей, непосредственно соприкасающихся с горячими деталями двигателя и выпускными газами;

-- специальные средства для запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и отвода от них продуктов сгорания топлива.

Эти функции выполняют системы энергетической установки: топливная, масляная, охлаждения, сжатого воздуха и газовоздушная. Каждая из систем включает вспомогательные механизмы, обеспечивающие циркуляцию (перемещение) рабочих тел, емкости для их хранения, теплообменные аппараты, трубопроводы, арматуру, средства контроля и управления.

Для привода в действие вспомогательных механизмов нужна электрическая энергия, а для подогрева топлива - пар низких параметров. Источниками энергии для этих целей служат судовые электрические станции (СЭС) и вспомогательные котельные установки (ВКУ).

Агрегаты СЭС и ВКУ со своими системами составляют вспомогательные энергетические установки. Системы, обеспечивающие работу дизель-генераторов (ДГ), подобны системам главной СЭУ. Работу ВКУ обеспечивают топливная, конденсатно-питательная и газовоздушная системы.

Вспомогательные энергетические установки лишь формально считают вспомогательными. Они играют важную роль в обеспечении безопасности мореплавания, живучести судна и его функционировании по своему назначению. Вспомогательные энергетические установки снабжают все потребители электроэнергией и паром низких параметров на судне, в том числе механизмы и оборудование систем главной энергетической установки.

Судовую энергетическую установку, как и само судно, собирают на верфи. Тепловые двигатели, паровые котлы, насосы, теплообменники, средства управления и автоматики и множество других комплектующих изделий, даже находясь на складах судоверфи, еще не представляет собой судовой энергетической установки. Только смонтированное в энергетическом отсеке судна и надлежащим образом соединенное между собой трубопроводами и электрическими кабелями оно обретает технические свойства судовой энергетической установки.

Судовая энергетическая установка состоит из комплекса оборудования (тепловых двигателей, механизмов, аппаратов, магистралей, систем), предназначенного для преобразования энергии топлива в механическую, электрическую и тепловую энергию и транспортировки её к потребителям.

Указанные виды энергии обеспечивают: движение судна с заданной скоростью; безопасность и надёжность плавания; работу механизмов машинного помещения, палубных механизмов и устройств; электрическое освещение; действие средств судовождения, управления механизмами, сигнализации и автоматики; общесудовые и бытовые нужды экипажа и пассажиров; выполнение различных производственных операций на транспортных судах, судах технического флота и специального назначения.

Требования к СЭУ. Судовая энергетическая установка должна удовлетворять следующим основным технико-экономическим и эксплуатационным требованиям:

быть экономичной, т. е. строительная стоимость и эксплуатационные затраты на неё должны быть оптимальными;

ГСЭУ должна обеспечивать заданную скорость хода судна, обладать достаточными маневренными качествами на всех режимах его движения и иметь высокий моторесурс;

снабжать потребителей различными видами энергии и холодом при высокой экономичности процессов превращения тепловой энергии в механическую и электрическую;

процессы управления и регулирования должны быть автоматизированы;

быть надёжной, т.е. иметь оптимальную вероятность безотказной работы, требовать минимальное время на устранение неисправностей и сохранять работоспособность в аварийных ситуациях;

при работе не оказывать вредного воздействия на обслуживающий персонал, пассажиров и не загрязнять окружающую среду;

иметь малые габариты и массу.

В качестве главных и вспомогательных двигателей в ДЭУ применяются поршневые ДВС - дизели, работающие по отрытому циклу.

Дизельные энергетические установки получили широкое распространение на судах различного назначения вследствие ряда положительных особенностей:

возможности создания большого диапазона агрегатных мощностей на базе стандартных типоразмеров цилиндров;

доступности использования различных типов передач;

сравнительно высокой экономичности;

относительной простоты автоматизации управления.

На транспортных судах новой постройки в качестве главных и вспомогательных двигателей устанавливают исключительно дизели.

На флоте в большинстве случаев в качестве главных применяют четырёхтактные дизели с наддувом, реверсивные среднеоборотные и нереверсивные повышенной оборотности.

В качестве вспомогательных обычно устанавливаются четырёхтактные дизели без наддува повышенной оборотности.

Широкому распространению дизелей в СЭУ способствует непрерывное улучшение их технико-экономических показателей путём совершенствования наддува и рабочего процесса, применения тяжёлых сортов топлива, использования двухконтурной системы охлаждения, повышения надёжности и моторесурса, автоматизации процессов управления, контроля и диагностирования.

Дальнейшее повышение экономичности судовых дизелей в основном должно происходить за счёт утилизации теплоты выпускных газов и охлаждающей дизель воды. Теплота, получаемая в утилизационном котле, работающем на выпускных газах, и охлаждающей дизель воды может быть использована в системе теплоснабжения судна или для получения искусственного холода. На теплоходах с большими агрегатными мощностями, работающих длительное время на постоянном режиме и потребляющих большое количество электроэнергии, пар, получаемый в утилизационных котлах, можно использовать в паровой турбине турбоэлектрогенератора.

Повышение экономичности ДЭУ тесно связано с увеличением уровня их надёжности и ресурса. Поэтому на перспективу предусматривается увеличение ресурса дизелей, приближение сроков службы дизеля к срокам службы судна, резкое увеличение сроков службы до первой переборки, сроков необслуживаемой работы, что позволит значительно снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Эффективное использование ДЭУ, надёжная их эксплуатация и высокая производительность труда обслуживающего персонала обеспечиваются комплексной автоматизацией установки. Автоматизированные ДЭУ с безвахтенным обслуживанием получили широкое распространение на судах речного флота.

