!! СЭУ-последний Кирис Учебное пособие фин4


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.

Министерство образования и науки Украины


ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ















И.А. Бурмака,
А.В. Кирис, Н.А. Козьминых




Судовые энергетические установки

и
электрооборудование судов


УЧЕБН
ИК


























Одесса


2013




УДК 629.5.064
.5

ББК 39.42
-
015


К 43


Рекомендовано ученым советом Одесской национальной морской
академии в качестве
учебн
ика

по дисциплине «
Судовые энергетические
установки

и электрооборудование судов
» направления 6.070104 «Морской
и речной транспорт», протокол № , от
28 сентября

2013 г.



Реценβенты:
βаведующий ηафедры «Элеηтрλнных ηλмплеηсλв
судλвλждения» Одессηλй нациλнальнλй мλрсηλй аηадемии, д.т.н., прλф.
Вагущенηλ

Л.Л.;


д.т.н., прλф.
Кафедры судλвих энергетичесηих устанλвλη и техничесηλй
эηсплуатации
Одессηλгλ нациλнальнλгλ мλрсηλгλ университета
Вассерман А.А.;

генеральный диреηтλр Мλрсηλгλ Инженернλгλ Бюрλ д.т.н., прλф. Егλрλв
Г.В., 1
-
й βаместитель руηλвλдителя э
леηтрλмеханичесηλгλ λтдела
Мλрсηλгλ Инженернλгλ Бюрλ Кλлесниη Д.В.





К4
3



Бурмака И.А.

Судовые энергетические установки и электрооборудование судов
:
учебн
ик

/ И.А. Бурмака, А.В.
Кирис, Н.А. Козьминых


Одесса: ОНМА,
2013.


136 с.


В учебн
ике

изложены теоретические основы работы тепловых
двигателей, судового пароэнергетического оборудования, судовых
двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин,
вспомогательных установок и механизмов, систем, передач валопроводов и
электрооборудова
ния.

Учебн
ик

предназначено для курсантов и студентов высших морских
учебных заведений по направлению подготовки 6.070104 «Морской и
речной транспорт».


УДК 629.5.064
.5

ББК 39.42
-
05






© Бурмака И.А., Кирис А.В., Козьминых Н.А.., 2013


3

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ

................................
................................
................................
.................

5

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

.

8

1.1. Преобразование энергии в тепловых
двигателях. Рабочее тело

.................

8

1.2. Законы термодинамики

................................
................................
....................

8

1.3. Параметр
ы и процессы изменения состояния рабочего тела

......................

9

1.4. Циклы двигателей внутреннего сгорания

................................
....................

10

1.5. Цикл Карно. Анализ влияния характеристик циклов ДВС на их КПД

....

12

1.6. Схема работы и цикл простейшей газотурбинной установки (ГТУ)

........

13

1.7. Схема работы и цикл трех
ступенчатого компрессора

................................

13

1.8. Парообразование в судовых котлах

................................
.............................

15

1.10. Основные понятия теплопередачи

................................
.............................

16

2. СУДОВОЕ ПАРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

.....................

19

2.1.

Классификация и показатели работы котельных установок

.....................

19

2.2. Газотрубные котлы

................................
................................
.........................

20

2.3. Принцип работы водотрубного котла

................................
...........................

23

2.4. Вертикальный водотрубный парогенератор с естественной циркуляцией

................................
................................
................................
................................
..

24

2.5. Вспомогательные водотрубные котлы с принудительной циркуляцией

.

27

2.6. Водный режим паровых

котлов

................................
................................
....

30

2.7. Топливо и его свойства

................................
................................
..................

31

2.8. Топочные устройства

................................
................................
.....................

33

2.9. Тягодутьевые устройства

................................
................................
...............

35

3. СУДОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

.........................

36

3.1. Устройство двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

................................
..

36

3.2. Классификация и маркировка ДВС

................................
..............................

38

3.3. Принцип действия четырехтактных ДВС

................................
....................

39

3.4. Газораспределение четырехтактных дизелей

................................
..............

41

3.5. Принцип дейс
твия двухтактных дизелей

................................
.....................

43

3.6. Индикаторные показатели работы ДВС

................................
.......................

44

3.7. Эффективные показатели ДВС

................................
................................
......

46

3.8. Сравнение двух


и четырехтактных дизелей

................................
..............

48

3.9. Пути повышения мощности ДВС

................................
................................
.

49

3.10. Наддув дизелей

................................
................................
.............................

49

3.11. Газораспределение и продувка двухтактных дизелей

..............................

52

3.12. Образование горючей смеси в

дизелях

................................
.......................

53

3.13. Утилизация теплоты на морских судах

................................
......................

55

4. СУДОВЫЕ ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

................................
.......

59

4.1. Принцип действия паровых турбин

................................
..............................

59

4.2. Активные и реактивные паровые турбины

................................
.................

59

4.3. Многоступенчатые турбины

................................
................................
..........

60

4.4. Газовые турбины

................................
................................
.............................

62

5. СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕХАНИЗМЫ

63

5.1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов

..........................

63


4

5.2. Основы расчета теплообменных аппар
атов

................................
.................

64

5.3. Конструкции теплообменных аппаратов

................................
....................

65

5.4. Назначение и классификация судовых холодильных установок

...............

68

5.5. Схемы работы судовых холодил
ьных установок

................................
........

71

Одноступенчатая холодильная установка

................................
.....................

71

Холодильные установки судов для перевозки сжиженных газов

.................

73

Конструкции элементов холодильной
установки

................................
...........

76

5.6. Общие сведения о судовых насосах и их классификация

..........................

80

5.7. Насосы объемного принципа действия

................................
........................

81

5.7.1. Поршневые насосы

................................
................................
.................

81

5.7.2. Роторные насосы

................................
................................
.....................

88

5.8. Насосы гидродинамического действия

................................
........................

92

5.8.1. Центробежные насосы

................................
................................
...........

92

5.8.2. Осевые насосы

................................
................................
..........................

95

5.8.3. Струйные насосы

................................
................................
.....................

96

5.9. Судовые палубные механизмы и устройства

................................
...............

98

5.9.1. Якорные и швартовные устройства

................................
.....................

98

5.9.2. Грузовые устройства и люковые закрытия

................................
........

102

5.10. Судовые рулевые машины

................................
................................
.........

104

5.10.1. Назначение рулевых машин и требования к ним

.............................

104

5.10.2. Электрогидравлические рулевые машины

................................
.........

105

5.10.3. Телепередачи рулевых машин

................................
..............................

108

6. СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ, ПЕРЕДАЧИ И ВАЛОПРОВОД

........................

1
13

6.1. Система смазки

................................
................................
.............................

113

6.2. Система охлаждения

................................
................................
.....................

114

6.3. Топливная система

................................
................................
........................

117

6.4. Система сжатого воздуха

................................
................................
.............

118

6.5. Система газовыпуска

................................
................................
....................

119

6.6. Осушительная, балластная и противопожарная системы

........................

119

6.7. Система вентиляции и кондиционир
ования воздуха

................................

122

6.8. Система отопления

................................
................................
.......................

123

6.9. Передачи

................................
................................
................................
........

123

6.9.1. Механические передачи

................................
................................
..........

123

6.9.2. Электропередачи

................................
................................
....................

125

6.9.3. Гидродинамические муфты

................................
................................
..

125

6.10. Валопровод

................................
................................
................................
..

126

6.10.1. Назначение и устройство валопровода

................................
.............

126

6.10.2. Особенности работы валопровода

................................
....................

127

7. СУДОВОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
................................
....................

129

7.1. Требования к судовому электрооборудованию

................................
.........

129

7.2. Гребные электрические установки
................................
..............................

133

Список литературы

................................
................................
...............................

136


5

П
освящается

нашим Учителям


профессору П.П. Акимову

(ЛВИМУ им. адм. Макарова),

профессору В.Ф. Коваленко (ОВИМУ)



ВВЕДЕНИЕ


Основным назначением судовой энергетической
установки (СЭУ) является
обеспечение движения судна. В нее входят механизмы и устройства, снабжа
ю
щие судно электроэнергией, паром, водой и обеспечивающие работу самой
энергетической установки, а также обеспечивающие управление судном, пр
о
изводство грузовых

операций, кондиционирование воздуха во всех помещениях
и трюмах.

Вся совокупность механизмов и систем СЭУ делится на:



главную установку, обеспечивающую движение судна;



вспомогательную установку, обеспечивающую потребности судна в
энергии на ходу и сто
янке;



системы и механизмы общесудового назначения.

Главная установка состоит из главных двигателей, передачи, валопровода
и движителя. Работа главной установки обеспечивается системами топливной,
масляной, охлаждения, газовоздушной и системой сжатого воз
духа.

Все судовые энергетические установки являются теплосиловыми, так как
работа в них совершается за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгор
а
нии топлива (или делении ядер расщепляющихся элементов в атомных энерг
е
тических установках).

Морские и речны
е суда по типу главного двигателя можно классифицир
о
вать следующим образом:

1.

Пароходы, где главным двигателем являлся паропоршневой двигатель.

2.

Теплоходы, где главный двигатель


двигатель внутреннего сгорания
(ДВС).

3.

Турбоходы, которые делятся на
паротурбоходы (главный двигатель


па
ровая турбина) и газотурбоходы (главный двигатель


газовая турбина).

4.

Электроходы, гребной винт которых приводится в действие электродв
и
га
телями, получающими питание от дизельгенератора или турбоге
нератора.

5.

Атомохо
ды, где используется ядерная энергетическая установка.

Главные установки классифицируются по следующим признакам:



по типу главных двигателей: паровые машины, двигатели внутреннего
сгорания (ДВС); газовые и паровые турбины; гребные электродвигатели; яде
р
ные энергоустановки.



по количеству гребных валов: одно
-
, двух
-

и многовальные.



по типу главной передачи


с прямой механической, редукторной, эле
к
трической или комбинированной.


6



по типу движителя


с гребными винтами, водометами, воздушными
винтами, к
рыльчатыми движителями.

Первой практически пригодной СЭУ была паровая машина, установленная
инженером Робертом Р.Фултоном на речное судно «Клермонт», которое откр
ы
ло новую эру в истории судоходства, начав совершать регулярные рейсы и п
е
ревозить пассажиров

между Нью
-
Йорком и Олбани со скоростью 5 узлов. На
деревянном судне длиной 43 м были установлены две мачты, на которых в сл
у
чае необходимости поднимались паруса в помощь двигателю мощностью 20
л.с. (1 л.с.  0,735 кВт).

Что касается стран СНГ, то первый п
ароход «Елизавета» (длина 18,3 м,
ширина 4,5 м, осадка 0,61 м) был построен в России в 1815 году для плавания
между Петербургом и Кронштадтом.

Однако постепенно паропоршневая машина стала малопригодной для
крупных транспортных судов, так как ее низкий коэф
фициент полезного де
й
ствия вынуждал увеличивать размеры паровой машины, что существенно
уменьшало полезную грузоподъемность. Так, к 1900 году судовая паровая м
а
шина достигла пределов своей мощности


20000 л.с. при следующих размерах:
длина и ширина машины

составляла 22 и 12 м, диаметр цилиндра и ход поршня
2,85 м и 1,8 м соответственно.

Кардинальное повышение эффективности СЭУ было связано в то время с
появлением многоступенчатых паровых турбин, позволивших не только увел
и
чить коэффициент полезного действи
я (КПД) с 4
-
5% до 12
-
13%, но и сущ
е
ственно уменьшить массогабаритные характеристики двигателей.

В 1884 г. английский инженер и предприниматель Ч.Парсонс изобрел
первую реактивную многоступенчатую турбину (мощностью 5 л.с. при

частоте
вращения 24000 1/мин) и основал компанию по производству морских паровых
турбин, которая построила первый турбоход «Турбиния». Турбоход был сп
у
щен на воду, в 1899 г. получил две турбины мощностью по 1000 кВт и на и
с
пытаниях показал скорость 20 у
злов. Длина судна составляла 37,8 м, ширина
3,2 м, водоизмещение 44,5 т.

В это же время капитан
-
лейтенантом Кузьминским П.Д. была построена и
установлена на речном катере первая газотурбинная установка, которая исп
ы
тывалась в 1892


1897 г.г.

Однако насто
ящую революцию в судовых энергетических установках пр
о
извело создание Рудольфом Дизелем в 1897 г. первого экспериментального
двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием. Однако этот
двигатель не оправдал надежд изобретателя, так как мог р
аботать только на к
е
росине.

В 1898 г. Э.Нобель покупает патент и на своем заводе (после революции
завод «Русский дизель») существенно перерабатывает конструкцию двигателя
для обеспечения условий работы на сырой нефти. После этого он является
наиболее эконо
мичным двигателем


на первом русском дизеле мощностью 18
кВт расход топлива (сырой нефти) составил 0,3 кг на 1 кВт∙ч, что было на треть
меньше расхода керосина в двигателе Р.Дизеля.


7

Следует отметить, что суда с паровыми или газовыми турбинами оказ
а
лись эф
фективными только при сочетании большого водоизмещения и требу
е
мой для высокой скорости большой мощности. Такое сочетание характерно для
пассажирских судов и кораблей военного флота.

В настоящее время дизельные установки занимают доминирующее пол
о
жение на
флоте, работают на дешевых тяжелых сортах топлива, имеют низкий
расход топлива и самый высокий КПД.

Так, фирма «Wtsi», являющаяся одним из самых крупных производит
е
лей судовых дизельных двигателей, предлагает судовой двигатель мощностью
80000 кВт с уде
льным расходом топлива менее 170 г/кВт∙ч и к.п.д. более 50%.

По мнению авторов, учебник по дисциплине «Судовые энергетические
установки и электрооборудование судов» будет способствовать формированию
у судоводителей стойких базовых знаний о строении и прин
ципах действия с
у
дового энергетического комплекса и характере взаимодействия его элементов.

Целью дисциплины является приобретение будущими специалистами о
с
нов для дальнейшего усвоения материала специальных дисциплин и успешной
практической деятельности на

морских и речных судах.

В учебнике введение, главы 1, 2, 3 и 4 написаны А.В. Кирисом (ОНМА);
главы 5 и 7


Н.А. Козьминых (ОНМА);
при подготовке
глав
ы

6
использованы
материалы

М.В. Грибиниченко (ДВПИ им. Куйбышева, РФ). Под редакцией
к.д.п. И.А. Бурмаки (
О
H
МА).










8

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Преобразование энергии в тепловых двигателях. Рабочее тело


Рассмотрим в общих чертах процесс преобразования тепловой энергии в
механическую в основных типах тепловых двигателей


пар
отурбинных уст
а
новках (ПТУ) и двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

В любой паротурбинной установке теплота от продуктов сгорания перед
а
ется кипящей воде, которая превращается в пар, перегревается в пароперегр
е
вателе и поступает на рабочую часть турбины.
Температура и давление пара
перед турбиной гораздо выше, чем эти параметры окружающей среды, поэтому
пар способен совершить работу, которую он и совершает в процессе адиабатн
о
го расширения на проточной части турбины. При этом давление и температура
пара по
нижается и отработавший пар поступает в конденсатор, где он конде
н
сируется, отдавая свою теплоту парообразования. Образованный конденсат
насосом подается в котел, цикл рабочего тела замыкается. Трансформация те
п
ловой энергии продуктов сгорания в механическ
ую энергию вращения ротора
осуществляется в процессе изменения теплового и агрегатного состояния раб
о
чего тела.

При работе ДВС рабочее тело получается в результате горения топливной
смеси, подаваемой в пространство цилиндра между его крышкой и поршнем.
Т.к
. температура и давление рабочего тела больше температуры и давления
окружающей среды, оно способно совершить работу, поэтому рабочее тело
расширяется, передвигая поршень. Эта энергия непосредственно используется
для совершения работы и обратного движения
поршня, которое происходит за
счет части энергии, переданной через кривошипно
-
шатунный механизм мах
о
вику.

В обоих примерах рабочим телом служит газ или пар. В качестве рабочего
тела можно использовать твердое, жидкое или газообразное вещество, но
наиболее
эффективно теплота переходит в работу в телах, резко меняющих
свой объем при изменении температуры.

Такое изменение объема (и давления) при изменении температуры назыв
а
ется процессом, ход которого контролируется по параметрам состояния рабоч
е
го тела. К ним

относятся в первую очередь давление (
p
), температура (
t
) и
удельный объем (
v
).

Рабочим телом в термодинамике называют некоторое промежуточное тело,
при помощи которого осуществляется трансформация тепловой энергии в м
е
ханическую в тепловых двигателях.



1.2. Законы термодинамики


Из анализа процесса преобразования тепловой энергии (
q
) в механическую
(

) следует, что необходим подвод теплоты (
q
1
) и ее отвод (
q
2
). Подвод теплоты

9

осуществляется в процессе приготовления рабочего тела (перегретого пара в
ПТУ и продуктов сгорания в ДВС), а отвод теплоты в первом случае обеспеч
и
вается при конденсации отработавшего пара, а во
-
втором


путем удаления
продуктов сгорания (выхлопа) из двигателя. Кроме того в ДВС, из
-
за их ко
н
структивных особенностей, часть теплот
ы отводится дополнительно с охл
а
ждающей водой.

Изложенное позволяет сформулировать два основных закона термодин
а
мики:

I закон: “для обеспечения работы теплового двигателя необходимо подв
о
дить теплоту”;

II закон термодинамики: “для обеспечения работы теплов
ого двигателя
необходимо отводить теплоту”.

Разница между подведенной и отведенной теплотой и представляет собой
результат функционирования теплового двигателя


работу


=

q
1



q
2.
. Отсюда,
зная, что любой коэффициент полезного действия (КПД)


это
отношение п
о
лученного к затратам, запишем выражение для определения теоретического
КПД теплового двигателя (
η
t
)


.



(1)


1.3. Параметры и процессы изменения состояния рабочего тела


Напомним, что величины, характеризующие физические свойства рабочего
тела в данный момент, называются
параметрами состояния рабочего тела
,

и
н
епосредственному измерению поддаются три параметра состояния: давление
р
, удельный объем
v

и температура
T
, которы
е называются
основными или те
р
мическими параметрами.

Поэтому состояние судовой энергетической устано
в
ки контролируется
,

в первую очередь
,

по показаниям манометров и термоме
т
ров. Удельный объем же служит одной из координат при графическом изобр
а
жении проце
ссов, происходящих с рабочим телом. В частности, в технике пр
и
нято пользоваться
p

v

координатами, удобство которых заключается в их
наглядности и в том, что площади под линиями, изображающими процессы, в
масштабе показывают работу.

Основными процессами изм
енения состояния рабочего тела являются из
о
хорный (при
v

const), изобарный (при
p

const), изотермный (при
T

=

const) и
адиабатный (происходящий без теплообмена с окружающей средой) процессы.

Одним из примеров изохорного процесса является процесс взр
ывообразн
о
го горения паров бензина в карбюраторном двигателе
,

и этот процесс в
p

v

ди
а
грамме изображается вертикальной линией (практически в цилиндре при под
а
че искры происходит взрыв смеси паров бензина с воздухом, что сопровожд
а
ется резким ростом давлени
я).

В то

же время изобарный процесс изображается в
p

v

диаграмме горизо
н

10

тальной линией и может служить иллюстрацией “медленного” горения топлива
в цилиндре дизельного двигателя.

Изотермический процесс мы знаем по процессу кипения воды в чайнике,
где темпер
атура не меняется. В технике этот процесс сопровождает подготовку
рабочего тела в парогенераторе. Касательно же поршневых двигателей этот
процесс мог бы описывать бесконечно медленное сжатие рабочего тела в ц
и
линдре ДВС (рис. 1),

т.е. изотерма представляет

собой равнобокую гиперболу


с уменьшением объема давление повышается (процесс сжатия
1
-
2
), а с увел
и
чением объема давление уменьшается (процесс расширения
2
-
1
).




Адиабатным процессом считается любой настолько быстротекущий пр
о
цесс, что теплообмен пр
и его течении не успевает произойти. В технике любой
процесс сжатия и расширения считается адиабатным (рис. 2), который, в отл
и
чие от изотермического процесса, изображается неравнобокой гиперболой
,

расположенной несколько более круто по сравнению с изотерм
ой (что и поня
т
но, так как при быстром сжатии газа его да
в
ление растет быстрее по сравнению с ме
д
ленным сжатием).


1.4. Циклы двигателей внутреннего сг
о
рания


Цикл быстрого горения был построен
немецким инженером Отто после изобрет
е
ния им в 1876 г.
четырехтактного ДВС (по
принципу, предложенному французским и
н
женером Бо
-
де
-
Роша в 1862 г). Цикл Отто в
р
-
v диаграмме изображен на рис. 3.


11

Из рисунка видно, что цикл состоит из следующих процессов:
1
-
2



сж
а
тие;
2
-
3



взрывообразное (быстрое) горение (подв
од теплоты
q
1
);
3
-
4



расш
и
рение продуктов сгорания (рабочий ход);
4
-
1



выхлоп (отвод теплоты
q
2
).

Цикл Дизеля был построен после изобретения в 1897 г. немецким инжен
е
ром Дизелем своего двигателя. В этом двигателе горение нефти осуществл
я
лось в результате

ее “распыления” струей воздуха и самовоспламенения в р
е
зультате сжатия в цилиндре воздуха (топливо с “распыливающим” воздухом
подавалось в цилиндр в конце сжатия). Цикл Дизеля показан на рис. 4, где
1
-
2



процесс сжатия;
2
-
3



медленное горение (сжатый во
здух не мог распределить
нефть в виде достаточно мелких капель, поэтому горение происходит плохо,
т.е. медленно);
3
-
4



рабочий ход и
4
-
1



выхлоп.




Следует отметить, что в последнее время ни один так называемый “дизель”
по циклу Дизеля не работает, т.к. после усовершенствований, выполненных
русским инженером Г.В. Тринклером (и получившим в 1904 г. патент на свой
бескомпрессорный двигатель), они рабо
тают по циклу Тринклера (рис. 5). На
этом рисунке:
1
-
2



сжатия;
2
-
3



быстрое горение;
3
-
4



медленное горение;
4
-
5



рабочий ход;
5
-
1



выхлоп.

Характеристиками циклов являются следующие:




степень сжатия;




степень повышения давления;




степень предварительного рас
ширения.

Анализ циклов (рисунки 3,

4,

5) показывает, что в цикле Дизеля λ1 (да
в
ление в цилиндре при самовоспламенении и горении топлива не меняется), а в
цикле От
то

(т.е. нет фазы медленного горения топлива).

Анализ процессов, происходящих с рабочим телом при работе ДВС, по
з

12

воляет оценить влияние характеристик циклов на КПД двигателя. Для этого
необходимо вспомнить цикл и выводы Карно, ка
сающиеся способов повыш
е
ния КПД любого теплового двигателя.


1.5. Цикл Карно. Анализ влияния характеристик циклов ДВС

на их КПД


Свой знаменитый цикл С. Карно опубликовал в 1824 г. Логика построения
этого цикла заключается в том, что, если цикл составить
из наиболее эффе
к
тивных процессов, то и эффективность такого цикла будет наибольшей, т.е.
КПД будет максимальным.

Эффективность процесса изменения состояния рабочего тела определяется
потерями теплоты


чем они меньше, тем процесс более эффективен. Тогда с
а
мым эффективным процессом (из четырех стандартных) является адиабатный,
так как при протекании этого процесса отсутствует теплообмен с окружающей
средой. Но две адиабаты (эквидистантные кривые) не могут образовать цикл.

Из оставшихся трех стандартных про
цессов наиболее эффективным явл
я
ется изотермический процесс, т.к. внутренняя энергия рабочего тела не меняе
т
ся. Цикл Карно, состоящий их двух адиабат и двух изотерм, показан на рис. 6.

Очевидно, что после сжатия
3
-
4

необходим подвод теплоты (изоте
р
ма
4
-
1
),
после чего рабочее тело с
о
вершает рабочий ход
1
-
2

(расшир
е
ние) и затем осуществляя
-
ется из
о
термический отвод теплоты
2
-
3
.

И если КПД любого цикла
определяется по формуле (1), то п
о
сле подстановки
q
1

и
q
2

изотермич
е
ских процессов и несложных мат
е
матических

преобразований можно
получить КПД цикла Карно


,





(2)


из которой видно, что для повышения КПД необходим
о

температуру подвода
теплоты (
Т
1
) увеличивать, а температуру отвода теплоты (
Т
2
) уменьшать. Это
является правилом

повышения эффективности работы любого теплового двиг
а
теля (здесь
Т
1
и
Т
2
соответственно максимальная и минимальная температура
цикла).

Зная общие пр
а
вила повышения КПД теплового двигателя, можно просл
е
дить влияние характеристик циклов на КПД
.

Очевидно, чт
о увеличение
ε

и
λ

вызывает повышение КПД циклов ДВС, а увеличение


снижает КПД
.

В пе
р
вом случае с ростом
ε

и
λ

растет средняя температура подвода теплоты, а во

13

втором


чем больше

, тем хуже горит топливо, раз оно догорает в камере сг
о
рания после прохо
ждения поршнем верхней мертвой точки (ВМТ).


1.6. Схема работы и цикл простейшей газотурбинной установки (ГТУ)


Принципиально работа ГТУ может быть организована двумя способами: с
подводом тепла при
v

= const

и
подводом тепла при
р

= const.

При работе ГТУ
по циклу с подводом теплоты пара при
v

 const, камера
сгорания отключается от компрессора и газовая турбина специальными запо
р
ными устройствами. За счет этого процесс в КС осуществляется изохорно

и
давление увеличивается значительно выше давления, создаваемого компресс
о
ром. В современных ГТУ, как правило,
q

подводится при
р

 const. На рис. 7
изображен цикл и принципиальная схема работы простейшей судовой ГТУ.



Характеристиками цикла являются ст
епень повышения давления в ко
м
прессоре
β  р
2

1

и степень изобарного расширения


= v
3
/v
2
.

Внешний воздух, засасываемый турбокомпрессором, сжимается до давл
е
ния
р
2

и нагнетается в камеру сгорания, куда впрыскивается жидкое топливо,
которое сгорая, образуе
т газообразные продукты сгорания высокой температ
у
ры. Затем продукты сгорания поступают в ГТ, где расширяются до атмосфе
р
ного давления. Выпуск отработавших газов из турбины производится во вне
ш
нюю среду.

В ГТУ с точки зрения термодинамики процесс преобразо
вания тепловой
энергии в механическую осуществляется по тому же принципу, что и в ДВС. В
обоих случаях сжатая горючая смесь после сгорания расширяется и производит
работу, часть которой тратится на осуществление сжатия.

Иное конструктивное оформление ГТУ с
равнительно с ДВС позволяет
осуществить полное расширение газов в турбине, т. е. довести давление в конце
расширения до внешнего давления, что увеличивает КПД
.

1.7. Схема работы и цикл трехступенчатого компрессора


К компрессорам относятся:

1.

Вентиляторы, со
здающие избыточное давление газа до 0,1 атм.


14

2. Воздуходувки, создающие избыточное давление газа до 2 атм.

3. Собственно компрессоры


от 2 атм. до неограниченного давления.

При работе компрессора, в процессе сжатия газов, резко возрастает его
температура.

Последнее обстоятельство неприятно не только тем, что повыш
е
ние температуры влечет значительные дополнительные затраты работы на сж
а
тие. При этом также возрастают термические нагрузки на подвижные детали
компрессора, что затрудняет смазку трущихся деталей
. Степень повышения
давления (
) должна быть менее восьми, так как при больших

происходит
возгорание смазывающего масла.

Для повышения давления сжимаемого газа и экономичности компрессоров
обычно
применяют не одноступенчатое, а многоступенчатое сжатие с пром
е
жуточным охлаждением сжимаемого газа между ступенями.

Схематично 3
-
х ступенчатый поршневой компрессор представляет собой
систему из 3
-
х поршней различного диаметра, жестко сидящих на одном валу

и
движущихся каждый в своем цилиндре (рис. 8).


Рис. 8. Схема работы и цикл трехступенчатого компрессора


В данном компрессоре между цилиндрами устанавливаются поверхнос
т
ные водяные холодильники, проходя через которые газ, не снижая своего да
в
ления, умен
ьшает свою температуру до значения, близкого к
t
°С

охлаждающей
среды.

Сжатие воздуха в трехступенчатом компрессоре состоит из следующих
процессов:

0

1



всасывание воздуха из атмосферы;

1

2



сжатие воздуха в ступени низкого давления I;

2

3



охлаждение (
изобарное) в охладителе воздуха I ступени;

3

4



сжатие воздуха в ступени среднего давления II;

4

5



охлаждение в охладителе воздуха II ступени;

5

6



сжатие воздуха в ступени высокого давления III;

6

7



выталкивание воздуха потребителю.

Процесс
1

8

пока
зывает адиабатное сжатие воздуха без промежуточного
охлаждения.

Так как площади в
р
-
v

координатах определяют работу, штриховкой пок
а
зана работа, сэкономленная при работе трехступенчатого компрессора при
охлаждении сжатого воздуха после 2 и 3 ступенями (т.
е. площадь
0187

показ
ы

15

вает работу сжатия трехступенчатого компрессора без промежуточного охл
а
ждения воздуха, а площадь
01234567

показывает работу сжатия компрессора с
промежуточным охлаждением.


1.8. Парообразование в судовых котлах


Парообразованием
называется превращение вещества из жидкого состо
я
ния в газообразное.

Из повседневного опыта известно, что жидкость в открытом сосуде пост
е
пенно испаряется. Испарением называется такое парообразование, которое
происходит всегда и при любой температуре.

Механизм этого явления заключается в том, что отдельные молекулы, о
б
ладающие наибольшей скоростью, преодолевая поверхностное натяжение, в
ы
летают за поверхность раздела. Если сосуд открыт, то путем диффузии и пер
е
мешивания пар распространяется в окружающую
среду. Если сосуд закрыт, к
о
личество молекул пара над жидкостью остается постоянным за счет динамич
е
ского равновесия между молекулами испаряющимися и конденсирующимися.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным.
Если, не меняя темпер
атуры, изменить объем над жидкостью, то концентрация
молекул изменится, динамическое равновесие нарушится. Для его восстановл
е
ния неизбежно произойдет либо испарение, либо конденсация. В итоге восст
а
новится прежнее давление насыщенного пара.

При заданной т
емпературе давление насыщенного пара (давление насыщ
е
ния) имеет одну и ту же строго определенную величину. Чем выше температ
у
ра, при которой испаряется жидкость, тем выше давление насыщенного пара.

Превращение жидкости в пар требует подвода тепла. В против
ном случае
температура жидкости понижалась бы. Интенсивный подвод тепла вызывает
парообразование. В этом случае процесс испарения называют кипением.

При кипении, как и при испарении, температура кипения однозначно
определяется давлением. Температура кипени
я


это та температура, при кот
о
рой давление насыщенного пара равно внешнему давлению.

Все рабочие тела, меняя свое агрегатное состояние, проходят три стадии
парообразования и меняют свой удельный объем (вода


пар


перегретый пар).
Изменение объема прои
сходит до критической точки, параметры которой сл
е
дующие:
р
кр

=
225,05

атм
,
t
o

=
374,15
o
С
,

v

=
0,0031

м
3
/кг
.

Эти же стадии парообразования рабочее тело проходит при работе судов
о
го парового котла, причем первая стадия обеспечивается работой экономайз
е
ров котла (подогрев воды до температуры кипения), вторая


парогенериру
ю
щими или кипятильными трубами, а третья


змеевиками пароперегревателя
(перегрев пара).



1.9. Схема работы и цикл и простейшей паротурбинной установки



Основным циклом паротурбин
ных установок является цикл Ренкина.
Схема работы таких установок и цикл
Ренкина показаны на рис. 9, где
:


16

1

2



адиабатное расширение пара в турбине;

2

3



конденсация пара в конденсаторе;

3

4



подача воды в котел (показано условно), т.к. давление конденс
ата
повышается насосом;

4

1



подогрев воды, ее кипения (парообразование) и перегрев, что прои
с
ходит при постоянном давлении.



Является очевидным, что для повышения КПД циклов ПТУ необходимо
повышать давление в котле, увеличивать температуру перегретого пара (эти два
способа повышают среднюю температуру подвода теплоты
Т
1
) и уменьшать
давление в конденсаторе (это уменьшает среднюю

температуру отвода теплоты
Т
2
), что ограничено параметрами окружающей среды. В судовых ПТУ также
применяется двойной (вторичный) перегрев пара, когда частично отработавший
пар (например после турбины высокого давления) направляется во второй п
а
роперегрева
тель. Это позволяет увеличить среднюю температуру подвода те
п
лоты, что повышает
η

цикла.


1.10. Основные понятия теплопередачи


В состав судовой энергетической установки, помимо тепловых двигателей,
входит множество устройств и аппаратов
,

действи
е

которых

основано на пер
е
даче теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Так, например, в пар
о
энергетической установке главным теплообменным устройством является п
а
ровой котел с подогревателями воды и воздуха (котельный агрегат), конденс
а
тор отработавшего пар
а, подогреватели питательной воды и топлива, охладит
е
ли масла, пара и т.д.

Точно также на дизельных судах имеются подогреватели топлива, охлад
и
тели масла, воды и воздуха.

