Вопрос о том, удастся ли получить высокие скорости у судов обычного или необычного типа, зависит прежде всего от прогресса в судовом машиностроении. Наибольшая мощность применяемых на судах энергетических установок составляет 85 тыс. кВт (на 30-узловом транспортном судне). Для 35-узлового судна потребуется уже мощность порядка 140—180 тыс. кВт. Наибольшие из построенных до сего времени энергетических установок имеют мощность 175 тыс. кВт (на пассажирском судне) и 265 тыс. кВт (на авианосце). Однако корабли обоих этих типов не могут сравниваться с транспортными судами, ибо эксплуатируются в совершенно иных условиях. Превышения указанных мощностей можно ожидать, когда речь идет о больших трансокеанских судах на воздушной подушке, для которых потребуются мощности порядка 350—550 тыс. кВт. Мощность тепловой электростанции, обеспечивающей электроэнергией город с миллионным населением, составляет около 200 тыс. кВт. Для размещения агрегатов и подсобных служб такой электростанции требуется производственная площадь около 10 тыс. м2, на борту же судна для размещения установки можно выделить только от 1000 до 1500 м2 площади. Отсюда вполне очевидно, что развитие судового машиностроения должно ориентироваться на двигатели с большой концентрацией мощности, требующие незначительных площадей и кубатуры. Какие типы главных двигателей имеются в настоящее время и появятся в будущем? Если говорить об обычных транспортных судах, то на них в подавляющем большинстве случаев стоят дизели и значительно реже паротурбинные установки.
1 — низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт; 2 — дизель-редукторная установка; 3 — паротурбинная установка; 4 — газовая турбина; 5 — атомная установка; 6 — газотурбинная установка с электрической передачей на винт
Газовые турбины и атомные установки, широко используемые в военном кораблестроении, до сих пор практически не нашли применения в торговом флоте. Однако так продолжаться не будет. По мере дальнейшего роста скоростей и размеров судов вопрос об увеличении мощности судовых энергетических установок делается все более актуальным. Одновременно к установке должны предъявляться следующие требования:
— малый объем, необходимый для ее размещения;
— относительно высокая надежность;
— длительный срок службы;
— низкий расход топлива. Разумеется, что энергетическая установка должна, кроме того, легко поддаваться автоматизации.
Из всех двигателей непосредственно на гребной винт могут работать только малооборотные дизели с частотой вращения 100—200 об/мин (в некоторых случаях до 300 об/мин). Все остальные типы двигателей вследствие слишком высокой для гребного винта частоты вращения требуют понижающего редуктора. Это создает условия для применения многомашинных установок, когда на один гребной винт через редуктор работает сразу несколько двигателей и мощность, передаваемая на винт, возрастает. Если 2—4 среднеоборотных дизеля будут работать на один редуктор, то мощность, передаваемую на один гребной винт, уже сейчас можно довести до 55 тыс. кВт. Дальнейшее увеличение мощности может быть достигнуто путем применения многовальных установок с двумя или тремя гребными винтами. Но для того, чтобы повышенную мощность перспективных главных двигателей превратить с помощью гребных винтов в толкающий судно упор, требуется еще исследовательская работа в области самих гребных винтов. 432 ee В настоящее время максимальная мощность, которую гребной винт может переработать, составляет у гражданских судов около 45 тыс. кВт и у боевых кораблей — примерно 65 тыс. кВт на один винт. Дальнейшее повышение мощности винтов только за счет увеличения их диаметров невозможно, так как диаметр гребного винта должен быть меньше осадки судна. Например, гребной винт 250 000-тонного танкера с энергетической установкой мощностью 24 тыс. кВт имеет диаметр 9,4 м и массу почти 60 т. Большие размеры гребных винтов создают значительные технологические трудности при отливке. Новые пути увеличения мощности открывает применение соосных, расположенных один за другим гребных винтов противоположного вращения.
1 — трехвальная установка; 2 — гребной винт в насадке; 3 — соосные гребные винты противоположного вращения; 4 — водометный движитель
Диапазон мощностей свыше 35 тыс. кВт до настоящего времени занимают паровые турбины. Однако и здесь в перспективе с ними будут конкурировать газовые турбины. Преимущественная сфера применения мощных двигателей — по-видимому, быстроходные контейнеровозы и суда с горизонтальной погрузкой. Скорости свыше 30 уз требуют мощностей от 55 до 100 тыс. кВт. При меньшем пределе газовая турбина будет иметь массу 20 т, в отличие от 1400-тонной паротурбинной установки. Еще более важной является экономия площади. Длина машинного отделения газотурбинного судна при указанной мощности будет вдвое меньше, чем у паротурбинного. Благодаря этому грузовместимость газотурбинного судна возрастет на 10—20%. Примерно в такой же степени возрастет количество перевозимого груза. С применением электрической передачи газовые турбины позволяют осуществить совершенно новые принципы компоновки машинных отделений. Например, в очень небольшом и низком помещении в корме можно расположить гребной электродвигатель, приводящий гребной винт через редуктор, Этот двигатель будет получать питание от главной электростанции — генераторов электрического тока, приводимых непосредственно газовыми турбинами. Поскольку главная электростанция может находиться в любом месте судна, ее можно разместить в сравнительно небольшом машинном отделении на палубе. При этом резко сократится длина воздушных и газоотводных каналов, газовые турбины будут легко доступны и замена их после истечения срока службы не составит ни малейшего труда.