Вопросы для самопроверки

Состав судовой энергетической установки.

Виды энергии, обеспечивающие движение судна.

Технико-экономические показатели судовой энергетической установки.

Лекция 2. ТЕМА: Показатели СЭУ. Мощностные показатели. Показатели массы. Габаритные показатели СЭУ. Показатели маневренности. Показатели надежности.

Для оценки тех или иных качеств СЭУ используют систему технико-экономических показателей. При выборе теплового двигателя важнейшим критерием его пригодности является мощность.

Мощностные показатели. Известно, что мощность представляет собой работу, совершаемую двигателями за секунду. В Международной системе единиц СИ за единицу мощности принят 1 Ватт (Вт): 1 Вт = 1 Дж/с = 1 Н•м/с.

Вращающий момент двигателя Мвр, Н * м, при угловой скорости , 1/с, развивает мощность

(2.1)

где п - частота вращения рабочего вала двигателя, с

Для измерения мощности СЭУ единица мощности 1 Ватт малопригодна. Обычно пользуются величиной, в 103 раз большей - 1 киловатт (кВт).

За механическую мощность теплового двигателя принимают мощность на выходном фланце рабочего вала; ее называют эффективной мощностью, при этом предполагается, что номинальная эффективная мощность развивается тепловым двигателем при номинальном вращающем моменте Мвр и номинальной частоте вращения п.

Агрегатная мощность любого типа современных двигателей превышает реальную потребную мощность не только промысловых судов, но и любого транспортного судна, т. Е. практически любое судно может быть оборудовано только одним главным двигателем любого типа.

Показатели тепловой экономичности главных двигателей. К таким показателям относятся удельный расход топлива gе и эффективный КПД .

Удельный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива G к мощности двигателя Nе, развиваемый на фланце рабочего вала

gе= G/ Nе. (2.2)

Эффективный КПД двигателя и удельный расход топлива связаны cоотношением

=3600/( gе Q). (2.3)

В современных ДВС удельный расход топлива составляет 0,165 … …0,195 кг/кВт, эффективный КПД - 0,44 … 0,52.

Экономичность судовых паротурбинных установок (ПТУ) значительно ниже, чем дизельных (= 0,33…0,35). Газотурбинные установки (ГТУ) по экономичности занимают промежуточное место между дизельными и паротурбинными энергетическими установками.

Экономичность главной СЭУ в целом оказывается несколько ниже экономичности главных двигателей из-за потерь в главной передаче и подшипниках судового валопровода, а также из-за расхода энергии на привод в действие вспомогательных механизмов систем главных двигателей. КПД главной СЭУ будет равен

, (2.4)

а удельный расход топлива, отнесенный к ступице гребного винта,

(2.5)

где КПД главной передачи и судового валопровода, соответственно;

коэффициент, учитывающий дополнительные затраты энергии на привод вспомогательных механизмов

Общий термический эффективный КПД гребной установки с учетом КПД гребного винта и влияния корпуса судна на его работу будет иметь вид:

(2.6)

где - пропульсивный КПД гребного винта;

(2.7)

где КПД гребного винта, t- коэффициент засасывания; w- коэффициент попутного потока

Значение КПД элементов МДК, входящих в уравнения (1.4) и (1.6), зависят от его мощности. Ориентировочно их значения приведены ниже.

Элементы МДК

Редуктор одноступенчатый………………………..0,98 …0,99

Редуктор двухступенчатый ……………………….0,96…0,98

Электрическая передача переменного тока………0,90…0,94

Электро- и гидродинамическая муфты …………..0,96…0,98

КПД судового валопровода зависит от числа опорных подшипников: для дизельный установок ; для турбинных установок (j- число опорных подшипников).

Коэффициент, учитывающий дополнительные затраты энергии на привод в действие вспомогательных механизмов лежит в пределах 0,93…0,97 и зависит от мощности главных ДВС. Для СЭУ современных судов КПД составляет 0,32…0,40, в зависимости от типа главной передачи и мощности. Применение высокоэкономичных ДВС позволит повысить КПД энергетической установки до 0,38…0,46.

Экономичность вспомогательных дизель-генераторов на 10…20% ниже, чем главных ДВС. С учетом КПД генераторов (0,90…0,94) удельный расход топлива на 1 кВтч электрической энергии 0,215…0,225 кг\(кВтч), у лучших же образцов 0,200 кг/(кВт•ч).

Агрегатированные вспомогательные паровые котлы (ВПК) отечественного производства с рабочим давлением пара 0,5…0,7 МПа имеют КПД 0,80…0,82.

Общепринятого показателя теплотехнического совершенства СЭУ в целом пока не существует. В свое время предпринимались попытки представить такой показатель в виде

 (2.8)

где - мощность рабочих агрегатов судовой электростанции (СЭС), кВт; - паропроизводительность ВПК, кг\ч; - энтальпия свежего пара в котле и питательной воды соответственно; кДж/кг; - часовой расход топлива главными ДВС, агрегатами СЭС и ВКУ соответственно, кг/ч; - теплота сгорания топлива, используемого в главных двигателях, агркгатах СЭС и ВКУ соответственно, кДж/кг

В числителе выражения (2.8) представлена полезная работа, выполненная всеми элементами СЭУ в килоджоулях, а в знаменателе - суммарная теплота сгорания топлива, израсходованного главными двигателями, агрегатами СЭС и ВКУ. Таким образом, этот показатель отражает КПД СЭУ, однако он не может объективно отражать теплотехническое совершенство СЭУ.