Процессы теплопередачи пронизывают все области технических и биол
о

17

гических знаний
человека. Наиболее сложным и совершенным теплообменным
аппаратом является человеческий организм. Расстройство его терморегулир
о
вания на десятые доли градуса приводит к ухудшению деятельности всех его
органов.

Существует бесчисленное множество теплообменных

процессов, которые
по своей физической сущности могут быть разбиты на три основные группы:

1. Теплопроводность (кондукция)


молекулярный процесс переноса те
п
лоты в виде переноса импульса движения от молекулы к молекуле данного т
е
ла. Осуществляется самопр
оизвольно от участков тела с большей температурой
к участкам с более низкой температурой. Очевидно, что чем меньше расстояние
между молекулами, тем проводимость теплоты проявляется лучше. Отсюда она
высока в твердых телах и исчезающе мала в газах и парах,
например
серебра
=
458 Вт/м∙град,
возд
§ 0,025 Вт/м∙град, где
λ



коэффициент теплопроводности
(определяет количество теплоты, которое проводит вещество, и является о
с
новной характеристикой
теплопроводности).

2. Теплоотдача (конвекция)


молярный процесс переноса теплоты вместе
с потоком теплоносителя. Эффект передачи теплоты теплопроводностью ст
а
новится в этом случае второстепенным. Основной характеристикой теплоотд
а
чи является коэффициент
теплоотдачи
, определяющий количество теплоты,
передаваемой теплоотдачей к или от подвижного теплоносителя теплообме
н
ной поверхности. Значение

меняется в очень широких пределах.

В описанных выше
процессах теплота переносится соприкосновением, т.е.
осуществляется при непосредственном контакте физических областей с разн
ы
ми температурами.

3. Лучистый теплообмен (радиация)


процесс распространения тепловой
энергии в виде тепловых волн, распространяющ
ихся со скоростью света. Мат
е
риальным носителем излучения служит электромагнитное поле, а разница ме
ж
ду тепловым и световым лучом заключена только в величине их длин волн
(свет 0,4 ÷ 0,8 мк, теплота 0,8 ÷ 40 мк и до
).

Как правило
, различные теплообменные процессы осуществляются ко
м
плексно, т.е. наблюдается совместное протекание процессов радиации, тепл
о
проводности и конвекции. Комбинации могут быть самые различные.

Комплексный теплообменный процесс, включающий несколько частных, в

целом называется теплопередачей.

Интенсивность как частных, так и комплексных теплообменных процессов
зависит от величины ряда определяющих факторов, к основным из которых о
т
носятся следующие:

1. Температурный напор ¨
t
, представляющий разность температур
между
различными участками исследуемого пространства, участвующего в теплоо
б
мене. Как правило, увеличение ¨
t

интенсифицирует теплообмен (за исключен
и
ем пленочного кипения).

2. Физические свойства теплообменивающихся сред.

Теплообменниками называются устрой
ства, в которых теплота передается
от одной среды к другой. В простейших теплообменниках не происходит ник
а

18

ких других, кроме температурных, изменений. В ряде теплообменников еще
происходят и физические преобразования (например, изменение агрегатного
состоя
ния).

Более подробно теплообменные аппараты рассмотрены в главе 5.


19

2. СУДОВОЕ ПАРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1.

Классификация и показатели работы котельных установок


Судовые паровые котлы принято классифицировать по следующим пр
и
знакам:

по назначению


котлы бывают главные и вспомогательные;

по устройству


различают водотрубные (в трубах циркулирует паровод
я
ная смесь) и газотрубные или огнетрубные, где продукты сгорания движутся
внутри дымогарных труб, окруженных кипящей водой;

по циркуляции воды котл
ы могут иметь естественную и искусственную
(принудительную) циркуляцию, которая обеспечивается специальным допо
л
нительным насосом.

Поверхность, обогреваемая с одной стороны продуктами сгорания, а с др
у
гой стороны охлаждаемая рабочим телом (водой, пароводян
ой смесью или п
а
ром) называется поверхностью нагрева. В современном водотрубном котле вся
поверхность нагрева образована трубками или змеевиками (испарительными
или кипятильными, экономайзера, воздухоподогревателя, пароперегревателя).

Арматурой котла назыв
ается комплект приборов и устройств, обеспечив
а
ющий его бесперебойную работу. К арматуре котла относятся (рис. 14):



манометр, показывающий давление пара и на шкале которого красной
чертой отмечено наибольшее допустимое давление в котле;



водомерные стекла (
4
), которых по правилам регистра должно быть два;



главный запорный клапан (
2
), через который отбирается пар из котла;



питательный клапан (
3
), через который при снижении уровня воды котел
подпитывается дистиллятором;



предохранительный клапан (
1
), которых п
о требованию регистра должно
быть два;



клапаны нижнего (
9
) и верхнего (на рис.не показан) продувания.

Горение топлива происходит в топке 6 (стрелками показан ход продуктов
сгорания). Топливо в топку подается через форсунки 8, окруженные
воздухон
а
правляющими устройствами 7.

Для улучшения использования теплоты продуктов сгорания паровой котел
имеет дополнительные поверхности нагрева: воздухоподогреватель (для под
о
грева воздуха поступающего в топку), экономайзер (для подогрева питательной
во
ды) и пароперегреватель (на рис. не показаны).

Паровой котел с дополнительными поверхностями нагрева называется п
а
рогенератором. Парогенератор (или парогенераторы, если их больше одного) в
комплексе с обслуживающими его механизмами и устройствами (насосами
,
вентиляторами, подогревателями топлива) называется котельной установкой.

На морских судах котельные установки служат для обеспечения паром
турбогенераторов (на судах с теплоутилизационным контуром), грузовых нас
о
сов (на танкерах), а также для других пот
ребителей пара (отопление, хозя
й
ственно
-
бытовые нужды, подогрев топлива, подогрев груза на танкерах). Такие
котлы относятся к вспомогательным.


20

Если греющим агентом являются продукты сгорания ДВС или газотурби
н
ной установки, котлы называются утилизационными
.

Эксплуатационными показателями работы котлов являются площади п
о
верхностей нагрева, паропроизводительность, водосодержание и КПД

Паропроизводительность котла
D

в значительной степени зависит от вел
и
чины поверхностей нагрева и показывает, сколько т/час па
ра вырабатывает к
о
тел. Различают номинальную паропроизводительность и максимальную пар
о
производительность, которая достигается в течение ограниченного времени.

Водосодержание показывает время, в течение которого испарится вся вода,
содержащаяся в котле и п
редставляет с собой отношение массового количества
воды, содержащейся в котле, к его паропроизводительности. Современные ко
т
лы характеризуются малым водосодержанием (менее 0,3 ч.), поэтому их наде
ж
ная работа обеспечивается только при условии автоматическог
о регулирования
подачи воды в котел.

Коэффициент полезного действия ( отношение того, что получено, к тому,
что затрачено) котла представляет собой отношение количества теплоты пол
у
ченного пара (или теплоты, использованной на парообразование) к теплоте сг
о
ревшего топлива

,




(3)

где

D



паропроизводительность котла, кг/час;




теплота каждого килограмма пара, Дж/кг;


В



расход топлива, кг/ч;




низшая теплота сгорания каждого килограмма сгоревшего топлива,
Дж/кг (см. раздел 2.7).

КПД вспомогательных котлов редко превышает 80 %, так как у них отсу
т
ствуют некоторые или все дополнительны
е

поверхности нагрева. КПД главных
котлов может превышать 96
%. Потери, сопутствующие работе котлов, распр
е
деляются следующим образом:



с уходящими продуктами сгорания


до 5÷25 %;



от химической неполноты сгорания топлива


до 5 %;



от механической неполноты сгорания топлива


до 4÷10 % (максимал
ь
ную потерю имеют
котлы, работающие на твердом топливе);



от лучеиспускания в окружающую среду


до 1 %.


2.2. Газотрубные котлы


Газотрубные котлы делятся на горизонтальные (их длина существенно
превосходит высоту) и вертикальные (наоборот).

Наиболее известными горизонтальн
ыми цилиндрическими котлами явл
я
ются шотландские, длина которых достигала 6 м и более. Основными частями
шотландского котла являются бочка
1
, днища, жаровые трубы
2
, огневые кам
е
ры
3

и дымогарные трубы
4

(рис. 10). В жаровых трубах сгорает топливо и пр
о

21

дук
ты сгорания через огневую камеру проходят через дымогарные трубы в в
ы
хлопную трубу. Бочка заполнена кипящей водой. Образующийся пар отбирае
т
ся из сухопарника в верхней части котла.




До середины прошлого столетия (до
§
1950 г.) эти котлы использовались
как в качестве главных, так и вспомогательных. В последее время цилиндрич
е
ские котлы большой производительности почти полностью вытеснены вод
о
трубными котлами, а котлы небольшой производительности (
D

≤ 1500
кг/ч
и
p

≤ 1,72

МПа) изготавливают в виде одного агрегата, готового к работе после
установки в машинном отделении и подключении к необходимым судовым с
и
стемам


топливной, питательной воды, паровой, сжатого воздуха, дымоходу и
судовому паропроводу.

Вертикальные газотрубн
ые котлы имеют как правило горизонтальные д
ы
могарные трубы
2

(рис. 11).



22

В данном случае горение топлива происходит в топке
1
, имеющей сфер
и
ческую форму (термические напряжения в топке такой формы минимальные),
которая имеет достаточно большую поверхность

нагрева.

Огневая камера
3

служит для догорания топлива и направления продуктов
сгорания в дымогарные трубки, после которых продукты сгорания через ды
м
ник (или дымовую коробку)
4

удаляются в выхлопную трубу.

Встречаются также газоводотрубные вспомогательн
ые паровые котлы
(ВПК), схема работы которых приведена на рис. 12.

Водотрубная парообразующая п
о
верхность нагрева представляет собой
вертикальные прямые трубы
7
, закре
п
ленные в трубных досках
5

и
8
, которые
служат плоскими днищами верхней
3

и
нижней
1

частей корпуса.

Огневая камера
2

образована св
о
бодным от труб пространством между
трубными досками, закрытым сверху
подкрепленным листом
4
, и соединяется с
топкой патрубком
9
. Трубы
7

омываются
снаружи поперечным потоком продуктов
сгорания. Огнетрубная па
рообразующая
поверхность представ
-
лена трубными
досками, патрубком
9

и потолочной сте
н
кой (овальной формы) топки
6
.

К газотрубным котлам относятся
также водогрейные котлы, которые пр
и
меняются в качестве вспомогательных на небольших судах, где в качестве
гр
ею
-
щего агента вместо пара используется горячая вода.

Представленный на рис. 13 водогрейный котел состоит из передней
2

и
задней
8

плоских стенок, в которых крепятся дымогарные трубы
10
,
12
, жар
о
вой трубы
4
, приемного коллектора
1

и полой крышки
6
, соедине
нной с
межтрубным водяным пространством перепускной трубой
5
.

Образующиеся продукты сгорания движутся по жаровой трубе
4

(справа
жаровой трубы показана форсунка, к которой поступает топливо
Т

и воздух
В
,
штриховыми линиями из носика форсунки показан факел распыла топлива),
омывают крышку
6
, делают поворот на 180°


в газовой камере
7

и по дымога
р
ным трубам
12

направляются в газовую камеру
3
, откуда через трубы
10

пост
у
пают в дымник
9

и далее в дымовую тру
бу.


Охлажденная (в результате нагрева, например, судовых помещений) вода
ОВ из системы теплоснабжения забирается насосом и подается в приемный п
а
трубок, охлаждает (нагреваясь при этом) снаружи дымогарные трубки и далее
через трубу
5

поступает во внутренню
ю полость крышки
6
. Нагревшись до
температуры 75...95°С горячая вода (
ГВ
) опять возвращается к потребителям.



23


Рис. 13. Водогрейный котел


2.3. Принцип работы водотрубного котла


Простейший вертикальный водотрубный котел (котлы такого типа наиб
о
лее
распространены на флоте) имеет два барабана, соединенных трубками (рис.
14).

Эти трубки внутри заполнены водой или образующейся пароводяной см
е
сью (поэтому это водотрубный котел) и снаружи обогреваются продуктами
сгорания, которые образуются в точке
6

в р
езул
ь
тате горения смеси топлива с воздухом, пост
у
пающей в топку через форсунку 8 и окружающее
ее отверстие воздухонаправляющего устройства
7
. Продукты сгорания удаляются через д
ы
мовую
трубу (показано стрелкой).

В соответсвии с законами теплопередачи
очевид
но, что при горении топлива в топке те
п
лота излучением (радиацией) будет передаватся
всем поверхностям, окружающим топку. В кип
я
тильных
5

и экранных трубках
8
(здесь и далее
рис. 15) будет происходить кипение воды
,

и о
б
разующаяся пароводяная смесь поднимае
тся
вверх и попадает в пароводяной барабан, откуда
отбирается пар. На место поднимающейся вверх
пароводяной смеси, которая образуется из воды
водяного коллектора
10
, в этот коллектор должна
возвращаться вода из пароводяного барабана.
Это осуществляется пос
редством опускных труб
7
, которые, хотя и находятся в топке, защищены
от излучения экраном, функции котор
ого

выпо
л
няют кипятильные трубки
8
.


24

Таким образом, в топке котла теплота продуктов сгорания передается к
и
пятильным трубкам двумя механизмами: конвекцие
й и излучением.

Естественная циркуляция воды и пароводяной смеси осуществляется за
счет разницы плотностей воды в опускных трубках и пароводяной смеси в
подъемных кипятильных трубках.


2.4. Вертикальный водотрубный парогенератор

с естественной циркуляцией


Как правило на дизельных судах устанавливаются и вспомогательные
,

и
утилизационные котлы. Обычно на ходу потребности судна в паре обеспечив
а
ются работой утилизационных котлов (греющим агрегатом в которых являются
продукты сгорания, отходящие от главного
двигателя), а на стоянке


работой
вспомогательных котлов. Количество утилизационных и вспомогательных ко
т
лов определяется потребностями судна в паре. Например, на танкерах, где п
о
вышенное количество пара необходимо для разогрева груза, мытья танков, р
а
бот
ы механизмов с паровым приводом (например, грузовых насосов), устана
в
ливают обычно два вспомогательных котла повышенной паропроизводительн
о
сти.

Паропроизводительность вспомогательных котлов составляет 1,5÷15 т/ч, а
рабочее давление


0,5÷1,5 МПа.

В качеств
е вспомогательных наиболее широко на дизельных судах испол
ь
зуются вертикальные водотрубные котлы с естественной циркуляцией одн
о
проточного типа. Некоторые из них выполняются с развитыми поверхностями
нагрева, т.е. кроме парообразующих имеются и другие пове
рхности нагрева
(пароперегреватели, экономайзеры, воздухоподогрева
-
тели). Изображенный на
рис. 15 котел имеет пароводяной барабан
5

(или коллектор, так как он собирает
пароводяную смесь и разделяет ее на воду и пар), верхняя часть которого з
а
полнена паром
и называется паровым пространством. Нижняя часть вместе с
водяным коллектором
10

и соединяющими их трубами
7
,
8
,
11

заполнена водой
и называется водяным пространством. Поверхность раздела парового и водян
о
го пространств называется зеркалом испарения, уровень которого меряется
двумя водомерными стеклами
6
.

Трубы
8

обычно располагаются вплотную друг к другу и образуют спло
ш
ной боковой экран. Трубы
11

составляют многорядный притопочный парообр
а
зующий пучок.

Не
обогреваемые (защищенные экраном, от действия радиации или излуч
е
ния) трубы
7

называются опускными. По ним вода из пароводяного коллектора
5

отпускается вниз в коллектор
10

и далее поступает в трубы
8

и
11
. Эти трубы
обогреваются продуктами сгорания, котор
ые образуются в топке в результате
горения топлива, которое подается в топку через топочное устройство. Так как
трубы
8

и
11

обогреваются, на внутренних поверхностях стенок образуются п
у
зырьки пара, которые вместе с водой поднимаются вверх, и поэтому эти т
рубы
называются подъемными.


25


Рис. 15. Водотрубный вертикальный ВПК с естественной циркуляцией


При выходе из подъемных труб паровые пузырьки проходят через слой
воды и зеркало испарения в коллекторе и попадают в его паровое простра
н
ство. Неиспарившаяся ч
асть воды смешивается в коллекторе с непрерывно п
о
ступающей питательной водой и опять участвует в естественной циркуляции по
описанной схеме.

Пространство, ограниченное передней (не видн
о
) и задней стенками,
экранными трубами
8

и трубами первого ряда прито
почного пуска
11
, назыв
а
ется топкой.

Топочное устройство
9
, расположенное на передней стенке, состоит из
форсунки, куда поступает топливо, и воздухонаправляющего устройства, через
которое в топку идет необходимый для сгорания топлива воздух. В топке сг
о
рает топливо и образуются продукты сгорания, имеющие высокую температ
у
ру, которые, двигаясь по газоходам котла, последовательно обогревают все п
о
верхности нагрева.

За притопочным парообразующим пучком располагается пароперегрев
а
тель. Насыщенный пар (НП) из

пароводяного коллектора поступает во входной
коллектор пароперегревателя и, проходя по трубам, перегревается. Из выходн
о
го коллектора пароперегревателя пар направляется к потребителям (
ПП
).


26

За пароперегревателем располагаются хвостовые поверхности нагрева
, к
которым относятся экономайзер и воздухоподогреватель. Питательная вода
(
ПВ
) в количестве, равном суммарному количеству отбираемого пара, пит
а
тельным насосом подается во входной коллектор экономайзера. Из него вода
поступает в параллельно включенные тр
убы
13
, где подогревается, но не дов
о
дится до кипения. Из выходного коллектора экономайзера вода через питател
ь
ный клапан
16

направляется в пароводяной коллектор.

Последним по ходу газов является воздухоподогреватель, который состоит
из труб
14
, закрепленн
ых в нижней и верхней трубных досках
1
. Газы проходят
внутри. Снаружи трубы омываются воздухом (
В
), подаваемым вентилятором.
Нагретый воздух поступает к топочному устройству.

Все стенки парогенератора представляют собой прочный металлический
каркас, к кото
рому крепятся коллекторы, листы обшивки, покрытые теплоиз
о
ляционными материалами. Обычно делают двойные стенки, пространство ме
ж
ду которыми заполнено воздухом, подаваемым в воздухонаправляющий апп
а
рат и далее в топку.

Передняя и задняя стенки топки и газох
одов в районе парообразующего
пучка и пароперегревателя с внутренней стороны выкладывается огнеупорным
кирпичом. Такая кладка называется
футеровкой
.

Уровень воды и давление пара в пароводяном коллекторе контролируют с
помощью водомерных стекол
6

и маномет
ра
3
. Для защиты парогенератора от
повышения давления выше допустимого служат предохранительные клапан
ы

4
.

Развитие хвостовых поверхностей нагрева связано с усложнением ко
н
струкции, увеличением габаритов, массы и стоимости парогенератора, а также
с увеличе
нием аэродинамического сопротивления движению воздуха и газов и
расходов энергии на его преодоление. Поэтому паровые котлы, предназначе
н
ные для теплоснабжения судна, обогрева жидкого груза и работы паровых
насосов, выполняют без хвостовых поверхностей и па
роперегревателя; они
имеют только парообразующую поверхность. Главное преимущество их закл
ю
чается в простоте конструкции, компактности и более высокой надежности в
работе (повышенный расход топлива, который имеет место при более низких
значениях КПД, не им
еет существенного значения в тепловом балансе всей
энергетической установки).

Наряду с вертикальными на морском флоте достаточно часто встречаются
горизонтальные паровые котлы (рис. 16), которые широко использовались в к
а
честве главных на паровых судах с п
аропоршневыми машинами (в частности,
на судах типа “Либерти”).

К пароводяному коллектору
1

трубами
2

присоединяются волнистые п
е
редние камеры
3
, из которых выходят прямые парообразующие трубы
4
, прот
и
воположными концами входящие в аналогичные задние камеры
5
. Образу
ю
щийся в трубах пар отводится в коллектор по перепускным трубам
6
. Напра
в
ление циркуляции показано стрелками. Парообразующие трубы располагаются
под углом 15

25° к горизонтали.



27


Рис. 16. В
одотрубный горизонтальный котел (ВПК) с естественной циркуляцией


Таким образом, ВПК состоит из нескольких секций, каждая из которых
имеет переднюю и заднюю камеры, соединяющие их парообразующие трубы и
перепускную трубу. Рассматриваемый тип ВПК называют т
акже секционным.

По тепловой нагрузке парообразующей поверхности нагрева и массогаб
а
ритным показателям водотрубные горизонтальные ПК уступают вертикальным,
так как из
-
за малого наклона труб циркуляция воды менее интенсивна, а волн
и
стые камеры с плоскими ст
енками громоздки и тяжелы.

Преимущества горизонтальных ВПК заключаются в том, что эти ПК соб
и
раются из одинаковых по конструкции секций и поэтому выгодны для крупн
о
серийного производства. Применение прямых труб, которые легко чистить, а
при необходимости и

заменить, делают такие котлы удобными в эксплуатации
и неприхотливыми к качеству питательной воды.


2.5. Вспомогательные водотрубные котлы

с принудительной циркуляцией


К недостаткам котлов с естественной циркуляцией относится их громоз
д
кость, связанная
с необходимостью вертикальной ориентации поверхностей
нагрева. Кроме того, с уменьшением температуры продуктов сгорания (имеется
ввиду использование в качестве греющего агента отработавших в ДВС выхло
п
ных газов), а также с повышением давления вырабатываемо
го пара надежность
естественной циркуляции уменьшается. Это в конечном итоге может привести
к пережогу труб, образующих поверхность нагрева. Поэтому в ряде случаев в
паровых котлах применяют искусственную (принудительную) циркуляцию.

На рис. 17 показан всп
омогательный водотрубный котел с принудительной
циркуляцией типа “Ла Монт”.


28

Для производства пара всем выше
описанным котлам необходима топка,
где производится греющий агрегат
-
продукты сгорания. Однако в качестве
г
е
нератора продуктов сгорания можно
рассма
тривать двигатель внутреннего
сг
о
рания.

Котлы, работающие на отходящих
продуктах сгорания, называются ут
и
лизационными и широко используются
на морских судах

На рис. 18 изображена схема ут
и
лизационного парового котла (УПК) с
цилиндрической формой кожуха и г
о
ризонтальными змеевиками.

Такие котлы предназначены для
теплоснабжения и имеют невысокую паропроизводительность, так как устана
в
ливаются на судах, имеющих относительно небольшую мощность главных
ДВС (
§ до 7000 кВт).

Между цилиндрическим кожухом
1

и центральной трубой
2
, служащей для
перепуска газов мимо поверхности нагрева, установлены параллельно вкл
ю
ченные в коллекторы
5

и

8

змеевики
3
.
Один змеевик состоит из двух послед
о
вательно соединенных спиралей
4

и
9

(в плане они показаны одной линией).
Каждая спираль образует горизонтальный ряд труб. В одной горизонтальной
плоскости спираль закручивается, в другой


раскручивается. Трубный пакет по
отношению к газовому потоку может иметь шахматное или коридорное стро
е
ние.



29

Пароводяная смесь отводится в
сепаратор
6
, который может иметь гор
и
зонтальное или вертикальное расположение. Из сепаратора неиспарившаяся
вода в смеси с питательной водой (ПВ) забирается циркуляционным насосом
7

и вновь возвращается в парообразующие змеевики
3


через коллектор
8
. Кра
т
ность циркуляции в таких УПГ равна 5

8.

Перепуск газов в трубу
2

регулируется заслонкой
10
. Обводной канал м
о
жет располагаться вне кожуха или вообще отсутствовать. Тогда трубный пучок
занимает все поперечное сечение кожуха. Изготовить внутренние спирали с
малым радиусом изгиба очень трудно. Поэтому внутри пучка образуется пр
о
странство, не заполненное трубами. Его обычно на входе в пучок и при выходе
из пучка закрывают дисками.

Последовательно омываемые газами змеевики испытывают различные
тепловые нагрузки,

что является существенным недостатком УПК подобного
типа.

В настоящее время широко распро
-
странены утилизационные установки с
развито
й поверхностью нагрева, включаю
щей экономайзеры и пароперегрева
-
тели.

Сх
ема такой утилизационной котел
ь
ной установки пока
зана на рис. 19.

Поверхность нагрева состоит из верти
-
кально расположенных змеевиков и вклю
-
чает экономайзерную
2
, испарительную
1

и
пароперегревательную
4

се
к
ции. Отработав
-
шие продукты сгорания поступают в котел
снизу и
последов
а
тельно омывают эти сек
-
ции
,

и после этого через верхний патрубок
3

выходят

в выхлопную трубу. Питательная
вода из теплого ящика
5

питательным
насосом
6

подается в сепаратор
8
, откуда
циркуляционным насосом
7

направляется
сн
а
чала экономайзер, который расположен
на выходе продуктов сгорания (для п
о
д
о
гре
-
ва воды не нужен греющий агрегат с
высо
-
кой температурой). Далее п
о
догретая
вода поступает в испаритель (который в
данном случае состоит из двух секций, одна
из которых может бы
ть отключена), после
которого паров
о
дяная смесь возвращается в сепаратор. Основная часть пара из
сепаратора идет в пароперегреватель. Насыщенный пар к потребителям
направляется из сепар
а
тора по трубопроводу
9
.

В зависимости от температуры продуктов сгорани
я утилизационные к
о
тельные установки могут вырабатывать от 0,4 кг до 0,6 кг пара на 1 кВт мощн
о
сти главного двигателя.



30

2.6. Водный режим паровых котлов


Вода, используемая на судне, должна удовлетворять определенным треб
о
ваниям, так как от ее качества зав
исит эксплуатационная надежность и эффе
к
тивность работы энергетической установки. В судовых условиях различают в
о
ду питательную, котловую, дистиллят (от испарителей), добавочную, пресную,
забортную.

Питательная вода представляет собой конденсат отработавше
го пара. К
о
личество добавочной воды определяется назначением, типом, параметрами и
техническим состоянием энергетической установки. В дизельных установках
потери пара и конденсата составляют § 5% паропроизводительности котла и
более. В паротурбинных устано
вках эти потери в худшем случае составляют
2%. Эти потери возмещаются добавочной водой из запасов опресненной воды.

Независимо от назначения установки необходимо стремиться к сокращ
е
нию потерь пара и конденсата, так как для приготовления добавочной воды
т
ребуются специальные установки, расходуется топливо или средства на пр
и
обретение воды в портах. Даже пресная забортная вода не пригодна для и
с
пользования в качестве добавочной без обработки.

Примеси воды делятся на две группы: нерастворимые (грубодисперсны
е
взвешенные) вещества и растворимые (молекулярно
-
ионодисперсные) вещ
е
ства.

Нерастворимые примеси удаляются при помощи различных фильтров, в
которых используется кокс, древесный, уголь, ткани.

К растворимым примеся
м

относятся главным образом поваренная сол
ь
NC, хористый калий KC, хлористый магний MgC
2
, гипс CSO
4

и много др
у
гих соединений в очень маленьких количествах.

Из перечисленных соединений растворимость NC и KC растет с увел
и
чением температуры раствора, а растворимость MgC

2
и СаSO
4

наоборо
т


чем
выше температура, тем больше вероятность осаждения солей в виде накипи.
Как правило это осаждение происходит на поверхности нагрева в виде накипи.
Накипь является плохим проводником теплоты и ее наличие на поверхности
нагрева может вызвать повышени
е температуры металла, которое может прив
е
сти к разрушению этой поверхности.

Во избежание этого необходимо обеспечить безнакипной режим работы
котлов, для чего необходимо знать качественные показатели воды, которые
приведены ниже.

Общее солесодержание или
соленость


суммарное массовое количество
(мг/кг) всех катионов и анионов (в морской воде соли находятся в ионном с
о
стоянии


основные катионы: N
+
, Са
2+

, Мg
2+
, К
+
; анио
н
ы: C
-
, SO
4
2
-
, NCO
3


,
SiO
3
2
-
) . Общее содержание солей в океанской воде в среднем
составляет 35 г/кг
(35000 мг/кг). Максимальное солесодержание имеет вода Красного моря (41
г/кг), а минимальное


вода Балтийского моря


8 г/кг. Значительную часть с
о
лесодержания морской воды (до 89%) составляют хлористые соли.

Жесткость воды определяет
содержание кальциевых и магниевых солей и
позволяет судить о накипеобразующей способности воды. Жесткость выраж
а

31

ется в миллиграмм
-
эквивалентах на 1 л воды (мг.экв/л).

Конденсат пара и дистиллят испарителей (который используется в кач
е
стве добавочной воды)
содержат небольшое количество солей (
§
до 10 мг/кг) и
должны иметь жесткость до
§ 0,03
мг.экв/кг.
Требования к циркулирующей и
добавочной воде на паротурбинных судах существенно выше и эти требования
ужесточаются с повышением давления в котлах.

Несмотря на

небольшое количество солей в конденсате отработавшего п
а
ра и добавочной воде, для обеспечения полностью безнакипного режима пр
и
меняют внутрикотловую отработку воды (вводятся присадки во время работы,
требуемое количество которых определяют по химическому
анализу котловой
воды), в результате которой соли, вносимые питательной водой, выпадают в
виде рыхлого шлама в объеме воды, а не на теплообменных поверхностях в
виде накипи.

Проще всего для внутрикотловой обработки использовать тринатрийфо
с
фат (N
3
PO
4
12H
2
O), который взаимодействует с солями жесткости и образует
шлам, который накапливается в нижних (водяных) и верхних (пароводяных)
коллекторах и удаляется путем их периодической продувки.


2.7. Топливо и его свойства


На всех судах (кроме атомоходов) для
получения пара и горячей воды и
с
пользуют жидкое топливо органического происхождения, состоящее в осно
в
ном из углеродистых и углеводородистых соединений. Химический анализ
топлива показывает, что оно состоит из семи компонентов и его элементарный
состав мож
но выразить формулой (если доли компонентов выразить в проце
н
тах)


С+H+S+N+O+A+W  100 %,



(4)


где С


углерод


82÷86 % всего состава;

Н


водород


10,5÷11,5 %;

S


сера


0,5÷3,5%
;

N


азот


0,2
÷
0,3%;

О


кислород


0,3
÷
0,5%;

W


влага (вода)


1
÷
3%

;

А


зола


0,1
÷
0,3 %.

Наиболее ценными составляющими жидкого топлива являются углерод и
водород, так как вместе с частью серы они являются горючими элементами.
Кислород служит окислителем, находится в соединении с горючими элемент
а
ми топлива и поэтому
уменьшает его теплоту сгорания (см. ниже). Азот топл
и
ва является его инертной составляющей, поэтому его включают в балласт.

Сера может быть разделена на горючую и негорючую, относится к вре
д
ным составляющим топлива по следующей причине. При горении топлива

с с
е
рой получается двуокись серы SO
2
, часть которой окисляется, образуя высший
окисел SO
3
. При этом в продуктах сгорания всегда имеются пары воды, кот
о

32

рые образуют с парами SO
3

пары серной кислоты H
2
SO
4
. В случае, если темп
е
ратура стенки труб будет равна

или меньше температуры конденсации этой
смеси, эта смесь конденсируется на стенке и начнется коррозия стенки.

Зола топлива состоит из элементов, образующих негорючие минеральные
соединения и золой принято считать остаток, получающийся от прокаливания
топл
ива при 800°С.

Влага топлива является нежелательной примесью, так как не только
уменьшается содержание горючих элементов, но и на ее парообразование (к
о
торое обязательно происходит) тратится часть теплоты сгорания топлива. От
влаги топливо освобождается пр
и сушке с температурой, немного превыша
ю
щей 100°С.

Кроме элементарного состава к важнейшим характеристикам топлива о
т
носится теплота сгорания (высшая и низшая) и вязкость.

Высшая теплота сгорания топлива
Q
в
p



количество теплоты, выделя
ю
щейся при полном
сгорании 1 кг топлива при условии конденсации образу
ю
щихся при сгорании паров воды. В реальных условиях, например при сгорании
топлива в котле, стараются не допускать конденсации паров воды во избежание
образования агрессивной серной кислоты. Поэтому на пр
актике пользуются
понятием низшей теплоты сгорания топлива
Q
н
p




это количество теплоты, в
ы
деленной при полном сгорании топлива за вычетом теплоты конденсации паров
воды, содержащейся в топливе.

К менее важным характеристикам, имеющим большое значение для

топл
и
воподготовки, перекачки и сжигания, относятся вязкость, температуры заст
ы
вания, вспышки и воспламенения топлива.

Вязкость топлива оказывает существенное влияние на перекачку его по
трубопроводам и качество распыливания через форсунки.

Вязкостью назыв
ается способность жидкости сопротивляться сдвигающим
усилиям, т.е. чем больше вязкость жидкости, тем она менее текуча.

Вязкость чаще измеряется в градусах вязкости условной ВУ


это отнош
е
ние времени вытекания 200 мл испытываемой жидкости через калиброванн
ое
отверстие диаметром 2,8 мм ко времени вытекания через то же отверстие так
о
го же количества воды при температуре 20°С. С повышением температуры
вязкость топлив
а

снижается и качество распыливания подогретого топлива
увеличивается. Поэтому топливо подогре
вается перед подачей в форсунки до
температуры 70÷110°С (в зависимости от его марки), а для измерения вязкости
топливо подогревают до температуры 50°С или 80°С. Например
:

мазут марки
40 имеет вязкость 40°ВУ при
t
50°С, а моторное топливо подогревают до так
ой
температуры, при которой его вязкость составляет 1,8÷2,5°ВУ. Для перекачки
жидкого топлива его обычно подогревают до 40÷50°С.

