Указанные ГВРК в настоящее время применяются на судах всех типов и назначения: буксирах, наливных, ледового плавания, ледоколах, пассажирских и других. Преимуществом этих движительных комплексов являются их высокая пропульсивная эффективность, низкая виброактивность, упрощение компоновки и монтажа механической установки за счет отказа от длинного валопровода, улучшенные весовые показатели с получением дополнительных высвободившихся объемов под грузовые и общесудовые нужды и др.

Идея электроприводной винто-рулевой системы типа «Азипод», в которой гребной электродвигатель встроен в подводную часть гондолы, возникла в конце 1980 годов.

Поворотные винто-рулевые колонки типа «Аквамастер» (так называемые Z-образные передачи) были разработаны в 1950-60-х годах и за последнее время прочно завоевали свою позицию в качестве перспективного варианта пропульсивной судовой установки.

Судами, на которых используются ГВРК, являются буксиры, паромы, грузовые суда каботажного и внутреннего плавания, платформы (для динамического позиционирования), различные катера и в последние годы ледоколы и океанские суда. Мощность, передаваемая ГВРК «Аквамастер» достигла 10000 кВт и более.

За период с 2001 по 2006 годы Ленинградский судостроительный завод «Пелла» (Ленинградская область) изготовил для ЗАО «Портовый флот» шесть буксиров, оснащенных двумя полноповоротными винто-рулевыми колонками фирмы «Роллс-Ройс». Мощность судна, оснащенного двумя двигателями «Катерпиллар» составляет 2 х 2750 л.с.

В 2005 году для работы в северных широтах был спущен на воду сухогруз «Норильский никель» с установкой «Азипод» мощностью 13 МВт.

В настоящее время рассматриваются проекты арктических танкеров дедвейтом 70000 т с двумя установками “Азипод” мощностью 2 х 8,5 (10) МВт. Танкеры будут иметь класс ЛУ6 и предназначаться для вывоза нефти из Северных широт России

Высокомощные Z-образные передачи нашли широкое применение на разведочных и буровых платформах для их динамического позиционирования, что вполне естественно, т.к. наиболее важным свойством таких передач является хорошая управляемость.

В настоящее время более 80 судов с установками типа «Аквамастер» эксплуатируются в классе РС. Мощностной ряд установок указанных судов составляет от 700 до 3000 кВт.

ГВРК типа «Аквамастер»

ГВРК типа «Аквамастер» представляют собой устройство, состоящее из 2-х прямоугольных передач (отсюда название Z-образная передача), разобщительной муфты и поворотного механизма и обеспечивающее передачу усилия главного двигателя (ГД) на винт. Нижний конец ГВРК поворачивается на 360^о, что позволяет изменять направление упора винта по желанию (рис. 1).

Как правило, при сопоставлении ГВРК «Аквамастер» с традиционной пропульсивной системой с прямым валопроводом «Аквамастер» кажется дорогим и сложным по конструкции. Но конструкция «Аквамастера» содержит в себе меньшее количество компонентов, чем соответствующая традиционная пропульсивная валовая установка. Например, масло залитое в колонку работает как смазка передач, как масло гидравлики системы управления и часто также в качестве гидравлического масла управления муфты сцепления. Корпус колонки «Аквамастер» служит резервуаром масла для всех перечисленных систем, нижняя часть колонки, находящаяся в воде, во многих случаях служит холодильником. Колонка «Аквамастер» является одновременно рулем и рулевой машиной судна, муфтой сцепления и т.д. Эта компактная простота позволяет снизить трудоемкость при обслуживании и получить более высокую надежность в эксплуатации.

Шестерни передачи-редуктора являются по типу прямоугольными и в них употребляются конические зубчатые колеса с криволинейными зубьями. Зубья колес проходят цементацию и термообработку, затем приработку попарно.

Все подшипники приводных валов ПВРК «Аквамастер» являются подшипниками качения. Они обеспечивают срок службы в 20 тыс. рабочих часов, с учетом 10 %-ой вероятности повреждения в условиях работы на полной мощности и максимальных оборотах.

Уплотнения

Для предотвращения попадания воды в ВРК «Аквамастер» имеются уплотнение гребного вала и уплотнение трубы управления. В этих уплотнениях давление масла всегда примерно на 0,2 бар выше, чем давление воды, т.е. в случае появления течи, она будет выявляться протечками масла из колонки в воду. Если колонка находится ниже ватерлинии, то давление создается с помощью гравитационной цистерны.

В качестве уплотнения приводного вала употребляется обычное уплотнение, которое защищено снаружи отдельным кожухом.

Механизм управления

Судно с поворотными винто-рулевыми колонками «Аквамастер» управляется путем поворота гребного винта вокруг вертикальной оси ВРК с помощью поворотной трубы, выполняющей роль баллера и приводимой в движение гидромоторами. Шестерни гидромоторов находятся в зацеплении с зубчатым колесом, установленном на поворотной трубе. Труба вращается в подшипниках и жестко соединяется с насадкой (при ее наличии). Между неподвижным корпусом и трубой установлены уплотнения для предотвращения попадания забортной воды внутрь ВРК. Корпус закреплен на палубе судна фланцем.

Работа гидромоторов обеспечивается специальной гидросистемой и радиально-поршневыми масляными насосами переменной производительности. Механизмов управления на одной колонке обычно два или три.

Выбор механизма управления производится таким образом, чтобы им можно было управлять на полной мощности и на максимальной скорости судна.

Для дистанционного управления и контроля работы ВРК фирма «Аквамастер» разработала различные системы: AQUAPILOT и MICROPILOT, которые обеспечивают: следящее и временное (простое) управление разворотами судна; регулирование частоты вращения винтов; функционирование указателей направления упора и частоты вращения винтов; управление разобщительной муфтой и др.

Выполненное финской фирмой «Hollming OY» сопоставление между традиционной системой гребной установки и системой ВРК «Аквамастер» для 2-х винтовых пропульсивных установок с близкими характеристиками показало, что относительно традиционной пропульсивной установки общие расходы по оборудованию системы «Аквамастер» меньше примерно на 10 %.