Однако для того, чтобы такой проект мог быть осуществлен, необходимо существенное снижение цен на электрооборудование. Кроме того, следует иметь в виду, что электрическая передача всегда связана с большими потерями мощности. Особую проблему представит также борьба с шумом, создаваемым работающими в надстройке на главной палубе газовыми турбинами. Кроме указанных, газовая турбина имеет и другие преимущества: малые расходы на обслуживание, возможность быстрой замены (в течение 4—6 ч), быстрая готовность к действию и, разумеется, большая концентрация мощности в очень малом объеме. Почему же, несмотря на многочисленные преимущества, газовые турбины до сих пор не нашли широкого применения в судовых энергетических установках? Это объясняется следующими причинами:
1) очень велик удельный расход топлива: газовая турбина расходует от 310 до 340 г на 1 кВт-ч, т. е. приблизительно на 40—50% больше, чем дизель.
2) в газовой турбине может сжигаться только легкое и потому дорогое топливо (например, дизельное), в то время как любой мало- или среднеоборотный дизель работает на тяжелом моторном топливе, стоимость которого на мировом рынке составляет около 60% стоимости дизельного топлива;
3) моторесурс, т. е. время между двумя переборками, у газовой турбины составляет всего 1500 ч, что намного ниже, чем у дизелей или паровых турбин.
Таким образом, если судовладелец решил поставить на свое судно газовую турбину, он должен иметь для этого достаточно веские основания. В будущем этот тип двигателей должен все чаще встречаться на быстроходных судах, ибо мощные энергетические установки другого типа окажутся более тяжелыми и займут значительно больше места, что неблагоприятно скажется на грузоподъемности и грузовместимости судна. Для очень быстроходных судов, особенно для судов на подводных крыльях и на воздушной подушке, газовые турбины представляют собой неизбежную необходимость. Повышения экономичности газовых турбин можно ожидать лишь в связи со снижением удельного расхода топлива. Но поскольку это наступит, по-видимому, не скоро, можно полагать, что в первое время увеличится число дизельных установок с редуктором, которые во многих случаях, особенно на быстроходных судах, заменят самый экономичный двигатель — малооборотный дизель. Если говорить об энергетических установках завтрашнего дня, нельзя обойти вниманием атомные энергетические установки. Установки такого типа уже доказали свою пригодность в качестве главных двигателей и безопасность эксплуатации на многочисленных боевых кораблях, а также на советских ледоколах «Ленин», «Арктика» и «Сибирь» и на трех гражданских судах. Однако атомные установки до сих пор еще неэкономичны. Существуют различные мнения о том, начиная с какой мощности атомные энергетические установки становятся экономичнее обычных. Результаты исследований колеблются между значениями 45 и 70 тыс. кВт. Естественно, что исследовательские работы в области применения атомной энергии для движения судов продолжаются; цель этих исследований — сдвинуть границу экономичности к более низким значениям мощности. Оптимистические прогнозы обещают, что через несколько лет атомные установки уже начиная с 15 тыс. кВт станут конкурентоспособными с энергетическими установками других типов.
Поскольку разведанных запасов нефти достаточно для того, чтобы и в 2000 г. покрывать мировые потребности в топливе, очевидно, не будет крайней необходимости в замене энергетических установок обычного типа атомными, особенно когда речь идет о сравнительно «малых» мощностях. Это нерационально уже хотя бы потому, что эксплуатация судов-атомоходов во многих странах мира регламентирована законодательными ограничениями. Эти законы, хотя и преследуют благую цель защиты окружающей среды, тем не менее, затрудняют эксплуатацию таких судов. Во многие порты вход судам с атомными установками вообще запрещен. Необходимые конструктивные мероприятия по обеспечению безопасности, к числу которых относится устройство тяжелого защитного контейнера для атомного реактора и ограждение реакторного отделения достаточным числом водонепроницаемых переборок на случай столкновения судов, не только сопряжен с увеличением массы, но и сильно увеличивают стоимость атомной установки по сравнению с установками обычного типа. Атомные энергетические установки в будущем смогут стать экономичными там, где требуются большие мощности и где грузы перевозятся на дальние расстояния. У универсальных сухогрузных судов, многих специализированных транспортных и пассажирских судов такие предпосылки отсутствуют. Поэтому вопрос о применении атомной энергии на судах такого типа пока не стоит. В то же время немалая часть контейнеровозов со скоростями 30 уз и более, а также супертанкеров и больших судов для перевозки навалочных грузов к концу века перейдет на атомную энергию. Так например, имеются сообщения прессы о том, что в США заказано три 600 000-тонных танкера-атомохода. Окончание их постройки намечено на 1985—1987 гг. По некоторым оценкам, к этому периоду в мире будет насчитываться уже около 2500 судов-атомоходов с энергетической установкой мощностью более 70 тыс. кВт. Однако ожидают, что теперешние установки с водяным реактором под давлением и паровой турбиной уступят место газоохлаждаемым высокотемпературным реакторам в сочетании с газовой турбиной.