Температура застывания


температура, при которой топливо перестает
течь. Для судовых топлив диапазон температур застывания сос
тавляет

11°С÷
+36° С, что объясняется различным содержанием парафинов.

Температура вспышки


это минимальная температура при которой пары
жидкого топлива вспыхивают при поднесении открытого пламени, но само
топливо не воспламеняется.


33

Температурой
воспламенения называется температура, при которой после
вспышки топливо загорается с поверхности
,

и горение продолжается не менее 5
сек. Обычно температура воспламенения превышает температуру вспышки на
15÷25°С и более. Очевидно, что эти температуры (вспыш
ки и воспламенения)
характеризуют степень огнеопасности топлива и поэтому с точки зрения п
о
жарной безопасности предпочтительны нефтепродукты с высокой температ
у
рой вспышки. К примеру, топочные мазуты имеют температуру вспышки
80÷90°С.

Различные сорта жидко
го топлива и масло получаются при переработке
сырой нефти
,

и топливо делится на тяжелое (темное) и легкое (светлое). К т
я
желому топливу относится моторное топливо и мазут. К легкому


бензин, к
е
росин и дизельное топливо.

Дизельное топливо (как впрочем бенз
ин и керосин) получают как дисти
л
лят при фракционной перегонке нефти.

Моторное топливо получают смешиванием дистиллятного топлива с ост
а
точными продуктами переработки нефти


мазутами.


2.8. Топочные устройства


Топочным устройством называется совокупность

форсунки, воздухон
а
правляющего аппарата и элементов, необходимых для управления и регулир
о
вания подачи топлива. Топочное устройство может работать либо в позицио
н
ном режиме (включено
-
выключено), либо в пропорциональном режиме (при
плавном регулировании ра
схода топлива и соответствующего количества во
з
духа).

В последнем случае важное значение приобретает глубина регулирования
форсунки


отношение максимально возможной ее производительности к м
и
нимально возможной при условии, что во всем диапазоне изменения
расхода
топлива качество распыливания остается нормальным. В значительной степени
качество распыливания зависит от давления топлива перед форсункой


грубо
говоря, чем оно больше, тем мельче капли распыленного топлива, т.е. качество
распыливания выше. Одна
ко производительность судовых котлов должна м
е
няться в широком диапазоне по мере изменения нагрузки котла. Т.е. при
уменьшении отбора пара из котла давление топлива нужно уменьшать для
уменьшения его подаваемого количества. Расчеты и опыт эксплуатации котл
ов
показывают, что при работе механической центробежной форсунки (описание
см. ниже) при минимально допустимом давлении топлива 1МПа (и при 10%
подачи топлива) для обеспечения 100% подачи топлива давление необходимо
увеличить до 100 МПа, что является очен
ь большим давлением (1000 атм.!).
Так как давление топлива перед форсунками составляет не более 7 МПа (и то
редко), центробежная форсунка обладает малой глубиной регулирования и п
о
этому изменение нагрузки котлов в широком диапазоне осуществляется след
у
ющим
и способами:



установкой на одном котле нескольких форсунок (расход топлива мен
я

34

ется не только изменением его давления, но и количеством работающих форс
у
нок);



применением паромеханических форсунок, в которых давление топлива
можно снижать до 0,2÷0,3 МПа без

ухудшения качества распыла;



применением усложненных центробежных форсунок, оборудованных к
а
налами для отвода части топлива из вихревой камеры форсунки обратно в ра
с
ходную емкость.

Наибольшее распространение получили механические центробежные и п
а
ромехани
ческие форсунки. Паровые форсунки (струя топлива разбивается на
мелкие капли струей пара) сейчас не применяются из
-
за большого расхода п
а
ра, хотя они очень просты по устройству (почти как трубка в трубке) и облад
а
ют большой глубиной регулирования.

На рис.

20 показана нерегулируемая центробежная форсунка, распылив
а
ющая часть котор
о
й состоит из распылителя
1
, вставки
2
, втулки
3

и головки
(наконечника)
4
. Распылитель форсунки (рис 20,
б
) имеет четыре тангенциал
ь
ных канала 8, по которым топливо поступает в вихревую камеру
10

и приобр
е
тает вращательное движение. При выходе из отверстия
9

топливо, в результате
сложного поступательно
-
вращательного движения, образует полый топливный
конус, состоящий из капелек.



Пар
омеханические форсунки имеют и топливные и паровые тангенциал
ь
ные каналы, ведущие к распыливающей части. Расход пара в таких форсунках в
8

10 раз меньше, чем в паровых, а глубина регулирования намного превышает
глубину регулирования механических центробежн
ых форсунок.



35

2.9. Тягодутьевые устройства


Для горения в топке котла топлива необходим непрерывный подвод в
топку воздуха и отвод продуктов сгорания. При движении как воздух так и
продукты сгорания преодолевают сопротивления при прохождении: воздуха
чер
ез воздухоподогреватель и воздухонаправляющее устройство топки; пр
о
дуктов сгорания через пучки кипятильных труб, экономайзер и воздухопод
о
греватель, а также через дымовую трубу. Определенная затрата энергии нео
б
ходима также для создания некоторой скорости
выхода продуктов сгорания из
дымовой трубы.

Все сопротивления на пути воздуха и газов в котле преодолеваются силой
тяги и нагнетания. В этой связи различают самотягу


естественную тягу с п
о
мощью дымовой трубы, и искусственную (дутье) создаваемую вентилято
ром.

Сущность самотяги можно пояснить следующим примером. Пусть высота
дымовой трубы от середины топки (оси расположения форсунки), равна
Н
, м.
Пусть

г



это плотность продуктов сгорания (при их температуре
t
г
), а

в



это
плотность подаваемого в топку воздуха при температуре
t
в
. Тогда столб воздуха
высотой
Н

на входе в топку будет создавать давление

в

. Этому давлению
противодействует давление горячих продуктов сгорания величиной

г

, т.е.,
так как плотность проду
ктов сгорания меньше плотности воздуха (из
-
за того,
что
t
г

� t
в
), создается естественная тяга



h =

в




г
gН  Нg (

в



г
)
.



(5)


Эта формула объясняет причину установки высоких труб (в стационарной
теплоэнергетике и на судах старой постройки) чем
выше труба, тем больше т
я
га. Раньше самотяга была единственным способом преодоления сопротивлений,
в настоящее время все современные котлы работают с искусственной тягой,
комбинируемой с самотягой.


36

3. СУДОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

3.1. Устройство
двигателя внутреннего сгорания (ДВС)


Первый промышленный ДВС (двухтактный, работающий на газе с воспл
а
менением от искры) был сконструирован в 1860 г. Ленуаром (Франция). В 1876
г. Отто создал четырехтактный газовый ДВС.

Первый экспериментальный ДВС с сам
овоспламенением (от сжатия) ско
н
струирован Р. Дизелем в 1897 г. и с 1999 начал промышленно изготавливаться
на заводе Нобеля после существенной переработки конструкции под работу на
нефти (вместо керосина). На первом русском дизеле
N

=

18 кВт расход нефти
с
оставлял 0,3 кг/ кВт ч, что достигнуто применением механического (вместо
компрессорного) распыла топлива и работой двигателя по циклу Тринклера.

Двигателями внутреннего сгорания называются тепловые двигатели, у к
о
торых топливо сгорает внутри цилиндра.

На
рис. 21 показан поперечный разрез четырехтактного дизеля. Цилиндр
8
,
имеющий сменную втулку
9
, охлаждается водой (
3



зарубашечное простра
н
ство), так как в этом цилиндре, закрытом крышкой
4

происходит сгорание то
п
лива. Цилиндр опирается на станину
5
, котор
ая установлена на фундаментную
рамку
16
. Рамка крепится к фундаментным балкам, составляющим часть набора
днища судна. Картером
14

называется пространство, ограниченное станиной и
фундаментной рамой. Перечисленные выше части составляют неподвижный
остов дви
гателя.

Поршень
9
, имеющий компрессионные (верхние) и маслораспределител
ь
ные (нижние) кольца, совершает возвратно
-
поступательные движения от вер
х
ней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), производя работу
при расширении продуктов сгорания, кото
рые образуются при положении
поршня около ВМТ. Объем цилиндра при положении поршня в ВМТ образует
камеру сгорания. Объем цилиндра над поршнем (поршень движется) называе
т
ся описываемым объемом.

Движение поршня передается коленчатому валу через шатун
11
, кот
орый
верхним концом крепится к поршню головным подшипником, охватывающим
палец
10
, а нижним


к мотылевой шейке
12
, которая уже является частью к
о
ленчатого вала. С помощью такого соединения прямолинейное возвратно
-
поступательное движение поршня преобразует

во вращательное движение к
о
ленчатого вала. Коленчатый вал вращается в рамовых подшипниках
17
, охв
а
тывающих опорные шейки коленвала. Движущиеся части двигателя образуют
его механизм движения. Коленчатый вал через зубчатую передачу приводит во
вращение кула
чковый вал
2
, который кулачками
1

через толкатели
18

посре
д
ством коромысел
6

воздействует на стержни впускных и выпускных
7

клап
а
нов, заставляя их открываться (каждый клапан управляется своим кулачком и
количество последних соответствует количеству клапано
в). Закрытие клапанов
происходит под воздействием пружин (кулачковый вал, толкатели и коромысло
выпускного клапана не показаны).


37



38

В описываемом двигателе боковые усилия,
возникающие при движении шатуна (который
не только перемещается по вертикали, но и с
о
вершает мая
т
никовое движения), передаются
стенкам цилиндра. Поршень в данном случае
выполняет функции ползуна и для уменьшения
его давления на стенке цили
н
дра поршень имеет
удлиненную юбку, которая называется тронком
,

и такие двигатели называются тронковы
ми.

Принципиальная схема работы крейцкопф
-
ного двигателя показана на рис. 22.

Он состоит из штока
2
, который совершает
возвратно
-
поступательные движения через саль
-
ник диафрагмы
7
. Диафрагма герметично разде
-
ляет полости с повышенным давлением и темпе
-
рат
урой воздуха и грязным «горелым» ци
-
линдровым маслом от пространства картера с
чистым маслом, стекающим в циркуляционную
систему от подшипников скольжения. Крейц
-
копфный подшипник
3

двигается между двумя
параллелями
4

(если двигатель реверсивный; не
реверс
ивный двигатель имеет одну параллель),
которые и воспринимают боковые усилия
Р
н

возникающие при движении шатуна
5

(сила, действующая со стороны крей
ц
копфного подшипника на параллель обозначена
Р
н
, а действующая по штоку на
мотылевый подшипник обозначена
Р
ш
.

Точка 6 показывает место приложения
этих сил).


3.2. Классификация и маркировка ДВС


ДВС классифицируется по следующим признакам:

1


по роду рабочего цикла


подводом теплоты к рабочему телу при п
о
стоянном объеме, постоянном давлении и со смешанным под
водом телоты (т.е.
вначале при постоянном объеме, потом при постоянном давлении газов);

2


по способу осуществления рабочего цикла


четырехтактные, у кот
о
рых цикл осуществляется за четыре последовательных хода поршня (за два
оборота коленвала), и двухтак
тные, у которых цикл осуществляется за два п
о
следовательных хода поршня (за один оборот коленвала);

3


по способу воздухоснабжения


с наддувом и без наддува. В 4
-
х
-
тактных ДВС без наддува цилиндр наполняется свежим зарядом (воздухом или
горячей смесью) в
сасывающим ходом поршня, в 2
-
х
-
тактных ДВС
-
поддувочным компрессором с механическим приводом от двигателя. В ДВС с
наддувом (их называют комбинированными) имеется турбокомпрессор, под
а
ющий воздух в двигатель при повышенном давлении;


39

4


по способу
воспламенения топлива


с воспламенением от сжатия (д
и
зели) и с искровым зажиганием (карбюраторные и газовые);

5


по роду применяемого топлива


жидкого топлива и газовые;

6


по способу смесеобразования


с внутреннем смесеобразованием, к
о
гда топливово
здушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели), и с вне
ш
ним смесеобразованием, когда эта смесь готовится до ее подачи в рабочий ц
и
линдр. Основные способы внутреннего смесеобразования


объемное, объемно
-
пленочное и пленочное;

7


по типу камеры сгоран
ия (КС)


с неразделенными однополостными, с
полуразделенными (КС в поршне) и разделенными КС (предкамерные, вихр
е
камерные и воздушнокамерные КС);

8


по частоте вращения коленвала n


малооборотные с
n

240

мин
-
1

,
среднеоборотные 240 <
n



750 мин
-
1

, повышенной оборотности 750 <
n



1500
мин
-
1

и высокооборотные с
n

> 1500 мин
-
1
;

9


по назначению


главные, предназначенные для привода судовых дв
и
жителей, и вспомогательные;

10


по принципу действия


простого действия (рабочий цикл совершае
т
ся в одн
ой полости цилиндра), двойного действия (рабочий цикл совершается в
двух полостях цилиндра


над и под поршнем) и с противоположно движущ
и
мися поршнями;

11


по конструктивному исполнению кривошипного механизма (КШМ)


тронковые и крейцкопфные;

12


по рас
положению цилиндров


вертикальные, г
оризонтальные, одн
о
рядные, двух
рядные, V
-
образные, звездообразные.

Основными определениями являются следующие:



ВМТ и НМТ, соответствующие крайним положениям поршня в цили
н
дре;



ход поршня, т.е. расстояние между край
ними положениями поршня;



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



рабочий объем цилиндра, который описан поршнем между мертвыми
точками.

Для маркировки дизелей производства стран СНГ приня
ты условные об
о
значения, состоящие из букв и цифр: Ч


четырехтактный; 


двухтактный;
DD


двухтактный двойного действия; Р


реверсивный; С


с реверсивной
муфтой; Н


с наддувом. Отсутствие буквы К в маркировке


двигатель тронк
о
вый.

3.3. Принцип дейст
вия четырехтактных ДВС


На рис. 23 показана схема рабочих процессов четырехтактного двигателя


реальный цикл, по которому работают двигатели подобного типа.

Возьмем за исходное положение поршня в ВМТ и считаем, что в точке 
открылся впускной клапан (до э
той точки цилиндр очистился от продуктов сг
о
рания, в нем почти ничего нет, поэтому давление маленькое).


40


Рис. 23. Схема рабочих процессов четырехтактного двигателя


Поршень совершает движение от ВМТ к НМТ и так как впускной клапан
открыт, воздух подается
в цилиндр компрессором (если двигатель с надд
у
вом)при
р

=

0,13÷0,39 МПа и
t

=

40÷130°С


совершается процесс всасывания
r

a
. После НМТ поршень, двигаясь в ВМТ, совершает сжатие воздуха а

с, в
конце которого параметры рабочего тела составляют
р

=

4,5÷8 МПа
и
t

=

530÷730°С.

Перед подходом поршня к ВМТ через форсунку в цилиндр впрыскивается
порция распыленного топлива. Механизм самовоспламенения топлива и его г
о
рения (процесс
с

z
) заключается в следующем. Мельчайшие капельки топлива
обладают большой межфазовой

поверхностью (чем на большее количество к
а
пелек разбивается порция топлива, тем больше суммарная поверхность этих
капель), с которой при высокой температуре начинается испарение легких
фракций топлива. Получается, что каждая капелька оказывается окруженно
й
облаком паров бензина, которые легко воспламеняются (процесс после точки
с
). Осуществляется относительно «быстрое» горение топлива, после чего пр
о
должается относительно «медленное» догорание оставшейся части капель то
п
лива (процесс уходит вправо от верти
кали). Естественно, все описанные с
о
ставляющие процесса горения длятся доли секунды. Температура и давление в

41

процессе горения топлива доходят до
р
z

=

6÷14 МПа и
t
z

=

1450÷1730°С.

Далее осуществляется адиабатное расширение продуктов сгорания
z

b
,
называемо
е рабочим ходом. Температура и давление продуктов сгорания
уменьшаются до
р
b

§

0,35÷0,8 МПа и
t
b

=

630÷930°С. Открывается выхлопной
клапан и поршень движется из НМТ к ВМТ


осуществляется выхлоп
b

r
. Цикл
на этом завершается.

Штриховой показан угол
поворота коленчатого вала, в течении которого
осуществляется каждый процесс (см. §3.4).

Таким образом, весь рабочий процесс четырехтактного двигателя сове
р
шается в течение четырех ходов поршня или двух оборотов коленчатого вала.
При этом только один ход
поршня является рабочим, а вращение вала и остал
ь
ные ходы поршня осуществляются за счет работы остальных цилиндров (двиг
а
тели редко бывают одноцилиндровыми) и за счет запаса энергии, накопленной
маховиком. Поэтому чем меньше цилиндров имеет двигатель, тем
более ма
с
сивным должен быть маховик.


3.4. Газораспределение четырехтактных дизелей


Впуск в цилиндр свежего воздуха и выпуск отработавших продуктов сг
о
рания осуществляют впускные и выпускные клапана. Это обычно клапана т
а
рельчатого типа, которые открывают
ся внутрь цилиндров.

Механизм привода клапана показан на рис. 24.

На распределительном валу
7

находится кулачковая шайба
6
. При набег
а
нии выступа шайбы на ролик
5

штанга
4
движется верх. Верхний конец штанги
при этом давит на упор
1

левого конца клапанного

рычага коромысла
2
, правый
конец которого давит на тарелку
3

штока клапана и открывает его. Когда в
ы
ступ кулачковой шайбы уходит от ролика рычага 8, клапан закрывается под
действием пружины.

В некоторых типах двухтактных двиг
а
телей отработавшие газы выпу
ск
а
ются через
клапан
ы

значительных размеров. Из
-
за зн
а
чительных усилий пр
и
вод таких клапанов
делают гидравлическим.

Как следует из рассмотрения индик
а
торной диаграммы и теоретических циклов
ДВС, впускные и выпускные клапан
ы

дол
ж
ны открываться и закрываться

в мертвых
точках. Фактически же все клапан
ы

откр
ы
ваются с опережением, а закрываются с з
а
паздыванием (т.е. с опережением


это когда
поршень еще не дошел до мертвой точки, а с
запаздыванием


когда поршень уже прошел
мертвую точку). Для удобства оценки эт
ого
опережения или запаздывания применяется

42

круговая диаграмма фаз газораспределения, на которой это несовпадение пок
а
зывают градусы поворота коленвала.

Как уже было отмечено, в четырехтактном двигателе цикл осуществляется
в течение двух поворотов коленвал
а, поэтому круговую диаграмму (для удо
б
ства нанесения обозначений) выполняют спиральной (рис. 25).

Из диаграммы видно, что впускной кл
а
пан открывается с опережением

вп
, что с
о
ставляет 18÷30° по углу поворота коленвала.
За счет этого обеспечивае
т
ся лучшее

подсас
ы
вание свежего заряда воздуха за счет инерции
столба отр
а
ботавших продуктов сгорания


не
следует забывать, что в это же время зака
н
ч
и
вается четвертый такт


выхлоп, т.е. выхло
п
ной клапан открыт


об этом н
и
же.

Закрывается впускной клапан обычно с
з
апаздыванием на 18÷45° после НМТ (угол
δ
вп
)
для увеличения продолжительности заполн
е
нии цилиндра свежим воздухом.

После заполнения цилиндра сжатым во
з
духом начинается сжатие, в конце которого в
цилиндр впрыскивается топливо. Для обесп
е
чения перемешивания р
аспыленного топлива с
воздухом топливо подается в цилиндр до пр
и
хода поршня в ВМТ с углом опережения
§10÷30° по углу поворота коленчатого вала. В этом случае самовоспламенение
топливной смеси произойдет в ВМТ. Очевидно, что с увеличением частоты
вращения к
оленвала этот угол должен тоже увеличиваться (если этого не пр
о
изойдет
,

процесс самовоспламенения будет происходить все дальше за ВМТ).
Это изменение опережения подачи топлива в дизелях стало возможно только в
последних «интеллектуальных» двигателях с ком
пьютерным управлением пр
о
цессом впрыска топлива. На автомобильных двигателях, в которых сжимается
топливная смесь (смесь карбюрированного топлива с воздухом всасывается в
цилиндр в первом такте), давно используется вакуумное опережение зажигания


чем боль
ше обороты, тем больше вакуум во всасывающем патрубке и тем
больше разворачивается корпус распределителя зажигания навстречу враща
ю
щемуся бегунку, вызывающему искру. Искра подается тем раньше, чем больше
частота вращения.

Из круговой диаграммы также видно,

что после расширения продуктов
сгорания выпускной клапан открывается до
НМТ
с углом опережения открытия
Δ
вып
, который закрывается после
ВМТ с углом запаздывания
δ
вып
.

Из круговой диаграммы также видно, что в течение некоторого времени
открыты одновременно

и впускной (на угол

вп
) и выпускной (на угол
δ
вып
) кл
а
паны, что, как было отмечено ранее, позволяет использовать подсасывающее
действие движущегося столба отработавших газов в выпускном тракте, что
улучшит очистку цилиндра и его заполнение свежим воздухо
м.


43

3.5. Принцип действия двухтактных дизелей


В двухтактных двигателях цикл осуществляется за один оборот коленвала,
что соответствует двум тактам. Следует подчеркнуть, что двухтактные двиг
а
тели
,

как правило
,

являются не тронковыми

(описано выше), а крейцкопфными
(за исключением бензиновых двухтактных мотоциклетных двигателей). При
н
ципиальная схема устройства и работы двухтактного двигателя показана на
рис. 26, а его цикл


на рис. 27.




Из рис. 26 видно, что шток поршня
3

движетс
я строго вертикально и г
о
ловку поршня делают гораздо меньшей высоты.

На рисунке также показан турбокомпрессор
ТК
, который приводится в
действие газовой турбиной
ГТ
, работающей на продуктах сгорания, выходящих
из двигателя через выхлопные окна. По ходу сжат
ого в
ТК

воздуха расположен
охладитель воздуха
ОВ
, который осуществляет промежуточное охлаждение
воздуха перед поступлением его в цилиндры. Это позволяет увеличить весовой
заряд воздуха в цилиндре, что оказывает благоприятное влияние на все тепл
о
вые и газо
динамические процессы, из которых складывается рабочий цикл с
у
дового дизельного двигателя.

Рассмотрим индикаторную диаграмму двухтактного двигателя (рис. 27).
Пусть поршень находится в НМТ


т.
1
. В данном случае втулка двигателя им
е
ет окна (прорези) разно
й высоты


окна меньшей высоты выходят в продуво
ч
ный ресивер (коллектор), а окна большей высоты сообщены с выхлопным рес
и

44

вером.

Таким образом, пока верхняя кромка поршня (на рисунке двигатель для
удобства построения индикаторной диаграммы показан лежащим)
при его дв
и
жении к
ВМТ не закроет все окна, процесс сжатия не начнется. В конце сжатия
3

4

в цилиндр впрыскивается
топливо и происходит горение
4

5

6
. В конце
рабочего хода
6

7

(расширения продуктов сгорания) в т.
7

поршень откроет
выхлопные окна и произой
дет выхлоп, который начнется процессом 7

8



св
о
бодным выпуском отработавших газов. После открытия продувочных окон (т.
8
) будет происходить принудительная продувка цилиндра (
8

1

2
), которая з
а
канчивается закрытием продувочных окон. В процессе
2

3

в данном

случае б
у
дет происходить потеря части воздушного заряда цилиндра (1

2 показывает
наполнение цилиндра воздухом).

Следует отметить, что параметры состояния рабочего тела в характерных
точках индикаторной диаграммы мало отличаются от таковых в четырехтак
т
ных

двигателях, поэтому нет смысла останавливаться на них подробно.


3.6. Индикаторные показатели работы ДВС


Показатели работы двигателя подразделяются на индикатор
ные (внутре
н
ние), характеризующие совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитыва
ю
щие только

тепловые потери в самом цилиндре, и эффективные (внешние),
учитывающие по
мимо тепловых и механические потери, которые имеются при
передаче энергии расшире
ния газов через поршень и кривошипно
-
шатунный
ме
ханизм на коленчатый вал двигателя

К индикаторным
показа
телям двигателя относятся среднее индикаторное
дав
ление
р
i
,
индикаторная мощ
ность
N
i
,

индикаторный удельный расход топл
и
ва
b
i

и индикаторный КПД
η
i
.

В результате осуществле
ния цикла тепловая энергия, выделяющаяся при
сгора
нии топлива, с
известной степенью совершенства (определяемой индик
а
торным КПД) превращается в полезную работу, развиваемую газами в цили
н
дре двигателя и называемую индикаторной работой цикла

i
. При этом давл
е
ние в цилиндре непрерывно меняется.

Для удобства ведения расче
тов и сравнения разных двига
телей переме
н
ные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) да
в
лением, которое обеспечивает по
лучение той же работы, что и цикл с переме
н
ным давлением. Это среднее постоянное давление называется средним инди
ка
-
торным давлением
p
i
. Следовательно, под средним индикатор
ным давлением
подразумевается условное постоянное давление, действующее на поршень на
рабочем ходе и совершающее за один цикл работу, равную индикаторной раб
о
те замкнутого цикла.

Графически средн
ее индии
-
каторное давление представ
ляет собой высоту
прямоугольника, площадь которого равна пло
-
щади индикаторной диаграммы,
а основание


длине диа
граммы (рис. 28).

Среднее индикаторное давление по
з
воляет сравнивать любые циклы и двигатели, независимо о
т способа осущест
в

45

ления рабочих процессов. Чем больше
р
i
, тем больше мощность двигателя при
прочих равных условиях (размерах, частоте вращения и т.д.).



Рис. 28. К определению среднего индикаторного даления


Индикаторной мощностью
N
i

называется мощность, разви
-
ваемая проду
к
тами сгорания над поршнем, т.е. такой мощностью обладал бы двигатель, не
имеющий поршня, коленвала и остальных деталей группы движения.

Вспомнив, что мощность


это работа в единицу времени, а работа


это
сила, умн
оженная на перемещение, запишем выражение для определения инд
и
каторной мощности ДВС:

, кВт,



(6)

где


диаметр цилиндра;



ход поршня;



частота
вращения в 1/мин.;

i



количество цилиндров;




сила продуктов сгорания;




работа продуктов сгорания;




мощность одного цилиндра;




коэффициент
тактности, равен 1 для двухтак
т
ных и ½ для четырехтак
т
ных ДВС;


46




перевод оборотов в минуту в обороты в секунду;

1000


перевод Вт в кВт.

Индикаторный коэффициент полезного действия η учитывает все потери
теплоты, связанные с рабо
той реального двигателя. При этом следует помнить,
что потерю теплоты
g
2
, связанную с необходимостью выполнения 2
-
го закона
термодинамики, учитывает термический КПД
η
і
. Таким образом, η
i

называется
отношение количества теплоты, преобразованной в работу без учета механич
е
ских потерь (т.е. как будто бы у двигателя, не имеющего деталей группы дв
и
жения


поршней, штоков, шатунов, коленвала), ко всему количеству подв
е
денной теплоты:

,



(7)

где



индикаторный расход топлива на двигатель;




низшая теплота сгорания топлива;




удельный (на 1 кВт) индикаторный расход топлива (
)
.

Очевидно, что
,

и

являются расчетными величинами.


3.7. Эффективные показатели ДВС


Часть индикаторной мощности, развиваемой продуктами сгорания, рас
х
о
дуется в самом двигателе и не может быть использована, т.к. эта мощность тр
а
тится на обеспечение работы двигателя. Эта мощность называется мощностью
механических потерь и слагается из следующих:

N
тр



потери мощности на трение, которые составляют бóльшую

часть м
е
ханических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных п
а
рах: поршневые кольца


цилиндр, шейки распределительного и коленчатого
валов


подшипники и т.д. К возрастанию потерь индикаторной мощности пр
и
водит также ухудшение техническо
го состояния двигателя, нарушение но
р
мальной работы систем смазки и охлаждения и т.д.

N
нас



потери мощности на совершение насосных ходов


в двухтактных
двигателях отсутствуют.

N
всп



потери мощности на привод навешенных механизмов двигателя, без
которых
работа двигателя невозможна


это потери на привод регулятора ч
а
стоты вращения, топливного, масляного и водяного насосов, воздушного ко
м
прессора (если он приводится в действие от двигателя).

N
вент



потери мощности на вентиляцию


учитывают расход мощности

на
трение между движущимися деталями и воздухом. Эта потеря растет с увел
и
чением частоты вращения двигателя.

Очевидно, что механические потери должны представлять сумму перечи
с
ленных потерь, т.е.


47

N
м
=N
тр

+ N
нас

+ N
всп

+ N
вент
.



(8)


Механические потери
оцениваются также средним давлением механич
е
ских потерь
р
м

и механическим КПД
η
м
.

р
м



условное постоянное давление, на преодоление действия которого на
поршень в течение одного хода затрачивалась бы работа, равная работе мех
а
нических потерь одного цикла.

После рассмотрения механических потерь целесообразно перейти к эффе
к
тивным показателям ДВС, к которым относятся среднее эффективное давление
р
е
, эффективная мощность
N
е
, эффективный КПД
η
е
, и удельный эффективный
расход топлива
b
е
.

Средним эффективным давл
ением
р
е

называется среднее условное пост
о
янное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее р
а
боту, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через в
ы
ходной фланец коленвала на винт или другой потребитель.

Из выше приведенн
ого в этом параграфе материала следует, что среднее
эффективное давление должно учитывать кроме тепловых все механические
потери и должно определяться формулой


р
е

 р
i



р
м
.




(9)


Эффективная мощность, так же как и
р
е
, учитывает тепловые и механич
е
ские
потери. Поэтому


N
е

= N
i



N
м
.




(10)


Для перехода от
N
i

к
N
е

используется механический КПД
η
м
, значение к
о
торого является паспортной величиной двигателя и по результатам стендовых
испытаний известно для всех основных режимов


N
е

= N
i

η
м
.




(11)


По аналогии с
N
i

формула для определения
N
е

выглядит следующим обр
а
зом:

.



(12)


Также по аналогии с индикаторным КПД


,



(13)


где



удельный эффективный расход топлива в кг/
кВт·ч.

Между рассмотренными КПД двигателей существует зависимость


48

.




(14)


Следует отметить, что если
b
i

и
N
i

являются расчетными величинами,
b
е

и
N
е

определяются непосредственными измерениями. Опытные
значения

удельн
о
го
эффективного расхода топлива и эффективного КПД приведены в таблице 1.


Таблица 1


b
е
, кг/кВт·ч

η
е

Малооборотный двиг
а
тель

0,160

0,205

0,54

0,42

Среднеоборотный двиг
а
тель

0,165

0,215

0,52

0,40

Высокооборотный дв
и
гатель

0,21

0,225

0,41

0,38

Высокооборотный
(<0,18 см) двигатель

0,230

0,250

0,38

0,34


3.8. Сравнение двух


и четырехтактных дизелей


Главное различие между двух


и четырехтактными ДВС заключается в к
о
личестве произведенной работы за один оборот двигателя


двухтактном диз
е
ле рабочий ход совершается на каждом обороте, а в четырехтактном


на двух
оборотах. Т.е. при всех равных условиях мощность двухтактного двигателя
теоретически вдвое больше по сравнению с четырехтактным. Однако, если на
продувку двухтактных дизелей отводит
ся по углу поворота коленвала менее
180°, у четырехтактных на выхлоп и продувку приходится 400

450°. Поэтому,
из
-
за несовершенства продувки цилиндров и других недостатков выигрыш в
мощности двухтактных дизелей уменьшается на 20

30% и в действительности
ока
зывается в 1,7

1,8 раз больше.

Большое значение для судовых условий имеют массогабаритные характ
е
ристики. У двухтактных дизелей масса на единицу мощности существенно
меньше по сравнению с четырехтактными, но высота существенно больше.
Двухтактные дизеля не

имеют клапанов (за исключением двигателей с прям
о
точно
-
клапанной продувкой, об этом ниже) и соответственно нет сложного м
е
ханизма привода клапанов. Однако последние эффективно работают на более
высоких частотах вращения, что в ряде случаев компенсирует их

недостатки по
сравнению с двухтактными двигателями.

Анализ опыта эксплуатации дизелей показывает, что каждый тип дизеля
имеет свое применение на судне. В качестве главных двигателей с прямой п
е
редачей на винт
,

как правило
,

применяются двухтактные малообор
отные диз
е
ли с частотой вращения 90

120 об/мин, т.к. частота вращения гребного винта
обеспечивает максимальное значение пропульсивного КПД (этот КПД характ
е
ризует работу всего пропульсивного комплекса: корпус судна


гребной винт



49

главный двигатель) именн
о при этих значениях.

Четырехтактные дизели имеют
n

= 250

750 об/мин и используются гла
в
ным образом в качестве вспомогательных двигателей (дизельгенераторов), а в
случае их применения в качестве главных устанавливаются редукторы, пон
и
жающие частоту
вращения до значений, показанных выше.