Главные винто-рулевые колонки типа «Азипод»

Электроприводная винто-рулевая пропульсивная установка (колонка), получила название «Азипод». Конструктивно гребной электродвигатель встроен в стальной корпус подводной части колонки «Азипода». Гребной электродвигатель имеет воздушное охлаждение, причем воздух подается из румпельного помещения через холодильники (при необходимости). Передача крутящего момента от электродвигателя к гребному винту производится через гребной вал, установленный на опорно-упорных подшипниках качения и имеющий уплотнения.

Электроэнергия на привод гребного электродвигателя подается от судовой системы электропитания либо с помощью эластичных кабелей, с ограничением угла разворота «Азипода», либо посредством колец скольжения; в этом случае «Азипод» может свободно без ограничений вращаться вокруг вертикальной оси. Система разворота (рулевая система) «Азипода» гидравлическая.

В гондоле колонки располагается электродвигатель переменного тока, частота вращения которого регулируется частотным преобразователем.

В настоящее время промышленностью освоены и выпускаются ГВРК «Азипод», которые нашли применение на судах самых разных типов, включая ледоколы и пассажирские.

Движительные комплексы «Азипод» могут выполняться в различных компоновках: в тянущем варианте, когда винт расположен впереди гондолы и толкающем - с расположением винта за гондолой, а также двухвинтовом варианте с винтами впереди и сзади гондолы при расположении винтов в насадке или без нее.

Другим важным положительным качеством ГВРК является хорошая управляемость судна на заднем ходу, благодаря большой поперечной силе, условиям обтекания корпуса, когда струя винта не натекает на него.

Для обеспечения заднего хода ГВРК разворачивается на 180^о, при этом гребной винт не реверсируется.

Исследования эффективности применения «Азипода» на судах двойного действия (Double Action Ship-DAS), движущихся в свободной воде передним, а в ледовых условиях - задним ходом, показали надежность «Азипода», обеспечивающего управляемость судна как на переднем, так и заднем ходу.

При движении судов в ледовых условиях кормой вперед ГВРК работает как носовой движитель, что приводит к значительному снижению ледового сопротивления и повышению эксплуатационной эффективности.

Судовые пропульсивные комплексы «Азипод» обладают как преимуществами, так и недостатками дизель-электрических передач (привода). Преимущества данного типа установок особенно явно реализуются на судах ледового плавания и ледоколах, а ГВРК являются наиболее перспективными альтернативными пропульсивными системи, предназначенными для работы в ледовых условиях.

Рулевое устройство включает два или три гидравлических двигателя. Система контроля «Азипода» включает контроль всех электрических цепей на мостике вместе с главными электрическими панелями.

Возможная установочная мощность ГВРК «Азипод» составляет от 1 до 25 МВт при частоте вращения винта от 75 до 250 об/мин.

Комплекс «Азипод» относится к новым типам пропульсивных установок и впервые был впервые применен в 1990 году.

Основными элементами, обеспечивающими работу ГВРК «Азипод», являются следующие системы:

уплотнений вала;

воздушного охлаждения;

гидравлического рулевого устройства (поворота комплекса);

дренажа;

упорного подшипника гребного вала.

Указанные системы, установлены и для ГВРК «Азипод», на т/х «Норильский никель». Данное судно предназначено для перевозки генеральных грузов и контейнеров, имеет водоизмещение 20 тыс. т и категорию ледовых усилений ЛУ7. Судно может круглогодично самостоятельно плавать в районе портов Дудинка-Мурманск. Главная винто-рулевая колонка «Азипод» изготовлена фирмой «ABB Marine» и ее мощность составляет 1х13 МВт.

Главная энергетическая установка

Для ГВРК «Азипод» используется дизель-электрическая установка, а для колонок «Аквамастер» либо дизель с непосредственным (или через редуктор) подключением либо дизель-электрическая схема.

В качестве приводных двигателей применяются высокооборотные или среднеоборотные дизели, приспособленные для работы на средне вязких топливах.

Преимуществом этих двигателей является малый вес и габариты. Это позволяет в полном объеме использовать преимущества колонок при проектировании общего расположения машинного отделения.

Необходимо также отметить, что использование дизель-электрической установки в пропульсивном комплексе с ГВРК позволяет выбирать дизель с частотой вращения не связанной с колонкой, т.е. частотой вращения гребного винта.

Для ГД нет требования о необходимости реверса, что удешевляет установку и расширяет возможности выбора двигателя.

В качестве альтернативного приводного двигателя возможно применение электродвигателя постоянного или переменного тока, а также гидропривода;

Общее расположение

Тип судна, естественно, влияет на принципиальные решения общего расположения энергетического оборудования при применении ГВРК, однако, можно выделить общие принципы:

МО укорачивается;

МО можно расположить в два яруса;

МО может быть низким, узким и расположенном по бортам или ДП судна, в носу, корме или средней части;

Для размещения ГД и др. оборудования имеется больше возможностей как с точки зрения ТО, так и применения модульных конструкций, звукоизолированных отсеков и др;

С учетом вышеизложенных факторов можно получить более выгодные решения, связанные с увеличением грузоподъемности судна.

Управляемость

ГВРК обеспечивают хорошую управляемость судов. Судно, оборудованное ГВРК, сохраняет свои хорошие качества управляемости в ледовой обстановке, а также на заднем ходу.

При движении во льдах кормой вперед возрастает ледопроходимость за счет снижения сопротивления движению. Судно может «продуть» вокруг себя свободную ото льда зону и при необходимости «раскачать» его. Забившуюся льдом насадку можно «продуть» второй колонкой, либо изменением направления вращения гребного винта.