Показатели массы. Масса СЭУ характеризуется тремя показателями: абсолютной массой, относительной массой и удельной массой отдельных элементов СЭУ - главных двигателей, агрегатов СЭС и ВКУ.

В массу СЭУ входят:

МДК с механизмами и оборудованием систем, которые его обслуживают;

агрегаты СЭС с главными распределительными щитами;

ВПК и УПК с механизмами и оборудованием обслуживающих их систем;

центральные и местные посты управления СЭУ и ее отдельных элементов;

трубопроводы с арматурой, изоляцией и окраской для канализации рабочих тел, используемых в СЭУ.

Массы двигателей, котлов, механизмов и оборудования принимаются в состоянии готовности к действию, но без запасов рабочих тел.

Масса СЭУ зависит от мощности ее основных элементов и степени форсировки рабочих процессов. Поэтому абсолютная масса СЭУ малопоказательна и чаще оперируют относительной массой, представляющей собой долю массы СЭУ в полном водоизмещении судна

, (2.9)

где D - полное водоизмещение судна, т; - абсолютная, т, и относительная массы энергетической установки

Относительная масса СЭУ сильно зависит от водоизмещения судна. Так, на малых судах , на средних рыболовных траулерах = 0,16 ... 0,18, на крупнотоннажных траулерах = 0,08... 0,10 и т. д. Удельная масса отдельных элементов СЭУ также не отличается стабильностью.

Например, масса главных ДВС, приходящаяся на 1 кВт их мощности, зависит от степени форсировки по среднеэффективному давлению и частоте вращения, тактности, а также и от конструктивных особенностей двигателей (тронковый, крейцкопфный, с рядным или V-образным расположением цилиндров и др.). Сказанное в полной мере относится и к дизель-генераторам. Представление об удельных массах главных ДВС и дизель-генераторов можно получить при рассмотрении данных табл. 2.1.

Значительно большей стабильностью отличаются удельные массы ВПК. Например, удельные массы агрегатированых ВПК, выпускаемых отечественной промышленностью, составляют 1,7...4,0 кг пара в час на кг массы. Удельная масса главных паровых котлов меньше 1 кг * ч/кг.

Таблица 2.1 Удельные массы двигателей внутреннего сгорания

Тип двигателя	Частота вращения, мин	Удельная масса двигателей
		рядного исполнения, кг/кВт	V-образного исполнения, кг/кВт
Высокооборотные Среднеоборотные То же, мощностью менее 500 кВт Малооборотные	1000; 750; 500; 500; 200; 90;	9…11; 12…15; 14…18; 25…30; 20…30; 40…50;	7…8; 10…12; 12…17; 18…25 -

Габаритные показатели СЭУ. О размерах помещений, необходимых для размещения СЭУ, судят по показателям мощностей насыщенности длины , кВт/м, площади , кВт/м2 и объема машинно-котельного отделения (МКО), кВт/м3,

(2.10)

где - длина МКО между поперечными переборками, м; - площадь МКО, м; - объем МКО, м3

Под площадью МКО понимают фактическую площадь на уровне настила трюма и площадь промежуточных палуб, а также платформ и цистерн, на которых размещены механизмы и оборудование и с которых можно выполнять работы по их обслуживанию. В объем МКО включают геометрический объем отсека без учета объема размещенных в нем танков запаса топлива, смазки и пресной воды.

Иногда под площадью МКО подразумевают лишь площадь на уровне настила, хотя на крупных судах часть механизмов и оборудования размещается и на платформах и промежуточных палубах, а в объем МКО включают также объем танков двойного дна, бортовых цистерн и машинных шахт. При такой трактовке площади и объема МКО заметно возрастает неопределенность показателей мощностной насыщенности площади и объема МКО.

В выражениях (2.10) мощность агрегатов СЭС не учитывается. Между тем на промысловых судах она составляет 30... 60 %, а то и 100 % мощности главного ДВС. Это снижает показатели мощностного насыщения МКО промысловых судов, расширяет возможный диапазон их значений и делает их несопоставимыми с соответствующими показателями не только судов морского флота, но и других судов ФРП. Действительно, показатели мощностной насыщенности СЭУ с валогенераторами будут при прочих равных условиях значительно выше, чем у СЭУ с автономными агрегатами СЭС, поскольку мощность главных ДВС в СЭУ с отбором мощности будет значительно выше. Поэтому при расчете показателей мощностной насыщенности МКО необходимо учитывать и мощность агрегатов СЭС. В табл. 2.2 приведены значения мощностной насыщенности МКО некоторых типов промысловых судов (с учетом мощности агрегатов СЭС).

Мощностная насыщенность МКО, размещение механизмов и оборудования не должно препятствовать выполнению регламентных и ремонтных работ и соответствовать требованиям охраны труда машинных команд.