До XXI века широкого применения атомной энергии в морском торговом флоте не предполагается. Для последующего периода возникают дополнительные проблемы. Будет ли к тому времени иметься еще достаточное количество обогащенного урана — топлива для атомных реакторов? Не истощатся ли месторождения урана в связи с быстро растущей сетью атомных электростанций еще раньше, чем нефтяные месторождения? Поскольку на атомные энергетические установки не возлагается чрезмерных надежд, поиски новых первичных источников энергии являются важной задачей. Известно, что уже появились и работают достаточно мощные батареи, составленные из топливных элементов. Однако, поскольку у двигателей этого типа трудно будет добиться большой концентрации мощности, их применение и в будущем, по-видимому, ограничится автомобильным и железнодорожным транспортом. Таким образом, и в дальнейшем наибольшее значение будут иметь двигатели внутреннего сгорания, а также газовые и паровые турбины. Ветер, тысячелетиями служивший в качестве движущей силы судов, также не будет оставлен без внимания. Возможности использования парусных судов, правильного планирования их рейсов растут вследствие улучшения качества прогнозирования погоды. Эти соображения привели к созданию проекта парусного судна «Дина». В этом проекте идет речь о шестимачтовом паруснике, который будет использоваться либо для перевозки грузов, либо в качестве круизного пассажирского судна. Средняя скорость его будет лежать в пределах 12—16 уз, а максимальная — до 20 уз. Паруса будут обслуживаться автоматически, матросам не нужно будет подниматься на мачты. Для плавания во время штиля или при ветре до 4 баллов по шкале Бофорта предусмотрен вспомогательный дизель, который может сообщить судну скорость порядка 6 уз.
Под воздействием роста цен на топливо и уменьшения запасов нефти появилось большое число проектов различных парусных судов. Однако ни один из них до сих пор еще не реализован. Не представляется ли захватывающей перспектива экономического соревнования парусников и атомоходов в начале следующего тысячелетия? Однако не стоит возлагать чрезмерных надежд на возрождение парусного флота. Главные двигатели торговых судов и после 2000 г. в основном будут принципиально того же типа, что и в наше время. Помимо того появятся еще атомные энергетические установки, если, конечно, оправдаются надежды на существенное снижение цен на ядерное горючее. Но сбудутся ли эти надежды, неизвестно. Во всяком случае, ясно, что прогресс в этом направлении будет непрерывно продолжаться, если высокие скорости станут всеобщим явлением на морском транспорте. Однако гораздо сильнее, чем тенденция к повышению скоростей, наблюдавшаяся в прошлые годы и ожидаемая в дальнейшем, будет проявляться в международном морском судоходстве стремление к повышению экономичности за счет увеличения размеров судов и сокращения их стояночного времени.
seaships.ru
Работа двигателя в ходу судна
Из приведенных винтовых характеристик при различных значениях относительной поступи гребного винта ?р (рис. 174) следует, что чем больше ?р, т. е. чем больше скорость судна v, тем меньше мощность двигателя при том же числе оборотов вала его. Такая зависимость объясняется тем, что чем больше скорость судна, тем меньше значение коэффициента k2, а потому при постоянном п об/мин будет меньше момент Мв и соответственно мощность двигателя. Основной эксплуатационный режим работы судна должен соответствовать режиму работы главного двигателя с номинальной мощностью и числом оборотов или быть несколько меньше их значений. При ходе судна мощность двигателя главным образом зависит от сопротивления движению судна, которое в свою очередь зависит от скорости судна, осадки его, глубины судового хода и скорости течения воды и ветра.
При увеличении сопротивления движению судна скорость его и число оборотов двигателя уменьшаются, если орган управления подачей топлива остается в неизменном положении. При увеличении подачи топлива скорость судна может быть восстановлена, если подача за цикл будет находиться в допустимых пределах, т. е. если позволит ограничитель подачи.
Движущая сила или полезная тяга гребного винта судна без воза (грузового или пассажирского судна) Ре.г.в равна силе сопротивления движению судна R.
Зависимость силы Ре.г.в от скорости судна v[Ре.г.в = f(v)] представляет собой винтовую характеристику двигателя (кривая 1, рис. 175), пересечение которой с кривой 2 наибольшего допустимого значения Ре.г.в (точка 3) определяет наибольшую скорость судна. Наибольшее допустимое значение ре.г.в при разных скоростях судна определяется из условия Мв = Мном = const. Здесь Мном — вращающий момент двигателя при номинальных мощности Ne ном и числе оборотов nнoм. Штормовая погода и малая глубина судового хода повышают сопротивление движению судна. В штормовую погоду вследствие качки судна создаются ненормальные условия работы гребного винта и выведенное из диаметральной плоскости положение руля, для поддержания судна по заданному курсу, оказывает дополнительное сопротивление движению судна. Следует заметить, что перекладка руля на большой угол при движении судна вызывает значительное повышение нагрузки на двигатель, и если при этом не будет уменьшена скорость судна, то двигатель в этот период может оказаться нагруженным больше, чем при Мном. Так, например, согласно опытным данным, при угле перекладки руля в 30° от диаметральной плоскости судна для сохранения Мв = Мном необходимо скорость судна снизить до 0,915 ?ном.
Зависимость силы тяги гребного винта Ре.г.в от скорости судна при различной силе ветра приведена на рис. 176.
