Типы, состав и размещение судовых энергетических установок

  
 
 
 
 
 
 

Рис. 9.10. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

  / — цилиндр; 2 — поршень; 3 — впускной клапан; 4 — коромысло; 5 — топливная форсунка; 6 — выпускной клапан; 7 — шток; 8 — распределительный вал; 9 — станина; 10 — коленчатый вал; 11 — судовой фундамент; 12 — фундаментная    рама;     13 — шатун 

  Неподвижная часть ДВС, на которую опираются цилиндры, называется  станиной. Станина, в свою очередь,  опирается   на   фундаментную раму. Нижняя  часть ста нины вместе с фундаментной рамой образует картер.

  Рабочий процесс, совершающийся в цилиндре ДВС, состоит из последовательно сменяющих друг друга процессов: всасывания воздуха в цилиндр, сжатия воздуха в цилиндре, впрыска топлива, воспламенения и расширения горячих газов в цилиндре (рабочий ход)   и  выхлопа отработавших  газов.

  Если  один рабочий процесс двигателя  совершается за четыре хода поршня из одного крайнего положения в другое (сверху вниз и наоборот), то такой двигатель называют четырехтактным (рис. 9.11); если за два хода —двухтактным (рис. 9.12).

  

 
 
 
 
 
 
 
 

рис. 9.11. Схема работы четырехтактного двигателя.

/ _- всасывание  воздуха; ц — сжатие (в конце сжатия впрыск и воспламенение топлива); /// — рабочий ход (расширение горючих газов); IV — выхлоп отработавших газов 

    В двухтактном двигателе процесс  выхлопа отработавших газов и всасывания воздуха начинается в конце рабочего хода поршня и заканчивается в начале хода сжатия. Выхлоп отработав ших газов осуществляется через продувочные окна, открываемые поршнем в конце рабочего хода и закрываемые им в начале хода сжатия.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис.  9.12.  Схема  работы Двухтактного    двигателя.

в — продувка     (выхлоп      и всасывание);   16 — сжатие; 1а   — впрыск топлива и рабочий ход;  Пб — окончание Рабочего хода и продувка 
 
 

    Кроме того, все двигатели внутреннего  сгорания подразделяют на двигатели: простого и двойного действия — в зависимости от того, совершается ли рабочий цикл только в верхней полости цилиндра или в обеих полостях; тихоходные и быстроходные — в зависимости от средней скорости движения поршня (менее 6,5 м/с — тихоходные); малооборотные (не более 150—250 об/мин) и среднеоборотные (300—600 об/мин); крейцкопфные и тронко-вые — в зависимости от конструкции шатунного механизма (крейц-копфные двигатели имеют шатун с ползуном, тронковые — не имеют); карбюраторные и дизели — в зависимости от способа воспламенения топлива (у карбюраторных двигателей топливо воспламеняется от электрической искры, у дизелей — самовоспламеняется благодаря повышению температуры воздуха внутри цилиндра от сжатия); компрессорные и бескомпрессорные — в зависимости от способа распыливания топлива; нефтяные, керосиновые, бензиновые, газогенераторные — в зависимости от рода применяемого топлива.

    В отличие от паровых турбин ДВС  могут реверсироваться, т. е. изменять направление вращения вала, для этого на них предусматривают   специальное   реверсивное   устройство.

    Нормальная  работа двигателя внутреннего сгорания обеспечивается работой его систем: топливоподающей, смазки, охлаждения   и   пусковой.

    Топливоподающая система ДВС состоит из расходных топливных цистерн, трубопроводов, топливных насосов (дежурных, перекачивающих и насосов высокого давления, подающих топливо через форсунки в цилиндры двигателя), топливных фильтров, сепараторов, подогревателей, измерительных приборов и пр. Топливные перекачивающие и дежурные насосы— поршневого или шестеренного типа; насосы высокого давления — плунжерные или  золотниковые.

    В судовых дизелях применяют обычно вязкое тяжелое топливо, которое для снижения вязкости необходимо подогревать в специальных подогревателях. Подогрев до 60—70° не только снижает вязкость, но и облегчает удаление из топлива механических примесей и воды, осуществляемое с помощью топливных фильтров и сепараторов. Если для работы двигателя применяют тяжелые сорта топлива, то при запуске и остановке двигателя переходят на легкое дизельное топливо, которое на судне хранят в отдельных запасных и расходных цистернах (около 20 % от общего запаса топлива).

