Виды судовых электроэнергетических систем и их структуры

Судовые электроэнергетические системы можно классифицировать по разным признакам, характеризующим определенные свойства. Среди них выделим лишь два: количество электростанций в СЭЭС и ее взаимосвязь с главной энергетической установкой судна. По первому признаку все СЭЭС делятся на одностанционные и многостанционные. По второму признаку судовые электроэнергетические системы подразделяются на следующие виды:

1) автономные СЭЭС, характеризующиеся отсутствием непосредственной связи с силовой (энергетической) установкой судна;

2) СЭЭС, имеющие источники электрической энергии с отбором мощности от главной энергетической установки;

3) единые СЭЭС - СЭЭС, объединенные с главной энергетической установкой.

Учитывая то, что в классификации видов СЭЭС существенное место занимает главная энергетическая установка, а также тот факт, что тип главного двигателя, чаще всего, определяет тип первичного двигателя ГА, кратко охарактеризуем виды, используемых на судах главных энергетических установок.

Главная энергетическая установка судна это комплекс технических средств, предназначенных для преобразования химической или ядерной энергии топлива в механическую энергию движителя. По традиции основу классификации главных энергетических установок составляют тип главного двигателя и способ генерирования рабочего тела, обеспечивающего его работу. По этим признакам различают котломашинные, котлотурбинные, дизельные, газотурбинные, атомные и комбинированные энергетические установки.

В котломашинных энергетических установках, являющихся разновидностью паросиловых установок, в качестве главных двигателей используется паровая машина, а рабочее тело (пар) генерируется в паровом котле, работающем на органическом топливе (твердом, жидком, газообразном). Паровая машина это тепловой поршневой двигатель возвратно-поступательного движения, в котором потенциальная энергия водяного пара преобразуется в механическую энергию вращения вала (рис. 4.1).

Рис.4.1. Паровая машина: 1 – цилиндр низкого давления; 2 – цилиндр

высокого давления; 3 – механизм управления; 4 – коленчатый вал; 5 - ползун

Изобретение данного двигателя И.И.Ползуновым и Дж.Уаттом относится к 1763-74 г.г. На всем протяжении своего длительного использования она претерпела существенные изменения: от одноцилиндровой машины с выбросом отработавшего пара в атмосферу до машины многоступенчатого действия, в которой пар последовательно проходит через несколько цилиндров, а затем конденсируется. Мощность существующих паровых машин достигает 15 МВт, однако, большие массы и габариты, их низкий КПД. (20…25%), а вместе с котлом и паровой системой меньше 7%, практически к середине ХХ века исключили их применение на судах.

В котлотурбинных энергетических установках, также относящихся к паросиловым установкам, главным двигателем является паровая турбина, тепловой ротативный двигатель, в котором энергия нагретого под давлением водяного пара преобразуется в механическую работу вращения вала (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема реактивной многоступенчатой паровой турбины:

1- патрубок входящего пара; 2 – сопловые лопатки; 3 – рабочие лопатки; 4 – корпус турбины; 5 - патрубок выходящего пара; 6 – ротор турбины с рабочими лопатками; 7 – разгрузочный поршень; 8 – соединительный трубопровод для уменьшения осевых усилий

Патент на паровую машину получил в 1883 г. Г.Лаваль (Швеция). КПД современных паровых турбин находится в пределах 89…94%, мощность достигает 27 МВт. Количество турбин, а также котлов в котлотурбинных энергетических установках может быть разное. Удельный расход топлива в таких установках составляет 230…300 г/(кВт ч), при этом с ростом их мощности КПД увеличивается, это обусловливает целесообразность их применения при мощности более 15…22 МВт. В настоящее время развитие котлотурбинных установок продолжается в направлении оптимизации параметров пара, регенерации и утилизации теплоты.

Общий вид котлотурбинных установок представлен на рис. 4.3. Количество турбин, а также котлов в котлотурбинных ЭУ может быть разное

Рис. 4.3. Котлотурбинная ЭУ: 1 – паровой котел; 2 – конденсатор; 3 - гребной винт;

4 - гребной вал; 5 – редуктор; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления.