2.4 Преимущества применения главных винто-рулевых колонок

1. Функциональная комплектация (приводное оборудование) - гидравлика, механизм передачи крутящего момента, система гребного вала - автономные или навешенные; проектирование, изготовление, приобретение и монтаж оборудования может быть выполнено на основе существующих известных элементов, без необходимости их стыковки, подгонки и согласования;

2. Более простая конструкция (в одном устройстве объединены функции движительного и рулевого устройства), не вызывающая трудностей при монтаже, демонтаже, техническом обслуживании, ремонте;

3. Использование ГВРК позволяет сократить машинное отделение на несколько метров. При одной и той же длине судна грузовое пространство возрастает на 2-8 %. Оценка базируется на основании рассмотрения нескольких проектов судов.

4. Кормовую оконечность судна возможно формировать более рационально, что приведет к более благоприятным обводам кормы и увеличению водоизмещения, с учетом того обстоятельства, что установки с ГВРК имеют более легкую конструкцию.

5. Сборка колонок полностью («Аквамастер») или частично («Азипод») может быть выполнена в береговых условиях на заводе, судовой верфи и т.п.;

6. Монтаж, демонтаж и ремонт ГВРК можно производит в более сжатые сроки. Для ГВРК «Аквамастер» колонку можно (де)монтировать опусканием (подъемом) без постановки судна в док. Это в первую очередь связано с такими трудоемкими работами как замена (ремонт) гребного винта или всей колонки.

7. Снижение затрат на техническое обслуживание установки, т.к. весь комплекс и его отдельные части могут легко демонтированы с судна для качественного ТО и Р в береговых условиях. Комплектующие механизмы и устройства, входящие в состав ГВРК, стационарного традиционного изготовления, ТО которых не вызывает затруднений.

8. Низкая виброактивность установки и высокая пропульсивная эффективность комплекса, а также упрощение компоновки и монтажа механической установки за счет отказа от длинных гребных валов.

9. Повышение безопасности мореплавания за счет улучшения маневренных качеств судна, что обусловлено также возможностью осуществления реверса за счет разворота колонок без изменения направления вращения гребных валов, а на 2-х вальных установках - обеспечение движения судна лагом.

10. ГВРК существенно улучшают поворотливость судна и облегчают движение в узкостях и при швартовных операциях.

В отличие от МОД, у СОД часть вспомогательных механизмов (насосы пресной и забортной воды, топливо-подкачивающий, масляный) может быть навешена на двигатель, хотя в установках с мощными СОД предпочтительны автономные насосы.

В ДРУ, так же как в СДЭУ с МОД, широко используются утилизационные парогенераторы, обеспечивающие потребности судна в паре на ходовом режиме. На теплоходах с ДРУ применяются утилизационные вакуумные опреснители, работающие на теплоте охлаждающей воды главных и вспомогательных дизелей.

На судах вспомогательного и технического флота (буксирах, земснарядах и др.) ДРУ являются основным типом ЭУ. На этих судах наряду с отбором мощности на ВГ практикуется отбор мощности от редуктора или свободного конца вала ГД на другие нужды, не связанные с движением судна (привод грунтовых и размывочных насосов, компрессоров, лебедок и т. п.).

ДУ с гидравлической передачей могут быть разбиты на две основные группы: установки с гидродинамической и с гидростатической передачей. К первой группе относятся СДЭУ с гидравлическими муфтами, гидротрансформаторами и универсальной гидродинамической передачей, включающей как гидромуфты, так и гидротрансформаторы.

Гидравлические муфты применяются для передачи крутящего момента главного двигателя (ведущего вала) к ведомому валу без изменения величины и знака момента. Они являются эффективным средством фильтрации и демпфирования крутильных колебаний в системе валопровода.

Гидротрансформатор, помимо выполнения функций гидравлической муфты, изменяет величину, а в случае необходимости и знак крутящего момента, передаваемого на вал движителя.

Возможные схемы СДЭУ с гидротрансформаторами приведены на рис. 1.8. Включение в состав передачи (до гидродинамических элементов) повышающего зубчатого редуктора-мультипликатора - с разделением мощности (см. рис. 1.8,г) позволяет снизить массу и габариты передачи.

Рис. 1.8. Схемы СДЭУ с гидротрансформаторами: а - без редуктора; б, в - с редуктором; г - с мультипликатором - разделителем мощности и суммирующим редуктором; 1 - упорный подшипник; 2 - суммирующий редуктор; 3 - гидротрансформатор; 4 - ГД; 5 - мультипликатор с разделением мощности; 6 - эластичная муфта

Гидродинамическая передача СДЭУ может быть выполнена универсальной, состоящей из редуктора, гидромуфты и гидротрансформаторов переднего и заднего хода. Такая передача обеспечивает высокие маневренные качества судна.

На рис. 1.9,а показана схема СДЭУ с гидростатической передачей, состоящей из насоса 4, приводимого ГД 5, трубопровода 3 и гидромотора 2, работающего через упорный подшипник 1 на движитель.

Рис. 1.9. Схемы СДЭУ с гидростатической передачей

Возможная область применения такой СДЭУ - речные суда, буксиры, малые паромы, суда с высоким уровнем гидрофикации механизмов. Гидростатическая передача может применяться в сочетании с водометным движителем. На крупнотоннажных судах гидростатическая передача широко используется для подруливающих устройств и привода активных рулей (см. рис. 1.9, б, где А - подача рабочей жидкости, а 6 - гидравлический привод винта).

Дизельные установки с электрической передачей (ДУЭП) характеризуются двойным преобразованием энергии (рис.1.10): движение судна обеспечивается гребным электродвигателем 3, работающим на винт, непосредственно через упорный вал 1 или через редуктор 2. Питание гребного электродвигателя осуществляется от главных ДГ 4. Гребные электродвигатели и главные ДГ могут компоноваться в одном или в разных МО. Установка, выполненная по схеме рис. 1.10, б, по существу является комбинацией двух видов передач - дизель-электрической и редукторной. В этом случае обеспечивается существенное уменьшение габаритов, массы и стоимости гребных электродвигателей, а иногда и всей установки в целом. Наиболее часто ДУЭП выполняются по схеме рис. 1.10,а. В зависимости от типа и назначения судна ДУЭП могут быть одно- и многовальными. В качестве первичных двигателей главных ДГ используются средне- и высокооборотные дизели. Применение ДУЭП экономически целесообразно и оправдано лишь на судах специального назначения.

