Типы, состав и размещение судовых энергетических установок

  

Рис.   9.4.   Вертикально-водотрубный   двухбарабанный   котел. ; _ водяной коллектор;   2 — подъемные водогрейные трубки;  3 — трубки  пароперегревателя;   4 — спускные водогрейные трубки;   5 — водоподогреватель;   б — дымоход;   7 — пароводяной   коллектор;   8 — осевые  линии   мазутных   топок 

Водотрубные котлы бывают с малонаклонными трубками — горизонтально-водотрубные (секционные) и с крутонаклонными трубками — вертикально-водотрубные.Наиболее распространены на судах вертикально-водотрубные котлы (рис. 9.4). Они состоят из одного-двух нижних водяных коллекторов и одного верхнего — парового. Водогрейные трубки расположены под углом 35—75° к горизонту. Во время работы котла нижние водяные коллекторы и половина верхнего наполнены водой. Горячие дымовые газы, образующиеся в топке при сжигании мазута, омывают нижние пучки водогрейных трубок, трубки пароперегревателя, расположенные между рядами водогрейных трубок, задние пучки водогрейных трубок, а также подогреватель питательной воды (водяной экономайзер) и воздуха и выходят через дымоходы и дымовую трубу в атмосферу. Эти котлы имеют высокий КПД (до 93 %), большую производительность и меньшую массу, чем секционные. Они позволяют получать пар давлением 4,5—10,0 МПа (45— 100 кгс/см²) с температурой перегрева 470—540 °С (на крупнотоннажных танкерах параметры пара котельной установки — 8,0 МПа (80 кгс/см²);   515 °С).

  Для работы любого котла к нему нужно подвести топливо, питательную воду и воздух, необходимый для горения. Все это обеспечивается топливной, питательной и воздухоподающей системами, которые вместе с котлом, паропроводами и дымоходом образуют котельную установку (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Судовая котельная установка: I — котел; II —топливная система; III — питательная система.

1 — топливная цистерна; 2 — топливный фильтр грубой очистки; 3 — топливный насос; 4 — подогреватель топлива; 5 — топливный фильтр тонкой очистки; 6 — цистерна питательной воды; 7 — деаэратор; 8 — турбопитательный насос; 9 — водоподо-греватель; 10 — экономайзер котла; // — воздухоподогреватель; 12 — котельный вентилятор; 13 — паровой коллектор котла; 14 — пароперегреватель; 15 — воздухопровод; 16 — форсунки 
 
 
 
 

Топливная система состоит из топливных цистерн, фильтров, топливных насосов, подогревателей топлива, трубопроводов. В качестве топливных насосов используют поршневые, шестеренные турбо- или электронасосы. Топливо в топку подается в распыленном  виде через  распылители — форсунки.

  Питательная система подготавливает котельно-питательную воду и подает ее в котел. Она состоит из водяной цистерны, питательных насосов, подогревателей и трубопроводов. Котельные установки, вырабатывающие пар высоких параметров, имеют в составе питательной системы деаэраторы, предназначенные для выделения из воды растворенного в ней кислорода. Это необходимо для того, чтобы избыток кислорода не увеличивал коррозию (ржавление) внутренних поверхностей котла. Питательные насосы бывают поршневыми (для котлов низкого давления) и центробежными — с электро- или турбоприводом.

    Воздухоподающая система подает воздух, необходимый для процесса горения топлива, в топку специальными котельными вентиляторами (с турбо- или электроприводом). Горячие дымовые газы, пройдя котел, удаляются в атмосферу через дымоходы и дымовую трубу.

    Паропроводы, состоящие из труб и арматуры, служат для отвода пара от котлов к потребителям.

    Вспомогательные котлы устанавливают на судах для обеспечения паром бытовых потребителей. Они имеют небольшую по сравнению с главными котлами паропроизводитель-ность (1—5 т/ч) и невысокие параметры пара (давление—до 1,0 МПа (10 кгс/см²), температура—до 200°). Исключение составляют вспомогательные котлы дизельных танкеров, обеспечивающие при необходимости паром привод грузовых насосов, палубных механизмов, а также обогрев груза и пропаривание грузовых танков: их производительность достигает 25—30 т/ч, а давление пара — 2,5—28 МПа (25—280 кгс/см²). КПД вспомогательных котлов —70—80 %. На современных судах используют главные и вспомогательные котлы, у которых управление процессами питания и горения автоматизировано.