Точки пересечения 1,2,3 заградительной характеристики Мном = const с кривыми силы ветра показывают, насколько скорость судна снижается в зависимости от силы ветра при сохранении неизменным номинального крутящего момента двигателя.
При движении судна по судовому ходу с малой глубиной вследствие повышенного волнового сопротивления и сопротивления трения сила тяги гребного винта при той же скорости судна больше, чем при движении судна
на глубокой воде. Следовательно, при переходе судна на мелководье, если топливный насос не имеет ограничителя подачи топлива, возможна перегрузка двигателя.
На рис. 177 показано изменение сопротивления воды движению судна в зависимости от глубины судового хода h. Кривая 1 показывает сопротивление движению судна на глубокой воде, а кривая 1? — на мелководье. Как видно из приведенных зависимостей, влияние мелководья проявляется начиная со скорости судна ?1 > 0,3?gh и перестает влиять по достижении скорости ?3 =?gh. При скорости ?gh > ? > 0,3 ?gh это влияние достигает максимальной величины. Для избежания перегрузки двигателя необходимо при переходе судна с глубокой воды со скоростью ?2 = ?ном понизить скорость до ?2?, при которой R2' = R2, Ре. г.в2' = Р е. г.в2; M2' = M2.
При ходе буксирного судна с возом сила тяги гребного винта Ре.г.в складывается из силы тяги на гаке судна Z и силы сопротивления движению судна R:
При движении судна без воза Z = 0 и потому Ре.г.в = R.
С увеличением буксируемого воза сила тяги на гаке, при той же скорости судна, возрастает, а потому возрастает сила тяги винта и вращающий момент его. При одном и том же значении силы тяги гребного винта с увеличением воза скорость судна уменьшается.
На приведенном выше рис. 175 показаны винтовые характеристики двигателя, установленного на буксирном судне, при различной величине буксируемого воза. Кривая 4 представляет собой винтовую характеристику двигателя при малом буксируемом возе, а кривая 5 — при большом возе. Точки пересечения указанных характеристик с кривой наибольшего допустимого значения Ре.г.в (кривая 2) определяют наибольшие скорости судна ?? и ?" при данных буксируемых возах.
При увеличении буксирного воза и соответственном уменьшении его скорости коэффициент момента гребного винта k2 возрастает, а потому, согласно формуле (256), при неизменном положении органа подачи топлива число оборотов вала двигателя уменьшится. При буксировке тяжелого воза, особенно при встречном ветре, происходит значительное снижение числа оборотов вала двигателя. При этом, вследствие увеличения (по времени) опережения подачи топлива, максимальное давление цикла возрастает, а температура выпускных газов может снизиться. Таким образом, при буксировке больших возов в неблагоприятных условиях хода судна, вследствие снижения числа оборотов вала п < nном, возрастают напряжения в деталях двигателя и судового валопровода. Для избежания этого, при указанных условиях работы судна, рекомендуется угол опережения подачи топлива уменьшать, однако не допуская при этом значительного повышения температуры выпускных газов.
При буксировке воза методом толкания, т. е. при расположении буксирного судна за кормой толкаемого им воза, уменьшается сопротивление последнего вследствие уменьшения зоны вихревого попутного потока, устранения сопротивления струи воды, отбрасываемой гребным винтом буксира, компактности и лучшей устойчивости толкаемого воза на курсе. Одновременно с этим уменьшается и сопротивление движению самого буксира- толкача, расположенного в зоне попутного потока, создаваемого возом.
При движении буксира-толкача, в отличие от буксира, вследствие увеличения скорости попутного потока скорость воды в диске гребного винта уменьшается, уменьшается его относительная поступь, возрастает сила тяги гребного винта и вращающий момент его. Таким образом, буксировка воза толканием одним и тем же буксиром позволяет повысить скорость хода его по сравнению со скоростью при буксировке на тросе. Одновременно с этим возрастает и необходимая мощность буксира-толкача. При переводе буксира с буксировки воза на тросах к толканию необходимо проверить возможность сохранения неизменным номинального числа оборотов вала двигателя.
В случае недопустимого повышения тепловых и механических напряжений в деталях двигателя, при сохранении n= nном, следует подачу топлива за цикл оставить неизменной, т. е. двигатель будет работать с мощностью, соответствующей внешней характеристике номинальной мощности при меньшем числе оборотов п <nном.
vdvizhke.ru
Для пуска, контроля работы и остановки главного двигателя служит специальный пост управления, расположенный сбоку на двигателе или на его торцевой стенке. У паротурбинной установки пост управления находится около корпуса турбины высокого давления рядом с трубопроводом пара, ведущим к турбинам переднего и заднего хода. К посту управления относятся машинный телеграф, системы пуска и обеспечения работы двигателя и турбины (рукоятка управления системой сжатого воздуха, клапаны управления подводом пара и т. д.), а также ряд контрольно-измерительных приборов (манометры, термометры, указатели частоты вращения и др.), с помощью которых оператор может контролировать работу энергетической установки.