Таблица 2.2 Характеристики мощностной насыщенности энергетических судов

Мощность главных двигателей, кВт	Мощностная насыщенность МКО
	длины, кВт/м	площади, кВт/ м	объема, кВт/ м3
До 1000 2000…3000 3000…4000 Более 6000	80…100 140…180 180…200 350…4000	12…15 16…20 22…25 22…26	3,9…4,2 4,7…5,0 4,9…5,6 4,3…5,0

Показатели маневренности. Маневренность СЭУ представляет собой совокупность свойств, отражающих способность СЭУ изменять свое состояние или режим работы за единицу времени под воздействием внешних импульсов, а также способность работать при предельных значениях некоторых параметров рабочего процесса. В последнем случае численной мерой маневренности являются предельные значения параметров рабочего процесса и допустимая продолжительность работы СЭУ с этими параметрами.

Наиболее важные показатели маневренности главной энергетической установки следующие.

Время, необходимое на подготовку главной энергетической установки к пуску после стоянки. Оно зависит от типа и мощности главного двигателя. Для дизельных энергетических установок время подготовки к пуску в действие составляют 1... 2 ч, для паротурбинных 3... 4 ч.

Время, необходимое для выхода главной энергетической установки на режим номинальной нагрузки. Для дизельных установок оно составляет 0,25... 2 ч в зависимости от мощности; паротурбинных до 2 ч.

Продолжительность реверса. Время реверса отсчитывают с момента подачи команды «Назад» до начала вращения гребного вала в противоположном направлении. Время реверса зависит от начальной скорости судна. Для энергетических установок с ДВС при v=0, оно равно 5…10с. На полной скорости процесс реверсирования может носить затяжной характер.

Мощность главной энергетической установки на заднем ходу судна. У дизельных установок мощность на заднем ходу составляет примерно 80% от . Мощность турбин заднего хода согласно требованию Регистра должна составлять не менее 40 % мощности главных турбин, при этом , а . Время перехода энергетической установки с одного режима на другой.

Способность к перегрузке. Главные ДВС допускают 10%-ю перегрузку по мощности в течение часа.

Минимальная частого вращения рабочего вала главного двигателя. По механическим, термо- и газодинамическим условиям рабочего процесса ДВС в подавляющем большинстве работают устойчиво при частоте вращения, составляющей около 30 % номинальной. У ГТУ ограничиваются частотой вращения, исключающей помпаж в компрессоре.

Способность МДК к саморегулированию по вращающему моменту при изменении внешней нагрузки, т.е. изменять величину вращающего момента в сторону, соответствующую изменению внешнего нагрузочного момента. Турбины и дизельные МДК с электропередачами постоянного тока обладают некоторой способностью к саморегулированию по моменту.

Показатели надежности. Под надежностью СЭУ понимают ее способность выполнять заданные функции, сохраняя сбои эксплуатационные показатели в установленных пределах. Надежность СЭУ характеризуется безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью.

Безотказность - свойство СЭУ непрерывно сохранять работоспособность на протяжении некоторого времени без вынужденных перерывов. Количественно безотказность определяется вероятностью безотказной работы, средней наработкой на отказ, средним временем восстановления работоспособности и коэффициентом готовности. Перечисленные показатели носят вероятностный характер.

Долговечность- свойство СЭУ сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Состояние СЭУ, при котором дальнейшая ее эксплуатация становится технически невозможной или нецелесообразной, называют предельным. Признаки предельного состояния СЭУ оговариваются в нормативно-технической документации. К числу таких признаков можно отнести:

- ухудшение параметров рабочего процесса и уменьшение уровня безотказности;

- чрезмерные затраты на восстановление работоспособности, при которых дальнейшая эксплуатация экономически нецелесообразна;

моральный износ, при наличии возможности замены элементов СЭУ более эффективными.

Мерой долговечности служит ресурс - наработка СЭУ до предельного состояния. Это так называемый полный ресурс. Кроме того, различают и ресурсы других видов:

гарантированный, или наработка, до окончания которой поставщик гарантирует безотказную работу элемента СЭУ и несет за это ответственность;

до капитального ремонта - наработка восстанавливаемого элемента СЭУ до капитального ремонта;

назначенный - наработка, по достижении которой эксплуатация элемента СЭУ должна быть прекращена независимо от его состояния в целях обеспечения высокого уровня безопасности эксплуатации СЭУ,

Ремонтопригодность - свойство СЭУ, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем технического обслуживания и ремонта.

Живучесть СЭУ -- свойство, проявляющееся только в аварийных ситуациях (затопление отсеков, отказ части энергооборудования, пожар и т.п.) и заключающееся в приспособленности СЭУ сохранять при этом полностью или частично свою работоспособность.

Энергетическая установка, отличающаяся высокой надежностью в нормальных условиях эксплуатации, может не обладать столь же высокой живучестью. Например, двухмашинная СЭУ (с двумя главными двигателями), имеющая низкие показатели надежности, оказывается более „живучей" в сравнении с энергетической установкой, оборудованной высоконадежным, но только одним главным ДВС. Ведь выход из строя единственного главного ДВС, как бы маловероятен он ни был, лишает судно хода, в то время, как в двухмашинной СЭУ (с двумя двигателями) сохраняется возможность судна двигаться, хотя и с неполной скоростью.

Живучесть СЭУ можно существенно повысить за счет резервирования основного оборудования, а также амортизацией механического оборудования, рациональным размещением оборудования в соответствии с нормами проектирования, уменьшающим вероятность возникновения аварийных ситуаций. Кроме того, живучесть обеспечивается на судах средствами противопожарной защиты, системами для выравнивания крена и дифферента при затоплении отсеков и средствами для выполнения аварийных работ.

Вопросы для самопроверки

Что представляет собой эффективная мощность?