3.9. Пути повышения мощности ДВС


Анализ формулы для определения мощности показывает, что последняя
зависит от тактности, количества цилиндров, частоты вращения, хода поршня,
диаметра и среднего давления в цилиндре.

Тактность разобрана в предыдущем параграфе достаточно подробно. К
о
личество цилиндров судовых малооборотных двигателей достигает 12
,

больше
цилиндров в одном двигателе не делают.

Диаметр цилиндров превышает 1 м, а ход поршня длинноходовых двиг
а
телей превыша
ет 2,5 м. Иными словами, увеличение мощности дизелей увел
и
чением их геометрических характеристик достигло своего предела. Поэтому
единственным способом повышения мощности является увеличение среднего
давления в цилиндре.

Конечно увеличение частоты вращения

повышает мощность двигателя, но
обязательно пропорционально уменьшает его моторесурс. Так двигатели г
о
ночных автомобилей, имеющие частоту вращения до 20 тыс. об/мин, обычно
выдерживают до капитального ремонта одну
-
две гонки. Поэтому, а также по
причинам,
изложенным в предыдущем параграфе, главные двигатели морских
судов делают малооборотными.

Очевидно, что давление в цилиндре определяется количеством сжигаемого
топлива, т.е. чем больше сжечь топлива, тем выше будет давление. Но для сж
и
гания большего количе
ства топлива необходимо больше кислорода, который в
цилиндр двигателя можно подавать либо в чистом виде (что очень дорого), л
и
бо дополнительным количеством воздуха. Для этого применяют наддув двиг
а
телей


принудительную подачу воздуха в цилиндр под избыточ
ным давлен
и
ем. Подобный результат достигается также при охлаждении воздуха перед его
поступлением в цилиндр


при этом его плотность еще больше увеличивается, а
следовательно увеличивается содержание кислорода.


3.10. Наддув дизелей


Наддувом называется сп
особ повышения мощности двигателя при помощи
подачи в рабочий цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного для ув
е
личения цикловой подачи топлива (цикловая подача топлива


это подача то
п
лива за один цикл). Добавочная подача топлива является источником
дополн
и
тельного подвода теплоты к рабочему телу в цилиндре, обеспечивающим п
о
вышение удельной эффективной работы цикла.


50

По сравнению со средним эффективным давлением
р
е

у дизелей без надд
у
ва, его значения при наддуве повышаются у четырехтактных двигателей
в 2

4
раза, у двухтактных


в 1,5

2,7 раза. Так как
р
е

входит в формулу мощности,
увеличение мощности при использовании наддува составит эти значения.

Наддув в зависимости от типа двигателя может осуществляться по разному


в зависимости от привода компрес
сора различают механический, газотурби
н
ный и комбинированный наддув.

При механическом наддуве поршневой, ротативный или центробежный
нагнетатель приводится в действие непосредственно от вала двигателя. Этот
вид наддува в судовых ДВС в чистом виде не примен
яют, однако используют в
комбинированном наддуве, когда для повышения давления воздуха используют
энергию отработавших газов (газотурбинный наддув) и работу самого двигат
е
ля.

При газотурбинном наддуве сжатый воздух подается к цилиндрам двиг
а
теля специальны
м дополнительным механизмом


турбокомпрессором.

Турбокомпрессор представляет собой соединенные в одном корпусе це
н
тробежный компрессор и газовую турбину. Компрессор связан с двигателем
только трубопроводом подачи воздуха к ресиверу, а турбина


трубопрово
дом
подачи выхлопных газов от двигателя к сопловому аппарату (см. главу 4).

На рис. 29 приведена схема газотурбинного наддува четырехтакт
-
ного
двигателя.

Воздух из окружающей среды
всасывается компрессором
4

через
прие
м
ный патрубок
3
, сжимается и п
о
дается

через охладитель над
д
уво
-
чного
воздуха
5

в ресивер
6
, откуда поступ
а
ет в цилиндр через впускной клапан
7

(как было отмечено ранее, охлаждение
воздуха применяют с целью снижения
теплон
а
пряженности и дополнител
ь
ного повышения мощности дизеля).

Рабочее
колесо компрессора,
насаженное на общий вал с ротором
газовой турбины, приводится в движ
е
ние газовой турбиной
1
. Газовая ту
р
бина приводится во вращение отраб
о
тавшими в цилиндрах газами, которые
поступают к ней от выпускных клап
а
нов двигателя
8

через выпуск
ные п
а
трубки и трубопровод
9

и отводятся
через патрубок
2
.

Мощность, развиваемая газовыми
турбинами турбокомпрессоров судо
-
вых дизелей, составляет до 20% мощ
-
ности двигателя, поэтому дизеля с г
а

51

зотурбинным наддувом называют комбинированными турбопоршневыми

дв
и
гателями. В газовой турбине утилизир
уется значительная часть остато
чной
энергии отработавших в ци
-
линдре газов, которая у двигателей без н
аддува
уносится с газами в атмо
сферу.

При наддуве двухтактных дизелей
,

как правило
,

применяется комбинир
о
ванный на
ддув с двухступенчатым сжатием воздуха. Обычно в качестве первой
ступени сжатия используют турбокомпрессор, а в качестве второй ступени


подпоршневые полости цилиндров или приводной поршневой компрессор.
Пример вариантов комбинированного наддува показан н
а рис. 30.



Из рисунка видно, что продукты сгорания через выхлопной клапан пост
у
пают в газовую турбину турбокомпрессора
ТК
. Газовая турбина имеет общий
вал с компрессором, рабочее колесо которого всасывает воздух из машинно
-
котельного отделения. Далее ло
патки компрессора разгоняют воздух, поступ
а
ющий далее в расширяющийся канал улиткообразной формы, где за счет
уменьшения скорости возрастает давление воздуха (на рисунке
а

видна именно
компрессорная часть турбокомпрессора). Так как после сжатия температура

воздуха повысилась, для увеличения плотности воздуха его охлаждают в хол
о
дильнике
ОНВ
.

Далее охлажденный воздух попадает в воздушный ресивер
ВР
, который
через продувочные окна сообщается с цилиндром двигателя. При ходе поршня
к НМТ его донышко выполняет р
оль поршневого насоса, сжимая воздух, нах
о

52

дящийся в подпоршневой полости и воздушном ресивере. Наддув и продувка
цилиндра начинается после того, как верхняя кромка поршня откроет пр
о
дувочные окна.

Следует подчеркнуть, что необходимость в применении комбини
рованн
о
го наддува в двухтактных дизелях возникает по двум причинам. Во
-
первых, так
как отработавшие продукты сгорания из цилиндра выталкивает не поршень
(как в четырехтактных двигателях), а воздух, его расход по сравнению с чет
ы
рехтактным двигателем будет
повышенным. Во
-
вторых, так как отходящие
продукты сгорания разбавлены воздухом, мощность газовой турбины оказыв
а
ется недостаточной для подачи в цилиндры необходимой массы воздуха при
необходимом давлении.

В заключение следует отметить, что в зависимости от

способа подвода г
а
зов к турбине и принципа использования энергии газов системы наддува суд
о
вых дизелей делятся на изобарные и импульсные.

Первые применяют преимущественно в двухтактных и среднеоборотных
четырехтактных дизелях. В этом случае газы подводятс
я к газовой турбине из
выхлопного коллектора большого объема, где давление незначительно меняе
т
ся относительно среднего давления.

В импульсных системах наддува подвод газов к турбине осуществляется
через короткие выпускные патрубки небольшого сечения, что
позволяет допо
л
нительно использовать энергию импульса давления выхлопных газов. Эти с
и
стемы наддува применяют преимущественно в четырехтактных и некоторых
двухтактных дизелях.


3.11. Газораспределение и продувка двухтактных дизелей


В двухтактных дизелях
на процессы газообмена отводится не более 160º
поворота коленчатого вала, что существенно меньше, чем в четырехтактных.
Существующие системы продувки и выпуска продуктов сгорания относятся к
двум основным видам


контурным и прямоточным.

Схемы контурных си
стем газообмена показаны на рис. 31.

При совершенствовании систем газообмена меняли расположение впус
к
ных и выпускных окон, их высоты, угол их наклона к вертикали, устанавливали
клапаны и золотники и на те и на другие окна. В любом случае в контурных с
и
сте
мах воздух поступает в цилиндр, и продукты сгорания выходят из цилиндра
через окна, расположенные в нижней части цилиндра. Воздух движется снизу
вверх, разворачивается на 180º, потом движется сверху вниз и покидает ц
и
линдр через выпускные окна.

На рис. 31,

а

показана схема поперечно
-
щелевой бесклапанной продувки.
Выпускные окна выше продувочных, последние имеют наклон канала к верт
и
кали (направлены чуть вверх). На рис. 31,
б

показан вариант такой схемы пр
о
дувки цилиндра, а на рис. 31,
в

показана

продувка через окна, расположенные с
одной стороны. Такая схема продувки называется петлевой.



53



На рис. 31,
г

показана поперечно
-
щелевая бесклапанная продувка с пр
о
дувочными окнами, имеющими бóльшую
высоту, чем выхлопные окна. В данном
случае продувочн
ые окна имеют нево
з
вратные клапаны и здесь возможна доз
а
рядка цилиндра свежим воздухом и нет
потери заряда свежего воздуха.

Прямоточные системы газообмена
делятся на прямоточно
-
клапанные (рис.
32,
а
) и прямоточно
-
щелевые (рис. 32,
б
).
Из рисунков видно, чт
о, по сравнению с
контурными, эти системы обладают лу
ч
шими возможностями по очистке цили
н
дра и его заполнению. Поэтому дизел
е
строительные предприятия отдают пре
д
почтение этой системе, несмотря на более
сложную конструкцию (наличие клапанов
или заслонок).



3.12. Образование горючей смеси в дизелях


Внутреннее смесеобразование, т.е. образование горючей смеси, характе
р
ное для дизелей, бывает объемным и пленочным. В первом случае впрыскива
е
мое в цилиндр топливо выходит в виде струй, которые распадаются на множ
е

54

ство мелких капель. При этом значительно увеличивается поверхность контакта
топлива с нагретым воздухом, что ускоряет процесс испарения «легкой» (и ле
г
ко горящей) части топлива. Очевидно, что чем больше поверхность контакта
топлива с воздухом, тем лучше п
роисходит процесс воспламенения и сгорания
топлива.

Высокому качеству смесеобразования способствует высокое давление, с
о
здаваемое топливными насосами высокого давления (20÷50 МПа, иногда до
100÷150 МПа), малый диаметр (0,2÷1,2 мм) и количество отверстий (о
т 4 до 10)
форсунок, а также тангенциальное расположение продувочных окон и форма
камер сгорания.



На рис. 33,
а, б, в, г

показаны варианты неразделенных камер сгорания,
объем которых представляет собой единое пространство. Для повышения одн
о
родности воз
духо
-
топливной смеси в камере сгорания, для исключения попад
а
ния капель топлива на стенки цилиндра и для равномерного заполнения камеры
сгорания горючей смесью, дизелестроительные предприятия производят тщ
а
тельное согласование формы струй топлива с формой
камеры сгорания.

Несмотря на предпринимаемые усилия, добиться рационального использ
о
вания воздуха в неразделенных камерах сгорания трудно. Поэтому, для полного
сгорания топлива, увеличивают количество подаваемого воздуха, что оценив
а
ется коэффициентом избы
тка воздуха
α
, значение которого показывает, во
сколько раз количество подаваемого воздуха превышает теоретически необх
о
димое для сгорания.

Камеры сгорания первых двух типов применяют в четырехтактных ДВС,
крышки рабочих цилиндров которых
,

по технологическим соображениям
,

д
е
лают плоскими
,

и форма камеры сгорания определяется формой донышка
поршня.

Камеры, показанные на рис. 33,
в

и
г

применяют в двухтактных двигат
е

55

лях. Форма камеры создается за счет формы днища крышки и головки поршня,
что
способствует более равномерному заполнению камеры сгорания топливо
-
воздушной смесью.

Нераздельные камеры сгорания применяются в мало


и среднеоборотных
двигателях достаточно большой мощности, имеющих диаметр цилиндра
§0,15÷1 м),где цикловая подача топлива
позволяет обеспечить ее качественное
распыливание.

В высокооборотных двигателях небольшой мощности и
,

соответственно
,

с
малой цикловой подачей, достигающей 0,5 г и меньше, для обеспечения расп
ы
ливания топлива приходится применять такие малые диаметры отвер
стий фо
р
сунок, при которых работа двигателя становится ненадежной (отверстия ди
а
метром 0,2 мм и менее легко засоряются). Поэтому в таких двигателях прим
е
няют разделенные камеры сгорания с объемным или пленочным смесеобраз
о
ванием.

В разделенных камерах сгор
ания объем камеры сгорания делится на две
части: надпоршневое пространство и отдельную камеру в крышке рабочего ц
и
линдра (например, вихрекамерные двигатели), либо в головке поршня.

В вихрекамерных двигателях (рис. 33,
ж
) при сжатии воздух, поступая в
вихревую камеру, получает вращательное движение, в результате чего впры
с
киваемое через форсунку в вихревую камеру топливо хорошо распыливается,
т.е. происходит объемное смесеобразование.

Примеры камер объемно
-
пленочного и пленочного смесеобразования пр
и
вед
ены на рис. 33,
д

и е.

В первом случае при центральном расположении форсунки (как показано
на рис. 33,
д
) топливные струи (от 4 до 6) направляются таким образом, чтобы
часть топлива попадала в объем камеры сгорания, а часть


на стенку, растек
а
ясь в виде т
онкой пленки. Интенсивное вихревое движение наряду с испарен
и
ем части топлива с поверхности камеры позволяет обеспечить качественное
смесеобразование при достаточно низких коэффициенте избытка воздуха (
α

=
1,5) и давлении впрыскивания (до 20 МПа).

Во второ
м случае (рис. 33,
е
) топливный факел подается на стенку под ос
т
рым углом, что способствует растеканию пленки по поверхности камеры и ее
интенсивному испарению.

Двигатели с разделенными камерами сгорания могут работать на разли
ч
ных сортах топлива, однако и
з
-
за повышенных тепловых потерь и потерь на
перетекание рабочего тела из одной части камеры сгорания в другую двигатели
с такими камерами сгорания по тепловой экономичности хуже по сравнению с
двигателями с неразделенными камерами сгорания.


3.13. Утилизац
ия теплоты на морских судах


Даже в самых современных СЭУ около половины энергии, выделяемой
при сгорании топлива, отдается окружающей среде с отходящими продуктами
сгорания и охлаждающей водой. Логичным является желание использовать эту

56

теплоту. Утилизаци
я теплоты отходящих продуктов сгорания предусматривает
получение пара в утилизационных парогенераторах, а теплоты охлаждающей
главный двигатель воды


получение пресной воды. Упомянутые способы ут
и
лизации теплоты на морских судах являются общепринятыми, та
к как источн
и
ки теплоты характеризуются достаточно высоким уровнем температур:



отходящие продукты сгорания за газовой турбиной у двухтактных ДВС
имеют температуру 265÷350°С и у четырехтактных


380÷500°С;



вода системы охлаждения дизелей имеет температу
ру 65÷85°С.

Достаточно высокий потенциал имеет также надувочный воздух после
компрессоров, имеющий температуру 90÷160°С (его необходимо охлаждать
перед подачей в цилиндры для увеличения весового заряда воздуха).

Самым простым видом утилизации теплоты отход
ящих продуктов сгор
а
ния является использование этой теплоты для работы водогрейных котлов.
Этот вид утилизации применяется на вспомогательных судах, не имеющих п
о
требителей пара.

Наибольшая эффективность такого варианта утилизации достигается при
работе ут
илькотла на утилизационный турбогенератор, что позволяет на ход
о
вых режимах частично или полностью отключить дизельгенераторы, что п
о
вышает экономичность СЭУ до 12%.

Схема утилизационной установки при таком варианте утилизации теплоты
отходящих продуктов с
горания показана на рис. 34.



Отработавшие газы главного двигателя последовательно проходят повер
х
ности нагрева пароперегревателя
4
, испарительных (кипятильных) змеевиков
2

и экономайзера
1

утилизационного парогенератора
3
.


57

На схеме показана совместная р
абота вспомогательного котла
ВК

и утил
и
зационного парогенератора
УПГ
, что
исключает нарушение снабжения судов
ы
х
потребителей
паром при уменьшении оборотов и остановке главного двигателя.

Пароводяная смесь из испарительной поверхности
УПГ

поступает или в
пароводяной барабан
6

или в сепаратор
7
, где отделяется от воды. Вода из в
о
дяного барабана
17

и из сепаратора
7

циркуляционным насосом
18

отправляе
т
ся в економайзер
1
.

Отделившийся от воды сухой насыщенный пар из сепаратора и паровод
я
ного барабана отправля
ется в пароводяную магистраль
5
, откуда его часть о
т
правляется в пароперегреватель
УПГ
, а оставшвяся часть идет к потребителям
11
, где конденсируется и через водоотделители
12

возвращается в теплый ящик
15
.

Перегретый пар отправляется в турбину
9

электроге
нератора
10
. После
турбины отработавший пар конденсируется в конденсаторе
13

и конденсатным
насосом
14

через охладитель эжектора
8

поступает тоже в теплый ящик (эже
к
тор служит для создания вакуума в конденсаторе
,

и для его работы используе
т
ся перегретый па
р). Питательный насос
16

подает конденсат из теплого ящика в
ВК

и
УПГ
.

Опыт утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания показал, что в
СЭУ с главными двигателями мощностью более 6000 кВт и имеющими темп
е
ратуру отходящих продуктов сгорания за турбинами
более 320ºС, утилизац
и
онный турбогенератор достигает мощности, позволяющей полностью обесп
е
чивать потребности СЭУ в электроэнергии и производимого пара достаточно
для всех судовых нужд.

При наличии в составе СЭУ длинноходовых двухтактных двигателей (к
о
торы
е имеют температуру отходящих продуктов сгорания до 280ºС) даже при
мощности более 10000 кВт получить перегретый пар с параметрами и в колич
е
стве, необходимом для нормальной работы утилизационного турбогенератора
,

достаточно трудно. В этом случае применяют систему утилизации, использу
ю
щую весь комплекс источников бросовой теплоты: отходящие продукты сгор
а
ния, надувочный воздух и охлаждающую воду.

В этом случае, для полного использования теплоты надувочного воздуха,

охладители выполняют двух


или трехсекционными. При этом первые две се
к
ции охлаждаются пресной водой и считаются высокотемпературными, а п
о
следняя (низкотемпературная, теплота которой уже не может быть использов
а
на) охлаждается забортной водой.

Для повыше
ния эффективности таких комплексных систем утилизации
теплоты судовые потребители комплектуют по группам (в зависимости от те
м
пературного потенциала бросовой теплоты).

В первую группу входят потребители теплоты системы охлаждения гла
в
ного двигателя. Это
глубоковакуумные опреснительные установки, подогрев
а
тели воздуха в системах вентиляции, подогреватели конденсата утилькотла.

Во вторую группу входят потребители, использующие теплоту высокоте
м
пературных секций охладителей надувочного воздуха


подогревател
и пит
а
тельной воды утилькотлов, топлива и масла в цистернах, питьевой и мытьевой

58

воды.

К третьей группе относятся потребители, использующие теплоту высокого
потенциала


подогреватели топлива и масла перед сепарацией, подогреватели
пресной воды системы охл
аждения, паровое отопление.

Четвертой группой потребителей являются потребители теплоты самого
высокого потенциала


теплоты перегретого пара утилькотлов.

Утилизационные котлы работают, как это было отмечено выше, на отх
о
дящих продуктах сгорания и производ
ят насыщенный пар для общесудовых
нужд и подогрева топлива, и перегретый пар, который расходуется на привод
утилизационных турбогенераторов. В некоторых случаях этот перегретый пар
приводит в действие паровую турбину, кинематически связанную с коленчатым
в
алом главного дизеля. Такая турбина может развивать до 10% от мощности
дизеля и позволяет экономить до 9% топлива.


59

4. СУДОВЫЕ ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ


4.1. Принцип действия паровых турбин


В паровой турбине преобразование те
п
ловой энергии пара в механич
ескую энергию
вращения вала осуществляется в два этапа:



преобразование энергии пара в кинет
и
ческую энергию струй;



преобразование кинетической энергии
струй пара в механическую энергию вращ
е
ния вала.

Первый этап осуществляется в соплах,
куда поступает
пар высокого давления. В
соплах пар расширяется, его давление падает
и увеличивается скорость. Таким образом,
внутренняя энергия пара превращается в к
и
нетическую.

На рис. 35 сопловой аппарат показан в
виде одного сопла
4
, но в мощных турбинах
этот аппарат
представляет собой сопловую
решетку


ряд неподвижных лопаток, закре
п
ленных в статоре по окружности турбины.

Сопловой аппарат с одним диском
2
, на
котором по гребню закреплены рабочие л
о
патки
3
, на которые поступает пар из сопел,
называется ступенью турбин
ы. Одноступе
н
чатые турбины применяют в качестве прив
о
дов каких
-
либо механизмов (например, пр
и
вод грузовых насосов на танкерах).


4.2. Активные и реактивные

паровые турбины


На рис. 36 приведен схематический пр
о
дольный разрез одноступенчатой активной
турби
ны. В каналах решетки рабочих лопаток
происходит поворот струи пара, за счет чего
возникает активная сила, действующая на л
о
патки 2 и вращающая диск 3, закрепленный на
валу турбины 4. Поскольку усилие на вал ту
р
бины передается только при повороте струй
пар
а, рабочая лопатка должна иметь сильно

60

изогнутый профиль.

В верхней части рис. 36 представлены графики изменения давления и ск
о
рости пара при его движении в активной турбине. Из графиков видно, что да
в
ление пара уменьшается в соплах
1
. Такие турбины, где р
асширение пара пр
о
исходит только в направляющем аппарате, называются активными.

В реактивных турбинах расширение пара происходит и в направляющем
аппарате, и на рабочих лопатках, т.е. рабочие лопатки вращают вал турбины и
за счет активного действия струй п
ара и за счет сил реакции, возникающих при
расширении пара в каналах между лопатками.

Профиль проточной части активной ступени показан на рис. 37, а реакти
в
ной ступени


на рис. 38.




Из рисунков видно, что в активной ступени межлопаточное пространство
направляющего аппарата (сопел) имеет переменный профиль (для того, чтобы
пар расширялся), а межлопаточное пространство рабочих лопаток имеет пост
о
янный профиль (т.к. служит только для изменения направления струй газа).

В реактивной ступени, т.к. пар расшир
яется и в направляющем аппарате, и
на рабочих лопатках, оба межлопаточных пространства имеют переменный
профиль.

4.3. Многоступенчатые турбины


Для наиболее полного использования на рабочих лопатках кинетической
энергии пара, необходимо стремиться к достиж
ению максимально возможной
скорости пара на выходе с рабочих лопаток, либо попытаться использовать эту
скорость на следующих рабочих лопатках. Так появились турбины со ступен
я
ми скорости. В настоящее время обычно строят турбины с двумя ступенями
скорости,
когда одно колесо имеет два венца с рабочими лопатками и рядом
направляющих лопаток между ними.

Такая турбина показана на рис. 39, где
1



сопла;
2



первый ряд рабочих
лопаток;
3



направляющий аппарат для второго ряда рабочих лопаток
4
.


61



Турбины тольк
о со ступенями ск
о
рости просты по устройству и весьма
компактны, однако они низкоэкономи
ч
ны. Их чаще всего используют в кач
е
стве
турбин заднего хода и в качестве привода
питательных насосов.

В качестве главных судовых турбин,
в которых используется пар выс
оких п
а
раметров, применяют многоступенчатые
турбины, которые состоят из нескольких
одноступенчатых турбин, расположе
н
ных последовательно друг за другом и
имеющих один общий вал. Такая акти
в
ная турбина (расширение пара и
,

соо
т
ветственно
,

падение давления пр
оисх
о
дит только в направляющих аппаратах)
со ступенями давления (давление пара
уменьшается в каждой ступени) показана
на рис. 40.

На общем валу
1

укреплены диски
2
,
3

и
4

с рабочими лопатками
5
,
6

и
7
. Пар
подводится к ним через направляющие
аппараты
8
,
9

и
10
, которые укреплены в

62

неподвижных перегородках, называемых диафрагмами. К турбине пар подв
о
дится через маневровый клапан в кольцевую камеру перед соплами первой ст
у
пени.

Многоступенчатые активные турбины применяют в области высоких да
в
лений пара, а мно
гоступенчатые реактивные турбины


в области низких да
в
лений пара. В судовых турбинах ступени высокого и низкого давлений обычно
размещают в отдельных корпусах, называемых турбинами высокого давления
(ТВД) и низкого давления (ТНД). В этом случае ТВД имеют
только активные, а
ТНД


только реактивные ступени.

В заключение следует отметить, что количество ступеней отдельных ко
р
пусов судовых турбин не превышает 6÷9, а в стационарных турбинах может
превышать 30. Частота вращения паровых турбин составляет тысячи
(до 6000)
оборотов в минуту.

4.4. Газовые турбины


Газовые турбины часто имеют одну ступень и работают с частотой вращ
е
ния до 15000 об/мин. Эти турбины, как было отмечено выше, широко прим
е
няют для привода нагнетателей в системах наддува дизелей.

Газотурби
нные
установки (ГТУ)
являются перспективным
типом
СЭУ.
Они сочетают положительные качества ПТУ и ДУ, но менее сложные по уст
-
ройству.

Если не считать увеселительных целей и огнестрельного оружия, то ГТ я
в
ляется наиболее древним тепловым двигателем, ибо еще

в 17 в. на Аронецком
(Урал) металлургическом заводе была разработана не только конструкция, но и
сделана газовая турбина.

В отличие от ПТУ здесь отсутствуют котлы, деаэраторы, конденсаторы и
т.д. (все элементы конденсатно
-
питательной системы). В то же вре
мя ГТУ, как
ротативный двигатель, обладает более высокими маневренными качествами по
сравнению с ДУ (лучшей нагрузочно
-
скоростной характеристикой), а также го
-
раздо более простой конструкцией. К преимуществам также можно отнести
возможность использования п
рактически любых топлив, малый вес и компакт
-
ность.

К недостаткам относятся трудность осуществления реверса мощных ус
-
тановок, необходимость ограничения температуры в проточной части (ротор
работает в режиме темно
-
малинового свечения, а жаростойкие легиров
анные
стали очень дороги), а также необходимость снабжения камеры сгорания (КС)
воздухом в большом количестве и высокого давления, на что расходуется зна
-
чительная часть полезной мощности ГТ.

В ГТУ, в отличие от ПТУ, рабочее тело не претерпевает фазовых пр
евра
-
щений в процессе подвода и отвода
q
. Поэтому вместо питательного насоса,
расходующего до 1

2% мощности ПТУ, ГТУ снабжена компрессором, потреб
-
ляющим до 75% мощности ГТУ из
-
за упругости (сжимаемости) воздуха.

Несмотря на ряд преимуществ, газотурбинные
установки на
судах

торгов
о
го
флота

в последнее
время

практически не используются по
целому

ряду причин.


63

5. СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

И МЕХАНИЗМЫ



5.1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов


Все теплообменные аппараты по способу
передачи теплоты делятся на п
о
верхностные и смешения. В поверхностных теплообменных аппаратах передача
теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через твердую
стенку. Процесс теплопередачи в смесительных теплообменных аппаратах
осуществляетс
я путем непосредственного контакта и смешения жидких и газ
о
образных теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты в свою очередь подразделяются
на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому
передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. В р
е
генеративных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и
той же поверхностью нагрева, которая нагреваясь аккумулирует теплоту "гор
я
чего" теплоносителя, а охлаждаясь от
дает теплоту "холодному" теплоносителю.
Регенеративные теплообменные аппараты часто являются аппаратами период
и
ческого действия.

Рекуперативные теплообменные аппараты могут быть классифицированы
по следующим признакам:

1. По роду теплоносителей в зависим
ости от их агрегатного состояния:



паро
-
жидкостные;



жидкостно
-
жидкостные;



газо
-
жидкостные;



газо
-
газовые;



паро
-
газовые.

2. По конфигурации поверхности теплообмена:



трубчатые с прямыми трубками;



спиральные;



пластинчатые;



змеевиковые;



ребр
истые или оребренные.

3. По компоновке поверхности теплообмена:



кожухотрубные аппараты;



аппараты типа "труба в трубе";



орсительные аппараты, которые не имеют ограничивающего корпуса.

Теплообменные аппараты поверхностного типа могут быть так же кл
асс
и
фицированы:

1. По назначению: подогреватели, охладители, конденсаторы, испарители
и т.д.;

2. По взаимному направлению потоков рабочих сред: прямоток, против
о
ток, смешанный ток;


64

3. По числу ходов теплоносителей и т.д.

На судах преимущественно применяются рекуперативные теплообменные
аппараты поверхностного типа.

Теплообменные аппараты различного назначения обеспечивают работу
главного и вспомогательных двигателей, судовой котельной установки, суд
о
вой холодильной устан
овки и системы кондиционирования воздуха, санита
р
ных и бытовых систем и т.д.


5.2. Основы расчета теплообменных аппаратов


Процесс теплообмена в теплообменном аппарате обычно рассматривают
как состоящий из трех одновременно протекающих процессов:



теплоот
дачи от "внешнего" теплоносителя к теплообменной поверхн
о
сти;



теплопроводности через стенку
,

ограниченную теплообменными повер
х
ностями;



теплоотдачи от теплообменной поверхности к "внутреннему" теплонос
и
телю.

Термины "внешний" и "внутренний" теплоноси
тели являются условными,
так как поток теплоты может менять направление в зависимости от температ
у
ры теплоносителей.

Теплоотдачей называют теплообмен между твердой стенкой (телом) и о
б
текающей ее средой.

Теплопередача



это процесс теплообмена между двумя
средами, разд
е
ленными перегородкой, состоящей из одного либо нескольких слоев. Процесс
прохождения потока теплоты через эту перегородку характеризуется теплопр
о
водностью слоев.

Теплопроводность



это процесс распространения тепл
оты
вследствие те
п
лового дви
жения частиц вещества.

Расчет теплообменного аппарата непрерывного действия основан на со
в
местном решении уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет след
у
ющий вид



Q=G
1

Δ
i
1

=
G
2
Δ
i
2
+
Q
n
,


(15)


где
Q



количество передаваемой теплоты,

G
1
,
G
2


расходы первичного и вторичного теплоносителей,

Δ
i
1
, Δ
i
2



изменение теплот теплоносителей,

Q
n


тепловые потери.


Уравнение (15) так же можно записать в виде:




Q=G
1
Δ
i
1

η
г
G
2
Δ
i
2,
(16)



65

где η
г


коэффициент полезного действия теплообменника.

Уравнение (16) может принимать различные формы в зависимости от х
а
рактера процессов в теплообменном аппарате.

При неизменном агрегатном состоянии теплоносителя




Δ
i

=
с

(
t
2


t
1
)
,

(17)


где
t
2
,
t
1



конечная и начальная температура теплоносителей,

с



средняя теплоемкость теплоносителя в интервале температур
t
1



t
2
,

При изменении
агрегатного состояния теплоносителя, например, в резул
ь
тате конденсации


Δ
i

=
с
п

(
t
п


t
н
)

+

r

+
с
ж
(
t
n


t
ж
)
,

(18)


где
с
п

,

с
ж



средние теплоемкости перегретого пара и конденсата;

t
п
, t
н
, t
ж



температуры перегретого пара, насыщения и конденсата на в
ы
ходе из конденсатора;

r



скрытая теплота парообразования (количества теплоты изменения агр
е
гатного состояния).

Уравнение теплопередачи в общем виде можно представить следующим
образом:



Q= k F

Δ
t
ср
,

(19)


где
k



коэффициент теплопередачи,

F


расчетная площадь поверхности теплообмена,

Δ
t
ср




средний температурный напор в теплообменном аппарате.


5.3.
Конструкции теплообменных аппаратов


На рис. 41 показано устройство двухходового конденсатора паротурби
н
ной установки.


Рис. 41.
Двухходовой конденсатор:

1


отвод охлаждающей воды, 2


отвод воздуха, 3


воздухоохладители, 4


подвод
охлаждающей воды, 5


удаление конденсата, 6


компенсатор, 7


подвод пара, 8


ди
а
фрагмы, 9,11


водяные камеры, 10


трубные доски


66

К корпусу конденсатора, сваренному из стальных листов, присоединены
трубные доски 10 из свинцовистой латуни. В трубных досках развальцованы
т
рубы из алюминиевой латуни. В паровом пространстве установлены стальные
промежуточные трубные доски (диафрагмы) 8.

В симметрично расположенных пучках труб конденсатора перегородками
выделены воздухоохладители 3.

На рис. 42 показано устройство кожухотрубног
о маслоохладителя, где п
о
верхность охлаждения состоит из гладких прямых латунных труб 3, концы к
о
торых развальцованы в трубных досках 7.




Рис. 42.
Маслоохладитель:

1,6


водяные камеры, 2


корпус, 3


теплообменные латунные трубы, 4


сегментные
перего
родки, 5


дистанционные фиксирующие трубы, 7,8


трубные доски


Внутри труб прокачивается забортная охлаждающая вода, снаружи пучок
обтекает охлаждаемое масло. По охлаждающей воде маслоохладитель является
двухходовым. Со стороны масла рассматриваемый масл
оохладитель шестих
о
довой.