  Утилизационные котлы, использующие тепло отработавших газов главного двигателя, применяют на судах с дизельными и газотурбинными энергетическими установками, вследствие чего увеличивается КПД энергетической установки. Их размещают на выхлопном трубопроводе. 

Паровые турбины и паротурбинные  установки 

  Паровая турбина представляет собой механизм, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию скоростной струи пара, а затем в механическую работу вращения вала. Выходящая из сопла струя пара воздействует на лопатки и тем самым вращает колесо, а следовательно, и вал (рис. 9.6).

    

 
 
 
 
 
 
 

Рис. 9.6. Схема простейшей паровой турбины.

/ —  направляющий аппарат (сопло); 2 — вал; 3 — диск; 4 — рабочая лопатка;  5 — струя пара 
 

  Паровая турбина (рис. 9.7) состоит из одного или  нескольких соединенных колес, насаженных на общий вал с радиально укрепленными на ободе каждого колеса криволинейными рабочими лопатками. В составе каждой турбины имеются ротор — вращающаяся часть — и статор — неподвижная часть, в которой расположены подшипники ротора и направляющий струю пара аппарат. В направляющем аппарате происходит расширение пара, во время которого падает его давление и увеличивается скорость струи.

  В зависимости от расположения оси ротора, числа корпусов и принципа работы турбины бывают    вертикальные    и 

  горизонтальные однокорпусные и многокорпусные, активные и реактивные.

Рис. 9.7. Продольный разрез турбины; а — высокого давления (ТВД); б — низкого давления (ТНД).

/ —  статор с направляющим аппаратом;  2 — ротор; 3 — опорные подшипники; 4 — уплотнения; 5 — упорные подшипники; 6 — диски с рабочими лопатками; 7 — фундаментная  рама 

  Вертикальные  турбины в качестве главных двигателей не применяют, их используют для привода к некоторым вспомогательным механизмам — насосам, вентиляторам  и  пр.

  Степень использования энергии пара в турбине зависит от разности давления пара при входе и выходе из нее. Так как уменьшение давления пара связано с увеличением его объема и, следовательно, размеров турбины, паровые турбины мощностью более 3500—7500 кВт изготовляют двух- и трехкорпусными. В многокорпусных турбинах корпуса соединяются последовательно одним паропроводом: пар, проходя через первый корпус —турбину высокого давления (ТВД), снижает давление до некоторой средней величины, затем под этим давлением поступает в следующий корпус—турбину среднего давления (ТСД), а оттуда под еще меньшим давлением — в турбину низкого давления (ТНД). В последнее время для повышения экономичности паротурбинной установки применяют схемы с промежуточным перегревом пара, которые позволяют увеличить КПД на 4—5 %. Экономический КПД паротурбинных установок с обычной схемой без промежуточного перегрева равен 28—31 %.

  Если  расширение пара и связанное с  этим увеличение скорости струи происходит только в неподвижном направляющем аппарате турбины, то турбину называют активной. Если же расширение струи пара происходит также и в рабочем колесе при прохождении пара между лопатками, имеющими в этом случае специальный профиль, то такую турбину называют реактивной.

    Особенностью  паровой турбины является ее способность  вращаться только в одну сторону. Поэтому для обеспечения судну заднего хода (реверса) устанавливают турбину заднего хода, мощность которой составляет 40—50 % мощности турбины переднего хода. Ее размещают либо в отдельном агрегате (на крупных судах), либо на одном валу с турбиной низкого Давления переднего хода в ее же корпусе. Направляя пар в ту или другую турбину, получают передний или задний ход судна. На паротурбинных судах с винтом регулируемого шага (ВРШ), позволяющим изменить ход судна переменной угла поворота лопостей без изменения направления вращения гребного винта, турбину заднего хода не предусматривают (на крупнотоннажных танкерах типа «Крым»).