Что представляет собой удельный расход топлива?

Какими свойствами характеризуются надежность СЭУ?

За счет чего можно повысит живучесть СЭУ?

Лекция 3. Судовые дизельные установки. Установки с МОД. Установки с СОД и ВОД

Классификация дизельных СЭУ. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) -- это тепловая машина, внутри цилиндра которой, происходит сгорание топлива. При сгорании выделяется теплота, идущая на расширение, газов. Под давлением расширяющихся газов движется поршень. Таким образом, в ДВС тепловая энергия превращается в механическую.

Судовые ДВС классифицируются по ряду признаков. Для работы двигателя необходимо обеспечить определенную последовательность процессов: наполнение цилиндра воздухом, сжатие его, подачу топлива и горение, расширение продуктов сгорания и удаление отработавших газов. Этот ряд последовательно протекающих в цилиндре процессов, обеспечивающих непрерывную работу двигателя, называется рабочим циклом. Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называется тактом.

Таким образом, по осуществлению рабочего цикла двигатели подразделяются на четырехтактные, у которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала, и двухтактные, у которых рабочий цикл осуществляется за два хода поршня или один оборот коленчатого вала.

По конструктивному выполнению двигатели подразделяются на тронковые, крейцкопфные и с противоположно движущимися поршнями (ПДП) в одном цилиндре.

Во время работы двигателя при сгорании топлива в цилиндре на поршень действует давление газов. Его можно представить в виде сосредоточенной силы Р (рис. 3.1, а), приложенной к оси поршневого пальца и направленной вниз. При повороте коленчатого вала на некоторый угол сила Р раскладывается по правилу параллелограмма на две силы: Рш, действующую вдоль оси шатуна и приводящую в движение коленчатый вал, и Рн, действующую перпендикулярно направлению движения поршня. Сила Рн прижимает поршень к стенке цилиндра и вызывает усиленный износ поршней и стенок цилиндров

 По такой схеме выполняются высокооборотные и среднеоборотные двигатели, называемые тронковыми (поршень у них имеет развитую нижнюю цилиндрическую часть -- тронк).

У двигателей больших мощностей сила Рн велика, поэтому их делают крейцкопфными (рис. 3.1, б). Поршень 2 такого двигателя жестко через шток 3 соединен с крейцкопфом 1, ползун 4 которого движется в направляющих параллелях 5. Боковое усилие PН в этом случае воспринимается не стенкой цилиндра, а через крейцкопф параллелями, которые жестко связаны со станиной двигателя. Крейцкопфы делают односторонними или двусторонними.

У двигателей с ПДП (рис. 3.1, в) топливо сгорает в камере, расположенной между двумя поршнями 1, которые работают в одном цилиндре и движутся в противоположные стороны. Такой двигатель имеет два коленчатых вала 2.

Рис. 3.1 Схема конструктивного выполнения двигателей:

а - тронковый; б - крейцкопфный; в - с противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре

В зависимости от расположения цилиндров двигатели бывают однорядные с вертикальным расположением цилиндров (рис. 3.2, а) и V-образные (рис. 3.2, б).

По способу наполнения цилиндра свежим зарядом различают:

- двигатели без наддува (рис. 2, в), у которых всасывание воздуха через клапан осуществляется поршнем (четырехконтактные) или заполнение цилиндра воздухом производится продувочным насосом при невысоком давлении, незначительно превышающем атмосферное (двухтактные);

- двигатели, у которых топливо впрыскивается в рабочий цилиндр под давлением, создаваемым специальным насосом К (воздуходувкой).



Рис. 3.2 Схема двигателей: а - рядный; б - V-образный; в - без наддува; г - с наддувом

По способу воспламенения горючей смеси в цилиндре различают:

- двигатели, у которых топливо впрыскивается в рабочий цилиндр через специальное устройство (форсунку) под действием давления, создаваемого топливным насосом; оно мелко распыливается, смешивается в цилиндре с воздухом, сильно разогретым в результате сжатия, и самовоспламеняется (это дизели);

- карбюраторные двигатели, т. е. такие двигатели, у которых топливо перемешивается с воздухом не в цилиндре, а в особом приборе--карбюраторе, из которого горючая смесь подается в цилиндр двигателя и воспламеняется там от электрической искры, получаемой от специальной системы.

По быстроходности двигатели условно подразделяют на тихоходные со средней скоростью поршня менее 6,5 м/с и быстроходные со средней скоростью поршня более 6,5 м/с.

В настоящее время частота вращения в СИ характеризуется угловой скоростью щ, которая измеряется в радианах в секунду (1/с).

По частоте вращения двигатели подразделяют на

- малооборотные (МОД) -- 10...25 с-1 (100...250 об/мин),

- среднеоборотные (СОД) --25...60 с-1 (250...600 об/мин),

- повышенной оборотности-- 60...100 с-1 (600...1000 об/мин)

- высокооборотные -- свыше 1000 с-1 (10 000 об/мин).

По мощности двигатели подразделяются на

- маломощные -- до 73,5 кВт (100 л. с),

- средней мощности -- 73,5...735 кВт (100...1000 л. с.) и

- сверхмощные --свыше 7350 кВт (10000л.с).

По назначению двигатели бывают главными, которые обеспечивают ход судна, приводят в движение гребные винты, и вспомогательными, служащими для привода электрогенераторов, компрессоров и других вспомогательных механизмов.