В дизельной энергетической установке в качестве главного двигателя используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Это тепловой поршневой двигатель, в котором сгорание топлива, образование рабочего тела и совершение работы осуществляется в одном устройстве – цилиндре. По способу воспламенения они бывают двух видов: с принудительным зажиганием от электрической искры или запального шара и воспламенением топлива от сжатия. Первый керосиновый двигатель с воспламенением от сжатия был создан Дизелем в 1897 г., чье имя дало название всем двигателям данного типа (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Тронковый четырехтактный ДВС V-образной конструкции

(шатун крепится непосредственно к поршню): 1 – поршень;

2 – цилиндровая втулка; 3 – коленчатый вал

ДВС классифицируются: по частоте вращения: – малооборотные (n £ 350 об/мин), среднеоборотные (350 < n £ 750 об/мин), повышенной оборотности (750 < n £ 1500 об/мин), высокооборотные (n > 1500 об/мин); по средней скорости движения поршня – тихоходные, средней быстроходности и быстроходные. Основные достоинства ДВС – высокий КПД (до 48%), обусловливающий высокую топливную экономичность, высокая готовность к действию. К недостаткам таких двигателей можно отнести: значительные шум и вибрации, повышенный расход смазочного масла. Агрегатные мощности судовых ДВС достигают: малооборотные – 35 МВт, среднеоборотные – 24 МВт, высокооборотные – 5900 кВт. В настоящее время 90% судов морского флота оснащены дизельными энергетическими установками.

Основой газотурбинной энергетической установки является газовая турбина – тепловой ротативный двигатель, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу вращения вала. Современные газовые турбины по конструкции и принципу действия идентичны паровым турбинам и отличаются от них сравнительно невысокими давлениями рабочего тела на входе и его высокой температурой. КПД газовых турбин составляет 92%. Совокупность газовой турбины, компрессора и камеры сгорания, конструктивно объединенные в единое целое, представляет собой газотурбинный двигатель – главный двигатель газотурбинной энергетической установки (рис. 4.5). Авторство данного двигателя принадлежит П.Д.Кузьминскому и относится к 1886 г. КПД современных газотурбинных двигателей с начальной температурой газа 850°С составляет 27%. Наиболее перспективным путем совершенствования рассматриваемых двигателей является повышение параметров газа: температуры и давления.

Рис. 4.5. Газотурбинный судовой двигатель:

1 – камера сгорания; 2 – осевой компрессор;

3 – компрессорная турбина; 4 – рабочая турбина

В настоящее время на судах применяются установки открытого цикла в которых воздух забирается из атмосферы и отработавший газ выходит в атмосферу. Энергетическая установка данного типа может иметь несколько двигателей, работающих через общий редуктор на движитель. Основным преимуществом газотурбинных установок по сравнению с другими энергетическими установками являются меньшие массы и габариты при большой агрегатной мощности, а также высокая маневренность.

Атомная энергетическая установка (АЭУ) включает в себя главный двигатель, в качестве которого используется паровая или газовая турбины, и ядерную паропроизводящую (ЯППУ) или ядерную газогенераторную установку (ЯГГУ). Основным отличием установок такого типа является использование в качестве источника энергии ядерного горючего, небольшие объемы которого обладают значительным запасом энергии, что обеспечивает судам высокую скорость полного хода и практически неограниченную дальность плавания. К их достоинствам также можно отнести то, что для работы им не требуется ни кислорода, ни других окислителей и отсутствуют отходящие газы (продукты сгорания топлива), т.е. они могут работать без связи с атмосферой. По принципу генерирования рабочего тела различают 1-. 2 – и 3 – контурные схемы АЭУ. Наибольшее распространение получили 2 – контурные схемы, в которых теплоносителем является вода, а рабочим телом – водяной пар (рис. 4.6).

Рис.4.6. Двухконтурная АЭУ: 1 – реактор; 2 – первичная биологическая защита (вод. цистерна); 3 – циркуляционный насос; 4 - вторичная биологическая защита (самоэкранирование); 5 – нагреватель1-го контура; 6 – парогенератор; 7 – турбина высокого давления; 8 – турбина низкого давления; 9 – редуктор; 10 – вход забортной воды; 11 – выход забортной воды; 12 – конденсатор; 13 – насос 2-го контура; А – 1-й контур (теплоноситель); Б – 2-й контур (рабочее тело)

Регулирование скорости движения судна осуществляется изменением количества рабочего тела, поступающего на главный двигатель. КПД таких установок достигает 35% и применяются они на судах большого водоизмещения.

ЛЕКЦИЯ №4

Дата добавления: 2014-01-20