Военное образование в России

Общекорабельные системы и корабельные устройства - Главная энергетическая установка

Главная энергетическая установка

Главной энергетической установкой называют часть КЭУ, обеспечи­вающую движение корабля и его маневрирование.

Она является важнейшим элементом энергетической установки корабля и во многом определяет его боевые возможности. Главная энергетическая установка состоит из одной или нескольких автономных групп движения, каждая из которых объединяет механизмы, обеспечивающих работу одного движителя. Как правило, автономная группа движения включает в свой состав главный двигатель, передачу мощности и валопровод с обслуживаю­щими их системами, а также корабельный движитель, о котором мы говори­ли при рассмотрении мореходных качеств корабля.

Главный двигатель обеспечивает ход корабля. Именно в нем происхо­дит превращение химической энергии топлива в механическую энергию, не­обходимую для вращения движителя. Наиболее важными параметрами, харак­теризующими главный двигатель как элемент автономной группы движения, является его мощность N_e и частота вращения n.

В настоящее время на кораблях ВМФ в качестве главных используются средние и высокооборотные двигатели внутреннего сгорания, паровые тур­бины и газотурбинные двигатели. По причинам, о которых будет сказано ниже, мощность от корабельного главного двигателя не может передавать­ся к движителю напрямую. Это обусловило применение в составе автоном­ной группы движения промежуточного элемента, называемого передачей мощности.

Передача мощности представляет собой агрегат, расположенный между главным двигателем и валопроводом, предназначенный для изменения час­тоты вращения и крутящего момента двигателя по определенному закону, определяемому типом передачи и движителя, а также условиями работы главной энергетической установки. Передача мощности может также выпол­нять некоторые дополнительные функции, в частности «собирать» мощности нескольких главных двигателей на один движитель, «раздавать» мощность одного главного двигателя на несколько движителей, разобщать двигатели от движителей, осуществлять реверс и т.д.

Различают передачи мощности зубчатые, гидравлические, электричес­кие и комбинированные.

Появление зубчатых передач мощности (редукторов) в составе ГЭУ было связано с применением в корабельной энергетике начиная с середины 90-х годов прошлого века надежных и пригодных для практического ис­пользования паровых турбин. По целому ряду показателей они значительно превосходили паровые машины и быстрыми темпами стали вытеснять послед­них из практики кораблестроения того времени. Однако создатель паровых турбин английский инженер Чарльз Парсонс (1854-1931) столкнулся с проблемой, связанной с резким падением экономичности турбинной уста­новки по мере снижения скорости хода корабля. Оказалось, что турбина сохраняет свое значительное преимущество по КПД перед паровой маши­ной только при высоких оборотах ее вала. В тоже время гребной винт имеет наибольший КПД при относительно умеренных частотах вращения.

В стремлении кардинально решить проблему увеличения экономичности Парсонс отказался от применения турбин, непосредственно связанных с гребным валом, так называемых «прямодействующих», и применил редук­тор, позволяющий снизить обороты гребного вала при сохранении высоких оборотов турбины.

Наряду с созданием оптимальных условий для совместной работы вы­сокообортного двигателя и движителя зубчатые передачи позволяют обес­печить возможность суммирования мощности нескольких двигателей на один вал. Существуют также установки, где зубчатая передача может переда­вать мощность одного главного двигателя на две линии вала. Среди всех типов передач мощности зубчатые обладают наименьшими массой и габари­тами. Основными их недостатками являются высокий уровень шумности и дополнительные потери на трение в зубчатых зацеплениях (КПД редукто­ров равен 0,96 - 0,98).

В поисках эффективных способов передачи мощности от двигателя к движителю конструкторы обратились к электродвижению, принцип которого впервые был реализован в 1903 году на первом дизельном судне - речном танкере «Вандал» водоизмещением 1150 тонн.

В кораблестроении электродвижение получило признание, особенно в США, несколько позже, когда были достаточно полно разработаны теорети­ческие основы, подготовлены конструкторские кадры и что особенно важ­но, освоены промышленностью достаточно мощные гребные электродвигатели и турбогенераторы с приемлемыми для корабельных условий массой и габа­ритами. С 1915 года в США началось серийное строительство линкоров с применением электродвижения, первый из которых «Нью-Мехико» водоиз­мещением около 35 тысяч тонн с турбоэлектрической установкой мощностью 40 тысяч л.с. и скоростью хода 21,5 уз. вошел в строй в 1918 году.

К преимуществам энергетических установок с электропередачей можно отнести: возможность использования нереверсивных главных двигателей, удобство управления установкой, отсутствие жесткой связи между движи­телем и главным двигателем, а также повышенная надежность установки в связи с применением нескольких турбогенераторов, питающих гребные электродвигатели.