    Система смазки обеспечивает подачу масла к движущимся деталям двигателя для уменьшения износа трущихся поверхностей и отвода тепла, выделяемого при трении. В современных судовых двигателях обычно применяют циркуляционную систему смазки низкого давления. Масло, отработавшее в двигателе, стекает в расположенную под ним сточную масляную цистерну, откуда циркуляционным масляным насосом подается _в фильтр, холодильник и снова к двигателю.

    Система охлаждения служит для охлаждения цилиндров двигателей, нагревающихся от сгорания в них топлива и от трения движущихся в них поршней. В качестве охлаждающей жидкости чаще всего применяют воду, реже, масло (главным образом, для охлаждения головок поршней). Система охлаждения бывает проточной (забортной водой) и замкнутой (пресной водой). Последнюю применяют чаще, так как охлаждаемые полости не загрязняются, но она сложнее и дороже в эксплуатации. Для подачи воды используют центробежные и поршневые насосы. Автоматическое поддержание постоянной температуры охлаждающей   воды   (70—80°)  осуществляется прибором — термостатом.

    Для запуска двигателя имеется специальная пусковая система. Быстроходные двигатели небольшой мощности запускаются с помощью электродвигателя — стартера; большие мощные малооборотные двигатели пускают в ход сжатым воздухом, подаваемым из баллонов в цилиндры двигателя через делительное устройство.

    ДВС имеют в нашей стране единую систему  маркировки, определяющую основные конструктивные признаки типа двигателя. Применяемые для маркировки буквы обозначают: Д — двухтактный; ДД — двухтактный двойного действия; Ч — четырехтактный; К — крейцкопфный (двигатель с ползуном); Р — реверсивный; Н—с наддувом*; С — судовой с реверсивной муфтой; П — с редуктором.

    Если  в марке отсутствует буква  К, значит, двигатель тронковый, а  если нет буквы Р, то нереверсивный. Цифра в конце марки обозначает степень наддува выше первой. В начале марки ставят цифру, означающую число цилиндров, в конце — дробь, числитель которой обозначает диаметр цилиндра в сантиметрах, знаменатель — ход поршня в сантиметрах. Например, двигатель 8ДР 43/61 — восьмицилиндровый двухтактный тронковый реверсивный с диаметром цилиндра 43 см и ходом поршня 61 см, или 6ДКРН 62/140—3 — шестицилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный с третьей степенью наддува с диаметром цилиндра 62 см и ходом поршня 14 см.

    К преимуществам судовых ДВС по сравнению с паровыми турбинами следует отнести: более высокий КПД (35—45 %), постоянную готовность к действию, меньший расход топлива на 1 кВт и относительно низкую температуру в МКО; кроме того ДВС позволяют осуществлять прямую передачу вращения от вала двигателя к винту (при применении малооборотных дизелей).

    

  Рис. 9.15. Схема компоновки машинного отделения  с малооборотным дизелем. / — утилизационный котел; 2 — вспомогательный котел; 3 — испаритель; 4 — главный двигатель; 5 — валопровод; 6 — запасной гребной вал; 7 — главный распределительный щит; 8 — дизель-генераторы; 9 — пост управления главным двигателем; 10 — осушительный насос; // — масляные электронасосы; 12 — масляные фильтры; 13 — маслоохладители; 14 — маслоочистители; 15 — насосы пресной и забортной охлаждающей воды; 16 — охладители пресной воды; 17 — баллон пускового воздуха; 18 — топливо-перекачивающие насосы;  19 — сепараторы топлива

  КПД энергетических установок с ДВС  может быть повышен путем наиболее полного использования тепла отходящих газов. Для этого на установках большой мощности, у которых теплосодержание отходящих газов довольно значительно, на выхлопном трубопроводе размещают утилизационный котел (см. рис. 9.15), а также используют тепло охлаждающей воды главного двигателя в   опреснительной   установке.

  Однако  ДВС присущи и недостатки: относительно высокая стоимость потребляемого  топлива и смазки, сложность конструкции, большая масса и неспособность к длительной работе с перегрузкой, меньший, чем у паросиловых установок, моторесурс и сложность ремонта, более высокая стоимость установки. Кроме того, при работе судовых ДВС возникает значительный шум и вибрация.

