Общекорабельные системы и корабельные устройства - Главная энергетическая установка
- Details
- Parent Category: Лекции
- Published: 24 July 2014
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 Ne 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.