По способу изменения направления вращения вала двигатели подразделяют на реверсивные и нереверсивные. Передний и задний ход при гребном винте фиксированного шага может быть достигнут изменением направления вращения гребного винта. Для обеспечения заднего хода гребному винту можно придать вращение в обратную сторону двумя способами: либо изменить направление вращения коленчатого вала двигателя, либо только гребного.

В реверсивных двигателях можно изменить направление вращения коленчатого вала. Мощность этих двигателей, как правило, большая.

Коленчатые валы нереверсивных двигателей вращаются только в одном направлении. У быстроходных и маломощных нереверсивных двигателей направление вращения гребного винта изменяют с помощью реверсивной передачи, устанавливаемой между двигателем и валопроводом.

Маркировка дизелей. Для краткого обозначения типа двигателя дизелестроительные заводы пользуются условной маркировкой. Единая у отечественных дизелестроительных заводов, индивидуальная у заводов других стран маркировка типа двигателя обычно состоит из записываемых в определенной последовательности буквенных условных обозначений отдельных характеристик двигателя и цифр, обозначающих число цилиндров, диаметр, а также ход поршня (в см).

В соответствии с ГОСТ 4398--78 маркировка двигателей СССР состоит из цифрового обозначения числа цилиндров, условных буквенных обозначений характеристик двигателя,после которых дробью показаны диаметр цилиндра и ход поршня в см.

Так, марка 8DP 43/61 расшифровывается: восьмицилиндровый двухтактный реверсивный тронковый (отсутствие буквы К), без наддува (отсутствие буквы Н) двигатель с цилиндром диаметром 430 мм и ходом поршня 610 мм.

Точно так же марка 6DKPH 74/160 обозначает: двигатель шестицилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный, с наддувом, с цилиндром диаметром 740 мм и ходом поршня 1600 мм.

В маркировку двигателей производства ГДР входит число цилиндров и ход поршня. Диаметр цилиндра либо дается в знаменателе, либо совсем не указывается. Например, марка двигателя 8ZD 72/48 расшифровывается: восьмицилиндровый двухтактный дизель с ходом поршня 720 мм и с цилиндром диаметром 480 мм.

В маркировке двигателей «Зульцер» ход поршня не указывается. Например, марка 8TD-48 присваивается восьмицилиндровому тронковому реверсивному двигателю с цилиндром диаметром 480 мм.

В маркировке двигателей МАН число цилиндров указывают между условными буквенными обозначениями конструкции двигателя и его тактностью, после чего дробью -- диаметр цилиндра и ход поршня (в см), затем условное обозначение турбонаддува и показатель модификации. Так, марка двигателя K6Z 60/105Л означает, что двигатель крейцкопфный шестицилиндровый двухтактный с цилиндром диаметром 600 мм, ходом поршня 1050 мм, подпоршневые пространства у данной модификации используются как продувочный насос.

Двигатели заводов «Бурмейстер и Вайн» маркируются несколько иначе. Здесь диаметр цилиндра (в см) указывают впереди условных буквенных обозначений, за числом цилиндров, а ход поршня -- после них. Так, марка 6-35 VBF62 присваивается шестицилиндровому двухтактному реверсивному дизелю с газотурбинным наддувом с цилиндром диаметром 350 мм и ходом поршня 620 мм.

Вопросы для самопроверки

По каким признакам и как классифицируются ДВС?

Как определяется средняя скорость поршня?

Как определяют тип двигателя?

Лекция 4. Судовые паротурбинные установки. Циклы ПТУ. Принципиальные схемы ПТУ на органическом топливе.

Циклы паротурбинной установки. Для паротурбинной установки, работающей по обратимому (теоретическому) циклу Ренкина, расчетом определить:

- параметры воды и пара в характерных точках;

- количество тепла, подведенного в цикле;

- работу, произведенную паром в турбине;

- работу, затраченную на привод питательного насоса;

- работу, совершенную в цикле;

- термический КПД цикла;

- теоретические расходы пара и тепла на выработку электроэнергии.

1. ПТУ работает на сухом насыщенном паре с начальным давлением P1=15 МПа, P2=5 КПа

Рисунок 4.1 Схема паротурбинной установки:

ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; К - конденсатор; ПН - питательный насос; ПГ - парогенератор.

Для определения параметров рабочего тела в характерных точках в теоретическом цикле Ренкина воспользуюсь PV, TS и HS диаграммами, которые схематично изображены ниже. По ним легко видеть, какие параметры меняются, а какие нет.

Рисунок 4.2 диаграммы

1-2 - адиабатическое расширение пара в турбине; 2-3 - изобарно-изотермический процесс конденсации пара (P2=const, t2=const) ; 3-4 - адиабатное сжатие воды в насосе (можно считать и изохорным); 4-5 - изобарный процесс подогрева; 5-1 - изобарно-изотермический процесс парообразования в парогенераторе.

2. ПТУ работает на перегретом паре до температуры t1=550 0С при давлении P1=15 МПа

Рисунок 4.3 Схема паротурбинной установки:

ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; К - конденсатор; ПН - питательный насос; ПГ - парогенератор; ПП - пароперегреватель.

Для определения параметров рабочего тела в характерных точках в теоретическом цикле Ренкина воспользуюсь PV, TS и HS диаграммами, которые схематично изображены ниже. По ним легко видеть, какие параметры меняются, а какие нет.