Рис. 1.10. Схемы ДУЭП: а - с прямой передачей на винт; б - с редукторной передачей

Особенно мощные ДУЭП (до 25 тыс. кВт и более) устанавливаются на ледоколах.

В состав ДУЭП входят также возбудители электродвигателей и генераторов, системы их воздушного охлаждения, распределительный щит гребной установки с устройствами управления, сигнализации, автоматики и защиты. Судовая электростанция дизель-электроходов обычно компонуется из автономных вспомогательных ДГ.

2.5 Требования, предъявляемые к СЭУ

Эффективность эксплуатации транспортных судов определяется их провозоспособностью, расходами на эксплуатацию и, в конечном счете, прибылью, получаемой от перевозок грузов и пассажиров.

Анализ эксплуатационных расходов транспортного флота показывает, что основными являются расходы на материально-техническое снабжение (топливо, вода, смазочные и другие материалы), на содержание обслуживающего персонала, на амортизационные отчисления и текущий ремонт. Из общих затрат на ходу судна расходы на эксплуатацию энергетических установок составляют 50-60 %, т. е. экономичность энергетической установки существенно влияет на эффективность эксплуатации судна как транспортного средства. Повышение экономичности судовой энергетической установки является важнейшей задачей при проектировании, постройке и эксплуатации. Кроме того, основные качества транспортных судов - безопасность плавания, мореходность и провозоспособность в значительной мере обеспечиваются судовыми энергетическими установками. Поэтому к судовым энергетическим установкам предъявляются следующие требования:

1. Надежность действия при всех возможных условиях плавания. Надежность - свойство, обусловленное безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью установки и ее элементов, обеспечивающее сохранение эксплуатационных показателей в заданных пределах. Надежность зависит от запасов длительной прочности деталей, узлов механизмов и устройств, от качества конструкции механизмов, качества проектирования, материалов, постройки и ремонта. При определении надежности применяют несколько показателей, но предпочтение отдается показателю вероятности безотказной работы, который достаточно полно характеризует работоспособность установки в течение заданного периода времени. Чем установка или машина надежнее, тем меньше приращение себестоимости продукции, вызываемое ненадежностью. Для повышения надежности целесообразно заменить "периодический ремонт" на "ремонт по потребностям", т. е. во время работы проконтролировать состояние машины по всем показателям, характеризующим возникновение дефекта (усиление колебаний, появление частиц износа и трещин, повышенный нагрев и т. д.). Широкое применение методов раннего обнаружения дефектов станет важным средством повышения долговечности и надежности машин.

Особые требования к движителям, конструкциям судовых механизмов, системам и их расположению определяются условиями плавания судов. На ходу судна могут быть дифферент на корму, боковая и килевая качка. Все это влияет на работу отдельных устройств, аппаратов и механизмов, так как уровни жидкостей перемещаются по отношению к корпусу. Боковая качка и крен бывают значительней, чем килевая качка и дифферент, поэтому следует топливные, масляные и водяные цистерны размещают так, чтобы они имели малые размеры свободных поверхностей и чтобы их продольные оси были направлены вдоль оси судна. Следует также учесть, что даже небольшой угол дифферента для двух точек, находящихся на большом расстоянии, дает значительную разность высот, и жидкости, которые должны течь по трубопроводам в направлении оси судна, в этом случае могут не перетекать. Как крен, так и дифферент могут повлиять на всасывание насосов в связи с изменением уровня жидкости. Поэтому при проектировании и выборе расположения' агрегатов и устройств следует учитывать в системе смазки изменение свободных уровней при качке, не допуская возможности оголения приемных устройств масляных насосов.

При плавании судов во льдах или по засоренному фарватеру, где возможны заклинивания гребных винтов, следует предусматривать соединение главных двигателей с гребными валами посредством гидравлических или электромагнитных муфт.

Особое значение СЭУ обусловлено тем, что в плавании судно не связано с базами, выполняет свои функции имеющимися техническими средствами, и поэтому к энергетической установке предъявляются высокие требования по надежности и бесперебойности работы.

2. Возможность плавания с различными скоростями.

3. Способность обеспечить требуемые маневренные качества судна путем быстрых перемен хода с полного вперед на полный назад и обратно, а также необходимую поворотливость судна.

Маневренность судна характеризуется его способностью

- останавливаться на относительно коротком пути при реверсировании гребного винта с полного хода вперед на полный ход назад, т. е. иметь малый выбег;

- выполнять быстрый разгон судна от трогания с места и до полного хода, устойчивое движение на самом малом ходу, быструю циркуляцию.

Маневренность судна зависит от следующих характеристик главного двигателя:

1) продолжительности подготовки к пуску;

2) продолжительности пуска;

3) продолжительности достижения максимальной мощности в нормальных и в экстремальный условиях;

4) минимально устойчивой частоты вращения;

5) продолжительности и количества реверсов в течение часа;

6) количества и ширины запретных зон в интервале рабочих чисел оборотов.

Кроме того, она зависит также от характеристик и числа гребных винтов, водоизмещения и скорости хода судна.

При хорошей маневренности выбег судна обычно составляет 4?6 длин корпуса судна. Он в большой мере зависит от мощности заднего хода. По Правилам Российского Морского Регистра Судоходства мощность реверсивного главного двигателя внутреннего сгорания при работе на заднем ходу судна должна быть не менее 85 %, а двигателей с реверс-редукторами не менее 65 % от расчетной мощности переднего хода. Главный турбозубчатый агрегат должен обеспечивать реверс с полного переднего хода на задний ход и реверс в обратном направлении с применением контрпара. Турбина заднего хода должна развивать при торможении судна крутящий момент не менее 80 % при оборотах винта 50 % от соответствующих значений их при полном переднем ходе. При заднем ходе судна турбина заднего хода в продолжение не менее 15 мин должна развивать мощность не менее 40 % мощности полного переднего хода.

