Основы судовой энергетики

Тексты лекций

https://www.dropbox.com/sh/dls0ib4enw9yy23/AAAYLlDFC5zyLkT3r1AJMgcpa?dl=0

Одесса - 2006

Состав и классификация СЭУ

Судно состоит из следующих основных частей:

- корпус,

- судовая энергетическая установка (СЭУ),

- общесудовые системы трубопроводов,

- судовые устройства,

- электрическое оборудование,

- средства связи и навигации.

СЭУ – это комплекс технических средств (машин, механизмов, систем и т.д.), предназначенных для обеспечения судна всеми видами энергии, необходимыми для его использования по назначению.

В свою очередь, СЭУ состоит из:

- главной энергетической установки (ГЭУ),

- вспомогательной энергетической установки и

- электроэнергетической установки.

ГЭУ предназначена для обеспечения движения судна. ГЭУ может состоять из 2 частей — генераторной и исполнительной: в 1-й подготавливается (генерируется) рабочее тело, во 2-й энергия рабочего тела преобразуется в упор, двигающий судно.

К установкам, генерирующим рабочее тело, относятся котельные установки.

Исполнительная часть ГЭУ называется пропульсивной установкой. Она, как правило, включает:

- главный двигатель (ГД),

- главную передачу,

- валопровод,

- движитель.

Вместе с корпусом судна, с которым пропульсивная установка гидродинамически взаимодействует через движитель, она образует пропульсивный комплекс (ПК).

Объединение ПУ и корпуса в единую систему позволяет исследовать сложные явления их механического и гидродинамического взаимодействия для оптимизации всего ПК, а не только его отдельных частей.

Движитель – это устройство создающее упор, обеспечивающий движение судна.

Движителем может быть:

- винт фиксированного шага (ВФШ) (η до 0,70-0,80);

- винт регулируемого шага (ВРШ);

- винторулевая колонка (ВРК);

- крыльчатый движитель;

- гребное колесо;

- водомётный движитель и др.

Судовой валопровод служит для передачи мощности (вращающего момента) от ГД или от главных передач (например, редукторов) к движителям и для передачи упора движителя на корпус судна через главный упорный подшипник (ГУП). Валопровод судна обычно состоит из последовательно соединенных упорного, промежуточных, дейдвудного (гребного) валов, упорного, опорных и дейдвудных подшипников, тормозного и валоповоротного устройств, переборочных уплотнений и других элементов.

Наиболее распространенным типом судового движителя является гребной винт. Оптимальная частота его вращения n_в зависит от водоизмещения, осадки и скорости судна, уменьшаясь с увеличением водоизмещения. Для крупнотоннажных транспортных судов при умеренных и небольших скоростях она составляет 50-100 об/мин. Для контейнеровозов при скоростях v более 20 узлов оптимальная частота вращения гребного вала достигает 140 об/мин в связи с относительно малыми диаметрами винтов (5,4-7,2 м). Оптимальной частоте вращения гребного винта соответствует наибольшее значение его КПД η_Р, которое может достигать 0,70-0,80.

Частота вращения валов ГД n_Д (особенно турбин), при которой достигается наивыгоднейшее соотношение между экономическими и массогабаритными показателями двигателя, а значит, и ЭУ, намного превышает оптимальную частоту вращения винта n_в. В таких случаях необходимо включать в линию двигатель — движитель промежуточное звено (передачу) с целью трансформации частоты вращения и вращающего момента двигателя.

Главная передача предназначена для преобразования крутящего момента и частоты вращения при передаче энергии от ГД к движителю.

Главные передачи могут быть:

- механические (η =0,95-0,98);

- электрические;

- гидравлические.

Нередко они также служат для объединения мощности нескольких ГД на один валопровод или для разделения мощности одного ГД на несколько потоков.

В качестве главных двигателей могут применяться:

- двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – дизели (η =0,47-0,5);

- гребные электродвигатели;

- газовые турбины (η =0,3-0,38);

- паровые турбины (η =0,4-0,42);

- паровые машины.

Современные суда оснащаются в основном дизельными установками, благодаря их высокой надёжности и непревзойдённой термодинамической эффективности^[1].

В качестве топлива на судах в основном применяется жидкое органическое топливо, являющееся продуктом переработки нефти – дизельное топливо и тяжёлое топливо (обычно вязкостью 380 сСт при 50°C).

Также в качестве топлива на судах может применяться:

- сжиженный газ;

- сырая нефть;

- уголь;

- ядерное топливо.

Топливо, как правило, размещается в днищевых или бортовых цистернах. Тяжёлое топливо требует при этом подогрева. Если общее количество топлива превышает 600 м³, то оно должно быть отделено от наружной обшивки двойным бортом.

Классификация судовых ДВС

Судовой ДВС – это такой тепловой поршневой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую работу.

Историческая справка

Первый ДВС, работавший на светильном газе, был построен в 1860 г. французским механиком Этьен Ленуар (1822—1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (горючие газы, в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела все основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндр с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. Мощность составляла 8,8 кВт. И всё же конструкция Э. Ленуара была лишь прообразом реального двигателя, она требовала серьёзного усовершенствования. Достаточно сказать, что её коэффициент полезного действия составлял ок. 0,04, т. е. лишь 4 % теплоты сгоревшего газа тратилось на полезную работу, а остальные 96 % уходили с отработанными газами, нагревали корпус и т. п. Ненадёжно работали свечи и выпускной золотник, для охлаждения двигателя требовалось очень много воды (около 120 м ³ в час).