На рис. 43 показаны различные конструкции подогревателей воды.

В небольших подогреватетелях при температуре греющего пара до 120
0
С
трубные доски жестко соединены с корпусом подогревателя (рис. 43а). При б
о
лее высоких температурах

греющего пара применяют конструкцию с плава
ю
щей трубной доской 6 ( рис. 43б ). На рис. 43в показан подогреватель воды с U


образными трубками. Такая конструкция позволяет полностью разгрузить
трубки от термического напряжения.



67



Рис. 43.
Водоподогреват
ели:

а) с трубными досками жестко соединенными с корпусом,

б) с плавающей трубной доской, в) с U
-
образными трубами, 1


подвод воды, 2


отвод
воды, 3


подвод греющего пара, 4


перегородки, 5


сборник конденсата, 6


трубная доска


На рис. 44 показаны
принципиальные конструкции подогревателей топл
и
ва различного типа.


68



Рис. 44.
Подогреватели топлива:


а) кожухотрубный, б) змеевиковый, 1


подвод пара, 2


отвод конденсата, 3


подвод
и отвод топлива


5.4. Назначение и классификация судовых холодильных
установок


Самопроизвольная передача теплоты от тела более нагретого к менее
нагретому


естественный необратимый процесс. В изолированной системе, с
о
стоящей из горячих и холодных тел, теплообмен продолжается до момента в
ы
равнивания температур. При этом те
ла с более высокой температурой являются
охлаждаемыми и температура их понижается, а тела с более низкой температ
у
рой


охлаждающими, они получают теплоту. Простейшая система охлаждения
может состоять только из двух тел: охлаждаемого и охлаждающего.

Если д
ля реализации процесса охлаждения не требуются затраты энергии,
то охлаждение называется естественным. Искусственное охлаждение


процесс
отвода или поглощения тепла, сопровождаемый понижением температуры
охлаждаемого объекта ниже температуры окружающей ср
еды и требующий з
а
трат энергии.

Главными источниками искусственного холода на всех видах транспорта,
как и в промышленности в целом являются холодильные машины. Холодил
ь

69

ной машиной называют совокупность соединенных трубопроводами агрегатов
и аппаратов, в к
оторых по замкнутому контуру циркулирует рабочее тело (хл
а
дагент), совершающий перенос теплоты от холодных (охлаждаемых) тел к б
о
лее нагретым.

Холодильные машины могут быть разных типов: паровые компрессио
н
ные, газовые компрессионные, воздушные компрессио
нные, абсорбционные,
пароэжекторные. Компрессионные машины работают с затратой механической
энергии, абсорбционные и пароэжекторные


с затратой тепловой энергии, п
о
этому их принято называть теплоиспользующими холодильными машинами.

Наиболее широкое примен
ение на судах нашли парокомпрессионные х
о
лодильные машины как наиболее компактные и универсальные. В этих маш
и
нах для получения низких температур используется дросселирование жидкости,
сопровождаемое понижением температуры, а для отвода тепла от охлаждаем
о
го объекта


фазовый переход жидкости


парообразование.

Холодильная установка помимо холодильной машины включает в себя д
о
полнительное оборудование (приборы охлаждения, насосы, вентиляторы, а
р
матуру, трубопроводы, воздухопроводы и т.п.). Часто к холод
ильной установке
относят и сам объект охлаждения, например тепло


и гидроизолированные
трюмы, провизионную или морозильную камеру с оборудованием.

Можно определить следующие основные области применения холода на
морских судах:



холодильная обработка (охла
ждение и замораживание) и хранение пр
о
дуктов (запасов продовольствия для экипажа и пассажиров) и скоропортящихся
грузов;



комфортное кондиционирование воздуха или дыхательной газовой смеси
с целью создания в судовых помещениях наиболее благоприятных микро
кл
и
матических условий для человека;



техническое кондиционирование воздуха для обеспечения наилучших
условий сохранения перевозимых нескоропортящихся грузов (зерна, хлопка,
колесной техники, различного оборудования и т.д.);



техническое кондиционирование

воздуха для функционирования эле
к
тронного и другого специального судового оборудования;



техническое кондиционирование газовой среды в грузовых танках танк
е
ров и газовозов, состоящее в приготовлении и применении осушенных инер
т
ных газов для предотвращени
я взрывов, уменьшения коррозии металлов вну
т
ренних конструкций в грузовых танках;



повторное сжижение и поддержание необходимых температуры и давл
е
ния газов, перевозимых на судах газовозах;



хранение сжиженного углекислого газа, используемого в системе п
ож
а
ротушения.

В состав судовой холодильной установки могут входить: одна или н
е
сколько холодильных машин, дополнительное оборудование и системы, нео
б
ходимые при производстве и использовании искусственного холода, а также
приборы и системы управления, контр
оля, защиты, сигнализации и автоматич
е
ского регулирования, обеспечивающие нормальную работу холодильных м
а

70

шин. Составной частью холодильной установки является система охлаждения
,

представляющая собой совокупность приборов аппаратов и устройств для о
т
вода т
епла из помещения либо от другого судового объекта.

Все холодильные машины в зависимости от холодопроизводительности
условно разделяют на малые (хол
о
допроизводительность до 15 кВт), средние
(от 15 до 120 кВт) и крупные (свыше 120 кВт).

В зависимости от температурного диапазона работы холодильные машины
подразделяют на высокотемпературные (температура испарения хладагента
выше
-
10
о
С), среднетемпературные (от
-
10 до
-
30
о
С) и низкотемпературные
(температура испарения хладагента ниже
-
30
о
С).

В зависимости от сложности схемы и вида холодильного цикла различают
одно
-
, двух
-
, многоступенчатые и каскадные холодильные машины.

Системы охлаждения подразделяются на системы непосредственного, ра
с
сольного, панельного, воздушного и комбинированного и
ли смешанного охл
а
ждения.

При непосредственном и рассольном батарейном охлаждении охлажда
ю
щие приборы имеют вид гладкотрубных или оребренных батарей, которые
размещают непосредственно в охлаждаемом помещении. Теплота, проника
ю
щая извне и выделяемая грузом
, отводится из помещения циркулирующим в
батареях кипящим хладагентом, при непосредственном охлаждении, либо хл
а
доносителем


рассолом, при рассольном охлаждении.

Панельная система охлаждения обеспечивает перехват потоков тепла,
идущих извне, еще до того к
ак они попадают в охлаждаемое помещение. Охл
а
ждаемые листотрубные панели устанавливаются внутри помещения на расст
о
янии 40


50 мм от поверхности изоляции на всех поверхностях ограждения
или на большей их части. Через каналы между листами панелей, как пра
вило,
циркулирует хладоноситель


рассол.

В воздушных системах охлаждения предусматривается интенсивное дв
и
жение больших воздушных масс через воздухоохладитель при помощи эле
к
тровентилятора. Так как воздух проходит через воздухоохладители с большой
скорост
ью, требуемая площадь теплообменной поверхности значительно
уменьшается. Воздухоохладители могут устанавливаться как в охлаждаемом
помещении так и вне его.

В комбинированной системе охлаждения одновременно применяются ра
з
личные методы отвода тепла.

Любая с
истема охлаждения должна быть универсальной (пригодной для
перевозки различных грузов), эффективно отводить тепло от охлаждаемого
объекта и иметь достаточную тепловую аккумуляционность, безопасной для
людей и грузов, экономичной, с компактными приборами ох
лаждения, надежна
в работе, проста и удобна в эксплуатации.




71

5.5. Схемы работы судовых холодильных установок



Одноступенчатая холодильная установка

Работа систем охлаждения провизионных камер, систем кондициониров
а
ния воздуха, рефрижераторны
х контейнеров и, в большинстве случаев, рефр
и
жераторных трюмов обеспечивается одноступенчатыми холодильными уст
а
новками. Принципиальная схема и теоретический цикл такой установки пок
а
зана на рис. 45.



Рис. 45. Принципиальная схема одноступенчатой
парокомпресионной

холодильной установки


В компрессоре КМ происходит сжатие паров холодильного агента, образ
о
вавшихся в испарителе И,


адиабатный процесс 1
-
2. Далее пары попадают в
конденсатор КН, где при постоянном давлении сначала охлаждаются до темп
е
р
атуры конденсации, а затем конденсируются. Жидкий холодильный агент п
о
ступает к регулирующему клапану РК, проходя через который дросселируется


процесс 3


4. При дросселировании за счет падения давления температура
жидкости резко понижается за счет ее ин
тенсивного испарения и холодильный
агент поступает в испаритель в состоянии влажного пара.

В испарителе происходит испарение (подсушивание) холодильного агента
при постоянных давлении и температуре. При помощи РК количество хол
о
дильного агента устанавливае
тся таким, чтобы при прохождении через испар
и
тель он полностью испарился.

Эффективность работы холодильной установки оценивается холодильным
коэффициентом


ε

=
q
o
/


= (
i
1



i
4
) / (
i
2



i
1
)


где
q
o


удельная массовая холодопроизводительность хладагента,
кДж/кг;




удельная работа, затрачиваемая на осуществление цикла, кДж/кг, равная работе

72

компрессора.

Для увеличения холодопроизводительности установки, улучшения усл
о
вий работы компрессора и повышения холодильного коэффициента, в ряде
случаев, применяются

холодильные установки
,

работающие по регенеративн
о
му циклу (циклу с регенерацией). Под регенерацией в парокомпрессионных х
о
лодильных машинах понимают внутренний теплообмен в цикле между жидким
хладагентом, поступающим из конденсатора, и холодным паром хла
дагента,
отсасываемым компрессором из испарителя. Этот процесс осуществляется в
теплообменных аппаратах, называемых регенеративными теплообменниками.
Схема одноступенчатой холодильной установки работающей по регенерати
в
ному циклу показан
а

на рис. 46.



Ри
с. 46. Принципиальная схема и теоретический цикл одноступенчатой парокомпрессионной
холодильной установки с регенеративным теплообмінником


Регенеративный теплообменник РТ является дополнительным элементом,
который устанавливается в схеме между конденсатор
ом КН и регулирующим
клапаном РК. Конструктивно



это кожухозмеевиковый теплообменный апп
а
рат, по змеевику проходит жидкий холодильный агент, пар хладагента поступ
а
ет в корпус РТ из испарителя И, омывает внешнюю поверхность змеевика и о
т
сасывается компресс
ором КМ. В результате жидкий хладагент дополнительно
переохлаждается, а пар хладагента дополнительно нагревается
Δ
t
п
= t
1
-
t
6
.

Дополнительное переохлаждение жидкого хладагента перед регулиру
ю
щим клапаном уменьшает внутреннюю необратимость, связанную с
дроссел
и
рованием хладагента в РК, что приводит к увеличению удельной массовой х
о
лодопроизводительности агента в цикле, в свою очередь дополнительный пер
е
грев пара перед компрессором увеличивает внешнюю необратимость цикла за

73

счет увеличения перегрева паров

хладагента при поступлении в конденсатор,
что приводит к увеличению затрачиваемой на совершение цикла удельной р
а
боты. Следовательно, холодильный коэффициент регенеративного цикла будет
больше холодильного коэффициента цикла без регенерации только в том с
л
у
чае, если относительный прирост массовой холодопроизводительности хлад
а
гента в регенеративном цикле будет больше относительного увеличения удел
ь
ной работы, затрачиваемого на совершение этого цикла.


Холодильные установки судов для перевозки сжиженных газ
ов

Холодильные установки судов для перевозки сжиженных газов (газовозов)
можно разделить на два основных типа. К первому типу относятся установки
газовозов, перевозящих сжиженные газы при давлениях значительно прев
ы
шающих атмосферное и положительных темпе
ратурах. Ко второму типу отн
о
сятся суда, перевозящие сжиженные газы при давлениях близких к атмосфе
р
ному и низких температурах.

Грузовая система судов, перевозящих сжиженные газы при высоких да
в
лениях и положительных температурах, состоит из ряда цилиндрич
еских та
н
ков, каждый из которых оборудован следующими трубопроводами: жидкос
т
ным, начинающемся в нижней части танка, через который происходят погрузка
и выгрузка; магистралью испарений


для отвода паров груза из верхней части
танка к компрессору и конденс
атно
-
струйным трубопроводом, используемым
для: возврата конденсата в танк при его охлаждении впрыском через верхний
распылитель, распыления части груза при погрузке с целью уменьшения давл
е
ния в грузовом танке, аварийного сброса давления в танке, запрессов
ки танков
при выгрузке.



Рис. 47. Принципиальная схема установки для повторного сжижения паров груза

при перевозке газов при высоких давлениях и положительных температурах


74

При охлаждении грузовых танков система (рис. 47) работает следующим
образом: по
магистрали испарени
я
, образовавшиеся в грузовом танке 1, пост
у
пают в теплообменник 2, в котором происходит их подогрев за счет теплообм
е
на с теплым конденсатом, поступающим из конденсатора 4, одновременно те
п
лообменник служит отделителем капель жидкого гру
за, уносимого парами из
грузового танка. Перегретый пар из теплообменника отсасывается компресс
о
ром 6 и после сжатия поступает в кожухотрубный конденсатор 4. Учитывая
возможность уноса масла из компрессора парами груза, на нагнетательном тр
у
бопроводе между

компрессором и конденсатором устанавливаются маслоотд
е
лители, обеспечивающие высокую степень очистки паров. Конденсатор подб
и
рается таким образом, чтобы он обеспечивал охлаждение паров до температуры
конденсации, конденсацию и последующее переохлаждение к
онденсата. Пер
е
охлажденный конденсат поступает в теплообменник, где происходит его дал
ь
нейшее переохлаждение холодными парами груза, поступающими из грузового
танка, после чего через регулирующий клапан 3 попадает в конденсатно
-
струйный трубопровод и возвр
ащается в грузовой танк. При подаче в танк ко
н
денсат дросселируется и разбрызгивается в специальном устройстве с целью
понижения давления и температуры до значений, соответствующих состоянию
груза в танке.

Двухступенчатые холодильные установки, применяемые

на газовозах, по
з
воляют обеспечить перевозку груза при давлениях близких к атмосферному и
температурах до


100
0
С. Двухступенчатая схема повторного сжижения и
охлаждения паров груза с однократным дросселированием показана на рис. 48.




Рис. 48.
Двухступенчатая схема повторного сжижения и охлаждения паров груза


В этом случае пары отбираются из верхней части грузового танка 1 и п
о
ступают в теплообменник 2.

Происходит перегрев насыщенных паров. Греющей средой в теплообме
н

75

нике является конденсат
груза, поступающий после межступенчатого охлад
и
теля 4. Перегретый пар всасывается компрессором ступени низкого давления 3.
С целью снижения температуры на всасывании компрессора ступени высокого
давления 5, после компрессора ступени низкого давления устана
вливается пр
о
межуточный межступенчатый охладитель. Температура паров, движущихся ч
е
рез него, снижается примерно на 40


50
0
С. Охлаждение происходит за счет
теплообмена с конденсатом, поступающим из конденсатора 6. После межст
у
пенчатого охладителя пар сжим
ается в компрессоре ступени высокого давл
е
ния. Горячие пары груза при давлении около 1,5 мПа поступают в конденсатор,
где после охлаждения до температуры конденсации конденсируются, затем
конденсат переохлаждается до температуры примерно на 5
0
С превышающе
й
температуру забортной воды. Проходя через межступенчатый охладитель ко
н
денсат подогревается, а затем в теплообменнике 2 снова охлаждается холодн
ы
ми парами, отбираемыми из грузового танка. Проходя через регулирующий
клапан, жидкость дросселируется и холод
ная парожидкостная смесь по конде
н
сатному трубопроводу возвращается в та
нк
.

Для перевозки сжиженных газов
,

температура которых при давлении бли
з
ком к атмосферному принимает значения ниже


100
0
С, применяются каска
д
ные системы охлаждения (рис. 49).




Ри
с. 49. Каскадная схема повторного сжижения и охлаждения паров груза


В нижней части каскада работает одноступенчатый компрессор 2, который
засасывает пары груза из танка 1 и подает их в конденсатор
-
испаритель 3, где
происходит их конденсация и переохлажден
ие за счет теплообмена с кипящим
холодильным агентом. Сконденсировавшиеся пары груза поступают к регул
и
рующему клапану, дросселируются, а затем по конденсатному трубопроводу
через разбрызгивающее устройство возвращаются в грузовой танк. В верхней
части кас
када, как правило, используется холодильная установка, работающая
на холодильном агенте среднего давления (хладон
-
22, 13В1, 134а). Компрессор
верхней части каскада 4 через маслоотделитель 5 нагнетает пары хладагента в
кожухотрубный конденсатор 6, где за сч
ет теплообмена с охлаждающей з
а

76

бортной водой пары конденсируются
,

и образовавшийся конденсат переохл
а
ждается. Жидкий хладагент поступает в ресивер 7. По мере необходимости
жидкий хладон из ресивера, дросселируясь в регулирующем клапане, поступает
в грузово
й конденсатор, где за счет его кипения в трубах охлаждаются и ко
н
денсируются пары груза, нагнетаемые в межтрубное пространство компресс
о
ром нижней части каскада. Испарившийся хладагент отсасывается компресс
о
ром верхней части каскада. При необходимости можн
о применять как в вер
х
ней, так и в нижней частях каскада двухступенчатые холодильные машины.


Конструкции элементов холодильной установки

Основными элементами, в обязательном порядке, входящими в состав с
у
довых холодильных установок являются компрессоры,

конденсаторы, испар
и
тели, запорная и регулирующая арматура, а так же приборы управления и авт
о
матики.

В морских установках применяются компрессоры трех типов: центробе
ж
ные, винтовые и поршневые. Однако наиболее широкое распространение, бе
з
условно, получи
ли поршневые компрессоры. Компрессоры этого типа прим
е
няются в широком диапазоне


от установок кондиционирования воздуха до
низкотемпературных установок охлаждения сжиженных газов. Компрессоры
достаточно компактны и выполняются с вертикальным, V


или W


о
бразным
расположением цилиндров. Устройство 6
-
цилиндрового поршневого бескрей
ц
копфного одноступенчатого бессальникового компрессора показано на рис. 50.

Двухопорный коленчатый вал установлен на подшипниках, один из кот
о
рых расположен на концевой шейке вала
, а другой


между шатунно
-
мотылевым механизмом и электродвигателем. Двухопорная схема вала 11 блок
-
картер 1 компрессора обеспечивают равномерность зазора между ротором 3 и
статором 4 встроенного электродвигателя. Ротор располлагают консольно для
упрощения

монтажа и демонтажа. Уровень масла в картере должен быть не м
е
нее, чем на 5 мм ниже зазора между ротором и статором, так как наличие масла
в зазоре приводит к росту подводимой мощности и увеличивает унос масла из
компрессора. Масло забирается из картера м
асляным насосом 6 через фильтр 5
и подается через фильтр тонкой очистки в камеру 7, а затем в сверление вала.
Цилиндровые втулки 2 чугунные, шатуны 10 стальные штампованные. В вер
х
нюю головку запрессована втулка, выполненная из бронзы, нижняя головка
имеет

разъем для облегчения сборки. В ней установлены тонкостенные бим
е
таллические вкладыши, рабочая поверхность которых покрыта слоем ант
и
фрикционного алюминиевого сплава. Поршни литые из алюминиевого сплава.
При сборке с шатуном поршневой палец запрессовывают

в поршень и фикс
и
руют от продольных перемещений двумя замковыми шайбами.




77





Рис. 50. Бескрейцкопфн
ый непрямоточный W


образный одноступенчатый бессальниковый
холодильный компрессор:

1


блок картер, 2


цилиндровые втулки, 3


ротор электродвигателя, 4


статор электр
о
двигателя, 5


фильтр, 6


масляный насос, 7


масляная камера, 8


нагнетательные клапаны,
9


всасывающие клапаны, 10


шатун, 11


коленчатый вал, 12


фильтр на всасывании



78

Интенсивное охлаждение встроенного электродвигателя всасываемыми
парами
хладагента, поступающими в компрессор через фильтр 12, позволяет
увеличивать нагрузку двигателя в 1.5


1.8 раза по сравнению с его номинал
ь
ной мощностью, что позволяет комплектовать бессальниковые компрессоры
встроенными двигателями меньшей номинальной мо
щности и массы. Однако
пусковой момент у таких электродвигателей должен превышать номинальный в
1.5


2 раза. Для обеспечения нормальной работы в режимах с уменьшенной
массой всасываемого пара изоляция обмотки электродвигателя должна дл
и
тельное время выдер
живать температуру до 125
0
С с учетом свойств среды, в
которой работает двигатель.

Большинство конденсаторов, используемых в составе судовых холодил
ь
ных установок, выполняются кожухотрубными и охлаждаются забортной в
о
дой. Типичный конденсатор показан на
рис. 51.




Рис. 51. Конденсатор:

а


общий вид, б


разрез по крышке, 1


вход пара холодильного агента, 2


выход жидкого
холодильного агента, 3


вход забортной воды, 4


выход забортной воды.


Холодильный агент заполняет межтрубное пространство, а охлаждающая
вода движется внутри трубок. В конденсаторе, охлаждаемом забортной водой,

79

предусматривается двухходовое движение воды. В случае
,

если длина конде
н
сатора превышает 3 м, предусматривают двойн
ой выход жидкого хладагента,
для обеспечения бесперебойного поступления жидкости в систему во время
качки судна.

Испарители холодильных установок делятся на два основных типа: исп
а
рители непосредственного охлаждения, в которых хладагент охлаждает неп
о
средс
твенно воздух, и с промежуточным хладоносителем, в которых хладагент
охлаждает хладоноситель, который затем подается к приборам охлаждения.

Испарители непосредственного охлаждения, как правило, представляют
собой теплообменные аппараты с поверхностью тепл
ообмена
,

выполненной из
оребренных труб. Оребрение применяется для увеличения площади теплоо
б
менной поверхности. Хладагент кипит в трубках и охлаждает воздух, который
либо продувается вентилятором либо движется за счет естественной конвекции.
Испарители эт
ого типа используются при охлаждении провизионных шкафов, в
системах непосредственного охлаждения рефрижераторных трюмов, систем
кондиционирования воздуха, а также в системах охлаждения рефрижераторных
контейнеров.

Более сложную конструкцию имеют кожухотру
бные испарители с пром
е
жуточным хладоносителем (рис. 52).



Рис. 52. Испаритель:

а


общее устройство, б


разрез по внутренней оребренной трубе, 1


вход холодильного
агента, 2


всасывание паров холодильного агента в компрессор, 3


вход хладоносителя,
4


выход хладоносителя, 5


дренажная труба


В приведенной конструкции хладагент кипит
,

проходя внутри трубок, а
хладоноситель

омывает ряды трубок снаружи. Перед трубной доской хладагент
разбрызгивается таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное его ра
с
пределение по всем теплообменным трубкам. Попадающее в испаритель масло
отводится через дренажную систему и в трубки не попа
дает. Для улучшения
теплопередачи имеются две конструктивные особенности


теплообменные

80

трубки со стороны холодильного имеют спиральное оребрение или же вставку
в виде алюминиевой звезды, имеющей спиральную форму; вторая


в корпусе
испарителя имеются пе
регородки, обеспечивающие движение хладоносителя
поперек трубок.


5.6
. Общие сведения о судовых насосах и их классификация


На судне в любое время происходит перемещение различных жидкостей в
трубопроводах судовых систем. В состав каждой системы входя
т насосы, тр
у
бопроводы, клапаны и арматура.

Насос


это механизм, предназначенный для подъема жидкости с нижнего
уровня на верхний или для придания жидкости некоторого количества энергии,
в результате чего обеспечивается движение жидкости и/или повышается
ее
давление.

На судах насосы с их системами трубопроводов включают в себя насос,
всасывающий и нагнетательный участки трубопровода. Система служит для т
о
го, чтобы в какой
-
то точке создать положительное давление или напор для
нагнетания жидкости. Энергия,
вырабатываемая насосом, тратится на создание
этого напора и на потери при движении жидкости.

По назначению различают насосы:



трюмных систем судна;



обеспечивающие эксплуатацию энергетической установки;



аварийно
-
спасательных систем;



обеспечивающие
санитарно
-
бытовые нужды;



грузовых систем наливных судов;



специальных судовых систем.

К первой группе относятся трюмно
-
осушительные и балластные насосы.

Трюмно
-
осушительные насосы предназначены для удаления воды и др
у
гих жидкостей из осушительных коло
дцев грузовых трюмов, льял машинно
-
котельного отделения и коридора гребного вала.

Балластные насосы служат для заполнения и опорожнения балластных
танков. В ряде случаев балластные насосы могут использоваться как резервные
пожарные и санитарные.

Процессы п
одачи воды, топлива и масла, откачки, прокачивания и нагн
е
тания, обеспечивающие работу судовой энергетической

установки, осущест
в
ляются соответствующими насосами, которые можно объединить во вторую
группу.

Неотъемлемой частью судна являются спасательные
системы, обеспеч
и
вающие безопасность. Эти системы обслуживаются водоотливными и пожа
р
ными насосами. В качестве водоотливных спасательных насосов на морских
транспортных судах используются все насосы трюмных систем, циркуляцио
н
ные охлаждающие и пожарные.

На
сосы, входящие в противопожарную систему водотушения, должны
обеспечить необходимые напор и подачу для создания мощных водяных струй.

81

Кроме того эти насосы используются для ска
т
ки палуб судна
,

мойки якорей и
якорных цепей.

Комфортные условия для судового э
кипажа в значительной мере опред
е
ляются санитарно
-
бытовыми системами. Действие этих систем обеспечивается
санитарными насосами
,

подающими пресную или забортную воду в санузлы,
насосами мытьевой пресной воды. К этой же группе можно отнести насосы п
и
тьевой в
оды и насосы фановых систем.

Группу мощных судовых насосов составляют грузовые насосы наливных
судов. Эти насосы обеспечивают проведение грузовых операций.

Универсальные наливные суда, предназначенные для перевозки различных
жидких грузов оборудованы специ
альными зачистными системами, в состав
которых входят соответствующие насосы.

На специальных и некоторых транспортных судах часто предусмотрены
некоторые дополнительные системы, в состав которых входят насосы их о
б
служивающие. К таким системам относятся пр
отивокренные, системы огран
и
чения качки, системы орошения специальных трюмов и

некоторые другие.

По принципу действия насосы подразделяются следующим образом:



объемного действия;



гидродинамического действия;



струйные.

К насосам объемного действия

относятся поршневые насосы, в которых
возвратно
-
поступательное движение поршня обеспечивает подачу жидкости в
нагнетательный трубопровод, роторные, винтовые, шестеренные и пластинч
а
тые насосы, работающие по принципу изменения объема рабочей полости
насоса
, что обеспечивает повышение давления жидкости и ее вытеснение в
нагнетательный трубопровод.

К насосам гидродинамического действия относя
т
ся лопастные насосы. В
этих насосах в качестве рабочего органа применяется вращающееся колесо,
снабженное лопастями. Л
опасти передают жидкости энергию и направляют п
о
ток. По направлению потока жидкости такие насосы можно разделить на це
н
тробежные и осевые. К это
й

же группе относятся и вихревые насосы.

У струйных насосов энергия подводится вместе с потоком рабочей жидк
о
сти

или пара. При этом потенциальная энергия рабочего потока в сопле прео
б
разуется в кинетическую. Рабочий поток поступает во всасывающую камеру
аппарата с высокой скоростью и увлекает
(
подсасывает) жидкость или газ из
этой камеры. Через диффузор смешанный по
ток направляется в нагнетател
ь
ный трубопровод.


5.7. Насосы объемного принципа действия


5.7.1. Поршневые насосы

Поршневые насосы используются в системах общесудового назначения,
системах обслуживающих главный двигатель, а также в гидроприводе как п
а

82

лубных устройств и механизмов, так и рулевых машин.

Разнообразное применение этих насосов обусловлено рядом их дост
о
инств: надежностью, способностью всасывания без предварительного заполн
е
ния жидкостью, возможностью регулировать подачу независимо от
напора,
простотой обслуживания, достаточно высоким КПД

Недостатками поршневых насосов являются большие габаритные размеры,
масса и усложнение конструкции, связанное с наличием клапанных механи
з
мов.

Поршневые насосы классифицируются следующим образом:



по
кратности действия (числу полостей или цилиндров)


насосы прост
о
го, двойного и многократного действия;



по давлению нагнетания


насо
сы низкого давления (до 0,5 мПа
), средн
е
го давления (от 0.5 до 5,0 мПа) , высокого давления


(свыше 5,0 мПа );



по пода
че


насосы малой подачи (до 20 м
3
/ч), средней подачи (от 20 до
60 м
3
/ч), большой подачи (свыше 60 м
3
/ч);



по быстроходности


тихоходные (с частотой вращения вала до 80
об/мин), нормальные (с частотой вращения вала от 80 до 150 об/мин), быстр
о
ходные (
выше 150 об/мин);



по роду перекачиваемой жидкости


насосы водяные, масляные и пр.;



по конструктивному исполнению


насосы собственно поршневые,
плунжерные, вертикальные, горизонтальные и т.п.;



по типу соединения с двигателем


прямодействующие и п
риводные;



по типу привода


электрические, паровые и с ручным приводом.

Принцип действия поршневого насоса состоит в следующем (рис. 43).

Поршень движется в рабочей полости, при движении поршня от крайнего
правого положения в рабочй полости (цилиндре)
создается разряжение, закр
ы
ваются нагнетательные клапаны и открываются всасывающие, жидкость пост
у
пает в цилиндр, при нормальной работе насоса жидкость безотрывно следует за
поршнем. После достижения крайнего левого положения поршень начинает
сжимать жидко
сть, перемещаясь вправо. Давление в цилиндре начинает увел
и
чиваться, всасывающие клапана закрываются, а нагнетательные открываются.




Рис. 53. Принцип действия поршневого насоса



83

Путь
x
, который проходит поршень от крайнего левого положения, с д
о
статочно
й точностью определится:

x = r


r cos

φ.


Объем жидкостей
,

подаваемый в нагнетательный трубопровод при пер
е
мещении поршня
dx
будет:


dV  Fc dτ
,


где

с


скорость поршня , м/с;

F


площадь

поршня , м
2
;

τ


время за которое осуществляется подача, с.

С учетом того, что линейная скорость
с
может быть определена через у
г
ловую как


с

=
ω
r

sin
φ
,


dV

=
Fr

sin
φ

d
φ
.


Таким образом очевидно, что мгновенная подача поршневого насоса пр
о
стого действия изменяется по синусоиде (рис. 54).




Рис. 54. Подача
поршневого насоса простого действия


Для уменьшения неравномерности подачи используют увеличение кратн
о
сти действия

путем применения насосов с двумя, четырьмя а иногда и шестью
цилиндрами.


Для стабилизации давления в трубопроводе устанавливают воздушные
к
олпаки (рис. 55).


84



Рис. 55. Использование воздушных колпаков


Обмен жидкостью между колпаком и насосом приводит к тому, что в во
з
душном колпаке изменяется уровень жидкости, т.е. происходит изменение об
ъ
ема воздуха и его давление. При неизменном уровне ж
идкости в колпаке в
трубопроводе устанавливается постоянное давление, которое выше давления,
характерного для начала всасывания либо нагнетания без воздушного колпака.
Новые условия движения жидкости в трубопроводе при наличии воздушного
колпака приводят к

тому, что жидкость с переменной скоростью движется
только на участке между колпаком и насосом, а в

трубопроводе с постоянной
скоростью.

На рис. 56 представлена конструкция электроприводного насоса большой
производительности.

Это вертикальный насос четверн
ого действия, т.е. насос с четырьмя ц
и
линдрами. Цилиндры насоса 2 отлиты из чугуна, цилиндровые втулки 3


из
бронзы. В насосе используется зубчатый редуктор, расположенный на верхней
части рамы, в которой уложен вал насоса. Электродвигатель установлен на

нижней части рамы. Верхняя 6 и нижняя 1 части рамы соединены болтами. В
цилиндровом блоке расположены клапанные коробки.

Каждая полость насоса обслуживается одним всасывающим 12 и одним
нагнетательным 11 клапаном. Между цилиндрами насоса размещен всасыва
ю
щий воздушный колпак, соединенный с приемным патрубком 5. Поршень 13
перемещается шатуном 8, шарнирно соединенным с ползуном 9, который дв
и
жется по параллели 7. Ползун имеет шпоночное соединение 10 со штоком 4.



85



Рис. 56. Поршневой насос четверного
действия:

1,6


рама, 2


цилиндр, 3


цилиндровая втулка, 4


шток, 5


приемный патрубок воздушного
колпака, 7


параллель ползуна, 8


шатун, 9


ползун, 10


шпоночное соединение, 11


нагнетательный клапан, 12


всасывающий клапан, 13


поршень


По бокам на
соса расположены нагнетательные патрубки на одном из кот
о
рых устанавливается предохранительный клапан. Для смазки подшипников,
ползунов и редуктора используется шестеренный насос
, принцип действия ш
е
стеренных насосов описан в разделе 7.2.2.

Насосы такого т
ипа применяются в
качестве осушительных и балластных, а также для перекачивания нефтепр
о
дуктов.