Режим трогания с места и разгона судна протекает тем быстрее, чем большую скорость нарастания нагрузки допускает главный двигатель.

Нижний предел маневренных режимов малого хода определяется, в основном, минимальным числом оборотов, которое допустимо для устойчивой работы двигателя. По правилам Регистра судоходства для двигателей внутреннего сгорания n_min ? 0,3 n_ном. В паротурбинных установках такого ограничения нет.

3. Высокая экономичность, которая достигается выбором рациональных конструкций, оптимальных параметров рабочих тел, эффективных тепловых схем, автоматизацией процессов управления и регулирования, уменьшением габаритов и веса СЭУ, снижением строительной стоимости и эксплуатационных расходов, а также правильной технической эксплуатацией установки.

Для оценки экономичности разных вариантов СЭУ определяются следующие показатели: вес установки, объем, занимаемый установкой, расход и стоимость топлива и смазки, запасы топлива, воды и масла, стоимость установки, долговечность н эксплуатационная надежность установки, оцениваемые по безотказности работы, периодичности, продолжительности и стоимости ремонтов, автоматизация управления и простота обслуживания, себестоимость тонно-мили перевозок.

4. Способность обеспечить требуемую скорость хода судна при заданной дальности плавания и удовлетворять назначению судна. Так, например, специализированные суда (рефрижераторы, рыбопромысловые суда и др.) оснащаются дополнительным оборудованием, обеспечивающим выполнение их функций, что повышает мощность судовой электростанции.

5. Допустимый уровень шума, который не должен превышать норм, определенных Правилами Российского Морского Регистра Судоходства и нормами Госсаинспекции

6. Технические удобства эксплуатации и производства ремонта.

7. Способность обеспечивать нормальные санитарно-гигиенические условия работы обслуживающему персоналу (освещение, отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха и т. п.).

8. Экологическая безопасность СЭУ.

Оценка действующей или проектируемой судовой энергетической установки должна содержать четкие выводы о том, в какой мере установка удовлетворяет предъявляемым требованиям.

2.6 Показатели СЭУ

Судовые энергетические установки принято характеризовать технико-экономическими показателями: мощностными, габаритными, весовыми, стоимостными и теплоэкономическими.

1. Мощностные показатели

Буксировочная мощность, необходимая для движения судна, определяется по формуле

, кВт

где R - полное сопротивление движению судна, Н;

v - скорость судна, м/сек.

Мощность, подведенная к винту,

где z_В - число винтов;

п_в - частота вращения винта, об/мин.

Мощность, потребляемая гребным винтом, кВт,

,

где - крутящий момент, потребляемый гребным винтом, Нм;

- угловая скорость вращения гребного винта, 1/с.

Отношение буксировочной мощности к мощности, подводимой к гребному винту (с учетом числа работающих гребных винтов ), представляет собой пропульсивный коэффициент .

Таким образом, мощность, потребляемая гребным винтом, равна:

.

крутящий момент, потребляемый гребным винтом , Нм, выражается через - плотность воды, кг/м³; частоту вращения гребного винта , коэффициент момента и - диаметр винта, м следующим образом:

.

Тогда мощность, потребляемая гребным винтом, кВт, будет равна:

.

Коэффициент момента зависит от относительной поступи гребного винта , а относительная поступь гребного винта - от соотношения скорости движения судна и частоты вращения гребного винта.

,

здесь - расчетная скорость поступательного движения гребного винта, м/с,

,

где - скорость судна, м/с;

- коэффициент попутного потока воды);

Обычно сопротивление движению судна и движущую силу Р определяют в начальной стадии проектирования, а затем проверяют по результатам испытаний моделей судна в опытовом бассейне.

2.7 Показатели тепловой и экономической эффективности судовых энергетических установок

Показатели тепловой экономичности [37] характеризуют эффективность использования в установке теплоты сожженного топлива. К абсолютным показателям тепловой экономичности могут быть отнесены расходы теплоты и топлива на энергетическую установку:

Q_у = Q_ГД + Q _ВД + Q_А.K,+ Q_y._y;

В_У = В_Г._Д + В_В._Д + В_АК + В_МС

где -- Q_ГД, Q _ВД, Q_А.K., Q_y._y использованная теплота соответственно в главных, вспомогательных двигателях, в автономном вспомогательном котле и утилизационной установке, кДж/ч;

В_ГД, В_ВД, В_А.К., В_мс -- расход топлива соответственно на главные, вспомогательные двигатели, автономные вспомогательные котлы и мусоросжигательную печь, кг/ч.

Если энергетическая установка не оборудована устройствами утилизации теплоты, то принимают Q_y._y = 0. При получении на расчетных режимах для энергетической установки необходимого количества пара или горячей воды в утилизационных котлах и использовании автономных котлов только для обслуживания нужд судна принимают В_А._К = 0.

Если необходимое для энергетической установки и нужд судна (рулевой машины, освещения, связи и др.) количество электроэнергии получают от генераторов, имеющих привод от главных двигателей (валогенераторов), то принимают B_в._д = 0. При отсутствии мусоросжигательной печи В_мс =0.

Основными относительными показателями тепловой экономичности СЭУ являются удельные расходы теплоты и топлива, КПД установки и КПД судового комплекса.

и удельные расходы теплоты:

где

В ДЭУ могут быть выделены расходы топлива и теплоты на главные двигатели и найдены их удельные расходы:

Удельный приведенный расход топлива дизельной установкой с утилизацией теплоты выпускных газов и горячей воды внутреннего контура охлаждения двигателей может быть подсчитай по формуле С. А. Иконникова

где -- относительная суммарная мощность вспомогательных дизелей, работающих в ходовом режиме;

-- суммарное количество теплоты, потребной на все нужды судна в ходовом режиме в холодное время навигации, кДж/ч;

Q_У._K -- количество теплоты выпускных газов дизелей, использованной утилизационными котлами, кДж/ч;

Q_в._в -- количество использованной теплоты охлаждающей воды внутреннего контура системы охлаждения дизелей, кДж/ч.

