Корабельный
портал korabley.net

Судовые силовые и энергетические установки (часть 1)

15.09.2009
36206
0
 
Возможно, первый судовой двигатель появился так. Наш далекий предок, усевшись на упавшее в водный поток бревно, решил переправиться на другой берег реки. Загребая воду ладонями, как веслами, он сочетал в себе и первый двигатель - в одну «человеческую» силу - и первый движитель, которым являлись его руки. Но постепенно люди, изучив законы природы, поставили их себе на службу. Ветер, вода и, наконец, пар отчасти заменили силу мышц. На смену веслам пришел парус, а паруса начала вытеснять машина.

Идея создать паровой двигатель возникла более 2000 лет назад. Греческий ученый Герон, живший в Александрии, сконструировал оригинальную паровую машину. Значительно позже английский механик Джеймс Уатт создал паровую машину, которой суждено было стать первой судовой силовой установкой.

ПАРОХОДЫ

11 августа 1807 года принято считать днем рождения парового судна. В этот день произошло испытание парохода, построенного талантливым американским инженером Робертом Фултоном. Пароход «Клермонт» открыл регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком и Олбени. В 1838 году британский пароход «Great Eastern» пересек Атлантику, не поднимая парусов, хотя и имел парусное вооружение. Рост промышленности требовал корабли и суда, которые могли бы независимо от воли стихии совершать регулярные рейсы по Атлантическому и Тихому океанам. В XIX веке резко возросли размеры паровых судов, а вместе с ними и мощности паровых машин. К 90-м годам мощность их была доведена до 9000 лошадиных сил.

Постепенно паровые машины становились все более мощными и надежными. Первые судовые силовые установки состояли из поршневой паровой машины и больших маломощных котлов, отапливаемых углем.

Сто лет спустя коэффициент полезного действия (КПД) паровой силовой установки уже равнялся 30 процентам, и развивала мощность до 14720 кВт, а число обслуживающего персонала сократилось до 15 человек. Но малая производительность паровых котлов требовала увеличения их количества.

На грани двух веков паровыми машинами оборудовались в основном пассажирские суда и грузопассажирские корабли, чисто грузовыми судами были только парусники. Это объяснялось несовершенством и малой эффективностью паровой силовой установки того времени.
 

Применение появившихся в 80-х годах XIX века водотрубных котлов, которые сейчас работают на жидком топливе, улучшило эффективность паровых силовых установок. Но коэффициент полезного действия их достиг всего лишь 15 процентов, чем и объясняется прекращение постройки пароходов. Но в наше время еще можно встретить суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами это речной пароход «American Queen».
 

СУДОВЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ПАРОВЫЕ МАШИНЫ

 
поршневой паровой двигатель
 
В судовых силовых установках с паровыми машинами в качестве рабочего тела используется водяной пар. Поскольку пресную воду на судах можно перевозить только в ограниченном количестве, в данном случае применяют замкнутую систему циркуляции воды и пара. Разумеется, при работе силовой установки возникают определенные потери пара или воды, однако они незначительны и возмещаются водой из цистерны или испарителей. Упрощенная схема такой циркуляции дана на рисунке 1.
 
принцип действия паровой установки
 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВОЙ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

 
Рабочий пар подается в паровой цилиндр через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник изменяет свое положение. Свежий пар подается под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется.

Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна и соединенного с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой.

Перемещение шатуна с помощью переводного рычага вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъем поршня, а следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении. Это обусловливает обратное движение судового движителя.

В первых судовых силовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рисунке 2. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения. Принцип действия машины трехступенчатого расширения схематично показан на рисунке 3.
 
поршневая паровая машина
 
поршневая паровая машина трехкратного росширения
 

ЭЛЕКТРОХОДЫ

 
В 1838 году жители Петербурга могли наблюдать, как по Неве двигалась небольшая лодка без парусов, весел и трубы. Это и был первый в мире электроход, построенный академиком  Б. С. Якоби. Моторы судна потребляли энергию от аккумуляторных батарей. Изобретение ученого почти на целый век опередило мировую судостроительную науку. Но практическое применение на судах этот двигатель получил только на подводных лодках для движения в подводном положении. К недостаткам электроходов относят относительную сложность силовой установки.
 

ТУРБОХОДЫ

 
судно «Turbinia» 
 
Применение турбины в качестве главного двигателя нашло себя на судне под названием «Turbinia» водоизмещением 45 тонн, которое было спущено на воду в Англии конструктором Чарльзом Парсонсом.