1 — рукоятка; 2 — кавитирующий указатель; 3 — подтверждение: «машина-мостик»; 4 — сообщение: «мостик-машина»; 5 — приемник; 6 — указатель команд; 7 — кавитирующий рычаг; 8 — датчик
Машинный телеграф служит для передачи команд о ходе с мостика в машинное отделение. Выбранная на ходовом мостике определенная скорость появляется в виде команды на телеграфе в машинном отделении. Одновременно звучит сильный звонок, перекрывающий шум машинного отделения. Выполнение команды отражается на пульте ходового мостика, при этом происходит согласование выбранной и действительной скорости, и звуковой сигнал в машинном отделении умолкает. С развитием судостроения и усовершенствованием судовых двигателей пост управления судном постоянно оснащался все большим количеством контрольно-измерительных приборов. С целью улучшить условия работы в машинном отделении и защитить работающих там людей от высоких температур и вредного воздействия шума в машинном отделении стали устанавливать отдельные звуконепроницаемые посты управления с соответствующими установками кондиционирования воздуха. На рисунке ниже показаны такие посты управления.
а — центральный пост управления; b — пост управления механизмами
Стремление к сокращению численности команды судна и к применению механизмов и установок с оптимальными параметрами способствовало прогрессу автоматизации. Автоматизация охватила сначала непосредственное управление отдельными агрегатами главного двигателя (например, автоматическое регулирование температуры охлаждающей воды и смазочного масла, вязкости топлива, температуры отработавших газов и т. д.). Затем она распространилась и на всю судовую энергетическую установку (трюмные системы, системы балластной воды и т. д.). В конечном счете все это привело к уменьшению численности экипажа судна и к автоматизированной энергетической установке. Управление главным двигателем было переведено на мостик. На следующем рисунке изображен ходовой мостик современного судна с пультом дистанционного управления.
К обязанностям технического персонала таких судов относятся контроль за работой энергетических установок, их техническое обслуживание и ремонт при авариях. Следующим шагом в автоматизации машинных процессов явилось применение электронных вычислительных машин, которые автоматически обрабатывают команды, полученные при измерении параметров мощности энергетических установок, и выбирают наиболее рациональные условия работы. Так, например, вычислительная машина контролирует мощность двигателя и цилиндров, крутящий момент и частоту вращения в зависимости от внешних условий (ветер, волнение, нагрузка и т. д.). На нижнем рисунке дана схема автоматизированной энергетической установки. Из схемы видно, что команды можно передавать с мостика и параллельно с поста управления судном. В последнее время наряду с энергетической установкой ЭВМ используют и для управления другими рабочими процессами на судне, такими как погрузка и разгрузка жидких грузов на танкерах, определение остойчивости судна, выбор оптимального маршрута, определение местоположения судна в море, предупреждение столкновений и автоматическое уклонение судна от столкновений с другими судами или неподвижными препятствиями.
а — пульт управления; b — память; с — главный двигатель; d — пост управления механизмами
seaships.ru
Рис. 1. СХЕМА ТУРБОЭЛЕКТРОПРИВОДА. 1 - панель управления; 2 - главный электрогенератор; 3 - конденсатор; 4 - турбина; 5 - выход охлаждающей воды; 6 - подача охлаждающей воды; 7 - главный паропровод; 8 - клапан парового котла; 9 - паровой котел; 10 - силовой электрический кабель; 11 - гребной электродвигатель; 12 - гребной вал; 13 - гребной винт.
Судовые турбогенераторы переменного тока могут вырабатывать ток с частотой в пределах 25-100% максимальной, но не более 100 Гц. Генераторы переменного тока вырабатывают ток напряжением до 6000 В, постоянного - до СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ900 В.Дизельэлектроходы. Дизельэлектрический привод по существу не отличается от турбоэлектрического, за исключением того, что котельная установка и паровая турбина заменены дизельным двигателем. На небольших судах обычно на каждый винт работают один дизель-генератор и один электродвигатель, однако при необходимости можно отключить один дизель-генератор для экономии или включить дополнительный для увеличения мощности и скорости.КПД. Электродвигатели постоянного тока на низких оборотах создают больший крутящий момент, чем турбины и дизели с механической передачей. Кроме того, у двигателей и постоянного и переменного тока крутящий момент одинаков как при прямом, так и при обратном вращении. Полный КПД турбоэлектропривода (отношение мощности на гребном валу к энергии топлива, выделяющейся в единицу времени) ниже, чем КПД турбинного привода, хотя турбина и соединена с гребным валом через два понижающих редуктора. Турбоэлектропривод тяжелее и дороже механического турбинного привода. Полный КПД дизельэлектропривода примерно такой же, как у механического турбинного привода. Каждый тип привода имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому выбор типа двигательной установки определяется типом судна и условиями его эксплуатации.Электроиндукционная муфта. В этом случае передача мощности от двигателя к гребному винту производится электромагнитным полем. Принципиально такой привод подобен обычному асинхронному электродвигателю, за исключением того, что и статор и якорь электродвигателя в электромагнитном приводе сделаны вращающимися; один из них связан с валом двигателя, а другой - с гребным валом. Элемент, связанный с двигателем, представляет собой обмотку возбуждения, которая питается от внешнего источника постоянного тока и создает электромагнитное поле. Элемент, связанный с гребным валом, представляет собой короткозамкнутую обмотку без внешнего питания. Оба элемента разделены воздушным промежутком. Вращающееся магнитное поле возбуждает в обмотке второго элемента ток, что заставляет этот элемент вращаться, но всегда медленнее (со скольжением), чем первый элемент. Возникающий крутящий момент пропорционален разности частот вращения этих элементов. Выключение тока возбуждения в первичной обмотке "разъединяет" эти элементы. Частоту вращения второго элемента можно регулировать, меняя ток возбуждения. При одном дизельном двигателе на судне использование электромагнитного привода позволяет снизить вибрации благодаря отсутствию механической связи двигателя с гребным валом; при нескольких дизельных двигателях такой привод повышает маневренность судна за счет переключения гребных винтов, поскольку направление их вращения легко изменить.