Основными недостатками энергетических установок с электропереда­чей являются: пониженная экономичность вследствие двойного преобразо­вания энергии (КПД электропередачи на переменном токе 0,86-0,94, на постоянном 0,81-0,89), более высокая стоимость и большая масса по сравнению с другими типами передач.

В современном военном флоте установки с электродвижением практи­чески не применяются, за исключением дизель-электрических подводных лодок, а также нескольких атомных подводных лодок США и Франции (для снижения шумности). Однако нельзя исключить появления в будущем над­водных кораблей с электродвижением на основе использования в качестве главных двигателей магнитогидродинамических генераторов (МГДГ), позво­ляющих получать электрическую энергию из тепловой прямым преобразова­нием.

Сочетание главного двигателя и передачи мощности, входящих в сос­тав одной автономной группы движения, принято называть главным агрега­том. Связующим звеном между ним и движителем служит валопровод, предс­тавляющий собой систему взаимно соединенных валов с опорными и упорны­ми подшипниками, соединительными, разобщительными и уплотнительными устройствами. Он предназначен для передачи движителю крутящего момен­та, развиваемого главным двигателем, восприятия осевой силы - упора, создаваемого движителем при его вращении в воде, и передачи упора че­рез главный упорный подшипник корпусу корабля.

Взаимодействие основных элементов входящих в состав ГЭУ автоном­ных групп движения происходит следующим образом. Крутящий момент дви­гателя, работающего на некоторой мощности при некоторой частоте враще­ния, преобразуется в передаче мощности и подводится к движителю. Дви­житель, потребляя подведенную к нему энергию, вращается, создавая упор, который через валопровод и главный упорный подшипник передается корпусу корабля. Корабль начинает двигаться и разгоняется до некоторой скорости V, пока сопротивление воды его движению не станет приблизи­тельно равным по величине суммарному упору, создаваемому движителями.

Для увеличения скорости хода необходимо увеличить подводимую к движителя мощность и его частоту вращения, что достигается увеличением подачи топлива в главном двигателе.

Практически все боевые корабли, за исключением некоторых типов подводных лодок, оснащены многовальными главными энергетическими уста­новками. Это позволяет, кроме выполнения основной функции - обеспече­ния движения корабля, управлять им при помощи главных двигателей, из­меняя частоту вращения движителей, что особенно важно при выходе из строя рулевого устройства.

Несмотря на первостепенную значимость главной энергетической ус­тановки, без взаимодействия со всем комплексом элементов КЭУ, она не может в полной мере обеспечить высокие боевые качества корабля. Поэто­му важное место в составе КЭУ, наряду с главной энергетической уста­новкой, занимает вспомогательная энергетическая установка (ВЭУ). Она предназначена для поддержания боеспособности корабля и жизнедеятель­ности личного состава при стоянке на якоре или швартовах, а также вво­да в действие ГЭУ при приготовлении корабля к бою и походу. В общем случае в ее состав могут входить вспомогательные котлы, опреснительные установки, стояночные электрогенераторы, компрессоры воздуха высокого давления.

Появление в 90-е годы ХIХ века на кораблях флота вспомогательных котлов было обусловлено существенным увеличением доли отводимого от главных котлов пара бля обеспечения вспомогательных нужд (привода вспомогательных механизмов, отопления и т.п.). Наиболее широкое приме­нение в качестве вспомогательных получили в русском флоте того времени паровые котлы системы инженера В.Г.Шухова. Благодаря удачной конструк­ции и исключительной надежности предложенный им в 1896 году водотруб­ный котел безотказно служил отечественной энергетике более 50 лет.

В настоящее время более широкое распространение на кораблях полу­чили вспомогательные котлы огнетрубного типа, в которых, в отличие от водотрубных, по трубкам протекает не вода, а образовавшиеся при сжига­ния топлива газы.

На современных кораблях пар от вспомогательных котлов расходуется на бытовые нужды (паровое отопление, подогрев воды для душа, для рабо­ты камбузных котлов и самоваров), для поддержания заданной температуры масла в расходных цистернах (баках) главных двигателей и редукторов, а также для обеспечения некоторых работ (пропаривание топливных цистерн перед чисткой, продувка забортных отверстий при плавании во льдах).

По мере совершенствования конструктивных схем котельных установок все более жесткие требования по солесодержанию стали предъявляются к котловой воде. Для ее получения из забортной и были созданы специаль­ные установки - опреснители.

Стояночные электрогенераторы предназначены для снабжения электро­энергией повседневных потребителей корабля при его стоянке на рейде или у необорудованного пирса.

Компрессоры воздуха высокого давления обеспечивают поддержание необходимого давления воздуха в пусковых баллонах дизелей, в баллонах воздушных систем управления энергетической установкой, в воздушных баллонах некоторых противопожарных систем, а также работу пневмоинс­трумента.