Рисунок 4.4 Диаграммы

1-2 - адиабатическое расширение пара в турбине; 2-3 - изобарно-изотермический процесс конденсации пара (P2=const, t2=const) ; 3-4 - адиабатное сжатие воды в насосе (можно считать и изохорным); 4-5 - изобарный процесс подогрева; 5-6 - изобарно-изотермический процесс парообразования в парогенераторе; 6-1 - изобарный процесс перегрева пара.

3. ПТУ работает на перегретом паре t1=550 0C P1=15 МПа, но при этом применяется вторичный перегрев до параметров tn=540 0C, Pn=5 МПа

Рисунок 4.5 Схема паротурбинной установки:

ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; К - конденсатор; ПН - питательный насос; ПГ - парогенератор; ПП - пароперегреватель; ВПП - вторичный пароперегреватель .

Для определения параметров рабочего тела в характерных точках в теоретическом цикле Ренкина пользуются PV, TS и HS диаграммами, которые схематично изображены ниже. По ним легко видеть, какие параметры меняются, а какие нет.

Рисунок 4.6 Диаграммы

1-a - адиабатическое расширение пара в турбине; a-b - изобарный процесс вторичного перегрева пара; b-2 - адиабатическое расширение пара в турбине; 2-3 - изобарно-изотермический процесс конденсации пара (P2=const, t2=const); 3-4 - адиабатное сжатие воды в насосе (можно считать и изохорным); 4-5 - изобарный процесс подогрева воды в парогенераторе; 5-6 - изобарно-изотермический процесс парообразования в парогенераторе; 6-1 - изобарный процесс перегрева пара в парогенераторе.

Таким образом, при сравнении результатов расчетов, приведенных в сводной таблице, легко заметить, что установки с вторичным перегревом пара имеют больший КПД. Так же из-за большей сухости пара продлевается срок службы частей турбины в связи с меньшим износом. Уменьшаются энергозатраты на выработку 1 кВт/ч энергии и затраты пара. Экономически выгоднее использовать третий вариант.

Вопросы для самопроверки

Цикл Ренкина.

Поясните схему ПТУ №1

Поясните схему ПТУ №2

Поясните схему ПТУ №3

Лекция 5. Судовые установки с ГТД. Развитие ГТУ и ГТД. Область их применения. Газотурбинные установки с ТУК (газопаротурбинные). Развитие ГТУ и ГТД. Область их применения

Газовая турбина. В 50-х гг. этого столетия на судах начали применять новый вид главного двигателя -- газовую турбину. По принципу действия газовая турбина аналогична паровой. Рабочей средой в них служат газы, образующиеся в результате сжигания жидкого топлива. Газовые турбины используют, в качестве приводов для центробежных компрессоров в турбонаддувочных агрегатах ДВС. В газовых турбинах газы образуются в особой камере сгорания. Так как температура газов очень высока, что влияет на срок службы турбин, в камеру сгорания необходимо подавать намного больше воздуха, чем требуется для сжигания топлива. Из-за избытка воздуха температура рабочих газов понижается до 700--800°С.

На рисунке 5.1 дана схема газовой турбины с так называемым открытым циклом, когда воздух забирается из атмосферы и отработавшие газы также выбрасываются в атмосферу. Тринадцатиступенчатый осевой компрессор приводится в действие специальной двухступенчатой газовой турбиной. Сжатый до давления около 0,4 МПа воздух подается в камеру сгорания, служащую для получения и последующего охлаждения газов. Отработавшие газы проходят через турбину компрессорного двигателя; при этом их давление понижается до 0,17 МПа, а температура - с 750 до 580°С. Вторая - тоже двухступенчатая - газовая турбина является собственно рабочей турбиной, которая через редукторную передачу приводит в движение либо судовой движитель, либо генератор. В судовых газовых турбинах довольно часто применяются поршневые компрессоры, так называемые свободнопоршневые генераторы.

Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на кораблях военно-морского флота. На торговых судах они не оправдали себя; в настоящее время газовые турбины используют только на небольшом количестве судов. Причинами понизившегося интереса к этому виду двигателей являются малый термический КПД, довольно большой расход топлива и высокая рабочая температура, требующая применения высокопрочных и дорогих материалов. К преимуществам газотурбинного двигателя относятся малые габаритные размеры по сравнению с достигаемой мощностью и небольшая собственная масса. Газовые турбины можно также использовать в качестве главных и вспомогательных двигателей на судах на подводных крыльях и воздушной подушке.

Газотурбинные установки с ТУК (газопаротурбинные). Современная судовая газотурбинная установка (ГТУ) успешно конкурирует с аналогичными по назначению паротурбинными и дизельными. От последних она выгодно отличается компактностью и малой удельной массой, маневренностью и высокой ремонтопригодностью, лучшей приспособленностью к автоматизации и дистанционному управлению.

Газотурбинная установка может использоваться как всережимная и в сочетании с дизельными и паротурбинными.

При эксплуатации ГТУ чувствительна к качеству подготовки топлива и масла, к изменению внешних условий (температура, чистота и давление атмосферного воздуха), ее надежность, как ни у какой другой установки зависит от точности выполнения всех эксплуатационных инструкций, а также от своевременности и правильности решений, принимаемых обслуживающим персоналом в непредусмотренных инструкциями ситуациях.

Опыт эксплуатации судовых ГТУ показал, что от инженера-механика требуется не только знание и пунктуальное выполнение требований эксплуатационной документации, но и понимание физических, химических и других процессов, протекающих в работающих двигателях. Кроме того, при длительных плаваниях инженеру-механику часто необходим справочный материал, связанный с эксплуатацией ГТУ и отсутствующий в имеющейся на судне документации.