В 1862 г. французский инженер Альфонс Бо де Роша (1815—1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось предварительное сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Однако осуществить свою идею Бо де Роша не сумел.

Такой двигатель создал в 1876 г. служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832—1891). Над его конструкцией изобретатель напряжённо трудился 15 лет и добился более высокого КПД, чем у существовавших тогда паровых машин.

Жидкое топливо для ДВС впервые использовалось в двигателе, сконструир. рус. инж. М. С. Костровичем в 1880 г.

В 1897 г. нем. инж. Р. Дизель создал 1-й керосиновый двигатель с воспламенением от сжатия.

Первый дизель, использовавший сырую нефть в качестве топлива, был построен в 1899 г. в России на заводе Э. Нобеля, который в 1898 г. купил патент у Р. Дизеля.

Первый в мире теплоход — судно с двигателем внутреннего сгорания был построен в России в 1903 г. Это была нефтеналивная трехвинтовая баржа, на которой были установлены три дизеля мощностью 88 кВт каждый при частоте вращения 240 мин^-1 с электропередачей мощности гребным винтам.

Классификация судовых ДВС и основные определения

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим основным признакам:

по способу осуществления рабочего цикла:

- четырехтактные, у которых цикл совершается за четыре последовательных хода поршня (за два оборота коленчатого вала), и

- двухтактные, у которых цикл осуществляется за два последовательных хода поршня (за один оборот коленчатого вала);

по способу действия:

- простого действия (рабочий цикл совершается только в одной полости цилиндра),

- двойного действия (рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра над и под поршнем) и

- с противоположно движущимися поршнями (в каждом цилиндре двигателя имеется два механически связанных поршня, движущихся в противоположных направлениях, с помещенным между ними рабочим телом);

по роду применяемого топлива:

- на жидком топливе (дизельное топливо, тяжёлое топливо);

- газовые (сжиженный газ, природный газ). В газовом двигателе небольшое количество жидкого топлива может подаваться в качестве запального, т. е. для воспламенения;

по способу наполнения цилиндра:

- без наддува, когда цилиндр наполняется воздухом (или горючей смесью) всасывающим ходом поршня,

- с наддувом, когда наполнение цилиндра осуществляется специальным компрессором;

по способу смесеобразования:

- с внутренним смесеобразованием, когда топливовоздушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели),

- с внешним смесеобразованием, когда эта смесь приготовляется до ее подачи в рабочий цилиндр (карбюраторные и газовые двигатели с искровым зажиганием);

по способу воспламенения топлива:

- с воспламенением от сжатия (дизели),

- с искровым зажиганием (карбюраторные и газовые);

по расположению цилиндров:

- однорядные;

- V-образные;

- звездообразные и т. п.

по конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма (КШМ):

- тронковые, у которых направляющей является тронковая часть поршня, передающая его боковое (нормальное) давление на стенки цилиндра;

- крейцкопфные, у которых направляющей поршня служит ползун крейцкопфа, перемещающийся по параллелям;

по изменению направления вращения коленчатого вала:

- нереверсивные, имеющие одно постоянное направление вращения вала;

- реверсивные, у которых направление вращения изменяется реверсивным устройством, изменяющим фазы газораспределения (главные судовые дизели, с прямой передачей на ВФШ);

по частоте вращения коленчатого вала:

- малооборотные (МОД) (n до 350 мин^-1),

- среднеоборотные (СОД) (n от 350 до 1000 мин^-1),

- высокооборотные (ВОД) (n более 1000 мин^-1);

по назначению:

- главные, предназначенные для приведения в действие движителей и/или оборудования, обеспечивающего основное назначения судна,

- вспомогательные, это первичные двигатели судовых генераторов тока, двигатели привода грузовых, пожарных насосов и т. д.;

Существуют и другие признаки, по которым классифицируют ДВС.

Основными определениями, которые относятся ко всем ДВС, являются:

— верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ), соответствующие верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе);

— ход поршня, т. е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое;

— объем камеры сгорания (или сжатия), соответствующий объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ;

— рабочий объем цилиндра, который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками;

— такт – часть рабочего цикла, при которой поршень перемещается из одного крайнего положения в другое.

Маркировка судовых дизелей

Марки дают представление об основных размерах и конструктивных особенностях судовых дизелей.

Условные обозначения дизелей по ГОСТ 10150-88 должны состоять из букв и чисел, которые обозначают:

Ч — четырехтактный;

Д — двухтактный;

ДД — двухтактный двойного действия;

Н — с наддувом;

Р — реверсивный;

С — с реверсивной муфтой;

П — с редукторной передачей;

К — крейкопфный;

Г - газовый;

ГД - газодизельный.

Число перед буквами означает число цилиндров; число над чертой — диаметр цилиндра в сантиметрах; число под чертой — ход поршня в сантиметрах. Отсутствие в условном обозначении буквы К указывает, что дизель тронковый, буквы Р — дизель нереверсивный.

Пример условного обозначения:

12ЧНСП 18/20

дизель двенадцати-цилиндровый, четырехтактный, с наддувом, с реверсивной муфтой, с редукторной передачей, с диаметром цилиндра 18 см и ходом поршня 20 см;

9ДКРН 80/160

дизель девятицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, с диаметром цилиндра 80 см, ходом поршня 160 см.

Большинство фирм производителей дизелей используют собственные системы условных обозначений.

Дата добавления: 2015-05-08