Атомные энергетические установки. На судах с атомными энергетическими установками главным источником энергии является ядерный реактор. Тепло, выделяющееся в процессе деления ядерного горючего, служит для генерации пара, поступающего затем в паровую турбину.См. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. В реакторной установке, как и в обычном паровом котле, имеются насосы, теплообменники и другое вспомогательное оборудование. Особенностью ядерного реактора является его радиоактивное излучение, которое требует специальной защиты обслуживающего персонала.Безопасность. Вокруг реактора приходитсяставить массивную биологическую защиту. Обычные защитные материалы от радиоактивного излучения - бетон, свинец, вода, пластмассы и сталь. Существует проблема хранения жидких и газообразных радиоактивных отходов. Жидкие отходы хранятся в специальных емкостях, а газообразные поглощаются активированным древесным углем. Затем отходы переправляются на берег на предприятия по их переработке.Судовые ядерные реакторы. Основными элементами ядерного реактора являются стержни с делящимся веществом (ТВЭЛы), управляющие стержни, охладитель (теплоноситель), замедлитель и отражатель. Эти элементы заключены в герметичный корпус и расположены так, чтобы обеспечить управляемую ядерную реакцию и отвод выделяющегося тепла. Горючим может быть уран-235, плутоний либо их смесь; эти элементы могут быть химически связаны с иными элементами, быть в жидкой или твердой фазе. Для охлаждения реактора используется тяжелая или легкая вода, жидкие металлы, органические соединения или газы. Теплоноситель может быть использован для передачи тепла другому рабочему телу и производства пара, а может использоваться непосредственно для вращения турбины. Замедлитель служит для уменьшения скорости образующихся нейтронов до значения, наиболее эффективного для реакции деления. Отражатель возвращает в активную зону нейтроны. Замедлителем и отражателем обычно служат тяжелая и легкая вода, жидкие металлы, графит и бериллий. На всех военно-морских судах, на первом атомном ледоколе "Ленин", на первом грузо-пассажирском судне "Саванна" стоят энергетические установки, выполненные по двухконтурной схеме. В первичном контуре такого реактора вода находится под давлением до 13 МПа и поэтому не вскипает при температуре 270° С, обычной для тракта охлаждения реактора. Вода, нагретая в первичном контуре, служит теплоносителем для производства пара во вторичном контуре. В первичном контуре могут использоваться и жидкие металлы. Такая схема применена на подводной лодке ВМС США "Си Вулф", где теплоносителем является смесь жидкого натрия с жидким калием. Давление в системе такой схемы сравнительно невелико. Это же преимущество можно реализовать, используя в качестве теплоносителя парафинообразные органические вещества - дифенилы и трифенилы. В первом случае недостатком является проблема коррозии, а во втором - образование смолистых отложений. Существуют одноконтурные схемы, в которых рабочее тело, нагретое в реакторе, циркулирует между ним и главным двигателем. По одноконтурной схеме работают газоохлаждаемые реакторы. Рабочим телом служит газ, например, гелий, который нагревается в реакторе, а затем вращает газовую турбину.Защита. Ее главная функция - обеспечить защиту экипажа и оборудования от излучения, испускаемого реактором и другими элементами, имеющими контакт с радиоактивными веществами. Это излучение делится на две категории: нейтроны, выделяющиеся при делении ядер, и гамма-излучение, возникающее в активной зоне и в активированных материалах. В общем случае на судах имеются две защитные оболочки. Первая расположена непосредственно вокруг корпуса реактора. Вторичная (биологическая) защита охватывает парогенераторное оборудование, систему очистки и емкости для отходов. Первичная защита поглощает большую часть нейтронов и гамма-излучение реактора. Это снижает радиоактивность вспомогательного оборудования реактора. Первичная защита может представлять собой двухоболочечный герметичный резервуар с пространством между оболочками, заполненным водой, и наружным свинцовым экраном толщиной от 2 до 10 см. Вода поглощает большую часть нейтронов, а гамма-излучение частично поглощается стенками корпуса, водой и свинцом. Основная функция вторичной защиты - снизить излучение радиоактивного изотопа азота 16N, который образуется в теплоносителе, прошедшем через реактор. Для вторичной защиты используются емкости с водой, бетон, свинец и полиэтилен. Экономичность судов с атомными энергетическими установками. Для боевых кораблей стоимость постройки и эксплуатационные расходы имеют меньшее значение, чем преимущества почти неограниченной дальности плавания, большей энерговооруженности и скорости кораблей, компактности установки и сокращения обслуживающего персонала. Эти достоинства атомных энергетических установок обусловили их широкое применение на подводных лодках. Оправданно и применение энергии атома на ледоколах.СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИСуществует четыре основных вида судовых движителей: водометные движители, гребные колеса, гребные винты (в том числе с направляющей насадкой) и крыльчатый движитель.Водометный движитель. Водометный движитель - это, по существу, просто поршневой или центробежный насос, который засасывает воду через отверстие в носу или днище корабля и выбрасывает через сопла в кормовой его части. Создаваемый упор (сила тяги) определяется разностью количеств движения струи воды на выходе и входе в движитель. Водометный движитель был впервые предложен и запатентован Тугудом и Хейсом в Англии в 1661. Позднее разные варианты такого двигателя предлагали многие, но все конструкции были неудачными из-за низкого КПД. Водометный движитель применяется в некоторых случаях, когда низкий КПД компенсирутся преимуществами в других отношениях, например для плавания по мелководным или засоренным рекам.