В качестве насосов систем гидропривода палубных и рулевых механизмов
и рулевых машин часто используются радиально и аксиально
-
поршневые нас
о
сы переменной подач
и. В насосах таких конструкций изменяется ход поршней
насоса и подача жидкости изменяется от нуля до определенного значения. Это
достигается применением в конструкции регулировочного кольца, наклонной

86

плиты или скользящих лопастей. Конструкция радиально
-
п
оршневого насоса
показана на рис. 57.


Рис. 57. Радиально
-
поршневой насос переменной подачи:

1, 3, 15


отверстия и каналы неподвижного золотника, 2


приводной вал, 4


поршень, 5


палец, 6


ползун, 7, 9


крышки, 8


корпус, 10


регулировочный блок,
11, 12


подшипники,
13, 14


отверстия для присоединения трубопроводов, 16


блок цилиндров, 17


регулир
о
вочное кольцо, 18


разъем для подсоединения системы управления ,19


тяга.


Внутри корпуса насоса короткий приводной вал вращает блок цилиндров,
пос
аженный на подшипниках. Внутри блока помещен неподвижный золотник.
Радиально расположенные цилиндры соединены отверстиями с каналами неп
о
движного золотника, которые сообщаются с каналами подвода и отвода жидк
о
сти к насосу. В цилиндрах движутся поршни, соед
иненные с ползуном пальц
а
ми. Ползуны находятся в круговом пазе регулировочного кольца. Кольцо может
вращаться в шарикоподшипниках, а так же перемещается в стороны от своего
среднего положения. Боковое смещение регулировочного кольца осуществл
я
ется с помощь
ю двух тяг, выходящих из корпуса насоса.

Рис. 58 иллюстрирует принцип действия насоса.

Когда регулировочное кольцо расположено концентрично относительно
неподвижного золотника (рис.
5
8а), подача будет равна нулю, так как поршни
не совершают поступательного

движения в цилиндрах. Если регулировочное
кольцо сдвигается вправо, поршни получают возможность двигаться поступ
а
тельно (рис.
58 б.). Поршень, оказавшийся в нижней полуокружности, будет
перемещаться к центру блока и нагнетать жидкость в нижнее отверстие н
еп
о
движного золотника. После прохождения цилиндром в пр
о
цессе вращения г
о
ризонтального положения, поршень начнет двигаться от центра, всасывая жи
д
кость из верхнего отверстия. Пройдя горизонтальное положение на противоп
о
ложной стороне, поршень начнет нагнет
ать жидкость. Если регулировочное
кольцо сдвинуть влево от его среднего положения (рис. 58 в), всасывающие и
нагнетательны
е отверстия поменяются местами.


87




Рис. 58. Схема работы радиально
-
поршневого насоса:

1


неподвижный золотник, 2


цилиндр, 3


регу
лировочное кольцо, 4


тяга управления, 5


всасывающие и нагнетательные отверстия, 6


поршень, 7


ползун и палец, 8,11


всас
ы
вающие отверстия, 9,10


нагнетательные отверстия.



Таким образом при постоянной частоте вращения вала насоса подача м
о
жет и
зменяться от «нулевой» до максимальной с противоположными направл
е
ниями движения жидкости.

Устройство аксиально
-
поршневого насоса с наклонной регулировочной
плитой показано на рис. 59.




Рис. 59. Аксиально
-
поршневой насос:

1


сальникк,2 ,7,14


масляные
уплотнения, 3,20


игольчатые подшипники, 4


манжета в
а
ла, 5


кольцо, 6


приводной вал, 8


крышка уплотнения, 9,10


кольца, 11


пробка, 12


поршень, 13,26


крышки, 15


верхняя цапфа, 16


рычаг управления, 17,27


роликовые
подшипники, 18


соедин
ительные болты, 19


ползун, 21


узел связи с системой управл
е
ния, 22


стальной шарик, 23


крышка подшипника, 24


наклонная регулировочная плита,
25


корпус, 28


удерживающее кольцо, 29


нижняя цапфа, 30


плунжер, 31


пружина, 32


блок цилиндров,

33


клапанная плита.


88

Приводной вал вращает круглый цилиндровый блок, регулировочную пл
и
ту и поршни.

Выходящая наружу цапфа поворачивает регулировочную плиту относ
и
тельно осей поршней и блока цилиндров. При вращении цилиндры сообщаются
с двумя пазами, вып
олненных в виде полуокружностей в клапанной плите.
Каждый из пазов имеет отверстия для подвода и отвода масла. При вертикал
ь
ном положении регулировочной плиты подача насоса равна нулю. При наклоне
плиты насос перекачивает жидкость. При этом длина хода пор
шня, а следов
а
тельно и подача, зависят от угла наклона плиты. В зависимости от направления
наклона, отверстия в клапанной плите будут всасывающими или нагнетател
ь
ными.

При эксплуатации поршневых насосов необходимо точно выполнять тр
е
бования инструкций по и
х обслуживанию. Пуску насоса должен предшеств
о
вать его осмотр, проворачивается на полный оборот вал насоса с целью прове
р
ки его работоспособности. Перед этим необходимо открыть спускные краны.
Проверяются, а при необходимости очищаются и заполняются свежим

маслом
,

все устройства системы смазки насоса. Смазываются штоки насоса и осматр
и
ваются сальниковые уплотнения.

Проверяется исправность предохранительных
клапанов.

После подготовки к пуску непосредственно насоса, открывают все клап
а
ны на всасывающем и нагн
етательном трубопроводах.

При пуске насоса выполняются следующие действия:



включается в работу система смазки насоса и его привода;



включается система охлаждения насоса и привода, если таковая имеется;



производится пуск насоса.

При пуске электроприво
дного насоса следует контролировать величину
потребляемой мощности.

Особенностью пуска насосов высокого давления является его осуществл
е
ние в два этапа:
в
начале насос пускается на байпасный (обводной) трубопр
о
вод, а затем постепенно переходят на рабочий тр
убопровод, что позволяет сн
и
зить перегрузку электродвигателя.

При возникновении неполадок в работе поршневого насоса осуществляе
т
ся его немедленная остановка.



5.7.2. Роторные насосы

Разновидностью насосов
объемного принципа действия являются рото
р
ные насосы. К ним относятся шестеренные, винтовые и пластинчатые насосы.
В насосах этих конструкций перекачивание жидкости осуществляется за счет
изменения объема рабочей полости при вращательном движении рабочего
о
р
гана.

Насосы, осуществляющие подачу перекачиваемой жидкости за счет вр
а
щения шестерен находящихся в зацеплении, называются шестеренными. Они
применяются для перекачивания вязких жидкостей и используются в системах
смазки и топливных системах. Шестеренные

насосы обеспечивают подачу от

89

0,5 до 250 м
3
/ч при давлении нагнетания от 0,2 до 4,0 мПа и частоте вращения
400


500 об/мин. Насосы могут иметь внешнее и внутреннее зацепление ш
е
стерен. На рис. 60 показано принципиальное устройство двухшестеренного
насоса

с внешним зацеплением шестерен.




Рис. 60. Шестеренный насос:

1, 3


шестерни, 2


полость нагнетания, 4


корпус, 5
-
полость всасывания


Шестерни 1 и 3 вращаются в корпусе 4. Одна из шестерен является вед
у
щей, другая ведомой.

В полости всасывания 5 зуб
ья шестерен выходят из зацепления, освобо
ж
дается объем впадин, который заполняется жидкостью. В полости нагнетания 2
зубья входят в зацепление вытесняя жидкость из впадин. Жидкость переноси
т
ся во впадинах зубьев при вращении шестерен из полости всасывания
вдоль
стенок корпуса в полость нагнетания.

Шестеренные насосы нашли распространение благодаря ряду положител
ь
ных свойств: простота устройства; малые массы и габариты; достаточно выс
о
кая равномерность подачи; надежность и отсутствие зависимости между нап
о
ро
м и подачей.

Винтовыми насосами называются насосы, подающие жидкость враща
ю
щимися винтами.

Винтовые насосы используются для перекачивания любых жидкостей и
применяются в гидроприводе, в циркуляционных водяных и масляных сист
е
мах главных и вспомогательных
двигателей, используются как топливные и
даже как грузовые насосы танкеров.

Винтовые насосы выпускаются с подачей от 0,5 до 1200 м
3
/ч при напоре от
0,3 до 20,0 мПа и частоте вращения винтов 480


3000 об/мин.

Винтовые насосы могут быть герметичными и негер
метичными. Насос
называется герметичным, если его винтами обеспечивается полное разобщение
напорной и всасывающей камер. Винтовые насосы могут иметь от одного до
пяти винтов, один из которых является ведущим, а остальные ведомыми. Ко
н
струкция пятивинтового

насоса вертикального исполнения показана на рис. 61.


90



Рис. 61. Пятивинтовой вертикальный насос:

1


гребни, 2


клапан, 3


уплотнение, 4, 14


крышки, 5, 10


втулки, 6, 11


подшипники, 7


ведущий винт, 8


ведомые винты, 9


цилиндрическая обойма, 12


у
порная пята, 13


по
д
пятник.


Рабочий орган включает в себя пять двухзаходных винтов одинакового
диаметра. Винт 7 является ведущим, винты 8


ведомыми уплотняющими. В
е
домые уплотняющие винты примыкают к цилиндрической поверхности обо
й
мы 9. Имея одинаковые
профили, винты различаются шириной впадин и
направлением нарезки. Гребни 1 фиксируют положение винтов в осевом
направлении. Винты вместе с обоймой образуют рабочую часть насоса, которая
через камеры “А” и “В” соединяется с патрубками “С” и “Д”. В корпус за
пре
с
сованы втулки 5 и 10
,

в которых находятся подшипники 6 и 11. Корпус имеет
крышки 4 и 14. Полость “Е” используется для подачи перекачиваемой жидк
о
сти на смазку подшипников при работе насоса. Подшипник, состоящий из
упорной пяты 12
,

подпятника 13
,

воспри
нимает осевое усилие возникающее на
винтах под воздействием разности между давлениями всасывания и нагнетания.
В верхней крышке насоса установлено уплотнение 3 и клапан 2.

При работе насоса жидкость поступает во впадины винтов, при повороте
винтов жидкость

заполняет рабочую часть насоса и оказывается отсеченной от
полости всасывания. При вращении винтов жидкость переносится в полость
нагнетания.

К достоинствам винтовых насосов следует отнести: возмож
н
ость создавать
высокие давления нагнетания, большую
высоту всасывания, равномерность п
о

91

дачи, простоту устройства, малые массу и габариты, высокую надежность и
большой моторесурс, отсутствие зависимости между напором и подачей
.

Пластинчатыми насосами называются роторные насосы
,

осуществляющие
подачу жидкости

ее переносом в полостях между выдвижными пластинами р
о
тора. Пластинчатые насосы применяются в топливных и масляных системах
главных и вспомогательных двигателей, а так же в гидроприводе, обеспечивают
подачу от 0.5 до 50 м
3
/ч и напор 0.2


7.0 мПа при часто
те вращения 300


3000об/мин.

На рис. 62 показана конструкция
пластинчатого

насоса двойного действия.




Рис. 62. Лопастной насос двойного действия:

1, 13


распределительные диски, 2


всасывающие окна, 3


уплотнительное кольцо, 4


крышки, 5


статорно
е кольцо, 6


корпус, 7


ротор, 8


нагнетательное отверстие, 9


фланец, 10


вал, 11


манжета, 12


пружины, 14


пластины
-
лопасти, 15


рабочее пр
о
странство.


Насос состоит из чугунного корпуса 6, крышки 4 и статорного кольца 5.

Стальной ротор 7 имеет
двенадцать пазов, в которых помещены лопасти
-
пластины 14, изготовленные из легированной стали. Шлицевым соединением
ротор связан с валом 10. При вращении ротора в направлении стрелки пласт
и
ны выдвигаются, перемещаясь в пазах, и скользят по профилированной
п
о
верхности статорного кольца. К торцевым поверхностям статорного кольца и
ротора прижаты распределительные диски 13 и 1, в которых имеется по два о
к
на для всасывания 2 и нагнетания 8. Плотность прилегания пластин к повер
х
ности статорного кольца обеспечив
ается центробежной силой и давлением
масла внутри паза, которое подводится из полости нагнетания через отверстие
8. При вращении ротора пластины, в соответствии с профилем статорного
кольца, выдвигаются против всасывающего окна, при этом происходит всас
ы
ва
ние. Против нагнетательного окна они уходят внутрь ротора, рабочий объем
15 уменьшается и происходит нагнетание. За один оборот насоса цикл повтор
я
ется дважды. Уплотнение между крышкой, корпусом и статорным кольцом
обеспечивает резиновое кольцо 3. Для уст
ранения утечек фланец 9 снабжен

92

манжетой 11 из маслостойкой резины. Диск 13 выполнен плавающим и приж
и
мается пружинами 12, что обеспечивает безопасный пуск насоса. В процессе
работы диск прижимается полным давлением нагнетания, уменьшая до мин
и
мума перетек
ание жидкости.

Достоинствами пластинчатых насосов являются: простота устройства; н
е
значительные масса и габариты; сравнительно низкая стоимость; надежность;
отсутствие взаимосвязи между напором и подачей. Серьезным недостатком
насосов такого типа являются
значительные потери мощности на трение при
высоких давлениях и , как следствие, низкие значения КПД

Пуск роторн
ы
х насосов производится так же, как и поршневых. В констр
у
кции насосной установки предусмотрена байпасная линия между нагнетател
ь
ной и всасывающ
ей полостями с предохранительным клапаном. При пуске н
а
соса всасывающий и нагнетательный клапаны должны быть открытыми. Все
клапаны на нагнетательном трубопроводе обязательно должны быть открыты,
иначе при пуске насоса сработает предохранительный клапан ли
бо могут во
з
никнуть повреждения в насосе.


5.8.
Насосы гидродинамического действия


5.8.1. Центробежные насосы

В центробежных насосах перекачивание жидкости осуществляется за счет
действия на жидкость центробежной сил
ы, сообщаемой жидкости лопастями
вращающегося рабочего колеса.

Основными узлами центробежных насосов являются рабочие колеса, ко
р
пуса, в которых эти колеса вращаютс
я
, и устройства для подвода и отвода жи
д
кости.

Рабочие колеса имеют лопасти и установлены на валах
,

которые вращ
а
ются приводн
ым двигателем.

Жидкость подводится в полости между лопастями и дисками рабочего к
о
леса и получает вращательное движение. Под действием центробежной силы
жидкость направляется к внешней окружности рабочего колеса и выталкивае
т
ся за его пределы. Такое движен
ие жидкости является непрерывным и равн
о
мерным процессом.

К достоинствам центробежных насосов относятся простота устройства,
небольшое количество частей, высокая надежность, возможность получения
больших подач в широком диапазоне необходимых давлений. Благ
одаря этому
насосы такого типа получили очень широкое распространение на судах в кач
е
стве питательных, конденсатных, циркуляционных, противопожарных, трю
м
но
-
осушительных и балластных.

На рис. 63 представлена схема одноступенчатого консольного центробе
ж
ного

насоса с односторонним подводом жидкости при всасывании.



93



Рис. 63. Схема центробежного насоса:

1


подвод жидкости, 2


рабочее колесо, 3


спиральный отвод жидкости, 4


нагнет
а
тельный патрубок


Проточная часть насоса образована подводом 1, рабочим
колесом 2 и о
т
водом 3. Жидкость поступает по подводу из всасывающего трубопровода в р
а
бочее колесо, заполняя пространство между лопастями «
б
» с шириной на входе
«
в
1
» и на выходе «
в
2
».

Лопасти “
б
” обычно отлиты заодно с задним несущим и передним вед
о
мым ди
сками. Форма и кривизна лопастей существенно влияют на напор и п
о
дачу насоса. Рабочее колесо, благодаря воздействию лопастей на жидкость,
вращает поток и сообщает ему необходимую энергию. Жидкость движется от
центрального всасывающего отверстия диска к пер
и
ферии и по спиральному
отводу 3 направляется к нагнетательному патрубку 4.

При входе жидкости на лопасти рабочего колеса скорости потока и давл
е
ния распределены неравномерно. Неодинаковы давления у передней и тыльной
сторон лопасти, при этом давление с ты
льной стороны заметно ниже. Если да
в
ление понизится до давления парообразования при данной температуре, то в
межлопастном пространстве, в зонах пониженного давления образуются п
у
зырьки пара. При дальнейшем движении потока вдоль лопастей давление п
о
вышается
, пар мгновенно конденсируется и жидкость устремляется в освоб
о
дившееся при конденсации пространство. В результате возникает ударное да
в
ление, оказывающее разрушающее воздействие на лопасти. Это явление наз
ы
вается кавитацией.

Кавитация сопровождается шумом

и треском внутри насоса и может в
ы
звать вибрацию насосной установки.

Для длительной безаварийной эксплуатации насоса необходимо создать
условия исключающие кавитацию. В этой связи значение удельной энергии
жидкости при входе потока на рабочее колесо должн
о обеспечить создание з
а
данной скорости входа, преодоление потерь при входе и избыток напора пр
е
вышающий тот, при котором начинается кипение.


94

Исходя из этого определяется высота установки насоса над уровнем вс
а
сываемой жидкости


максимально допустимая гео
метрическая высота всас
ы
вания:




Z

= [(
p
а



p
n
)/у
g
]



h
l



φΔ
h


где:

p
а


давление на поверхности жидкости в приемном резервуаре,

p
n



давление парообразования при эксплуатационной температуре,

у


плотность перекачиваемой жидкости,

g



ускорение свободного падения,

h
l



гидравлические потери во всасывающем трубопроводе,

φ  1.2


1.3 коэффициент запаса,

предупреждающий возможность вскип
а
ния жидкости,

Δ
h


минимальный избыточный напор.

На рис. 64 показано устройство одноступенчатого центробеж
н
ого насоса с
двусторонним подводом воды.


Рис. 64. Одноступенчатый центробежный насос с двусторонним подводом:

1


рабочее колесо, 2


корпус, 3


уплотняющее кольцо, 4


вал, 5


опорные подшипник
и, 6,
7


соединительные полумуфты, 8


уплотнения, 9


корпус, 10


колесо водокольцевого
насоса, 11


вал, 12


упорный подшипник


95

Рабочее колесо 1 посажено на вал 4 и располагается в литом корпусе нас
о
са 2. Уплотняющее кольцо 3 уменьшает возможность перете
кания жидкости из
отводящей в приемные полости. Опорные подшипники 5 удерживают вал от
осевых сдвигов. Уплотнения 8 служат для устранения подсоса воздуха. В ни
ж
ней части насоса, в корпусе 9, находится самовсасывающий водокольцевой
насос с лопаточным колесо
м 10, сидящим на валу 11, укрепленном в упорном
подшипнике 12. Вспомогательный водокольцевой насос обеспечивает создание
вакуума во всасывающем трубопроводе при пуске основного центробежного
насоса. Его использование необходимо в случае
,

если насос установ
лен выше
уровня жидкости в приемном резервуаре.

При эксплуатации центробежных насосов следует выполнять ряд общих
требований:

-

перед пуском насоса производится его осмотр, проверяется заправка и
исправность системы смазки, проверяется отсутствие осевого сд
вига рабочего
колеса, при возможности вручную проворачивается вал насоса;

-

перед пуском производится заливка всасывающего трубопровода

и раб
о
чего колеса с выпуском воздуха через воздушные краны;

-

насос запускается при закрытом клинкете (вентиле) на нагнетате
льном
трубопроводе;

-

после пуска, при достижении нормальной частоты вращения и давления
нагнетания, медленно открывается клинкет на нагнетательном трубопроводе.
Длительная работа при закрытом клинкете приводит к перегреву насоса.

Во время работы насоса осущ
ествляется периодический контроль за раб
о
той смазочных устройств, показаний мановакууметрических приборов, част
о
ты вращения вала, поступлением жидкости в уплотняющие устройства, если
это предусмотрено.


5.8.2.
Осевые насосы

В осевых насосах жидкость
перемещается под действием винтового пр
о
пеллера в осевом направлении. Выходные каналы и направляющие лопатки
устроены таким образом, что кинетическая энергия потока преобразуется в п
о
тенциальную и при этом повышается давление жидкости. Перед рабочим кол
е
со
м установлен направляющий аппарат с неподвижными лопастями, которые
могут быть либо вертикальными, либо изогнутыми для закручивания потока
перед поступлением на рабочее колесо. При выходе из рабочего колеса поток
попадает на неподвижные лопасти выходного
направляющего аппарата и за
счет вращения получает осевое движение на выходе. Кинетическая энергия ч
а
стично преобразуется в давление.

Рабочее колесо находится в корпусе насоса, внутренний диаметр которого
равен диаметру трубопровода.

На рис. 65 показано у
стройство реверсивного осевого насоса.




96



Рис. 65. Реверсивный осевой насос:

1


упорный подшипник, 2


корпус подшипника, 3


сальник, 4


вал, 5


корпус, 6


пропе
л
лер, 7


диффузор


Корпус насоса 5 имеет разъемы,
обеспечивающие доступ к пропеллеру 6.
В месте выхода вала 4 из корпуса установлен механический сальник 3, препя
т
ствующий утечкам жидкости. На приводном валу установлен упорный по
д
шипник 1 с самоустанавливающимися подушками. В качестве привода может
использ
оваться электродвигатель или паровая турбина.

Иногда, для регулирования напора и подачи в достаточно

широких пред
е
лах и обеспечения при этом более высокого КПД, применяются рабочие колеса
с поворотными лопастями, такая конструкция позволяет менять угол уст
ановки
лопастей, что в свою очередь, изменя
е
т напорную характеристику насоса.

Осевые насосы применяются в случае необходимости перекачивания
больших масс воды при низком давлении


например для прокачки воды в ко
н
денсаторах.

Обслуживание осевых насосов

при эксплуатации аналогично центробе
ж
ным насосам.



5.8.3.
Струйные насосы

Струйные насосы иногда называют струйными аппаратами, так как в них
отсутствуют движущиеся части. Для перекачивания жидкости в этих насосах
обеспечивается устойчивый поток ра
бочей жидкости или газа, получивший
энергию за пределами насоса. В свою очередь перекачиваемая жидкость подс
а
сывается к месту смешения. Струйные насосы предназначенные для удаления
жидкости из резервуара называются эжекторами, а струйные насосы нагнет
а
ющие

жидкость в какую либо емкость


инжекторами.

На рис. 66 представлена схема эжектора трюмной осушительной системы.



97



Рис. 66. Схема эжектора:

1, 2


патрубки, 3


камера смешения, 4


сопло, 5


цилиндрический участок, 6


диффузор,
7


отливной трубопровод, 8


шток, 9


рычаг, 10 захлопка


Рабочая вода по цилиндрическому патрубку 2, при давлении
Р
, создава
е
мом внешним независимым источником (
насосом небольшой производител
ь
ности)
,

подводится к коническому соплу 4. После прохождения сопла давление
резко уменьшается
,

а скорость потока возрастает. В результате возникшего ра
з
ряжения в камеру смешения 3 по патрубку 1 подсасывается перекачиваемая
жи
дкость. В камере смешения происходит смешение двух потоков, процесс з
а
канчивается на цилиндрическом участке 5. Скорость потока, определяющая его
энергию, должна быть достаточной для подъема и удаления жидкости за борт
через отливной трубопровод 7. В диффуз
оре 6 происходит плавное снижение
скорости потока. Отливной трубопровод снабжается невозвратной бортовой з
а
хлопкой 10, имеющей привод от рычага 9 и штока 8 для предотвращения поп
а
дания забортной воды в трюм судна.

Струйные насосы на судах используются:



д
ля создания вакуума в конденсаторах и испарительных установках


в
этом случае рабочим телом является, как правило, пар, иногда может быть и
с
пользована забортная вода;



в качестве эжекторов осушительных трюмных систем и спасательных
водоотливных средств о
тдельных отсеков, рабочим телом является забортная

98

вода.

Водоотливные эжекторы являются наиболее эффективными аппаратами
для автономных осушительных систем отдельных отсеков.



5.9. Судовые палубные механизмы и устройства


К палубным устройствам относятся

якорные, швартовные, грузовые
устройства, а также люковые закрытия.


5.9.1. Якорные и швартовные устройства

Якорные устройства предназначены для обеспечения якорной стоянки
судна.

К этим устройствам предъявляется ряд требований.

Якорный механизм должен ра
звивать мощность, достаточную для подъема
одного из якорей со скоростью не менее 9 м/мин при соответствующем тяговом
усилии, величина которого Р, зависит от водоизмещения судна Δ, массы якоря
G, калибра якорной цепи d.


Р
(36,8 ÷ 46,6)
d
2
,

G
(8 ÷11)
3

Δ
2
,

d
= 1,01

G
,


где
d



калибр якорной цепи, мм;

Δ


водоизмещение судна, м
3
;

G



масса якоря, кг.

Время работы механизма в этом режиме без перерыва должно быть не м
е
нее 30 мин. Пусковой момент якорного механизма должен быть достаточным
для создания двойного
тягового усилия.

Ручной привод якорного механизма должен быть расчитан на подъем о
д
ного якоря со скоростью 2 м/мин. При этом усилие каждого работающего на
рукоятках должно быть не более 160 Н.

Якорные механизмы можно разделить на две разные по конструктивн
ому
исполнению группы: брашпили


у которых грузовые валы расположены гор
и
зонтально и шпили


механизмы с вертикальным расположением грузового в
а
ла.

Брашпиль


это якорное устройство, обеспечивающее, как правило, одн
о
временный подъем двух якорей с помощью
одного механизма. Однако на с
о
временных судах для каждого якоря устанавливается свой брашпиль.

На рис. 67 показана схема электрического брашпиля с двумя цепными
звездочками и двумя турачками.



99



Рис. 67. Cхема электрического брашпиля:

1


турачки, 2


ленточный тормоз, 3


цепные звездочки, 4


муфты , 5


редуктор, 6


че
р
вячная передача, 7


вал, 8


электродвигатель, 9


ручной привод


Турачки 1, укрепленные на валу 7
,

используются при швартовных опер
а
циях. Цепные звездочки 3 соединяются с грузовым в
алом 7 кулачковыми му
ф
тами 4. Звездочки 3 свободно сидят на валу и снабжены ленточными тормозами
2. Электродвигатель 8 передает вращение грузовому валу 7 через червячную
передачу 6 и редуктор 5. Брашпиль имеет ручной аварийный привод 9.


На рис. 68 показан

брашпиль, работающий на один якорь.

Брашпиль осуществляет подъем или отдачу якоря через приводную зве
з
дочку, входящую в зацепление с якорной цепью, при этом швартовный барабан
2 обеспечивает поддержание заданного натяжения канатов, а турачка 3 испол
ь
зуетс
я для швартовки судна. Через муфты сцепления 5 можно обеспечить ра
з
дельную работу каждого из элементов. Через редуктор, имеющий устройство
для изменения передаточного числа, что обеспечивает возможность изменения
усилия подъема, крутящий момент передается
к силовому грузовому валу. Для
обеспечения торможения якорной цепи и швартовного барабана при отсутствии
питания электродвигателя брашпиль имеет ленточный тормоз 7.

При использовании в составе якорного устройства шпиля с вертикально
расположенным грузовым
барабаном, на палубе устанавливается механическая
часть оборудования, а система управления размещается под палубой. Турачка и
грузовой барабан могут использоваться для обеспечения работы палубных м
е
ханизмов, расположенных вблизи якорных устройств.


100



Рис.
68. Брашпиль:

1


якорная звездочка, 2


швартовный барабан, 3


турачка, 4


якорная цепь, 5


муфта
сцепления, 6


ручной тормоз,7


ленточный тормоз, 8


зубчатая муфта


Швартовные устройства предназначены для выбирания швартовных тр
о
сов при ручном упра
влении и для выбирания и стравливания при автоматич
е
ском режиме работы.

Привод швартовного механизма рас
с
читывается на непрерывное выбир
а
ние швартовного троса при номинальном тяговом усилии с номинальной ск
о
ростью в течение не менее 30 минут и способность

развивать двухкратное н
о
минальное усилие в тросе в течение 15 секунд. Номинальное тяговое усилие не
должно быть более чем 1/3 разрывного усилия троса.

Разрывное усилие F может быть определено по следующей зависимости:


F
=
k

·

C
2
,


где
C



длина окружности троса, мм;

k



коэффициент
,

зависящий от материала из которого изготовлен трос.

k
55 для стальных тросов,
k

 13 для капроновых,
k
5,4 для манильских и
сизальских тросов,
k

 5 для пеньковых тросов.

Швартовное устройство должно быть
оборудовано автоматическим торм
о
зом, удерживающим швартовный барабан при тяговом усилии равном 1,5 н
о
минального.

В качестве швартовных механизмов используются швартовные шпили и
лебедки.

На рис. 69 показано устройство швартовного шпиля.



101



Рис. 69. Шварто
вный шпиль:

1


корпус, 2


редуктор, 3


венец, 4


шестерня, 5


опорный стакан, 6


электродвигатель, 7


турачка, 8


пробка, 9


масляная ванна


Электродвигатель 6 размещается внутри турачки 7, корпус редуктора 1
выполняет роль

фундаментной рамы и крепится к палубному набору. На в
ы
ступающей части крышки редуктора 2 установлен опорный стакан 5, воспр
и
нимающий радиальные и осевые усилия свободно сидящей турачки 7. Привод
турачки осуществляется электродвигателем 6 через зубчатую му
фту и три пары
косозубых

шестерен, вращающихся в маслян
ой ванне 9. Шестерня 4 и венец 3
турачки смазываются из пресс
-
масленки, в подшипник скольжения турачки
масло заливается через пробку 8.

Общий вид швартовной лебедки показан на рис. 70.




Рис. 70. Шва
ртовная лебедка:

1


электродвигатель, 2


грузовой барабан, 3


турачка, 4


редуктор


102

Грузовой барабан 2 используется для поддержания заданного натяжения
троса, турачка 3 используется при швартовке судна при поданных на кнехты
канатах. Крутящий момент от
приводного электродвигателя 1 передается через
редуктор 5 к грузовому барабану и турачке.

При проведении швартовных операций система управления обеспечивает
изменение скорости и направления движения троса.

Современные швартовные шпили и лебедки оборудованы

системой авт
о
матического поддержания заданного натяжения тросов. В случае изменения
усил
и
я натяжения швартовных тросов при изменении осадки судна либо под
воздействием приливов и отливов система автоматического регулирования
обеспечивает их стравливание и
ли выбирание до восстановления заданного
усилия натяжения.


5.9.2. Грузовые устройства и люковые закрытия

Для проведения грузовых операций на судах используются грузовые
устройства и механизмы
,

к которым относятся грузовые лебедки и краны.

Грузовые лебедк
и, как правило, используются вместе с грузовыми стрел
а
ми и по своему устройству сходны со швартовными лебедками. Крутящий м
о
мент электродвигателя передается через редуктор на вал грузового барабана.
Турачка используется для управления через топенант (канат

закрепленный на
ноке

грузовой стрелы) вылетом грузовой стрелы. Для обеспечения торможения
грузовой системы при отсутствии питания электродвигателя или при наличии
неисправностей в системе, лебедка снабжена тормозом. Грузовое устройство,
состоящее из грузо
вых лебедок и стрел
,

требует больших затрат времени на в
о
оружение стрел оснасткой и подготовку к проведению работ.

На современных судах в качестве грузовых устройств преимущественно
устанавливаются краны. Основное достоинство кранов в возможности практ
и
чески немедленного использования для проведения грузовых работ. Кран о
б
служивает один оператор. Благодаря использованию двухскоростных электр
о
двигателей обеспечиваются высокие скорости перемещения грузов.

При проведении перегрузочных операций, в зависимост
и от типа груза м
о
гут использоваться различные навесные приспособления, например
,

для ген
е
ральных грузов используются гаки, а для сыпучих


грейфера.

Грузовой
стреловой
кран показан на рис. 71.

Кран размещен на специальной поворотной круговой платформе меж
ду
трюмами. Для обеспечения движения гака в трех плоскостях на кране устано
в
лены
механизмы

изменения вылета грузовой стрелы,
подъема груза

и поворота
крана.

Из кабины обеспечен хороший обзор, позволяющий крановщику выпо
л
нять операции по перемещению груза.
Кран приподнят на поворотной пла
т
форме над трюмом. Для погрузки отдельных тяжеловесных грузов может быть
предусмотрена система, обеспечивающая
синхронную

работу двух кранов под
управлением одного оператора
.


103



Приводные двигатели кранов могут быть гидравлическими и электрич
е
скими.

Для герметизации люковых пространств применяются люковые закрытия.

Универсальные стальные люков
ые закрытия состоят из ряда механически
соединенных между собой стальных секций. Люковое закрытия типа "Мак
-
Грегор" для люков верхних палуб показано на рис. 72.




Рис. 72. Люковое закрытие типа “Мак
-
Гр
е
гор”:

1


цепи
для соединения секций, 2


ролик, 3


комингс люка, 4


пульт управления, 5


люковая
секция.


Секция 5 перемещается на роликах 2 вдоль направляющих, расположе
н
ных на комингсе люка 3.