Многоступенчатая паротурбинная установка состояла из паровых котлов и трех турбин, напрямую соединенных с гребным валом. На каждом гребном вале находилось по три гребных винта (система тандем). Общая мощность турбин составляла 2000 л. с. при 200 оборотов в минуту. В 1896 году во время ходовых испытаний судно «Turbinia» развило скорость 34,5 узла.

Военные моряки по достоинству оценили появление новой силовой установки. Турбину начали устанавливать на линкоры и броненосцы, а со временем стал главным двигателем почти всех пассажирских судов.

В середине XX века началась конкурентная борьба между паротурбинными и дизельными силовыми установками за применение их на больших судах для транспортировки объемных грузов, в том числе и танкерах. Первоначально на судах дедвейтом до 40000 тонн преобладали паротурбинные силовые установки, но стремительное развитие двигателей внутреннего сгорания привело к тому, что некоторые корабли и суда водоизмещением более 100000 тонн и в настоящее время оборудуются дизельными силовыми установками. Паротурбинные установки сохранились даже на крупных боевых кораблях, а также на быстроходных и больших контейнеровозах, когда мощность главного двигателя составляет 40000 л. с. и более.
 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СУДОВОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

 
паровая турбина мощностью 20000 л. с.
 
Паровая турбина относится к силовым установкам, в которых тепловая энергия подведенного пара изначально превращается в кинетическую, а только после этого используется для работы.

Паровые турбины являются гидравлическими тепловыми двигателями, у которых в отличие от поршневых паровых машин и поршневых двигателей внутреннего сгорания не требуется преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение гребного винта. За счет этого упрощается конструкция, и решаются многие технические проблемы. Кроме того, паровые турбины даже при очень большой мощности имеют сравнительно небольшие размеры, так как частота вращения ротора довольно высока и в зависимости от типа и назначения турбины составляет от 3000 до 8000 оборотов в минуту.

Использование кинетической энергии для совершения механической работы происходит следующим образом. Выходящий из расширительных устройств пар попадает на вогнутые профили лопаток, отклоняется от них, изменяет свое направление и за счет этого воздействует тангенциальной силой на ротор. В результате создается вращающий момент, который вызывает вращение ротора турбины.

Современные паровые турбины судовой силовой установки состоят обычно из двух корпусов. В одном корпусе находится ротор турбины высокого давления, а в другом - низкого. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней, которые в зависимости от вида турбины обозначаются как ступени давления или ступени скорости. Рабочий пар последовательно проходит через неподвижные венцы расширительных устройств и венцы рабочих лопаток. Так как объем пара во время процесса расширения постоянно увеличивается, рабочие лопатки по мере падения давления должны быть длиннее.

В корпусе турбины низкого давления находятся особые венцы рабочих лопаток турбины заднего хода. Турбины главной энергетической установки на судах, гребные винты которых имеют изменяющийся шаг, не нуждаются в турбинах заднего хода. Наряду с турбинами главной энергетической установки в машинных отделениях судов устанавливают вспомогательные турбины, которые служат для привода генераторов, насосов, вентиляторов и т. д. Принцип действия ступени паровой турбины показан на рисунке 4.
 
судовая паровая турбина

В коммерческом флоте паровая турбина получила признание только после ее применения на лайнерах «Lusitania», «Мавритания» и «Aquitania» построенные в 1907 году. Эти круизные лайнеры с легкостью развивали скорость 26 узлов. Голубую ленту Атлантики - пассажирское судно «Мавритания» сохраняло за собой на протяжении 20 лет.
 

ТУРБОЭЛЕКТРОХОДЫ

 
Силовой установкой, состоящей из парового котла, турбины, генератора и электромотора, были оснащены турбоэлектроходы. Широкое применение они нашли в США. Со временем тяжелые электрогенераторы и электродвигатели постепенно были вытеснены редукторами.

Значительный интерес вызвала постройка турбоэлектрохода «Канберра». Весовые показатели не остановили конструкторов. Было подсчитано, что при мощностях от 75000 до 100000 л. с. потери энергии при применении переменного тока соизмерим с потерями в редукторе и гидравлической передаче, а отказ от ступеней заднего хода даже увеличил экономические показатели силовой установки. Как правило, турбоэлектроходами считаются только крупные суда, чаще - пассажирские.

При меньших мощностях более целесообразно применять редукторные передачи, потери в которых составляют лишь 1,5 - 4 процента.

English (auto-detected) » Russian

Комментарии (0)

avatar