Учебное пособие для студентов г. Севастополь 2009
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования Санкт-Петербург, 2198.48kb.
- Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования Санкт-Петербург, 2212.78kb.
- Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования Санкт-Петербург, 1556.74kb.
- Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования Санкт-Петербург, 1486.86kb.
- Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования экономических, 4287.52kb.
- Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования экономических, 3683.83kb.
- Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования экономических, 933.21kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Тамбов 2009 удк 339. 138, 1882.57kb.
- Учебное пособие по курсам «Экономика отрасли» и "Инвестиционный менеджмент" для студентов, 4819.39kb.
Радзиевский С. И.
Судовая энергетика
Учебное пособие для студентов
г. Севастополь
2009
ББК 39.42
Р80
Радзиевский С. И.
СУДОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА: Учебное пособие – Севастополь: Украинский морской институт, 2009.
В пособие изложены основы теории судовых энергетических установок (СЭУ), анализируются тепловые схемы паротурбинных и газотурбинных установок; рассмотрена история создания и совершенствования основных элементов СЭУ, их принцип действия. Приведены основные процессы и средства преобразования и передачи энергии от главных двигателей к движителям. Рассмотрены состав и основные режимы использования главной энергетической установки в составе пропульсивного комплекса, назначение и устройство вспомогательных энергетических установок. Основной упор сделан на дизельные энергетические установки.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по профессиональным направлениям «Судовождение», «Эксплуатация СЭУ», «Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов».
| СОДЕРЖАНИЕ | ||
| Введение | 5 | |
| 1. | Состав, классификация и характеристики судовых энергетических установок | 7 |
| 1.1 | Назначение и состав судовых энергетических установок | 7 |
| 1.2 | Типы судовых энергетических установок | 10 |
| 1.3 | Технико-экономические показатели мощности | 12 |
| 1.3.1 | Показатели мощности | 12 |
| 1.3.2 | Показатели массы | 14 |
| 1.3.3 | Габаритные показатели СЭУ | 15 |
| 2. | Паровые котлы | 17 |
| 2.1 | История создания, устройство и принцип действия парового котла | 17 |
| 2.1.1 | История создания парового котла | 17 |
| 2.1.2 | Устройство и принципы действия парового котла | 20 |
| 2.2 | Классификация морских паровых котлов | 21 |
| 2.3 | Основные характеристики паровых котлов | 25 |
| 3. | Паротурбинные установки. | 27 |
| 3.1 | Назначение, состав и принципиальная схема ПТУ | 27 |
| 3.2 | Тепловые схемы ПТУ | 28 |
| 3.2.1 | Нерегенеративная тепловая схема ПТУ | 29 |
| 3.2.2 | Тепловая схема 2го рода | 30 |
| 3.2.3 | Тепловая схема 1го рода | 32 |
| 3.3 | Характеристики судовых ПТУ | 33 |
| 4. | Газотурбинные установки | 36 |
| 4.1 | Назначение и принцип действия ГТУ | 36 |
| 4.2 | Тепловые схемы сложных газотурбинных двигателей | 37 |
| 4.2.1 | Цикл ГТД с регенерацией теплоты выпускных газов | 37 |
| 4.2.2 | Цикл ГТД с промежуточным подогревом и охлаждением | 39 |
| 4.3 | Характеристики судовых ГТУ | 40 |
| 4.3.1 | Судовые ГТД зарубежных фирм | 40 |
| 4.3.2 | Судовые ГТД, произведенные в Украине | 41 |
| 5. | Дизельные энергетические установки. | 43 |
| 5.1 | История создания и развития судовых двигателей внутреннего сгорания | 43 |
| 5.2 | Принцип действия, классификация и основные характеристики судовых двигателей внутреннего сгорания | 45 |
| 5.3 | Типы СЭУ с ДВС | 52 |
| 5.3.1 | Дизельные установки с малооборотными двигателями | 56 |
| 5.3.2 | Дизель-редукторные установки со среднеоборотными и высокооборотными двигателями | 56 |
| 5.4 | Технико-экономические характеристики СЭУ с ДВС и возможности их повышения | 59 |
| 6. | Системы дизельных энергетических установок | 62 |
| 6.1 | Общие требования к системам | 62 |
| 6.2 | Топливные системы | 63 |
| 6.3 | Системы смазочного и охлаждающего масла | 66 |
| 6.4 | Системы охлаждения | 69 |
| 6.5 | Системы воздухоснабжения | 70 |
| 6.5.1 | Система сжатого воздуха | 71 |
| 6.6 | Система выпускных газов | 73 |
| 7. | Судовые передачи и муфты | 76 |
| 7.1 | Характеристики передач | 76 |
| 7.2 | Механические передачи | 78 |
| 7.3 | Гидравлические передачи | 79 |