Если теплота выпускных газов Q_У._K полностью перекрывает все потребности в ней в ходу, то третье слагаемое формулы принимают равным нулю. Когда теплота охлаждающей воды не используется на судовые нужды, то принимают Q_B._B=0. При обеспечении всех потребителей электроэнергии в ходовом режиме от валогенератора величину принимают равной нулю. Мощность главного двигателя, потребляемую валогенератором, в связи с ее относительно малым значением, в расчетах не учитывают.

Формула может быть использована для оценки эффективности мероприятий по утилизации теплоты выпускных газов и охлаждающей воды внутреннего контура системы охлаждения двигателей.

Если на судне используют различные сорта топлив, имеющих неодинаковую теплоту, сгорания, то их расходы приводят к одному эквиваленту -- расходу условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29 300 кДж/кг.

Для перевода натурального топлива в условное и наоборот пользуются тепловыми эквивалентами Э_т, представляющими отношение теплоты сгорания натурального топлива Q_н к теплоте сгорания условного.

Количество условного топлива по известному количеству натурального определяют по формуле

Тепловая экономичность СЭУ оценивается также ее КПД h_у. При одинаковой теплоте сгорания топлива в двигателях и котлах

где--эффективный КПД вспомогательного двигателя;

--КПД электрогенератора.

На практике широко пользуются следующими выражениями КПД установки:



Для оценки тепловой экономичности ДЭУ может быть применен эффективный КПД главных двигателей

где N_e - эффективная мощность двигателя.

Эффективной мощностью двигателя внутреннего сгорания называют мощность на валу двигателя N_е, которая больше мощности N_в, подведенной к винту, на величину потерь мощности в валопроводе, редукторе и соединительных муфтах

где h_в - к. п. д. валопровода;

h_р - к. п. д. редуктора;

h_см?- к. п. д. соединительной муфты.

Внутренняя (индикаторная) мощность двигателя внутреннего сгорания N_i больше эффективной мощности N_e на величину потерь мощности, оцениваемых механическим к. п. д., т. е.

где h_м - механический к. п. д. двигателя.

Тепловую экономичность судового комплекса двигатель--передача--движитель--корпус судна рекомендуется оценивать по КПД судового комплекса, представляющему произведение эффективного

КПД главных двигателей h_е, КПД валопровода h_в, КПД передачи h_п, (если она не агрегатирована с двигателем) и пропульсивного КПД h_пр:

Подставляя выражения величин, входящих в эту формулу, можем получить КПД судового комплекса в таком виде

Если x_BP_ev = const, то К = const.

Выражение КПД судового комплекса через скорость движения судна v имеет вид

где суммарный безразмерный коэффициент сопротивления воды движению судна;

-- плотность воды, т/м³;

S -- площадь смоченной поверхности судна, м²;



Коэффициент полезного действия судового комплекса водоиз-мещающих судов составляет 0,18--0,26.

Показатели тепловой экономичности установки изменяются в зависимости от режима ее работы, т.е. от мощности , Абсолютные показатели (расходы теплоты и топлива) со снижением мощности уменьшаются. Относительные показатели имеют более сложную зависимость (рис. 1.6), Высокая экономичность обычно достигается при нагрузках в пределах от 80 до 100% номинальной мощности главных двигателей. При работе с недогрузкой или перегрузкой экономичность установки падает.

Лекция № 3. Судовые паротурбинные энергетические установки

3.1 Принцип действия и схема паротурбинной установки

В паротурбинной установке (ПТУ) рабочим телом является водяной пар, претерпевающий изменение своего состояния (вода - пар -вода и т.д.). Рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру. В современных ПТУ теоретические циклы являются развитием известного в термодинамике цикла Ренкина.

В этом цикле осуществляется полная конденсация рабочего тела в конденсаторе, а для подачи воды в котел применяется питательный насос. В цикле Ренкина используется перегретый пар, что повышает температуру подвода теплоты и увеличивает термический КПД.

На рис. 15 изображены простейшая схема (а) и теоретический цикл (б) ПТУ.

На диаграмме нанесены верхняя (X = 1) и нижняя (X = 0) пограничные кривые, разделяющие три различные области существования воды как рабочего тела. Слева от нижней пограничной кривой расположена область жидкости, между пограничными кривыми - влажного пара, а справа от верхней пограничной кривой - перегретого пара. Таким образом, нижняя пограничная кривая образована точками, характеризующими состояние воды при температуре кипения при различных давлениях, а верхняя пограничная кривая образована точками, характеризующими соответственно состояние сухого насыщенного пара.

Вода кипит в котле при постоянном давлении Р₁ (точка 4). За счет подвода теплоты осуществляется процесс парообразования в котле по линии 4-4' после этого пар повышает свою температуру в пароперегревателе (4-1). Полученный перегретый пар расширяется по адиабате 1-2 в паровой турбине до давления Р₂ в конденсаторе. На участке 2-3 происходит процесс конденсации пара с отводом теплоты, в результате которого пар полностью конденсируется до состояния кипящей жидкости при давлении Р₂. Скрытая теплота парообразования отдается охлаждающей забортной воде. Процесс сжатия воды (3-3') осуществляется в насосе до давления P₁; получающееся при этом повышение температуры воды весьма незначительно и им при давлениях до 3-4 МПа пренебрегают. Для того, чтобы довести воду из состояния, определяемого точкой 3', до кипения, к ней на участке 3'-4 подводится тепло, объем воды при этом несколько увеличивается. Работа насоса изображается заштрихованной площадью 3-3'-b-а

Рис.15 Простейшая схема (а) и теоретический цикл (б) ПТУ: 1 - паровой котел с пароперегревателем; 2 - турбина; 3 - потребитель энергии (генератор тока); 4 - конденсатор; 5 - питательный бак; 6,7- конденсатный, питательный насосы

Перегрев пара увеличивает среднюю температуру подвода теплоты в цикле, не меняя температуру отвода теплоты, поэтому КПД ПТУ с увеличением температуры пара перед турбиной возрастает. С увеличением давления пара КПД ПТУ также возрастает, но при этом необходимо повышать и температуру его перегрева, чтобы поддерживать влажность выходящего из турбины пара в заданных пределах, так как с увеличением р₁ повышается влажность выходящего из турбины пара. При уменьшении давления пара за турбиной р₂ снижается средняя температура отвода теплоты в цикле, в связи с этим КПД ПТУ повышается. Температура пара в конденсаторе должна быть выше температуры охлаждающей забортной воды хотя бы на 5 - 10°С, поэтому температура насыщенного пара в конденсаторе составляет 28 - 35°С, а абсолютное давление соответственно 4 -- 5 кПа. В связи с этим повышение КПД цикла за счет дальнейшего снижения р₂ практически невозможно.