Судовая энергетическая установка (СЭУ) служит для сообщения хода судну, а также для обеспечения всех судовых потребителей необходимыми видами энергии (тепловой, электрической и пр.).

Судовые энергетические установки классифицируются как по роду используемого топлива (с органическим и ядерным топливом), так и по типу двигателя - двигатели внутреннего сгорания (ДВС), паротурбинные установки (ПТУ) и газотурбинные (ГТУ), а также комбинированные, состоящие из двигателей различных типов.

Судовые ГТУ от других типов выгодно отличаются целым рядом показателей: малыми габаритами и удельной массой, более высокой маневренностью, высокой ремонтопригодностью, лучшей приспособленностью к автоматизации и дистанционному управлению. Одновременно ГТУ несколько уступают ДВС по экономичности и требуют более тщательного ухода, как во время работы, так и при бездействии.

Рисунок 5.1 Принцип действия газовой турбины

1 -- осевой компрессор; 2 -- форсунка; 3 -- камера сгорания; 4 -- компрессорная турбина; 5 -- рабочая турбина; 6 -- редуктор; 7 -- пусковой мотор; в -- сжатый воздух; 9 -- газоотводная труба; 10 -- отработавшие газы

ГТУ в составе судовой энергетической установки.

В соответствии с назначением СЭУ весь комплекс ее механизмов и систем условно делят на четыре группы:

-- главную установку, предназначенную для обеспечения движения судна:

-- вспомогательную, обеспечивающую потребности судна в различных видах энергии на стоянке, при подготовке главной установки к действию и бытовые потребности судна;

-- электроэнергетическую, обеспечивающую судно различными видами электроэнергии;

-- механизмы и системы общесудового назначения.

Газотурбинная установка может быть главной или се составной частью, может быть приводом электрических генераторов, различных механизмов общесудового назначения. В последних двух случаях ГТУ называют вспомогательной.

Судовая энергетическая установка состоит из одного или нескольких комплексов двигатель - движитель, каждый из которых включает движитель, валопровод и одну главную установку.

Главная установка в свою очередь состоит из одного или нескольких однотипных (в КУ, возможно, и разнотипных) двигателей и общей для них передачи, подводящей энергию к движителю через линию вала. Если двигатели главной установки газотурбинные, и она обеспечивает ход и маневрирование судна, ее называют газотурбинной всережимной. В комбинированной установке газотурбинная, как правило, является ускорительной (форсажной), обеспечивающей судну приращение скорости переднего хода.

Газотурбинный двигатель. Газотурбинный двигатель - тепловая машина, предназначенная, для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу на валу двигателя. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Наибольшее распространение получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении. Теоретический простой цикл ГТД на диаграмме Т-S: 1--2-- изоэнтропийный (адиабатический) процесс повышения давления воздуха в компрессоре; 2--3--изобарный подвод теплоты в КС; 3--4 -- изоэнтропийный (адиабатический) процесс расширения газа в турбине; 4--1--изобарный отвод теплоты в атмосферу.

Большая часть работы расширения газа в турбине расходуется на сжатие воздуха в компрессоре, остальная часть производимой турбиной ГТД работы обычно после преобразования передается к потребителю мощности и называется полезной работой.

В так называемых сложных циклах ГТД, где можно получить более высокий КПД, или большую полезную работу, предусматривается либо промежуточное охлаждение воздуха (например, между компрессорами или их ступенями), либо вторичный подогрев газов (в дополнительных КС между турбинами), либо регенерация, т.е. использование теплоты выходящих из турбин газов для предварительного подогрева сжатого воздуха, либо любое возможное сочетание названных средств. Двигатели, выполненные по сложному циклу, имеют большие массы и габариты по сравнению с ГТД простого цикла, менее маневренны, менее надежны, весьма сложны.

Существенный недостаток ГТД простого цикла - относительно низкая экономичность - может быть устранен согласованным увеличением степени повышения давления воздуха Лк в компрессоре ГТД и температуры газа Тоз на входе в первую турбину ГТД (на выходе газа из КС), что наглядно подтверждается зависимостью КПД ГТУ от Лк при различных отношениях Тоз/То: здесь Тоз - абсолютная температура газа на выходе из КС в полных параметрах; То - абсолютная температура воздуха на входе в ГТУ.

Максимальное значение КПД при реально достижимой в настоящее время температуре Тоз=1000°С имеет место при Лк=16-21. Данную Лк можно осуществить в многоступенчатом осевом компрессоре; при этом в составе ГТД могут быть два последовательно установленных компрессора, каждый из которых приводится от отдельной турбины, или один компрессор, устойчивость режимов работы которого повышается вследствие применения поворотных лопаток спрямляющих аппаратов на ряде первых ступеней. При этом возможно применение дополнительных устройств, обеспечивающих устойчивость работы компрессоров, особенно на переходных режимах: лент перепуска воздуха, антипомпажных клапанов и т.д.

Собственно газовыми турбинами являются ТВД, ТНД. ТВ; совокупность КНД, ТНД, и соединяющего их вала образует турбокомпрессорный блок низкого давления (ТКНД); совокупность КВД, ТВД и соединяющих их конструкций--турбокомпрессорный блок высокого давления (ТКВД): часть ГТД, включающую ТКНД, ТКВД и КС, часто называют генератором газа (ГГ).

...