Типы, состав и размещение судовых энергетических установок

  Устройство  газовой турбины    аналогично    паровой турбине.    Но   газовая   турбина испытывает   более высокие     температурные    нагрузки:  ее рабочие лопатки работают   при    температуре горячих   газов    (650—850°), в   то   время   как    температура   рабочего   пара    400— 500°. Это значительно уменьшает моторесурс газовой турбины. В зависимости от принятого способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают ГТУ с камерой горения и ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ).

Рис. 9.18.  схема ГТУ с камерой горения (б) (мощность 4040 кВт).

/ —  компрессор низкого давления; 2 — воздухоподогреватель; 3 — ТВД; 4 — компрессор высокого давления; 5 — пусковая турбина; б — камера горения; 7 — форсунка; 8 — ТНД; 9 — воздухоохладитель; 10 — редуктор 
 
 
 
 

  В ГТУ с камерой горения (рис. 9.18) наружный воздух засасывается центробежным компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого давления, а оттуда через подогреватель воздуха в камеру горения. Одновременно в камеру горения через форсунку впрыскивается и топливо. Происходит сгорание и образование горячих газов, которые последовательно поступают в газовые турбины высокого и низкого давления и через выхлопной трубопровод отходят в атмосферу. На пути отходящих газов устанавливают подогреватель воздуха и утилизационный котел, пар которого можно использовать для турбогенератора или для вспомогательной турбины, работающей на гребной вал. Центробежные компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение соответственно турбинами низкого и высокого давления. На гребной винт через редуктор работает только турбина низкого давления.

  ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ)  отличается от ГТУ с камерой горения тем, что горячие газы образуются в специальном генераторе газа, работающем по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора простого действия и двух буферных цилиндров. В цилиндре расположены два рабочих поршня, соединенные с компрессорами и буферными поршнями.

  Рабочий (расходящийся) ход поршневых групп осуществляется под действием расширяющегося   в   рабочем   цилиндре газа. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сначала сжимается, а затем через выпускные клапаны поступает в ресивер продувочного воздуха. Одновременно со сжатием воздуха в компрессорных цилиндрах сжимается воздух в буферных цилиндрах, после чего его энергия расходуется на совершение обратного хода рабочих поршней и сжатие воздуха в рабочем цилиндре. В конце рабочего хода поршней открываются сначала выпускные окна, а затем впускные. Через выпускные окна выхлопные газы поступают к газовой турбине, а через впускные сжатый продувочный воздух из ресивера заполняет рабочий цилиндр. Избыточный    продувочный    воздух    смешивается    с    горячими выхлопными газами и также поступает к газовой турбине. При обратном ходе рабочих поршней под действием воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, закрываются впускные окна, затем выпускные и одновременно через клапаны всасывается воздух в ^цилиндры компрессора. В момент сближения поршней в рабочий цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, и процесс  повторяется.

  ГТУ и СПГГ отличается компактностью, относительно малой массой 16—24 кг/кВт и небольшим расходом топлива 260 г/(кВт- ч). Преимуществом является возможность компоновать энергетическую установку из нескольких СПГГ, что позволяет более рационально использовать объем МКО (рис. 9.20). Кроме названных типов ГТУ на малых скоростных судах, особенно на судах на подводных крыльях, широко распространены облегченные ГТУ авиационного типа (1,5—4,0 кг/кВт). Но они имеют небольшой моторесурс и повышенный расход топлива (340—380 г/кВт-ч). Недостатком ГТУ всех типов, кроме повышенного расхода топлива и малого ресурса, является большая шумность в МКО, Для уменьшения которой приходится прибегать к специальным мерам.

    

  

  Рис. 9.20. Компоновка газотурбинной энергетической установки  с СПГГ. / — СПГГ;  2 — газовая турбина;  3 — редуктор;  4 — дизель-генератор 