Отдельные секции соединены между собой цепями 1. Секции сдвигаются к
стойкам

и, благодаря этому, устанавливаются в вертикальное положение. О
т
крытие и закрытие крышки трюма производится с помощью гидропривода.
Рис. 71. Груβλвλй стрелλвλй ηран:

1


механиβм

пλвλрλта, 2


платфλрма, 3


механиβм иβменения вылета стрелы,

4


ηабина, 5


стрела.



104

Люковые закрытия также могут закрываться от усилия, которое создается с
помощью грузового крана или лебедки. Водонепроница
емость обеспечивается
благодаря установке прокладок в местах соединения секций. Уплотнение д
о
стигается поджатием крышки к комингсу специальными ручными или автом
а
тическими захватами.

Люковое закрытие твиндека, расположенного ниже главной палубы, пок
а
зано н
а рис. 73.



Рис. 73. Люковое закрытие твиндека:

1


гидроцилиндр, 2


секционная пара, 3


пульт управления, 4


силовая электрическая цепь


Открытие и закрытие обеспечивается гидроприводом. Гидроцилиндр 1
приподнимает пару секций 2. Управляющее устройство 3

и электрический щит
4 располагаются в непосредственной близости от закрытия. При необходимости
люковое закрытие может быть открыто вспомогательными средствами.

Люковые закрытия рассмотренных выше типов просты в эксплуатации,
для обеспечения их надежного д
ействия достаточно проводить регулярные
профилактические осмотры и текущий ремонт оборудования. При этом особое
внимание следует обращать на состояние уплотняющих прокладок и трубопр
о
водов гидропривода.



5.10. Судовые рулевые машины

5.10.1. Назначен
ие рулевых машин и требования к ним

Рулевая машина обеспечивает поворот руля в соответствии с сигналом с
мостика и является составной частью рулевого устройства.

Рулевое устройство состоит из четырех частей:



системы управления,



силового агрегата,



рул
евого привода,



руля.

Силовой агрегат и рулевой привод образуют собственно рулевую машину.


105

Система управления или телепередача передает с мостика сигнал на пов
о
рот руля и обеспечивает работу силового агрегата и рулевого привода до тех
пор, пока не будет д
остигнут заданный угол поворота руля. Силовой агрегат с
о
здает усилие, необходимое для поворота руля на заданный угол. Рулевой пр
и
вод


это устройство, посредством которого осуществляется движение неп
о
средственно руля.

Рулевое устройство должно удовлетворя
ть следующим требованиям:



иметь два независимых средства перекладки руля (при наличии двух с
и
ловых агрегатов, вспомогательный или резервный силовой агрегат не требуе
т
ся);



мощность и вращающий момент агрегата должны быть такими, чтобы
перекладка руля с
35 одного борта на 30 другого осуществлялась при макс
и
мальной скорости судна за время не превышающее 28 с;



вспомогательный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля
с 15 одного борта на 15 другого не более чем за 60 с при скорости переднего
хода
, равной половине максимальной, но не менее 7 узлов;



рулевая машина должна быть защищена от ударных нагрузок ;



должно быть предусмотрено аварийное управление рулевой машиной из
румпельного отделения;



танкеры, имеющие валовую вместимость более 10 000

р.т, должны иметь
две независимые системы управления рулевой машиной с мостика.

Рулевые машины могут иметь паровой, электрический и гидравлический
привод.

На современных морских судах используются рулевые машины с гидра
в
лическим плунжерным либо лопастным
приводом.



5.10.2. Электрогидравлические рулевые машины

Электрогидравлические рулевые машины состоят из следующих основных
узлов:



гидравлического рулевого привода


устройства, поворачивающего ба
л
лер руля;



насосного агрегата (насос и двигатель),
обеспечивающего питание ги
д
равлических рулевых приводов рабочей жидкостью;



органов распределения рабочей жидкости и системы управления насос
а
ми и распределением рабочей жидкости;



системы трубопроводов питания, предохранительных клапанов, компе
н
саторов;

динамических нагрузок, ограничителей мощности и других элементов
в зависимости от конструкции рулевой машины.

Гидравлические рулевые приводы



это гидродвигатели
,

обеспечивающие
ограниченные углы поворота исполнительного вала, которым является баллер
руля
. Наиболее широкое распространение получили плунжерные приводы. В
зависимости от значения необходимого вращающего момента применяется
двух


либо четырех плунжерный привод. Принципиальная схема такого прив
о
да показана на рис. 74.


106


Рис. 74. Принципиальная с
хема плунжерного привода:

1


электродвигатель насоса, 2


насос, 3


предохранительный клапан, 4


муфта, 5


румпель,
6


цилиндр, 7


цистерна


Плунжеры движутся в гидравлических цилиндрах, поворачивая румпель
шарнирной крестовины, находящейся в развилке плунж
еров. Привод обслуж
и
вается двумя насосами переменной подачи. Каждый из насосов сообщается
трубопроводами со всеми гидравлическими цилиндрами рулевого привода для
всасывания и нагнетания масла.

Рядом с цилиндрами находится масляная цистерна, которая снабжен
а
невозвратными клапанами для автоматического пополнения утечек масла из
системы. Байпасный клапан объединен с предохранительным клапаном и о
т
крывается для перепуска масла в случае сильных ударов волны в перо руля. В
этом случае плунжера смещаются, что в с
вою очередь, вызывает изменение п
о
дачи насоса, который нагнетает масло в соответствующий цилиндр
,

и перо руля
возвращается в прежнее положение. Для защиты от поломки рычагов управл
е
ния при ударной нагрузке используется буферная пружина. При обычных усл
о
вия
х эксплуатации работает один из насосов. Если требуется обеспечить уск
о
ренную перекладку руля, оба насоса могут использоваться одновременно.

На рис. 75 показано устройство 4
-
х плунжерной электрогидравлической
рулевой машины
.

Такая машина создает больший
вращающий момент и имеет повышенную
надежность в случае выхода из строя различных частей установки. Каждый
насос может работать на все цилиндры или на два цилиндра правого или левого
борта.

Наличие блока клапанов управления, объединяющего предохранительны
е
клапаны, запорные клапаны насосов и цилиндров, байпасные клапаны, пов
ы
шает живучесть рулевой машины.

При нормальных условиях один насос может обеспечить работу всех ц
и
линдров. В аварийной ситуации могут быть использованы два насоса с ручным
управлением д
ля работы двух плунжеров правого борта, двух


левого борта,
двух носовых или двух кормовых плунжеров.


107



Рис. 75. 4
-
х плунжерная электро
-
гидравлическая рулевая машина:

1 ,23,25


насосы переменной подачи, 2,9,19,22


запорные клапаны цилиндров, 3,10,18,21



гидравлические цилиндры с плунжерами, 4,8,17,24


воздушные и манометровые запорные
клапаны, 5,7,40,47,48


масляные трубопроводы цилиндров,6,16,20


электродвигатели,
11,27


байпасные клапаны, 12,37


соединительные звенья, 13,26


плавающие рычаги, 1
4


тяга буферной пружины, 15


румпель, 28


маховик местного поста управления,
29,30,31,32,33,34


невозвратные всасывающие пополнительные клапаны, 35


приемник т
е
лемотора, 36


соединительная тяга насосов, 38,39,49,50,51,52


запорные клапаны насосов,
4
1,42,43, 44,45,46,53,54


масляные трубопроводы между клапанами, 55


цистерна попо
л
нения масла.


Для того
,

чтобы система была готова к работе, необходимо заполнить ма
с
лом каждый цилиндр рулевого привода, затем установить на место наполн
и
тельные пробки и з
акрыть воздушные краны. Байпасные клапаны при этом
должны быть открыты, а цистерна для пополнения заполнена. Воздушные кр
а
ны на насосах оставляют открытыми до тех пор, пока вытекающее масло с
о
держит пузырьки воздуха. Используя механизм ручного управления,
насосы
ставят в положение минимальной подачи и проворачивают их вручную, удаляя
воздух сначала из одной а затем из другой пар цилиндров. После этого вкл
ю
чают электродвигатель насоса и приступают к проверке рулевой машины в де
й
ствии. При этом еще раз удаляю
т воздух из цилиндров и насосов через соо
т
ветствующие краны.

В электрогидравлических рулевых машинах с роторным лопастным пр
и
водом рис. 76 лопастной ротор прочно закреплен на баллере.


108




Рис. 76. Лопастной электро
-
гидравлический привод:

а


п
ринципиальная схема, б


разрез, 1


электродвигатель, 2


насосы, 3


предохран
и
тельный клапан, 4


корпус, 5


баллер, 6


ротор, 7


масляная полость, 8


масляная ц
и
стерна, 9


крышка


Ротор может поворачиваться в корпусе, который крепится к судовому
н
абору. Пространство между лопастями ротора и перемычками корпуса обр
а
зуют полости, объем которых изменяется при повороте ротора. Полости упло
т
нены специальной набивкой. С обеих сторон поворотных лопастей подведены
трубопроводы, каждый из которых имеет коль
цевой коллектор. При подаче
масла во все полости с левой стороны поворотных лопастей и при всасывании
масла из всех полостей с правой стороны обеспечивается поворот ротора по ч
а
совой стрелке. Для поворота в противоположном направлении всасывание и
нагнетан
ие меняются местами.

Привод обычно имеет три лопасти, благодаря чему обеспечивается пер
е
кладка руля на 70
0
.

Перемычки корпуса выполняют функцию стопоров, ограничивающих п
о
ворот руля.


5.10.3. Телепередачи рулевых машин

Системы управления или телепередачи

рулевых машин могут быть мех
а
ническими, гидравлическими и электрическими. Применение механических т
е
лепередач возможно при условии малого расстояния от поста управления до
рулевой машины, т.е. на малых судах.

Для рулевых машин современных морских судов ис
пользуются гидравл
и
ческие и электрические телепередачи.

На рис. 77 показано устройство гидравлической телепередачи.


109


Рис. 77. Гидравлическая телепередача:

І, ІІ


рабочие полости, 1


штурвал, 2


аксиометр, 3


буферный бачок, 4


клапан, 5


поршень, 6



зубчатая рейка, 7


датчик, 8,9


разобщающие клапаны, 10


сливной клапан,
11


цилиндр, 12


пружина, 13


траверса, 14


тяга


Датчик 7 связан с приемником трубками “
а”

и “
б
”. При вращении штурв
а
ла
1

система шестерен перемещает зубчатую рейку
6

и пор
шень
5
, который п
е
ремещаясь из среднего положения разобщает полости
I

и

II

колонки датчика
7
.
При этом за счет увеличения давления в одной из полостей перемещается ц
и
линдр

11

приемника и сжимается пружина
12
. Вместе с цилиндром перемещ
а
ется траверса
13
и
тяги

14
, которые воздействуют на пусковую сиситему рул
е

110

вой машины. С валом штурвала
1

связан аксиометр
2
, показывающий полож
е
ние руля. Расхождение показаний аксиометра и действительного положения
руля не должно превышать 2. Для возвращения руля в среднее п
оложение рул
е
вой освобождает штурвал, пружина приемника телемотора
12

разжимается и
ставит цилиндр
11

в среднее положение, что обеспечивает пуск машины для
возврата руля в исходное положение. При возвращении цилиндра
11

в среднее
положение в одной из полос
тей системы создается давление, возвращающее
поршень
5
, штурвал
1

и указатель аксиометра
2
в исходное положение. В сл
у
чае
,

если из
-
за перепуска жидкости из полости в полость через неплотности
поршень
5

не займет среднее положение, рулевой доводит его до эт
ого полож
е
ния поворотом штурвала. Полости будут соединены через каналы
k, k'

и объ
е
мы жидкости в них уравняются. Если при работе телепередачи во всасыва
ю
щей полости датчика возникает вакуум, то жидкость из буферного бачка
3
ч
е
рез клапан
4

пополнит эту по
лость.

При нагревании системы, например в результате повышения температуры
наружного воздуха, давление в ней может превысить рабочее, тогда часть жи
д
кости через клапан, установленный параллельно клапану
4
, поступает в бачок
3
.

На рис. 78 представлена при
нципиальная схема контактной следящей
электрической телепередачи.

При повороте штурвала поворачивается контактный ротор "А" на зада
н
ный угол. Ток от положительного полюса судовой сети через включенную се
к
цию сопротивления W
n

по одному из проводов g, f, ,
i пройдет на контактную
шину ротора приемника В и обмотку возбуждения О
В

генератора 2, который
вращается электродвигателем 1. Генератор запускает электромотор дистанц
и
онного управления 3, который через червячную передачу 4, червяк 9 и гайку 8
передвигает ш
арнир рычага 7. Левый конец рычага 7, воздействуя на тягу 10 и
рычаг 11, переместит штоки 12 и скользящие блоки насосов 13 от среднего п
о
ложения, включается подача насосов, что вызывает перемещение привода эле
к
трогидравлической рулевой машины.

Поворот рум
пеля 5 через тягу обратной связи 6 вызовет поворот рычага 7
вокруг пальца гайки 8, возвращающий посредством тяги 10 и рычага 11, скол
ь
зящие блоки в нейтральное положение. Руль остановится на заданном полож
е
нии. Электромотор 3, вращая вал 9, повернет червяч
ный сектор 14 и ротор пр
и
емника В на угол, равный по значению, но противоположный по направлению
углу поворота датчика А. Поворот ротора приемника включает ток на против
о
положную обмотку возбуждения генератора О
І
В.
Напряжение на клемах генер
а
тора станет
равным нулю, и электромотор 3 остановится.



111



Рис. 78. Принципиальная схема следящей электрической телепередачи:

1


электродвигатель, 2


генератор, 3


электродвигатель дистанционного управления, 4


червячная передача, 5


румпель, 6


тяга обратной св
язи, 7


рычаг, 8


подвижная гайка, 9


червяк, 10


тяга, 11


двуплечный рычаг, 12


шток, 13


скользящие блоки насосов, 14


червячный сектор


112

Каждому углу поворота датчика А соответствует равный и противополо
ж
ный по направлению угол поворота приемника

В, а следовательно, определе
н
ное число оборотов электромотора 3 и соответствующее смещение скользящих
блоков насосов. Это обеспечивает угол поворота руля, пропорциональный углу
поворота датчика А с последующим возвращением тягой обратной связи 6 бл
о
ков на
сосов в нейтральное положение.

Достоинством электрических телепередач описанного типа являются:



малые усилия на штурвале;



возможность управления рулевыми машинами любых мощностей;



высокая точность управления.


113


6.
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ,
ПЕРЕДАЧИ И ВАЛОПРОВО
Д

6.1. Система смазки


Система смазки служит для подачи масла к узлам и деталям главного дв
и
гателя (ГД), работающим в условиях трения. Она обеспечивает прием и хра
-
нение масла, очистку его от воды и механических примесей в фильтрах и сепа
-
раторах,
охлаждение в маслоохладителях. В дизельных установках в зависимо
-
сти от типа дизеля и его мощности используют масляные циркуляционные сис
-
темы с «мокрым» или «сухим» картером.

Система с «мокрым» картером применяется в ВОД малой и средней мо
щ
ности. В этой
системе поддон картера дизеля используется в качестве цир
-
куляционной масляной цистерны, из которой масло поступает в систему через
фильтр и охладитель.

Пример масляной системы с «сухим» картером представлен на рис. 79. В
таких системах масло самотеком сл
ивается в циркуляционные цистерны, раз
-
мещенные под двигателем. Масло, собирающееся в нижней части картера ГД 5
после смазывания и охлаждения подшипников, направляется в одну из цирку
-
ляционных цистерн 17. Смазываются подшипники по схеме: один из циркуля
-
ц
ионных насосов 14 подает масло через приемный фильтр 18 из цистерн 17 че
-
рез фильтр 13, маслоохладитель 12 и дроссельный клапан 8 на смазываемые
подшипники.


Рис. 79. Смазочная система МОД с «сухим» картером


114

На охлаждение поршней масло поступает по труб
опроводу 7. Блок мас
-
ляных фильтров 12 очищается автоматически, при этом грязное масло стекает в
сточную цистерну 15, а чистое


в циркуляционную. Протечки масла из саль
-
ников штоков ГД, поддонов фильтров и шахтных масляных цистерн сливают в
цистерну 16 сб
ора протечек масла. Вентиляция картера ГД обеспечивается воз
-
душной трубой с сапуном 19 и эжекционной головкой 4. Масло из циркуляци
-
онных цистерн 17 и цистерны 16 направляется в сепаратор 28 через фильтр 25
насосами 26 и 29. Насосы 6 (лубрикаторы) подают
автоматически цилиндровое
масло на смазывание цилиндровых втулок из расходной цистерны 9. Из запас
-
ной цистерны цилиндрового масла 11 ручным масляным насосом 10 масло по
-
дается в расходную цистерну цилиндрового масла.

Для смазывания подшипников турбокомпр
ессора используют автономную
систему, работа которой полностью автоматизирована. Один из насосов 22 при
-
нимает масло из сточно
-
циркуляционной цистерны 20 и подает его через
фильтр 23 и маслоохладитель 24 в напорную цистерну 2, расположенную на 7

10 м вы
ше

турбокомпрессора. Из напорной цистерны масло самотеком пост
у
пает к подшипникам турбокомпрессора и от них сливается обратно в цистерну.

Схема обеспечивает непрерывную сепарацию масла, перед этим оно по
-
догревается в паровом подогревателе 27, отходы сепара
ции удаляются в цис
-
терну 21. Запас циркуляционного масла находится в цистерне 1. Напорная цис
-
терна обеспечивает смазывание подшипников при кратковременном обесточи
-
вании судна или прекращении подачи масла от насосов по другим причинам.
При переполнении ц
истерны масло сливается в сточную цистерну 20 по пере
-
ливному трубопроводу 3.

6.2. Система охлаждения


Для охлаждения современных судовых дизелей применяют исключитель
но
замкнутые системы охлаждения
пресной
водой, т.е. вода в них циркулирует по
замкнуто
му контуру. В процессе охлаждения деталей дизелей (цилиндровых
втулок, крышек и поршней) вода нагревается, поэтому для поддержания необ
-
ходимого температурного режима ее пропускают через охладитель, прокачи
-
ваемый забортной водой. В связи с этим в дизельны
х установках предусмотре
-
на

система
забортной
охлаждающей воды наряду с

системой пресной воды.

На рис. 80 показана принципиальная схема системы
пресной
охлаждаю
щей
воды ГД. Сплошные линии показывают контур охлаждения пресной водой ц
и
линдров, крышек, турб
окомпрессора и форсунок; штриховые линии


контур
системы охлаждения поршней.

Циркуляцию воды в системе по отводному трубопроводу 18 обеспечивает
главный насос 21 пресной воды или резервный насос 22. Система охлаждения
вспомогательных двигателей 11 объеди
нена с системой охлаждения ГД. По
-
этому на ходу судна двигатели 11 охлаждаются пресной водой, подаваемой
главным насосом 21, а для охлаждения на стоянке используют портовый насос
20. Пресную воду охлаждают в двух водоохладителях 17. Температура охлаж
-
дающе
й воды регулируется автоматически с помощью терморегулирующего

115

клапана, установленного на обводном трубопроводе 19; для вспомогательных
двигателей с этой целью используют трубопровод 12. Для охлаждения ГД 9 и
турбокомпрессора 10 пресная вода, пройдя через
охладители, поступает по
двум параллельным трубопроводам 14 и 15.



Рис. 80. Система пресной охлаждающей воды

Выходящая из ГД вода поступает в вакуумный испаритель 2. Расшири
-
тельная цистерна 1, установленная выше ГД, соединяется с системой в двух или
трех точках трубопроводами 23, 24, 25. Расширительная цистерна служит для
компенсации расширения и утечек воды в системе и для удаления воздушных и
паровых пузырьков. Главный двигатель прогревают перед пуском горячей во
-
дой от системы охлаждения вспомогате
льного двигателя, направляя по трубо
-
проводам 13

16.

Для охлаждения форсунок используют автономную систему, в состав ко
-
торой входят: отстойная цистерна 7; два циркуляционных насоса 6; теплооб
-
менник 8. В автономную систему охлаждения поршней пресной водой входят:
отстойная цистерна 5, снабженная каскадным фильтром для отделения масла,
попадающего в систему из телескопических устройств; два циркуляционных
насоса 4; два водоохладителя 3.

Назначе
нием систем
забортной
воды является охлаждение пресной ох
-

116

лаждающей воды, наддувочного воздуха, смазочного масла и топлива, исполь
-
зуемых для понижения температуры нагретых деталей двигателей и механиз
-
мовсудовой энергетической установки.


Рис. 81. Систе
ма заборной охлаждающей воды

На рис. 81 показана система
забортной
охлаждающей воды. Для повы
-
шения начальной температуры забортной воды, поступающей в систему, пол
-
ностью вода за борт не сливается, а часть ее по рециркуляционному трубопро
-
воду 4 возвраща
ется в кингстонный ящик (донный 9 или бортовой 11), находя
-
щийся в действии в соответствии с положением открывающихся кингстонных
клапанов 10 и 12. Через фильтр 8 забортная вода поступает в систему. Парал
-
лельно охладителям масла 1, воздуха 2 и пресной вод
ы 17 ГД забортная вода по
трубе 3 направляется к вспомогательным двигателям, опреснительной установ
-
ке 13, компрессорам 14, конденсатору 15 вспомогательной котельной установ
-
ки, к охладителю топлива 16, рефрижераторной установке, подшипникам гре
б
ного вала
и дейдвуда и другим возможным потребителям, после охлажде
ния
которых она сливается за борт. Иногда некоторые потребители имеют свои
насосы забортной воды 5 и 6 или прокачиваются портовым насосом 7, для чего
в системе предусмотрены соответствующие устройст
ва переключения.


117

6.3. Топливная система


Для приема, хранения, перекачивания, очистки, подогрева и подачи топ
-
лива, обеспечивающего работу двигателей и котлов, а также для передачи топ
-
лива на берег или на другие суда служат топливные системы.

Топливная

система состоит из ряда самостоятельных трубопроводов, вы
-
полняющих определенные функции. Комплектование каждого из них механиз
-
мами, устройствами и трубопроводами зависит от типа СЭУ и сорта исполь
-
зуемого топлива. Всю систему топливоподготовки можно усл
овно разделить на
четыре участка: приема топлива на судно; длительного хранения топлива (за
-
пасные цистерны и топливоперекачивающие насосы); комплексной обработки
топлива и суточного хранения в отстойно
-
расходных цистернах; подготовки
топлива перед подачей

в дизель или котел.

Современные МОД и СОД работают на тяжелом топливе. Для работы в
пусковой и предостановочный периоды они оборудуются одновременно систе
-
мой легкого топлива. Прием топлива осуществляется в соответствующие за
-
пасные цистерны легкого и тя
желого топлива с палуб по трубопроводу через
фильтр; в случае их переполнения по переливной трубе топливо переливается в
переливную цистерну. Для хранения топлива могут использоваться топливо
-
балластные замещаемые танки. Использование топлив средней и высо
кой вяз
-
кости требует установки в цистернах змеевиков парового подогрева общего или
местного типа или оборудования для так называемого струйного подогрева в
цистерне; во втором случае в районе расходного патрубка предусмотрены па
-
ровые змеевики для местног
о подогрева топлива.

Для предварительной очистки топлива от воды и механических примесей в
системе предусматриваются отстойные цистерны. На отдельных судах от
-
стойные цистерны отсутствуют, их функции выполняют сепараторы. Система
сепарации включает: сами
сепараторы и приемные фильтры; автономные или
навешенные на сепаратор насосы; подогреватели топлива; нагнетательные на
-
сосы, направляющие сепарированное топливо в расходные цистерны отдельно
для тяжелого и дизельного топлива. Перед поступлением в сепаратор

топливо
проходит через паровой подогреватель. Для сепарации тяжелого топлива ис
-
пользуют самоочищающиеся сепараторы (не менее двух), работающие в авто
-
матическом режиме. Сепараторы можно подключать параллельно или последо
-
вательно. Дизельное топливо перед

сепарацией не подогревают. Отходы сепа
-
рации направляются в цистерну, откуда насосом откачиваются через палубу на
сборник отходов масла, топлива и шлама или в мусоросжигательную печь (ин
-
синератор). Допускается применение вместо сепараторов специальных фи
льт
-
ров, отделяющих механические примеси и воду с такой же эффективностью. В
последнее время предлагается перед подачей топлива в фильтры подвергать его
гомогенизации. Для этого топливо из отстойной цистерны направляют в гомо
-
генизатор, где происходит разр
ушение асфальтосмолистых образований. На
отечественных судах гомогенизация топлива пока не получила широкого рас
-
пространения.

На рис. 82 показана структурная схема системы поступления топлива в ГД

118

от клапанных коробок 1 бункерных цистерн до трубопровода
15 к топлив
ным
насосам высокого давления. Участок подачи топлива в ГД включает: топ
-
ливоперекачивающий насос 2; подогреватели 3, 5; сепаратор 4; расходную цис
-
терну 7; смесительную колонку 8; фильтры грубой 6 и тонкой 12 очистки; пе
-
репускные клапаны 10;
топливоподкачивающие насосы 9. Подогрев топлива
перед подачей в ТНВД обеспечивает заданную вязкость топлива с помощью
прибора, называемого вискозиметром 13, который измеряет и регулирует вяз
-
кость, изменяя количество пара, подаваемого в подогреватель 11. П
ри переводе
ГД с одного сорта топлива на другой цистерна 8 выполняет роль смесительной
емкости, чем обеспечивается плавное изменение вязкости топлива, поступаю
-
щего в ГД из расходной цистерны дизельного топлива по трубопроводу 14.


Рис. 82. Система подго
товки и подачи топлива к главному двигателю

6.4. Система сжатого воздуха


Судно оборудуется системой сжатого воздуха, которая предназначена для
пуска и реверсирования двигателей как главных, так и вспомогательных. Запас
сжатого воздуха для ГД и работы си
стемы управления двигателями должен
храниться не менее чем в двух баллонах (воздухохранителях) и обеспечивать не
менее 12 пусков дизеля. Пуски должны производиться попеременно на перед
-
ний и задний ход каждого дизеля, подготовленного к действию, но не рабо
-
тающего. Каждый баллон сжатого воздуха оснащается манометром и клапан
а
ми: предохранительным; для продувания сконденсировавшейся воды и масла;
для заполнения и расхода воздуха. Различают системы сжатого воздуха низкого
(до 1 МПа), среднего (до 3 МПа) и выс
окого (более 5 МПа) давлений. Воздух
низкого давления используется на хозяйственные нужды, среднего


в основ
-

119

ном для пуска и реверса дизелей, высокого


для управления, например, газо
-
турбинной установкой и других специальных целей.

Число основных компрессоров на судах неограниченного района плавания
должно быть не менее двух, один из которых может быть навешенным на ГД.


6.5. Система газовыпуска


Система газовыпуска обеспечивает наиболее рациональный отвод отра
-
ботавших газов.

Под

рациональным отводом понимается такая организация газовыпуска,
которая способствует максимальному использованию энергии рабочего тела
как в двигателе, так и вне его. Система может состоять из выпускных коллекто
-
ров, утилизационных газовых турбин, утилизац
ионных котлов, глушителей
шума, трубопроводов.

В утилизационных газовых турбинах и утилизационных котлах исполь
-
зуются в качестве рабочего тела отработавшие газы из цилиндров двигателя
внутреннего сгорания. На рис. 83 показана принципиальная схема газовып
уск
-
ной системы установки с ДВС.

Система газовыхлопа включает также компенсаторы температурных ра
с
ширений, устройства для крепления трубопроводов, изоляцию и некоторые
другие элементы.

Отходящие газы уносят с собой в атмосферу некоторое количество час
-
тиц догорающего топлива и масла в виде отдельных искр, опасных при наличии
легковоспла
меняющихся веществ. Необходимо улавливать искры в газопрово
-
де, не допуская их вылета в атмосферу. Поэтому судовые энергетические уста
-
новки, особенно судов, перевозящих нефтепродукты, хло
пок, лен и другие лег
-
ковоспла
меняющиеся вещества,
должны оборудоват
ься устро
й
ствами для га
шения и улавливания
искр в выпускных газах


искрог
а
сителями.


6.6. Осушительная, балластная и
противопожарная системы


Осушительная система.
Служит система для удаления в
о
ды, постепенно скапливающейся
внутри корпуса судна в
грузовых
трюмах, машинном отделе
нии и
других помещениях. Причины
скопления воды: отпотевание бо
р
тов кор
пуса судна, пропуски воды

Рис. 83. Система газовыпуска ДВС:

1


выхлопной коллектор; 2


г
лушительшума; 3


двигатель; 4


утилизационная газовая турбина;

5


утилизационный котел; 6


газоход


120

через нарушенные соединения швов корпуса судна, возможные неплотные с
о
единения трубопроводов, продувание механизмов и воздушн
ых баллонов, м
ы
тье настилов и т.п., а также аварийные повреждения корпуса судна. Вода соб
и
рается в льялах, проходящих вдоль обоих бортов от форпиковой до ахтерпик
о
вой перегородки, или в сборных колодцах


специ
альных углублениях в дво
й
ном дне.

Принципиал
ьная схема осушительной системы показана на рис. 84.

В каждом отсеке судна расположены приемные сетки 1, связанные тру
-
бопроводами с соответствующими распределительными коробками 2, располо
-
женными в машинном отделении (МО).


Рис. 84. Осушительная систе
ма сухогрузного судна

Клапанные коробки снабжены электропневматическими невозвратно
-
запорными клапанами с дистанционным управлением и соединяются через ра
-
зобщительный клапан 8 с осушительным насосом 4 и отливным клапаном 5.

К осушительному насосу присое
диняется отдельный патрубок 3 аварий
-
ного осушения МО. На отливной магистрали имеется сепаратор 6 трюмных вод
для удаления из них нефтепродуктов. Перед осушительным насосом вода очи
-
щается фильтрами 7. В льяльных колодцах МО и туннелях гребного вала пре
-
ду
смотрены датчики сигнализации уровня жидкости. Осушительный насос, ус
-
танавливаемый на судах, обычно поршневого типа как наиболее надежного и с
наибольшей высотой всасывания.

Балластная система.
Служит система для заполнения забортной водой
балластных цис
терн, расположенных в двойном дне, форпике и ахтерпике, а
также для перемещения по судну балластной воды и удаления ее за борт, что
позволяет изменять крен и дифферент в различных случаях загрузки судна. Ко
-
личество водяного балласта, принимаемого на судно
, может составлять 15

20
% водоизмещения, а иногдаи более.

Все балластные цистерны должны быть оборудованы воздушными тру
-
бами диаметром не менее 40 мм для удаления или поступления воздуха при за
-
полнении или опорожнении цистерн. Воздушные трубы выводятся

на верхнюю

121

палубу и заканчиваются так называемыми гуськами, в которых расположены
невозвратные клапаны для предохранения от попадания забортной воды в цис
-
терны при штормовой погоде. Количество водяного балласта в цистернах мо
-
жет измеряться при помощи фу
тштока, для чего каждая цистерна снабжена ме
-
рительными трубами или автоматическими уровнемерами. Для осмотра и ре
-
монта цистерн имеются горловины с герметически закрываемыми крышками.
Балластные цистерны вскрывают и очищают не реже одного раза в год. При
неисправной балластной или осушительной системе выход судна в плавание не
разрешается.

На рис. 85 показана принципиальная схема балластной системы с цен
-
трализованным управлением из МО.

Балластный насос 5 связан магистральными трубопроводами с распреде
-
л
ительными клапанными коробками 2, к которым выведены трубы от всех бал
-
ластных приемников 1. Распределительные коробки носовых балластных цис
-
терн размещены непосредственно в МО, а кормовых (для сокращения длины
труб)


в туннеле гребного вала. Так как бал
ласт принимается и удаляется по
одним и тем же трубам, клапаны в коробках применяются запорного типа, про
-
пускающие воду в обоих направлениях. Вода принимается в систему от кинг
-
стона 6 с помощью насоса или самотеком.


Рис. 85. Балластная система сухогру
зного судна

Удаляют балласт за борт насосом через установку очистки нефтесодер
-
жащих вод 3 и невозвратный клапан 4. Балластный насос может работать в ка
-
честве осушительного. В балластных системах применяют центробежные и
поршневые насосы, подача которых
должна обеспечить заполнение или осуше
-
ние балластных цистерн не более чем за 4

8 ч.

Системы пожаротушения.
Судно обеспечивается противопожарной за
-
щитой. Она включает в себя прежде всего разные системы пожаротушения: во
-
дотушения, паротушения,
газотушения, пенотушения, парами легкоиспаряю
-
щихся жидкостей. Кроме того, имеются средства пожарной сигнализации, опо
-
вещающие экипаж о возникновении пожара в каком
-
либо месте судна; проти
-
вопожарное снабжение, включающее различные противопожарные средств
а и

122

инвентарь (переносные насосы, огнетушители, песок, пожарный инструмент, в
том числе ломы, багры, топоры и ведра), специальные противогазы, кислород
-
ные дозирующие приборы, термостойкие костюмы, спасательные пояса, тросы
ит.п.