    Паровая турбина является быстроходным механизмом, совершающим до 6000 об/мин. Поэтому, чтобы частота вращения тихоходного винта составляла 80—200 об/мин, необходимо иметь специальную передачу. Чаще всего для этой цели используют зубчатую передачу—зубчатый редуктор, обычно двухступенчатый. Паровая турбина с редуктором образуют главный турбо-зубчатый агрегат (ГТЗА).

Рис. 9.8. Схема ГТЗА с двухкорпусной турбиной и двухступенчатым зубчатым редуктором

    

      
 
 
 
 

  Пар из котлов поступает по главному паропроводу  в турбину высокого давления (рис. 9.8), из нее по перепускной трубе (ресиверу) в турбину низкого давления и далее в конденсатор. Для регулирования мощности и частоты вращения турбины на паропроводах ставят паровыпускные клапаны, распределяющие поступающий пар по группам сопл. С переднего хода на задний и наоборот переходят, изменяя подвод пара с помощью маневровых клапанов. Кроме того, на пути движения пара от котла к турбине устанавливают стопорный, быстрозапорный и разобщительные клапаны. Для проворачивания турбин и редуктора перед пуском (и систематически во время стоянки — при прокачке масла через подшипники) ГТЗА снабжают валоповоротным устройством с приводом от электродвигателя. Частота вращения вала ГТЗА валоповоротным устройством — около  1  об/мин.

  Конденсатор, куда поступает отработавший пар  из турбины низкого давления, служит для обратного превращения (конденсации) этого пара в воду путем охлаждения и повторного использования конденсата (воды) для питания главных котлов. Кроме того, благодаря созданию в конденсаторе разрежения (вакуума), увеличивается перепад давлений рабочего пара, что позволяет улучшить использование тепловой энергии пара и увеличить мощность турбины.

    На  морских судах с паротурбинными установками применяют конденсаторы поверхностного типа, представляющие собой теплообменные аппараты в виде корпуса, внутри которого находятся трубки, прокачиваемые холодной забортной водой с помощью циркуляционного насоса или самопротоком, используя скоростной напор воды от движения судна. Применение самопроточной циркуляции сокращает количество вспомогательных механизмов и повышает на 1—2 % КПД установки. Отработавший пар, поступающий из турбины низкого Давления  в  корпус  конденсатора,   омывает  трубки  с  холодной забортной водой и охлаждается, конденсируется и снова превращается в воду. Скапливающуюся в нижней части конденсатора воду откачивают конденсатным насосом в питательную систему главного котла. Обычно главный конденсатор устанавливают непосредственно  под турбиной  низкого давления.

    Для подачи смазки к подшипникам роторов  турбины и валов шестерен редуктора предусматривают систему смазки, состоящую из масляных насосов, фильтров, сепаратора, маслоохладителей, сточной цистерны и трубопроводов. Схема общей компоновки паротурбинной установки мощностью 14 000 кВт приведена  на рис.  9.9.

    В настоящее время в ряде стран  проводятся работы, направленные на создание высокоэкономичных ПТУ, способных конкурировать по затратам топлива с дизельными установками. Это достигается применением ПТУ с высокими начальными параметрами пара, промежуточным перегревом пара и подогревом питательной воды, у которых в будущем удельный расход топлива может быть снижен до 225—230 г/(кВт-ч).

Рис. 9.9. Общее расположение механизмов в  машинном отделении турбинного танкера «Рихард Зорге».

                                        

 
    

    Двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки 

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — это поршневые тепловые двигатели, в которых сгорание топлива и превращение тепловой энергии в механическую происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра (рис. 9.10). Рабочим телом в этом случае является смесь газов, образующихся при сгорании топлива. Расширяясь в цилиндре, газы давят на поршень, который, перемещаясь под давлением газов вниз, с помощью шатуна передает движение коленчатому валу; последний преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, передаваемое гребному валу с насаженным на него гребным винтом. В верхней части цилиндра размещается распределительный механизм, состоящий из клапанов с приводами и предназначенный для обеспечения всасывания воздуха и выпуска отработавших газов.