С изобретением П.Н.Яблочковым маломощной дуговой лампы, названной впоследствии свечой Яблочкова, с 1878 г. на кораблях русского флота стало внедряться палубное электроосвещение. В 1882 г. на смену свечам Яблочкова пришли лампы накаливания, изобретенные Л.Н.Лодыгиным и усо­вершенствованные Эдисоном.

Широкое применение электроосвещения на кораблях вызвало усовер­шенствование конструкции электромашин, что в свою очередь способство­вало использованию их в качестве двигателей корабельных механизмов и, таким образом, привело к появлению корабельного электропривода. Внед­рение электродвигателей на кораблях начинается с 1888 г. вначале в ка­честве приводов для вентиляторов, а затем в артиллерийских установках для подачи боеприпасов и вращения башен.

Массовая электрификация корабельных механизмов (вентиляторов, на­сосов, рулевых устройств, арт.установок и других) на кораблях русского флота была осуществлена к 1900 - 1902 г.г.

Так в начале XX века в составе корабельной энергетической уста­новке сформировалась еще одна из составных ее частей, названная впос­ледствии электроэнергетической системой корабля. Электроэнергетическая система корабля в современном ее виде представляет собой совокупность источников и преобразователей электроэнергии, распределительных уст­ройств и кабельных трасс, обеспечивающих корабельные потребители электроэнергией.

За свою относительно короткую историю корабельная электроэнерге­тика претерпела громадные изменения. Сегодня на корабле нет практичес­ки ни одного комплекса вооружения или другого технического средства, где бы не применялись электроприводы, электрофицированные приборы и устройства. Степень электрификации корабля достигает 900 - 1000 Вт на тонну водоизмещения и устойчивая тенденция к ее росту сохраняется.

По мере усиления технической оснащенности кораблей флота из сос­тава вспомогательной энергетической установки в самостоятельную часть КЭУ стали выделять группу механизмов, обеспечивающих работу корабель­ных устройств и общекорабельных систем. Их принято называть независи­мыми механизмами. К ним относятся: якорные и якорно-швартовые шпили (брашпили), лебедки, рулевые машины, активные успокоители качки, холо­дильные машины, вентиляторы, насосы общекорабельных систем.

В качестве одного из прообразов независимых механизмов, применен­ном на корабле, можно назвать центробежный вентилятор с ручным приво­дом, установленный на подводной лодке, построенной в России в 1834 г. инженер-генералом Карлом Шильдером. Он обеспечивал работу системы вен­тиляции, предназначенной для очистки воздуха внутри лодки при ходе ее вблизи поверхности воды.

Насосы, как независимые механизмы общекорабельных систем, стали применяться на кораблях в 70-е годы XIX столетия, когда перед специа­листами встал вопрос о защите кораблей от вторжения больших масс воды во внутреннее пространство через подводные пробоины.

В это же время корабли стали оснащаться шпилями, брашпилями и ру­левыми машинами с паровым приводом.

Начало широкого использования холодильных машин на военных кораб­лях различных государств было положено русским флотом после опытов, проведенных на канонерской лодке "Хивинец", вступившей в строй боевых кораблей флота в 1906г. Холодильная машина на этом корабле использова­лась, в частности, и для охлаждения воздуха в жилых помещениях, что по тому времени было весьма прогрессивным и положило начало зарождению кондиционирования воздуха на кораблях.

Увеличение числа независимых механизмов - это объективная тенден­ция развития корабельной энергетики. Более развитая сеть независимых механизмов полнее обеспечивает потребности корабля, позволяет расши­рить его боевые возможности.

Рассмотренные составные части КЭУ, несмотря на различие выполняе­мых ими функций, глубоко взаимосвязаны и представляют собой единый ор­ганизм. Любые нарушения работоспособности отдельных его элементов не­избежно влекут за собой ограничение возможностей установки в целом, что в свою очередь приводит к снижению боевых и мореходных качеств ко­рабля. В итоге корабль может стать неспособным к выполнению в полной мере свойственных ему боевых задач. Для недопущения подобного все тех­нические средства КЭУ должны поддерживаться в исправном состоянии и постоянной готовности к действию. Это должно быть предметом повседнев­ной заботы личного состава электромеханической боевой части корабля.

Элементы энергетической установки размещаются в специальных поме­щениях (отсеках): реакторный отсек (РО), котельное отделение (КО), ма­шинное отделение (МО), машинно-котельное отделение ( МКО) и т.д.

Как правило, главная энергетическая установка размещается в сред­ней части корабля. Для повышения живучести КЭУ основные ее элементы обычно размещаются в разных отсеках. Например, в носовом машинном от­делении (НМО) и кормовом машинном отделении (КМО).

Таким образом, КЭУ не только обеспечивает кораблю боевые и море­ходные качества, но и непосредственно влияет на работу всех его час­тей, приборов, механизмов и вооружения. Поэтому от выбора того или иного типа КЭУ зависит деятельность корабля в целом.