Для повышения КПД цикла ПТУ применяют промежуточный перегрев пара, заключающийся во вторичном перегреве пара после его предварительного расширения в турбине. Промежуточный перегрев не только увеличивает среднюю температуру подвода теплоты, но и уменьшает конечную влажность пара в турбине в последних ее ступенях, что повышает их надежность. Количество промежуточных перегревов бывает обычно не более двух, так как каждая дополнительная ступень увеличивает стоимость и усложняет установку. При одной ступени обеспечивается увеличение КПД на 2 - 4%, при двух ступенях - на 4 - 8%.

Другим способом повышения КПД теоретических циклов ПТУ является применение подогрева питательной воды, что увеличивает среднюю температуру при подводе теплоты в цикле. Многоступенчатый нагрев воды осуществляется паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины, после того как он произвел работу в предшествующих ступенях. Такое использование теплоты в цикле носит название регенерации, а цикл называется регенеративным. В пятиступенчатом регенеративном цикле можно увеличить КПД на 8%.

Рассмотрим распределение потоков энергии в ПТУ на основном эксплуатационном режиме транспортного водоизмещающего судна -режиме полного хода Перельман Р.С. Судовые энергетические установки: Энергетика. - О.: Феникс, 2006 - 92 с.(рис. ?5.4.1).

Процесс преобразования химической энергии топлива Q_Т в паровом котле К в тепловую энергию водяного пара сопровождается потерями Q_K, определяемыми КПД котла h_ПK. Преобразование потока теплоты пара в механическую работу ГТЗА связано с внутренними и внешними потерями в турбинах Q_ТУР и потерями теплоты в конденсаторе Q_KОН Потери в конденсаторе определяются термическим КПД цикла h_t а в ГТЗА - относительными внутренним (индикаторным) h_oi; и эффективным h_oe КПД. Абсолютный эффективный КПД ГТЗА

Механическая энергия турбин передается гребному винту через судовой валопровод, в котором часть энергии теряется из-за трения в опорах и уплотнениях валопровода. Учет этой потери энергии Q_ВП определяется КПД валопровода h_ВП. Работа по перемещению судна сопровождается потерями энергии в движительном комплексе (винт-насадка-руль-корма) Q_ДВ, оцениваемыми пропульсивным коэффициентом

h ⁼ h_Р h_К.

где h_Р - КПД гребного винта,

h_К - коэффициент влияния корпуса.

Часть Q_Т идет на удовлетворение вспомогательных нужд на судне Q_BСП в виде теплового потока пара, генерируемого в котле. Одна часть теплового потока пара расходуется на работу главного питательного турбонасоса ПTH Q_П.Н. и турбогенератора ТГ. Последний вырабатывает электроэнергию для собственных нужд ПТУ Q_ЭУ, а также для судовых и технологических потребителей Q_c.э. (с учетом потерь в электрогенераторе).

Другая часть потока теплоты идет на вспомогательные нужды установки Q_УП. (подогрев топлива и воды, сажеобдувочные устройства и др.) и к судовым потребителям Q_СП (подогрев груза, воздуха и пр.). Сумма затрат энергии на вспомогательные механизмы и прочие нужды ПТУ (включая потери давления и утечки пара в трубопроводах) учитывается коэффициентом h_ВУ.

Рис.5.4.1. Схема использования воды в ПТУ

Отношение полезной энергии Q_ПОЛ, затраченной на перемещение судна, к химической энергии сгоревшего топлива Q_T представляет собой КПД судовой ПТУ.

Для ПТУ можно приближенно записать

или



Если при определении Q_СП и Q_СЭ возникают трудности, затраты энергии на вспомогательные нужды учитывают долей потока теплоты Q_BСП, затраченной на все вспомогательные потребители. В этой связи последнее выражение записывают так:

где h_ВП - коэффициент, учитывающий потери Q_BCП.

Паровая турбина представляет собой ротативный тепловой двигатель с непрерывным рабочим процессом, с двойным превращением энергии. Потенциальная энергия (теплота) водяного пара последовательно преобразуется в соплах (направляющих неподвижных каналах) в кинетическую энергию струи, а затем в энергию вращения вала турбины.

С точки зрения метода преобразования энергии безразлично, какое рабочее тело используется в турбине. Основные положения теории паровых турбин применимы и к газовым турбинам, поскольку между рабочими процессами этих двигателей существенной разницы нет.

Устройство простейшей турбины показано на рис.16. В сопло 1 (или группу сопл) поступает пар (рабочее тело), где в результате его расширения увеличивается скорость, с которой пар направляется на рабочие лопатки турбины 2. Изогнутые поверхности рабочих лопаток изменяют направление движения пара, в результате чего он оказывает давление на их поверхности. Усилие, вызванное поворотом струи в каналах рабочих лопаток, вращает диск 3 и связанный с ним вал 4. Вал и диск с закрепленными на нем рабочими лопатками называется ротором. Один ряд сопел и один диск с рабочими лопатками составляют турбинную ступень. На лопатках рабочего колеса кинетическая энергия потока преобразуется в работу ступени.

Простейшие турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми в отличие от более сложных многоступенчатых турбин.