Гребное колесо. Гребное колесо в самом простом случае - это широкое колесо, у которого по периферии установлены лопасти. В более совершенных конструкциях лопасти могут поворачиваться относительно колеса так, чтобы они создавали нужную пропульсивную силу при минимальных потерях. Ось вращения колеса расположена выше уровня воды, и погружена лишь его небольшая часть, поэтому в каждый данный момент времени только несколько лопастей создают упор. КПД гребного колеса, вообще говоря, возрастает с увеличением его диаметра; не редкость значения диаметра 6 м и более. Частота вращения большого колеса получается низкой. Невысокое число оборотов соответствовало возможностям первых паровых машин; однако со временем машины совершенствовались, их скорости возросли, и малые обороты колеса стали серьезным препятствием. В итоге гребные колеса уступили место гребным винтам.Гребные винты. Еще древние египтяне использовали винт для подачи воды из Нила. Есть свидетельства, что в средневековом Китае для движения судов использовали винт с ручным приводом. В Европе винт в качестве судового движителя впервые предложил Р. Гук (1680).Конструкция и характеристики. Современный гребной винт обычно имеет несколько лопастей примерно эллиптической формы, равномерно расположенных на центральной втулке. Поверхность лопасти, обращенную вперед, в нос судна, называют засасывающей, обращенную назад - нагнетающей. Засасывающая поверхность лопасти выпуклая, нагнетающая - обычно почти плоская. На рис. 2 схематично показана типичная лопасть гребного винта. Осевое перемещение винтовой поверхности за один оборот называют шагом p; произведение шага на число оборотов в секунду pn - осевая скорость лопасти винта нулевой толщины в недеформируемой среде. Разность (pn - v0), где v0 - истинная осевая скорость винта, характеризует меру деформируемости среды, называемую скольжением. Отношение (pn - v0)/pn - относительное скольжение. Это отношение - один из основных параметров гребного винта.
Рис. 2. ТИПИЧНАЯ ЛОПАСТЬ гребного винта. а - вид по оси вращения; б - профили сечений лопасти в плане; в - вид сбоку.Важнейшим параметром, определяющим рабочие характеристики гребного винта, является отношение шага винта к его диаметру. Следующие по значимости - количество лопастей, их ширина, толщина и форма, форма профиля и дисковое отношение (отношение суммарной площади лопастей к площади описывающего их круга) и отношение диаметра втулки к диаметру винта. Экспериментально определены диапазоны изменения этих параметров, обеспечивающие хорошие рабочие характеристики: шаговое отношение (отношение шага винта к его диаметру) 0,6-1,5, отношение максимальной ширины лопасти к диаметру винта 0,20-0,50, отношение максимальной толщины лопасти вблизи втулки к диаметру 0,04-0,05, отношение диаметра втулки к диаметру винта 0,18-0,22. Форма лопасти обычно яйцевидная, а форма профиля - плавно обтекаемая, очень похожая на профиль крыла самолета. Размеры современных гребных винтов варьируются от 20 см до 6 м и более. Мощность, развиваемая винтом, может составлять доли киловатта, а может превышать 40 000 кВт; соответственно, частота вращения лежит в диапазоне от 2000 об/мин для малых винтов до 60 для больших. КПД хороших винтов составляет 0,60-0,75 в зависимости от шагового отношения, числа лопастей и других параметров.Применение. На судах ставят один, два или четыре гребных винта в зависимости от размеров судна и требуемой мощности. Одиночный винт обеспечивает более высокий КПД, поскольку отсутствует интерференция и часть энергии, затрачиваемой на движение судна, восстанавливается гребным винтом. Это восстановление выше, если гребной винт установлен в середине спутной струи сразу за ахтерштевнем. Некоторое увеличение пропульсивной силы может быть достигнуто с помощью разрезного руля, для чего верхнюю и нижнюю части руля немного отклоняют в противоположные стороны (соответственно вращению винта), с тем чтобы использовать поперечную составляющую скорости струи после винта для создания дополнительной составляющей силы в направлении движения судна. Применение нескольких винтов увеличивает маневренность судна и возможности поворота без использования рулей, когда винты создают упор в разных направлениях. Как правило, реверсирование упора (изменение направления действия пропульсивной силы на обратное) достигается реверсированием вращения гребных двигателей, но существуют и специальные реверсивные винты, которые позволяют реверсировать упор без изменения направления вращения валов; это достигается поворотом лопастей относительно втулки с помощью механизма, расположенного во втулке и приводимого в действие через полый вал. Гребные винты изготавливают из бронзы, отливают из стали или чугуна. Для работы в соленой воде предпочтительнее сплав бронзы, легированной марганцем, поскольку он хорошо поддается шлифованию и успешно противостоит кавитации и воздействию соленой воды. Спроектированы и созданы высокоскоростные суперкавитирующие винты, у которых вся засасывающая поверхность занята зоной кавитации. При малых скоростях такие винты обладают несколько меньшим КПД, однако они значительно эффективнее обычных при высоких скоростях. См. также КАВИТАЦИЯ.Винт с направляющей насадкой. Винт с насадкой - обычный винт, установленный в коротком сопле, - изобретен немецким инженером Л.Кортом. Насадка жестко соединена с корпусом судна или выполнена с ним как одно целое.Принцип действия. Был сделан ряд попыток установить винт в трубе для улучшения его рабочих характеристик. В 1925 Корт обобщил результаты этих исследований и существенно усовершенствовал конструкцию: он превратил трубу в короткое сопло, диаметр которого на входе был больше, а форма соответствовала аэродинамическому профилю. Корт установил, что такая конструкция обеспечивает значительно больший упор при заданной мощности по сравнению с обычными винтами, поскольку струя, ускоряемая винтом, при наличии насадки сужается в меньшей степени (рис. 3). При одинаковых расходах скорость за винтом с насадкой (v0 + uў) меньше, чем за винтом без насадки (v0 + u). Поэтому идеальный КПД винта с насадкой возрастает в отношении (2v0 + u)/(2v0 + uў).