  Энергетические установки судов с электродвижением

 Если  в состав судовых энергетических установок входят высокооборотные главные механизмы (паровые и газовые турбины, быстроходные двигатели внутреннего сгорания и пр.), то для передачи мощности от двигателя к гребному винту кроме зубчатых редукторов применяют электропривод. Создание электрической связи между главным двигателем и гребным винтом происходит по следующей схеме: главный двигатель приводит в действие электрогенератор, а электрический ток, вырабатываемый этим генератором, — электродвигатель, соединенный с гребным валом. Преимуществами использования электропривода на судах являются: отсутствие длинных валопроводов, так как гребные электродвигатели легко размещаются в корме судна; возможность Применять более простые нереверсивные быстроходные двигатели, число которых выбирают независимо от числа гребных винтов; высокие маневренные качества и возможность работы судна на малых скоростях при неполном числе действующих первичных двигателей; возможность использования вырабатываемой генераторами энергии для работы судовых вспомогательных механизмов. Однако электропривод имеет и недостатки: большую массу, низкий (на 8—13 /о ниже, чем у зубчатой передачи), более высокую стоимость и пр. Поэтому принцип электродвижения применяют либо на специальных судах с повышенными маневренными качествами и частыми реверсами (на буксирах, ледоколах, паромах, плавучих кранах), либо в тех случаях, когда выгодно использовать мощность главного двигателя для обеспечения работы общесудовых механизмов (на плавучих кранах, земснарядах, рыбопромысловых   судах,   плавучих   мастерских).

  На  судах с электродвижением, для  которых более важны маневренные качества, применяют главным образом генераторы и гребные электродвигатели постоянного тока, а на судах, у которых определяющей является экономичность, — переменного. В качестве первичных двигателей чаще используют быстроходные четырехтактные дизели, реже паровые или газовые турбины.

  Судовые энергетические установки с электродвижением размещают в одном или двух отсеках. Гребной электродвигатель всегда размещают ближе к корме, насколько позволяют обводы и условия выемки гребного вала. Первичные двигатели и электрогенераторы устанавливают или в том же отсеке, где и гребные двигатели, или, чаще, в отдельном отсеке, расположенном в носовой части ближе к середине судна (рис. 9.21).

 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис. 9.21. Компоновка гребной дизель-электрической установки. 
 

Атомные энергетические установки (АЭУ)

  В настоящее время вопрос о широком  применении ядерного горючего в судовых энергетических установках становится все более актуальным. Интерес к судам с АЭУ особенно возрос в 1973— 1974 гг., когда вследствие мирового энергетического кризиса резко повысились цены на органическое топливо. Основным преимуществом судов с АЭУ является практически неограниченная дальность плавания, что очень важно для ледоколов, судов арктического плавания, научно-исследовательских, гидрографических и пр. Суточный расход ядерного горючего не превышает нескольких десятков граммов, а тепловыделяющие элементы в реакторе можно менять один раз в два—четыре года. АЭУ на транспортных судах, особенно на тех, которые совершают дальние рейсы с большой скоростью, позволяет значительно повысить грузоподъемность судна за счет практически полного отсутствия запаса топлива (это дает больший выигрыш, чем потери из-за значительной  массы   АЭУ).  Кроме   того, АЭУ может работать без доступа воздуха, что очень важно для подводных судов. Однако пока потребляемое АЭУ топливо еще очень дорого. Кроме того, на судах с АЭУ приходится предусматривать специальную биологическую защиту от радиоактивного излучения, которая утяжеляет установку. Надо полагать, что успехи в развитии атомной техники и в создании новых конструкций и материалов позволят постепенно устранить эти   недостатки   судовых АЭУ.

    Все современные судовые АЭУ используют тепло, выделяющееся при делении ядерного горючего для образования пара, или нагрева газа, поступающих затем в паровую или газовую турбины.

    Основное  звено атомной паро-производящей установки АППУ — реактор, в котором происходит ядерная реакция. В качестве ядерного горючего используют различные расщепляющиеся вещества, у которых процесс деления ядер сопровождается выделением большого количества энергии. К таким веществам относятся изотопы урана, плутония и тория. Наиболее важными элементами судовых реакторов являются (рис. 9.22): активная зона, в которой размещены урановые стержни и замедлитель, необходимый для поглощения энергии выделяющихся при распаде ядер частиц нейтронов; отражатель нейтронов, возвращающий в активную зону часть вылетевших за ее пределы нейтронов; теплоноситель для отбора из активной зоны тепла, выделяющегося при делении урана, и передачи этого тепла другому рабочему телу в теплообменнике; экран биологической защиты, препятствующий распространению вредных излучений реактора; система управления и защиты, регулирующая течение реакции в реакторе и прекращающая ее в случае аварийного роста   мощности.