6.7. Система вентиляции и

кондиционирования воздуха


Система вентиляции служит для удаления избытков тепла, влаги и вред
-
ных газов из судовых помещений путем нагнетания в нее свежего воздуха и
удаления загрязненного. По принципу действия вентиляция бывает естествен
-
ной и
искусственной, в отдельных помещениях может применяться смешанная,
когда одновременно работает естественная и искусственная. При естественной
вентиляции смена воздуха в помещении осуществляется естественным путем
вследствие разности плотностей теплого и хо
лодного воздуха или как результат
воздействия кинетической энергии потока воздуха, омывающего судно, а при
искусственной


вентиляторами. Искусственная и естественная вентиляция бы
-
вает трех типов: приточная (вдувная), вытяжная и приточно
-
вытяжная (комби
-
н
ированная). С помощью приточной вентиляции в помещение подается свежий
воздух и создается подпор, в результате чего загрязненный воздух выходит из
помещения. При вытяжной вентиляции загрязненный воздух отсасывается сис
-
темой вентиляции, и в помещении созда
ется разряжение, вследствие чего в него
поступает свежий воздух. Приточно
-
вытяжная вентиляция (комбинация двух
первых типов) применяется для создания усиленного обмена воздуха.

Распространенным средством естественной вентиляции, использующим
ветровой напо
р, являются дефлекторы, головки которых устанавливаются на
0,6

0,8 мвыше надстроек.

Приборы, контролирующие подачу и работу вентиляторов, устанавлива
-
ются в рулевой рубке. Подача воздуха в ЦПУ определяется исходя из условий
отвода избыточных тепловыделени
й, т.е. работы электрических устройств и ос
-
вещения, присутствия людей (тепловыделение одного человека при температу
-
ре воздуха 20 °С составляет около 350 кДж/ч) ит.п. Помещения ЦПУ и меха
-
нических мастерских МО имеют самостоятельную систему кондиционирова
ния
воздуха.

Под кондиционированием воздуха понимают его обработку, состоящую в
очистке от пыли и вредных газов, в доведении температуры и влажности до оп
-
ределенных заданных значений (кондиции) и обеспечении требуемой скорости
движения в обслуживаемых по
мещениях. Кондиционирующие системы летом
охлаждают и осушают воздух, а в весенне
-
осенний период (зимой) нагревают и
увлажняют его. Использование системы круглогодичного кондиционирования
исключает необходимость в системах отопления и вентиляции, причем в э
том
случае может быть обеспечено оптимальное регулирование параметров воздуха
в обслуживаемых помещениях.

Устройства и трубопроводы, с помощью которых осуществляется конди
-
ционирование воздуха, называются системой кондиционирования.



123

6.8. Система отоплен
ия


Для нагрева помещений на современных судах применяются системы во
-
дяного, парового и воздушного отопления.

С точки зрения санитарно
-
гигиенических требований предпочтение от
-
дают воздушному отоплению, которое одновременно с подогревом воздуха
обеспечи
вает вентилирование помещения. Паровое отопление вызывает чрез
-
мерное подсушивание воздуха в помещении и появление неприятного запаха
вследствие пригорания пыли на горячих трубах системы. В связи с этим в жи
-
лых и служебных помещениях целесообразно применя
ть воздушное или водя
-
ное отопление, а в бытовых помещениях, машинных и насосных отделениях,
камбузах, кладовых


паровое.


6.9. Передачи


В СЭУ передачи являются промежуточным звеном между двигателями и
движителем. Такие передачи называются главными в о
тличие от вспомогатель
-
ных, которые применяются для привода вспомогательных механизмов. Назна
-
чение главных состоит в передаче крутящего момента от валов двигателей к ва
-
лу движителя. Также передачи используются для понижения числа оборотов
валов и осущест
вления реверса. Кроме того, они могут служить в качестве эла
-
стичного звена в системе двигатель


валопровод


движитель. В некоторых ус
-
тановках для этого в передачи включают специальные эластичные муфты.

Передачи являются одними из основных элементов эн
ергетических уста
-
новок. От главных передач во многом зависят свойства установок, их экономи
-
ческие и эксплуатационные показатели.

По способу преобразования передаваемой энергии передачи можно раз
-
делить на три группы:

1) механические;

2) электрические
и гидравлические;

3) комбинированные (механические в сочетании с электрическими или
гидравлическими передачами).

Общим показателем для всех передач является передаточное отношение

,

где
п
дв



число

оборотов

двигателя;


п
движ



число оборотов движителя.

Если
i

 1, то передача называется прямой.


6.9.1. Механические передачи

В качестве главных судовых передач наибольшее применение получили
зубчатые (редукторы).
Преимущества
зубчатых передач: относительно малая

124

потеря пер
еда
ваемой энергии, компактность, высокая надежность.

Недостатки:
большой вес

и

высокая стоимость.

Конструктивное исполнение
зубчатых передач. В судовых передачах, как
правило, используют косозубое двухвенечное зубчатое зацепление, с против
о
положным накл
оном зубцов (шевронное) (рис. 86). Такое зацепление имеет
меньшую шумность и лучшую плавность в сравнении с прямыми зубцами.
Угол наклона α  25

45º.

Шестерни и обода колес делают цельноковаными из легированной стали.
Ступицы колес изготавливают из углеро
дистой стали сварными или сварно
-
литыми.



Рис. 86. Зубчатая двухвенечная передача:

1


шестерня; 2


колесо


На рис. 87 показаны некоторые схемы зубчатых передач, используемые на
морских судах.

Для понижения частоты вращения гребного вала используется
схема, по
-
казанная на рис. 8
7
,
а
; в некоторых случаях применяются
,

так называемые
,

сум
-
мирующие редукторы, в которых
,

кроме понижения частоты вращения также
осуществляется сложение крутящих моментов двух главных двигателей и пере
-
дача полученного суммарног
о крутящего момента на гребной вал. Такая пере
-
дача позволяет использовать каждый двигатель в отдельности или оба двигате
-
ля одновременно (рис. 8
7
,
б
).




а)

б)


Рис. 87. Схемы зубчатых передач:

а


с одним главным двигателем и редуктором; б


с двумя

главными двигателями и сумм
и
рующим редуктором; 1


гребной вал; 2


гребной винт; 3


редуктор; 4


главный двиг
а
тель


125

6.9.2. Электропередачи

В электропередаче

главный двигатель непосредственно соединен с элек
-
трическим генератором, в котором механическая энергия преобразуется в элек
-
трическую. От генератора электрическая энергия передается гребному электро
-
двигателю, соединенному с гребным винтом коротким валоп
роводом.

Преимущества
электропередачи:



позволяет использовать мощность нескольких многооборотных главных
турбо
-
или дизель
-
генераторов для привода одного или нескольких гребных
электродвигателей;



позволяет выбрать оптимальное число оборотов гребного
винта, генера
-
торов и главных двигателей;



позволяет защитить главный двигатель от внешних воздействий со сто
-
роны гребного винта;



позволяет рационально размещать оборудование и сократить длину ва
-
лопровода;



улучшает маневренность судна.

Недостатки:



сравнительно низкий КПД (0,84

0,88 для постоянного тока и 0,88

0,93
для переменного тока), что связано с двойной трансформацией энергии (меха
-
нической в электрическую, затем

электрической в

механическую);



значительные

габариты и высокая с
тоимость.

Электропередачи применяются на судах специального назначения: бук
-
сиры, ледоколы и др.


6.9.3. Гидродинамические муфты

На рис. 88 показана принципиальная схема установки с гидродинамиче
-
ской муфтой (гидромуфтой).

От двигателя 1 получает
вращение ведущий вал 2, который жестко со
-
единен с колесом центробежного насоса 4. В корпусе 3 гидромуфты располо
-
жено колесо гидравлической турбины 5, которое жестко соединено с ведомым
валом 6.



Рис. 88. Схема гидравлической муфты


126

Этот вал непосредств
енно или через какую
-
либо передачу соединен с дв
и
жителем. Колеса насоса и турбины имеют плоские радиальные лопатки.

Если гидромуфта заполнена рабочей жидкостью, в качестве которой обы
ч
но принимают минеральное масло, то
,

при вращении колеса центробежно
го
насоса
,

находящаяся в межлопаточных каналах жидкость
,

под действием цен
-
тробежных сил
,

перемещается вдоль лопаток от центра колеса к его периферии
и
,

за счет приобретенной кинетической энергии
,

приводит во вращение колесо
турбины. Если из муфты выпустить рабочую жидкость, то ведомый вал остано
-
вится.

Гидромуфты применяют для создания эластичной связи между двигате
лем
и движителем, а также для возможности быстрого включения и отключе
ния
движит
еля при работе двигателя. На номинальных режимах КПД передачи р
а
вен 0, 97

0,98.

6.10. Валопровод

6.10.1. Назначение и устройство валопровода

Судовой валопровод представляет собой систему соединенных между со
-
бой валов с опорными и упорными подшипниками,

расположенных по одной
прямой оси.

На кормовом конце системы валов закреплен движитель, а носовой конец
соединен непосредственно с двигателем или с передачей от двигателя. Такую
систему называют также
линией вала
.

Назначение валопровода состоит в переда
че гребному винту крутящего
момента, развиваемого главным двигателем, а также в восприятии осевой силы,
создаваемой винтом при его вращении в воде, и в передаче этой силы через
упорный подшипник корпусу судна.

Иногда, например
,

в случае применения крыльча
тых движителей, назна
-
чение валопровода ограничивается только передачей крутящего момента.

Передача вращения от двигателя к движителю осуществляется непосред
-
ственно через валопровод или через валопровод и передачи. Выбор типа пере
-
дачи, связывающей двига
тели с движителями, зависит от назначения судна и
типа энергетической установки.

В одновальных установках валопровод расположен в диаметральной пло
с
кости судна. В многовальных установках валопроводов несколько: распо
-
ложенный в диаметральной плоскости наз
ывают средней линией вала, а распо
-
ложенные по бортам


линией вала правого и левого борта.

Длина валопровода зависит от расположения машинного отделения (МО).
Чтобы уменьшить вес валопровода и снизить механические потери в под
-
шипниках, при проектировани
и судна стремятся сделать валопровод по воз
-
можности коротким, т.е. расположить МО ближе к корме. Однако часто его
приходится располагать в средней части судна, что связано с дифферентовкой,
формой кормы и расположением надстроек.

На рис. 89 показана схема валопровода одновальной установки. На греб
-
ном валу 4 закреплен винт 1. Гребной вал вращается в дейдвудных подшипни
-

127

ках 2, расположенных в дейдвудной трубе 3. Чтобы через дейдвудную трубу в
корпус судна не было протечек забортной
воды, она снабжена уплотнительным
устройством 5. Из системы охлаждения в дейдвудную трубу подводится под
некоторым избыточным давлением забортная вода, которая препятствует попа
-
данию в подшипники ила и других загрязнений.




Рис. 89. Схема валопровода


Гребной вал посредством промежуточных валов 9, установленных на
опорные подшипники 7, соединен с упорным валом 11. Число промежуточных
валов зависит от длины валопровода, а длина одного вала обычно не превышает
8 м, так как с увеличением длины усложняется
монтаж валопровода.

Упорный гребень 13 вала 11 через упорный подшипник 12 передает кор
-
пусу судна (через судовой фундамент 10, который является частью корпуса
судна) осевую силу, создаваемую гребным винтом. Носовой конец упорного
вала 11 соединен с валом д
вигателя 14 или валом передачи от двигателя (на
-
пример, с редуктором).

Кроме указанных основных элементов валопровод имеет ленточный тор
-
моз и валоповоротное устройство. Назначение тормоза состоит в закреплении
валопровода на стоянках судна во время ремон
тных работ, а также во время хо
-
да судна на буксире, когда нужно, чтобы вал двигателя не вращался (например,
при аварии двигателя, передачи

или самого валопровода).

Валоповоротное устройство служит для проворачивания главного двига
-
теля и валопровода пере
д пуском установки с целью проверки их исправности,
а также при выполнении ремонтных работ. Оно приводится в действие отдель
-
ным электродвигателем; в качестве резервного средства при отсутствии элек
-
троэнергии предусмотрен ручной привод.

Если валопровод п
роходит через водонепроницаемые переборки, то на в
ы
резы в этих переборках устанавливают переборочные уплотнения 8 (см. рис.
6.4). Назначение этих уплотнений состоит в том, чтобы воспрепятствовать про
-
никновению воды при

затоплении одного из смежных отсеков
.


6.10.2. Особенности работы валопровода

Валопровод изгибается вместе с судном и испытывает при вращении
большие знакопеременные нагрузки. Для обеспечения надежной работы вало
-
провода к его конструкции, прочности и качеству монтажа предъявляются осо
-

128

бен
но высокие требования.

Валопровод во время движения судна подвержен действию следующих
сил и моментов, вызывающих сложные деформации и напряжения в попереч
-
ных сечениях валов и в соединительных элементах:



крутящего момента, передаваемого двигателем дви
жителю;



упора, развиваемого гребным винтом;



собственного веса валопровода, веса деталей, насаженных на вал, веса
гребного винта, погруженного в воду;



сил инерции, создаваемых неуравновешенностью гребного винта;



инерционных сил массы валопровода
, возникающих при качке судна;



сил, вызываемых деформацией корпуса судна;



сил, возникающих из
-
за несоблюдения монтажных норм.

Кроме того, валопровод может подвергаться воздействию сил, возникаю
-
щих, например, при ударе лопастей гребного винта о льди
ны или другие тве
р
дые тела.

Расчет диаметров валов, исходя из условий достижения необходимой
прочности, выполняется в соответствии с действующими «Правилами класс
и
фи
кации и постройки морских судов» Российского морского регистра судохо
д
ства.

Наряду с опр
еделением диаметров валов по Правилам Регистра произво
дят
проверочные расчеты, необходимость каждого из которых устанавливается в
зависимости от типа главного двигателя, типа передачи и конструктивных ха
-
рактеристик валопровода и гребного винта.

К числу
таких проверочных расчетов относятся:



расчет на крутильные колебания;



расчет на поперечные изгибные колебания;



расчет на продольные колебания.


129

7. СУДОВОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ


7.1. Требования к судовому электрооборудованию



Электрооборудование

судна состоит из генераторной установки, распред
е
лительных устройств и потребителей.

Электроэнергия используется для управления двигателями вспомогател
ь
ных механизмов, палубных устройств, освещения, вентиляции и системы ко
н
диционирования воздуха.

Постоян
ная подача электроэнергии необходима для безаварийной работы
судовых механизмов и устройств и обеспечения безопасности судна. Для обе
с
печения выполнения стоящих задач судно оборудуется основным и аварийным
электрооборудованием.

Аварийное электрооборудовани
е может быть выполнено как автоматич
е
ски запускающийся аварийный генератор переменного тока, так и в виде акк
у
муляторных батарей.

В целом электрооборудование включает в себя генераторные агрегаты,
контрольные и распределительные устройства, двигатели с сис
темами пуска и
аварийной установки.

На современных судах в качестве питания электрооборудования примен
я
ется переменный ток, вытеснивший постоянный.

Система питания переменным током имеет серьёзные преимущества:
меньшая построечная стоимость, меньшая масса,

простота обслуживания.

Однако, система питания постоянным током имеет преимущество в упра
в
лении электродвигателями, так как обеспечивает широкий диапазон скоростей
в системе генератор
-
двигатель.

Двигатели и генераторы как переменного, так и постоянного то
ка, должны
использоваться в режиме номинальной мощности при заданной длительности
работы приводного механизма. Тем не менее, они выбираются исходя из во
з
можностей значительных кратковременных перегрузок и средних перегрузок
большой длительности.

В зависимо
сти от условий эксплуатации двигатели и генераторы имеют
различные типы защитных корпусов. В судовых условиях, как правило, прим
е
няются электродвигатели и генераторы в брызгозащитном или герметичном
исполнении.

Брызгозащитный корпус обеспечивает защиту от
прямого попадания брызг
и водяных паров, и обеспечивает работу в затопленном состоянии до 1 минуты.
Герметичность позволяет обеспечить работу оборудования в затопленном с
о
стоянии не менее 1 часа.

Взрывобезопасные корпуса противостоят взрыву самовоспламеняю
щегося
газа, который находится внутри корпуса. При взрыве в таком корпусе не прои
с
ходит дальнейшего распространения пламени.

Для безотказной работы оборудования любого типа необходимо обесп
е
чить его чистоту. Электрические соединения должны быть надёжными и

не

130

иметь искрения при работе. Главные
,

наиболее нагруженные
,

элементы нео
б
ходимо периодически проверять и
,

при необходимости
,

заменять. Оборудов
а
ние, работающее от сети переменного тока, электрически более опасно, чем
оборудование, работающее от сети пост
оянного тока. Правила техники бе
з
опасности необходимо строго соблюдать при любой проверке и осмотре обор
у
дования.

При загрязнении деталей электрооборудования возможен пробой изол
я
ции, утечка тока и замыкание на землю. Высокая влажность и масляные загря
з
нен
ия так же отрицательно влияют на сопротивление изоляции. При регуля
р
ном изменении сопротивления изоляции выявляются участки цепи, нуждающ
и
еся в ремонте.

Вентиляционные отверстия и решётки должны быть чистыми для обесп
е
чения нормального охлаждения и вентиля
ции оборудования.

Аккумуляторные батареи используются на большинстве судов в качестве
быстро подключаемого аварийного источника питания. Кроме того, батареи
применяются для питания малым напряжением постоянного тока специального
оборудования. На судах прим
еняются свинцово
-
кислотные и щелочные акк
у
муляторные батареи.

Выбор необходимой батареи производится с учётом достоинств и нед
о
статков свинцово
-
кислотных и щелочных батарей.

Для достижения заданного напряжения в свинцово
-
кислотной
батарее

необходимо меньше
е число элементов, по сравнению со щелочной, кроме эт
о
го, свинцово
-
кислотные батареи имеют меньшую стоимость. С другой стороны,
срок службы свинцово
-
кислотных батарей ограничен
,

и они требуют период
и
ческой подзарядки, так как разряжаются даже без нагрузки.

Разряж
е
нная сви
н
цово
-
кислотная батарея достаточно быстро выходит из строя.

Щелочные батареи сохраняют свой заряд без внешней нагрузки, а разр
я
ж
е
нную батарею можно хранить длительный срок без опасности выхода из
строя. Хотя щелочная батарея дороже свинцов
о
-
кислотной, срок её службы
значительно больше.

В зависимости от ёмкости батарея может питать электрическую цепь в т
е
чение определённого времени.

юмкость измеряется в ампер
-
часах. Ампер
-
часы


это число часов, в теч
е
ние которых батарея способна поддерживат
ь номинальный ток в цепи.

Батареи должны находиться в заряженном состоянии, в связи с чем нео
б
ходимо периодически производить их заряд. Для свинцово
-
кислотных батарей
рекомендуется использовать непрерывный заряд, который заключается в том,
что через батаре
ю протекает малый ток всё время, пока она находится в нен
а
груженном состоянии.

Степень разряда батареи определяется при помощи ареометра, которым
определяется плотность электролита. Когда плотность достигает предельного
значения (для щелочных батарей


1,1
6 кл/л, для свинцово
-
кислотных 1,280
кл/л при 15 °С) необходимо заменять батарею.

Во время работы батареи желательно контролировать напряжение на ка
ж
дом элементе, значения должны быть одинаковыми.


131

В случае аварии главных генераторов и "обесточивании" судн
а осущест
в
ляется переход на аварийное питание. Для этого можно использовать аккум
у
ляторные батареи, но, в подавляющем большинстве случаев, применяются ав
а
рийные генераторы, для привода которых используются дизел
и
, расположе
н
ные вне машинного отделения.

При

работе аварийного генератора обеспечивается питание двигателей
аварийных насосов, пожарных насосов, рулевого привода, герметичных дверей,
специального оборудования пожаротушения, а так же питание аварийного
освещения для закрытых помещений, навигационных
огней, системы связи и
тревоги.

Электроснабжение потребителей осуществляется через аварийный распр
е
делительный щит, находящийся в одном помещении с аварийным генератором.
Пуск аварийного генератора осуществляется автоматически при снижении
напряжения сети.


Питание навигационных огней должно осуществляться при любых ав
а
рийных ситуациях, для чего их цепи питания имеют специальное конструкти
в
ное исполнение.

При использовании отдельных цепей питания навигационных огней без
подключения посторонних потребителей
можно предупредить их отключение в
аварийной ситуации.

Питание осуществляется через тумблер режимов работы, позволяющий
осуществить переключение на другой источник питания в случае отказа в о
с
новной силовой цепи. Если навигационные огни гаснут, то подаётся

аварийный
световой или звуковой сигнал.

Основным узлом, обеспечивающим распределение электроэнергии, пост
у
пающей от генераторов и передачи её потребителям, является главный распр
е
делительный щит (ГЭРЩ) (рис. 90.)

Обычно ГЭРЩ состоит из отдельных секций: г
енераторных, управления и
распределительных. Каркасы секций ГЭРЩ сваривают из угловой, а лицевые
панели изготавливают из листовой стали.

Количество секций ГЭРЩ определяется составом источников питания и
потребителей судовой электростанции. Вся коммутационн
ая аппаратура


а
в
томаты, рубильники, переключатели и все токоведущие части устанавливаются
за лицевой панелью. На лицевую панель выводятся шкалы измерительных пр
и
боров, приводы автоматов, рукоятки переключателей, кнопки управления,
штурвалы реостатов, инд
икаторы световых сигналов. Для каждого генератора
на ГЭРЩ должны предусматриваться коммутационные, защитные и измер
и
тельные приборы: тахометр и мегаомметр, синхронизирующее устройство с п
е
реключателем, вольтметр, амперметр.

Схемами ГЭРЩ предусматривается
раздельная или параллельная работа
генераторов. Под раздельной работой понимают работу каждого генератора на
свою группу потребителей в случае, если параметры генераторов или перви
ч
ных двигателей не удовлетворяют условиям параллельной работы. Совреме
н
ные с
хемы ГЭРЩ обеспечивают продолжительный режим параллельной раб
о
ты всех генераторов судовой электростанции.


132


Рис. 90. Общий вид главного распределительного щита судовой электростанции:

I
,
II



генераторные панели;
III
,
IV



распределительные панели; 1


регулятор возбу
ж
дения с дистанционным приводом; 2


регулятор возбуждения без дистанционного привода;
3


автоматический выключатель; 4


трёхполюсный переключатель; 5


универсальные
переключатели; 6


пакетные выключатели
; 7


установочные автоматические выключ
а
тели; 8


сигнальные лампы.


На рис. 91 показана принципиальная схема ГЭРЩ, типична
я для электр
о
станции трёхфазной

системы переменного тока судна. Схема определяет назн
а
чение и характер аппаратуры, устанавливаемой н
а ГЭРЩ.




Рис. 91. Принципиальная схема ГЭРЩ


133

Главные шины ГЭРЩ имеют секционные переключатели
Q
1,
Q
2,
Q
3, по
з
воляющие обеспечить раздельную работу генераторов в случае невозможности
параллельной работы и проведение ремонта и чистки ГЭРЩ без вывода судна
из эксплуатации.

Потребители распределяются так, чтобы при отключении одной стороны
ГЭРЩ, оставшиеся подключёнными к другой стороне потребители обеспечив
а
ли нормальную эксплуатацию судна. Для сети освещения и бытовых нужд су
д
на имеются отдельные шины напря
жением 127 или 220 В, получающие питание
от трансформаторов с соответствующим вторичным напряжением.

Каждый генератор снабжён системой саморегулирования напряжения
АРН, и, с помощью контакторов синхронизации К1


К4, через реактор
L
, м
о
жет быть включён на
параллельную работу.

В этом случае посредством контакторов возбуждения КВ1


КВ4 включ
а
ются системы возбуждения отдельных генераторов. Генераторы защищены а
в
томатическими выключателями
QF
1


QF
4 от перегрузки токов короткого з
а
мыкания, обратной мощности и
минимального напряжения. Имеются так же
шины неответственных потребителей, подключённые к главным шинам через
автоматический выключатель
QF
5. Эти шины отключаются автоматически при
перегрузке работающих генераторов.


7.2. Гребные электрические установки


Гребная электрическая установка


это главная силовая энергетическая
установка судна, которая приводит гребной винт во вращение с помощью эле
к
тродвигателя, питаемого током, вырабатываемого генератором. Установки т
а
кого типа используются
,

в основном
,

на лед
околах, судах специального назн
а
чения, подводных лодках.

Крупнейшим судном, использующим гребную электрическую установку, в
настоящее время можно считать океанский лайнер
RMS

Queen

Mary

2, осн
а
щённый четырьмя подвижными электродвигателями типа "
Azipod
" мощ
ностью
по 215 мВт.

Электрическая передача позволяет обеспечить сохранение постоянства
мощности главного двигателя при изменениях момента на гребном винте.

Гребные электрические установки (ГЭУ) могут быть классифицированы
по следующим признакам:

1. По роду
тока


переменного, постоянного и переменно
-
постоянного
(двойного рода тока);

2. По типу первичного двигателя


дизель
-
электрические, турбо


электр
и
ческие и газо
-
турбо
-
электрические;

3. По системе управления


с ручным и автоматическим управлением;

4. По
способу соединения гребного электродвигателя с винтом


с прямым
соединением и с редукторным соединением.

В гребных электрических установках постоянного тока в качестве главных
генераторов применяются генераторы с независимым возбуждением, а в кач
е

134

стве гре
бных электродвигателей


двигатели с независимым возбуждением.

В гребных электрических установках переменного тока в качестве главных
генераторов применяются синхронные машины, а в качестве гребных электр
о
двигателей


синхронные или асинхронные электродвиг
атели.

Использование мощных управляемых полупроводниковых выпрямителей
позволило создать ГЭУ двойного рода тока.

Преимуществами ГЭУ этого типа являются:



высокая надёжность и экономичность синхронных генераторов;



плавное и экономичное регулирование част
оты вращения гребного эле
к
тродвигателя, управляемого выпрямителем;



возможность питания всех судовых потребителей от главных генерат
о
ров, т.е. от единой судовой электростанции переменного тока.

ГЭУ постоянного тока используются в установках малой и средне
й мо
щ
ности с высокой маневренностью. Ограничение мощности этого типа ГЭУ
определяется сложностью создания электрических машин большой мощности
на постоянном токе по сравнению с машинами на переменном токе.

Такие установки отличаются простотой, удобством и
плавностью регул
и
рования частоты вращения гребных винтов в широком диапазоне их моментов
и нагрузок.

ГЭУ переменного тока устанавливаются на судах с относительно редким
изменением режима движения.

Для них характерно использование повышенных напряжений: при

мощн
о
сти ГЭУ до 10 МВт


3000 В, при больших мощностях


до 6000 В. Номинал
ь
ная частота тока обычно составляет 50 Гц.

В ГЭУ переменного тока при малых и средних мощностях (до 15 МВт) в
качестве первичного двигателя обычно используются дизеля, а при больш
их
мощностях


турбины.

Регулирование частоты вращения гребных электродвигателей в ГЭУ пер
е
менного тока с винтами фиксированного шага обеспечивается изменением ч
а
стоты напряжения генераторов при изменении частоты вращения первичных
двигателей, либо путём и
спользования в качестве гребных электродвигателей
асинхронных машин с фазным ротором. Частотное управление угловой скор
о
стью гребных электродвигателей переменного тока оказывается энергетически
выгодным, так как при этом достигается минимизация их электрич
еских п
о
терь. Изменение направления вращения гребных электродвигателей достигае
т
ся переключением фаз в главной цепи, число которых, как правило, равно трём.

Способом регулирования режима работы ГЭУ переменного тока, позвол
я
ющим избежать трудностей регулиро
вания частоты вращения двигателей пер
е
менного тока, является использование винтов регулируемого шага (ВРШ).

ГЭУ двойного рода тока называются установки, в которых в качестве и
с
точников электроэнергии используются синхронные генераторы переменного
тока, а в

качестве гребных электродвигателей


электродвигатели постоянного
тока.

Разработка мощных выпрямителей позволила объединить высокие мане
в
ренные качества ГЭУ постоянного тока, с достоинствами ГЭУ переменного т
о

135

ка, заключающиеся в использовании высокооборот
ных первичных двигателей и
малых
массогабаритных

показателях.

Применяются полупроводниковые выпрямители двух типов:



неуправляемые, выходное напряжение которых не регулируется;



управляемые


с регулируемым выходным напряжением;

ГЭУ двойного рода тока с

выпрямителями обеспечивают:



высокую маневренность за счёт широкого диапазона регулирования ч
а
стоты гребного электродвигателя;



возможность создания турбогенераторных агрегатов без редукторов и
удобство их компоновки в машинном отделении;



снижение ш
умности и вибрации элементов ГЭУ;



повышение общего к.п.д. установки;



наибольшую простоту исполнения и надёжность гребных электродвиг
а
телей.

Применение ВРШ для ГЭУ двойного рода тока вносит дополнительные
преимущества:



постоянство частоты вращения
двигателей генераторов;



постоянство частоты вращения гребного электродвигателя и гребного
винта.

Постоянство частоты вращения первичных двигателей ГЭУ позволяет
производить отбор мощности от шин системы электродвижения для общесуд
о
вых потребителей и бо
лее рационально использовать установленную мощность
судовой электростанции.

ГЭУ двойного рода тока превосходят по своим характеристикам ГЭУ как
постоянного, так и переменного тока.

Основная задача при эксплуатации ГЭУ


обеспечить её безотказную и
безавари
йную работу, постоянную готовность к действию.

Решение такой задачи достигается при выполнении следующих условий:



обеспечение квалифицированного обслуживания;



своевременно пополнение сменно
-
запасными частями и материалами;



правильно определение сроко
в и объёмов профилактических и ремон
т
ных работ, выполняемых судовым экипажем;



проведение расширенных испытаний и организация наладки ГЭУ в соо
т
ветствии с целевым назначением судна;



постоянный контроль степени загрязнения изоляционных поверхностей в
эле
ктрических машинах ГЭУ;



проверка состояния кабелей и заделка их оконцеваний.

Таким образом, комплекс мероприятий технической эксплуатации охват
ы
вает обслуживание, уход и ремонт ГЭУ и её элементов.




136

Список литературы


1.

Акимов В.П.

Судовые автоматизированн
ые энергетические установки,
«Транспорт», 1980.

2.

Справочник судового механика (в двух томах). Изд. 2
-
е, перераб. и доп.
Под общей редакцией канд. техн. наук Л.Л.Грицая. М., «Транспорт», 1974
г.

3.

Завиша В.В., Декин Б.Г. Судовые вспомогательные механизмы., М.,

«
Транспорт», 19
74 г., 392 с.

4.

Кіріс О.В., Лісін В.В. Термодинаміка та теплотехніка. Навчальний посі
б
ник. У 2 ч. Ч. 1.: Термодинаміка.


Одеса: ОНМА, 2005.


96 с.

5.

Овсяніков М.К., Петухов В.А. Суднові автоматизовані енергетичні уст
а
новки. «Транспорт», 1989.

6.

Тейлор Д.А. Основи суднової техніки. «Транспорт», 1987.

7.

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «С
у
днові енергетичні установки та електрообладнання суден». Одеса: О
Н
МА, 2012.

8.

Верескун В.И., Сафонов А.С. Электротехника и электрообор
удование с
у
дов: Учебник.


Л.: Судостроение, 1987.


280 с., ил.

9.

Милтон Д.Х., Лич Р.М. Судовые паровые котлы. Пер. с англ.


М.:
Транспорт, 1985.


295 с.

10.

Храпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы:
Учебное пособие.


2
-
е изд. перераб.
и доп.


Л.: Судостроение, 1988. 296
с., ил.

11.

Харин В.М. и др. Судовые вспомогательные механизмы и системы: уче
б
ник для ВУЗов.


М.: Транспорт, 1992.


319 с.

12.

Харин В.М. и др.Судовые машины, установки, устройства и системы:
учебник для высших морских учебн
ых заведений.


Одесса: Феникс,
2010.


646 с.

13.

Самсонов В.И., Худов Н.И. Двигатели внутреннего сгорания морских с
удов. Учебник для высш. учеб. заведений.


2
-
е изд., перераб. и доп. М.:
Транспорт, 1990.


368 с.






137

Навчальне видання









Бурмака

Ігор Олексійович,
Кіріс

Олексій Володимирович,

Козьміних

Миколай Анатолійович



Суднові енергетичні установки та
електрооб
ладнання суден


ПІДРУЧНИК










Підп. до друку

Формат 60х84/16. Папір офсет. Ум.друк. арк.

Тираж пр. Зам. No








ОНМА, центр

«Видавінформ»

65029, м. Одеса, Дідріхсона,8, корп.7

Свідоцтво ДК No1292 від 20.03.2003

Тел./факс:(0482)34
-
14
-
12

publish@ma/odessa.ua








13
8























Бурмака І. О.

К 43


Суднові енергетичні установки та електрооб
ладнання суден
:
підручник

/ І.О. Бурмака, О.В.
Кіріс, М.А. Козьміних


Одеса: ОНМА,
2013.


136 с.


Рос. мовою.


У підручнику викладено теоретичні основи роботи теплових двигунів,
суднового пароенергетіческого обладнання, суднових двигунів внутрішнього
згорання, парових і газових турбін, допоміжних установок і механізмів, систем,
переда
ч валопроводів та електрообладнання.

Підручник призначений для курсантів та студентів вищих морських
навчальних закладів за напрямом підготовки 6.070104 «Морський та річковий
транспорт».

УДК 629.5.064
.5

ББК 39.42
-
015



Приложенные файлы

  • pdf 1689383
    Размер файла: 6 MB Загрузок: 4

Добавить комментарий