Рис. 3. СХЕМА ТЕЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ГРЕБНОЙ ВИНТ. а - без направляющей насадки, б - с направляющей насадкой.Преимущества. Преимущество винта с направляющей насадкой над обычным винтом проверено практикой. Выигрыш выше, когда скорость судна (v0) невелика, а винт тяжело нагружен, т.е. велика скорость скольжения (u). В связи с этим винты с насадкой чаще ставят на буксирах, траулерах и аналогичных судах, которые буксируют тяжелые грузы с малой скоростью. Для таких судов выигрыш на единицу мощности, создаваемый винтом с насадкой, может достигать 30-40%. На быстроходных судах винт с насадкой не имеет преимуществ, поскольку небольшой выигрыш в КПД теряется из-за увеличения сопротивления на насадке.Крыльчатые движители. Такой движитель представляет собой диск, на котором по периферии перпендикулярно плоскости диска размещены 6-8 лопатообразных лопастей. Диск установлен заподлицо с днищем корабля, а в поток опущены только лопасти движителя. Диск с лопастями вращается относительно своей оси, и, кроме того, лопасти совершают вращательное или колебательное движение относительно своей продольной оси. В результате вращательного и колебательного движений лопастей вода ускоряется в требуемом направлении, и создается упор для движения судна. Такой тип движителя имеет преимущество перед гребным винтом и гребным колесом, поскольку может создавать упор в любом желаемом направлении: вперед, назад и даже вбок без изменения направления вращения двигателя. Поэтому для управления судами с крыльчатым движителем не требуется рулей или других механизмов. Хотя крыльчатые движители не могут заменить гребные винты по универсальности применения, в некоторых специальных случаях они весьма эффективны.ЛИТЕРАТУРААкимов Р.Н. и др. Справочник судового механика. М., 1973-1974 Самсонов В.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М., 1981 Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые дизельные установки (спр.). Л., 1986 Артюшков Л.С. и др. Судовые движители. Л., 1988 Батырев А.Н. и др. Корабельные ядерные установки зарубежных стран. СПб., 1994 Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ — один из самых важных видов энергии. Электроэнергия в своей конечной форме может передаваться на большие расстояния потребителю. См. также ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА Производство и распределение электроэнергии. На районной (т.е.… … Энциклопедия Кольера
ТУРБИНА — первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа для преобразования кинетической энергии потока жидкого или газообразного рабочего тела в механическую энергию на валу. Турбина состоит из ротора с лопатками (облопаченного рабочего… … Энциклопедия Кольера
КОТЕЛ ПАРОВОЙ — сосуд давления, в котором нагревается вода, превращающаяся в пар. Тепловая энергия, подводимая к паровому котлу, может представлять собой тепло от сгорания топлива, электрическую, ядерную, солнечную или геотермальную энергию. Поскольку котел дает … Энциклопедия Кольера
СУДА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ — речные или морские суда, использующие устройство в форме крыла для того, чтобы поднять корпус судна над водой и уменьшить силы трения и сопротивления, ограничивающие скорость передвижения обычных судов. При движении в воде подводное крыло создает … Энциклопедия Кольера
МУФТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ — устройства, соединяющие концы двух валов с целью передачи вращения. МЕХАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ МУФТЫ Механические соединительные муфты это постоянные разъемные соединения. Очень длинные валы, например гребные валы судов, разделяют на секции,… … Энциклопедия Кольера
ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ — вид транспорта, осуществляющий перевозки пассажиров и грузов по рекам, озерам, каналам, вдоль морских побережий, а также в трансокеанских рейсах. Водные пути. Пути по рекам и озерам существенно облегчали исследование и освоение почти всех… … Энциклопедия Кольера
Одесская национальная морская академия — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия
dic.academic.ru