Рис. 16. Схема простейшей турбины

По принципу работы пара различают активные и реактивные ступени. В чисто активной ступени весь располагаемый теплоперепад ступени Dh_СТ срабатывается в сопловом аппарате, превращаясь в скоростной напор. В этом случае теплоперепад на рабочих лопатках Dh_Л = 0. В чисто реактивной ступени весь располагаемый теплоперепад ступени Dh_СТ срабатывается на рабочих лопатках. Отношение Dh_Л /?Dh_СТ называется степенью реактивности ступени r. Для активных ступеней турбины степень реактивности r = 0, а для реактивных r = 1. Абсолютно активных ступеней (r = 0) не строят, обычно считаются активными ступени со степенью реактивности 0,1...0,15. В то же время в реактивных ступенях обычно степень реактивности составляет 0,5, т.е. половина располагаемого теплоперепада ступени срабатывается в неподвижном сопловом аппарате турбины, а половина - на рабочих лопатках, образующих криволинейные суживающиеся каналы. Такие ступени называются конгруэнтными. При r = 0,5 сопловые и рабочие лопатки имеют одинаковую форму. При этом один и тот же профиль лопаток может быть использован во всех ступенях многоступенчатой турбины, и только высота лопаток будет увеличиваться в соответствии с увеличением объема пара по мере понижения его давления.

Одноступенчатые активные турбины имеют ограниченное применение из-за низкого КПД и ограниченной мощности (до 1 МВт). Для повышения КПД таких турбин необходимы большие окружные скорости (до 700 м/с), что влечет за собой большие диаметры дисков (обычно технически нецелесообразные) и большие частоты вращения (до 20-30 тыс. мин^-1), неприемлемые для судовых установок. В настоящее время в судовых турбинах окружные скорости, как правило, не превышают 300 - 400м/с. Наибольшее применение в различных ПТУ получили активные турбины со ступенями давления. Схема такой турбины включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней рабочих лопаток, сидящих на одном роторе или валу. Ступени отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла. В этих турбинах давление пара уменьшается в каждом ряду сопел, оставаясь постоянным на рабочих лопатках. Абсолютная скорость пара в ступени то возрастает - в соплах, то снижается - на рабочих лопатках. Объем пара по мере его расширения увеличивается, поэтому геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают, т.е. увеличивается высота сопловых и рабочих лопаток. Применением ступеней давления при умеренных скорости пара и окружной скорости вращения ротора можно обеспечить высокий КПД.

Применение активных турбин выгодно в области высоких давлений пара. В областях низких давлений выгодно применение турбин реактивного типа, имеющих ряд преимуществ: возможность изготовления рабочих лопаток и сопл одинакового профиля; сравнительно простую конструкцию ротора барабанного типа и отсутствие диафрагм; относительно малые скорости пара, повышающие КПД ступени. Однако в реактивных турбинах приходится применять большее число ступеней, чем в активных, поэтому большая часть судовых турбин выполняется активными со ступенями давления. Применяя соответствующее число ступеней давления, легко достигнуть требуемой частоты вращения вала турбины и соответственно - ее высокой экономичности.

Когда ступени трудно разместить в одном корпусе, их размещают в двух, а в отдельных случаях и в трех корпусах турбин. Трехкорпусный агрегат состоит из турбины высокого давления (ТВД), турбины среднего давления (ТСД) и турбины низкого давления (ТНД). В двухкорпусном агрегате отсутствует ТСД. Пар из одного корпуса турбины в другой поступает по трубам (или ресиверам). Ступени турбины заднего хода (ТЗХ) обычно размещают в корпусе ТНД с целью снижения затрат мощности на их вращение при работе турбоагрегата на передний ход. В этом случае диски ТЗХ вращаются в разреженной среде. Отработавший пар турбин конденсируется в главном конденсаторе. Частота вращения современных главных турбин составляет 3 -- 6 тыс. мин^-1, поэтому между турбиной и винтом устанавливается редуктор, понижающий частоту вращения гребного вала до оптимальных значений. Комплекс, состоящий из корпусов турбин, конденсатора и редуктора, называется турбозубчатым агрегатом. Количество главных турбозубчатых агрегатов (ГТЗА) на судне соответствует числу гребных валов.

Основные особенности конструкции основных элементов современных ГТЗА. Корпус турбины крепится на двух опорах, одна из которых подвижная для компенсации температурных деформаций, имеет горизонтальные и вертикальные плоскости разъема для упрощения изготовления и ремонта турбин большой мощности. Ротор турбины лежит на двух опорных подшипниках. Передний подшипник со стороны подвода пара к турбине имеет упорную часть, воспринимающую осевое усилие парового потока вдоль вала. Вдоль оси ротора имеется отверстие, служащее не только для снижения массы, но и для проверки оптическим путем качества поковки. Ротор турбины изготавливается цельнокованым вместе с диском. В дисках активных ступеней предусматриваются отверстия для выравнивания давлений по обе стороны диска. Рабочие лопатки могут быть либо цилиндрическими (имеющими в любых сечениях по высоте одинаковые профили и один и тот же угол установки), либо переменного профиля (имеющими в сечениях по высоте профили разной формы), обеспечивающими более высокий КПД. Для придания лопаткам необходимой жесткости межлопаточные каналы замыкаются бандажной лентой.

Чугунные или стальные диафрагмы состоят из двух половин для удобства сборки и разборки. В чугунных диафрагмах сопла образуются путем заливки в диафрагму штампованных лопаток из листовой стали, в стальных диафрагмах применяются наборные сопла с фрезерованными поверхностями.

В местах выхода вала ротора из корпуса турбины имеются лабиринтовые уплотнения, работающие без механического трения и препятствующие пропуску пара из полости турбины или воздуха внутрь турбины. Такие уплотнения работают по принципу многоступенчатого дросселирования пара, протекающего через них. В усложненном лабиринте утечка пара уменьшается. Кроме того, для предотвращения попадания атмосферного воздуха в выпускной патрубок турбины (в конденсатор) часть пара из лабиринта высокого давления (при давлении около 1120 кПа) направляется по трубе в лабиринт низкого давления и попадает в выпускной патрубок.

...