    

 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис. 9.22. Схема ядерного реактора.

   / — активная зона; 2 — урановые стержни; 3 — замедлитель; 4 — отражатель; 5 — теплоноситель; 6 — биологическая защита; 7 — тепловой экран; 8 — система регулирования 

  Замедлителем  в ядерных реакторах служит графит, тяжелая и обычная вода, а теплоносителем — жидкие металлы с низкой температурой плавления (натрий, калий, висмут), газы (гелий, азот,   углекислый   газ,   воздух)   или   вода.

   В судовых АЭУ получили распространение  реакторы, у которых и замедлителем и теплоносителем является дистиллированная вода, откуда и произошло их название водо-водяные реакторы. Эти реакторы проще по устройству, компактнее, надежнее в работе, чем другие типы, и дешевле.

   

  Рис. 9.23.  Тепловые схемы ядерных энергетических установок: а – одноконтурная; б – двухконтурная; в – трехконтурная. 1 – реактор 2 – турбина 3 – конденсатор 4 – циркуляционный насос 5 – парогенератор 6 – конденсатный насос 7 – система подогрева фильтрации и подпитки 8 – питательный насос 9 – теплообменник 10 – биологическая защита  
 

  В зависимости от способа передачи тепловой энергии от реактора исполнительному механизму (турбине) различают одноконтурную, двухконтурную и трехконтурную схемы АЭУ.

  По  одноконтурной схеме (рис. 9.23, а) рабочее вещество — паробразуется в реакторе, откуда поступает непосредственно в турбину и из нее через конденсатор с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор.

  По  двухконтурной схеме (рис. 9.23, б) циркулирующий в реакторе теплоноситель отдает свое тепло в теплообменнике — парогенераторе — воде, образующей пар, который поступает в турбину. При этом теплоноситель пропускают через реактор и парогенератор циркуляционным насосом или воздуходувкой, а образующийся в конденсаторе турбины конденсат прокачивают конденсатным насосом через систему подогрева, фильтрации и подпитки и питательным насосом снова подают в парогенератор.

  Трехконтурная система (рис. 9.23, в) представляет собой двухконтурную схему с включенным между первым и вторым контурами дополнительным промежуточным контуром.

  Одноконтурная схема требует биологической защиты вокруг всего контура, включая и турбину, что усложняет обслуживание и управление и повышает опасность для экипажа. Безопаснее двухконтурная схема, так как здесь второй контур уже не опасен для экипажа. Поэтому на атомных судах почти всегда применяют двухконтурные схемы. Трехконтурные схемы используют в том случая, если теплоноситель в реакторе сильно активируется и его необходимо тщательно отделить от рабочего вещества, для чего и предназначен промежуточный контур.

  Интересны атомные газотурбинные установки, в которых теплоносителем и рабочим телом является газ гелий. Нагретый в реакторе до 700^о газ сжимается компрессором и под давлением примерно 4,0 МПа (40 кгс/см²) подводится к двухкорпусной газовой турбине. При этом ТВД приводит в действие компрессор, а ТНД работает на гребной винт. Гелий под действием облучения в реакторе не становится радиоактивным, поэтому отпадает необходимость в биологической защите гелиевого контура.  Однако гелий дефицитен, дорог и отличается большой текучестью, что требует особых уплотнительных устройств.

  Опыт  эксплуатации первых судов с АЭУ  подтвердил их высокие эксплуатационно-технические  качества, а постепенное снижение стоимости этих установок и ядерного горючего позволит сделать атомные суда вполне конкурентоспособными с обычными судами. Кроме того, по мере роста скорости морских транспортных судов и связанного с этим значительного увеличения мощности главного двигателя и массы запасов топлива (особенно при большой дальности плавания) эксплуатационно-экономические преимущества судов с АЭУ будут возрастать. Расчеты показывают, что при мощности судовой энергетической установки более 45 000— 75 000 кВт суда с АЭУ становятся более выгодными, чем суда с обычными СЭУ. Именно поэтому в последнее время в ряде стран разработаны проекты новых крупных транспортных судов (контейнеровозов, танкеров и т. п.) и мощных ледоколов с АЭУ, а в Советском Союзе в 1988 г. построен ледокольно-транспортный лихтеровоз — контейнеровоз «Севморпуть» с АЭУ.