  На  современных крупных морских  судах наибольшее распространение получили малооборотные двухтактные крейцкопфные реверсивные двигатели , обладающие большой цилиндровой мощностью (от 400 до 3000 кВт в одном цилиндре), низким удельным расходом топлива (170—200 г/кВт-ч) и большим моторесурсом (до 60 000—80 000 ч).

  

  Рис. 9.16. Поперечный разрез среднеоборотного четырехтактного тронкового двигателя внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров

  Схема общей компоновки судовой энергетической установки с малооборотным дизелем приведена на рис. 9.15.

  Агрегатная мощность современных малооборотных двухтактных дизелей достигает 20 000—30 000 кВт (до 1500—3000 кВт в одном цилиндре).

  Наряду  с малооборотными двухтактными дизелями в качестве главных двигателей на крупных транспортных судах широкое распространение постепенно получают среднеоборотные четырехтактные двигатели с частотой вращения вала 300—600 об/мин и агрегатной мощностью 7000—11 000 кВт (до 12—18 цилиндров в одном агрегате), работающие через редуктор на гребной вал (рис. 9.16).

  Для обеспечения мощности, превышающей максимальную агрегатную (до 35 000 кВт), применяют многомашинные установки. Среднеоборотные дизели работают на тяжелом топливе и имеют практически одинаковый с малооборотным удельный расход топлива. Среднеоборотные двигатели обладают определенными преимуществами перед малооборотными: габариты МКО, особенно его высота и длина, меньше, удельный вес установки в 1,2—1,5 раза ниже. Кроме того, благодаря редуктору можно выбирать такую частоту вращения гребного вала, которая позволяет использовать гребной винт с  наибольшим КПД.

  Установку со среднеоборотными дизелями компонуют обычно из нескольких агрегатов , поэтому при неисправности одного из них его можно отключить и ремонтировать на ходу судна, что также является несомненным преимуществом.

  К недостаткам среднеоборотных двигателей относятся: меньший моторесурс (25 000—30 000 ч), меньший механический КПД установки (из-за потерь в редукторе), более высокая стоимость (из-за применения редуктора и муфт), повышенный уровень шума  в МКО. 
 

  Газовые турбины и газотурбинные установки

  Газовая турбина представляет собой двигатель, в котором сочетаются преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. В отличие от паровой турбины рабочим телом здесь является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС энергия рабочего тела превращается в механическую энергию вращения вала не в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, а путем вращения колеса турбины под действием скоростной струи газов, вытекающих из сопла.

  Газовая турбина, как и паровая, — это нереверсивный механизм, поэтому для реверса в газотурбинных установках необходимо предусматривать турбину заднего хода или другое какое-либо  устройство,  например  винт регулируемого  шага  (ВРШ).

  Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из следующих основных частей: газовой турбины, в которой тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую; воздушного компрессора, засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов), в которой распыленное жидкое топливо смешивается с воздухом и сгорает, образуя рабочее тело — горячий газ; трубопроводов для под-вода воздуха к генератору газа, подачи газов из генератора в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств, обеспечивающих использование тепла отходящих  газов.

  Кроме того, в состав ГТУ входят топливная  и масляная системы, подающие топливо в камеру горения и масло — в подшипники турбины и зубчатую передачу, а также небольшая по мощности пусковая паровая турбина, использующая пар от вспомогательного   котла.

  На  судах ГТУ используют в качестве привода вспомогательных механизмов, а в последние годы и главных энергетических установок, преимущественно на судах на подводных крыльях и воздушной подушке типа «Буревестник», «Тайфун», «Сормович». На крупных морских судах применение газовых турбин в качестве главных двигателей пока еще ограничено. В СССР создана серия крупнейших в мире газотурбоходов типа «Капитан Смирнов» — судов с горизонтальной грузообра-боткой, дедвейтом около 20 000 т с ГТУ мощностью 36 750 кВт, построены скоростное сухогрузное судно «Парижская коммуна» дедвейтом 16 000 т с ГТУ мощностью 9555 кВт; несколько больших лесовозов типа «Павлин Виноградов» дедвейтом 5700 т с ГТУ мощностью по 2940 кВт; серия рыболовных траулеров и плавучие электростанции «Северное сияние» мощностью 2 X 8820 кВт для обслуживания районов Сибири и   Крайнего  Севера.