| 7.4 | Электрические передачи | 81 |
| 8. | Управление работой ГЭУ в составе пропульсивного комплекса | 85 |
| 8.1 | Состав и характеристики пропульсивного комплекса | 85 |
| 8.2 | Система управления главными двигателями | 87 |
| 8.3 | Режимы работы ГЭУ в составе пропульсивного комплекса | 90 |
| 8.3.1 | Работа дизеля на швартовых | 92 |
| 8.3.2 | Работа двигателей и движителей на переходных и переменных режимах | 92 |
| 9. | Вспомогательные энергетические установки | 95 |
| 9.1 | Судовая электростанция | 95 |
| 9.2 | Вспомогательные, утилизационные и водогрейные паровые котлы | 97 |
| 9.3 | Водоопреснительные установки | 99 |
| 9.4 | Холодильные установки | 102 |
| 10. | Рулевые устройства и палубные механизмы | 104 |
| 10.1 | Рулевые и подруливающие устройства | 104 |
| 10.2 | Якорно-швартовые устройства | 107 |
| 10.3 | Грузоподъемные механизмы | 108 |
| Перечень литературы | 112 | |
ВВЕДЕНИЕ
Развитие человечества невозможно без использования богатств и просторов Мирового океана. По водным дорогам перевозится более 80% грузов и миллионы людей, кроме этого океан является кладовой минеральных и биологических ресурсов. Плавучие средства ведут разведку и добычу полезных ископаемых в шельфах морей и океанов, ведут различного рода научные исследования, охраняют рубежи и экономические зоны своих государств.
Современные потребности в высоких скоростях хода заставили человека постепенно переходить от использования мускульной силы и силы ветра к применению специальных машин и механизмов для обеспечения движения и маневрирования судов, т.е. к судовой энергетике.
Сегодня без судовой энергетики невозможно решать никакие задачи в Мировом океане.
Учебная дисциплина «Судовая энергетика» является своеобразным введением в специальность «Эксплуатация судовых энергетических установок». В ней раскрывается история создания судовых энергетических установок (СЭУ) различного типа, их принцип действия, достоинства и недостатки, типы морских и речных судов, на которых является наиболее приемлемым применение тех или иных СЭУ.
Особое внимание уделено дизельным энергетическим установкам, как наиболее широко распространенным и более эффективным. Раскрыты назначение, состав, принцип действия и эффективность различных типов систем дизельных установок (топливных, смазочного и охлаждающего масла, охлаждения, сжатого воздуха, газоотвода), а также вспомогательным энергетическим установкам (судовым электростанциям, вспомогательным и утилизационным паровым котлам, водоопреснительным и холодным установкам).
Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов – будущих судовых механизмов и судоводителей. Отдельно рассматривается назначение и состав пропульсивного комплекса, а также вопросы управления работой СЭУ в составе пропульсивного комплекса, а также рулевых машин, палубных механизмов и грузоподъемных устройств.
В основу преподавания дисциплины положены требования образовательно-профессиональной программы подготовки бакалавров по специальностям «Эксплуатация судовых энергетических установок» и «Судовождение», утвержденной Министерством образования и науки Украины.
1. СОСТАВ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1.1 Назначение и состав судовых энергетических установок (СЭУ)
Судовая энергетическая установка (СЭУ) – сложный комплекс технических средства, предназначенных для обеспечения движения судна и снабжения энергией всех его потребителей.
Потребности в различных видах энергии на современном судне огромны и разнообразны: обеспечение движения и маневрирования, безопасности мореплавания, работы палубных механизмов и устройств, электрического освещения и сигнализации, работы средств судовождения и комплексной автоматизации, общесудовых нужд и создания условий для нормальной жизнедеятельности экипажа и пассажиров; механизация различных операций, выполняемых на судне в процессе эксплуатации и в ремонте.
В состав СЭУ входят главные и вспомогательные энергетические установки и комплексы.
Главной энергетической установкой (ГЭУ) называют ту часть СЭУ, которая обеспечивает движение судна (приводит в действие главные двигатели).
Эту часть СЭУ называют также пропульсивным комплексом (пропульсивной установкой).
На транспортных судах и военных кораблях на обеспечение движения затрачивается 80…90% всей вырабатываемой энергии. На судах технического флота (земснарядах, плавучих самоходных кранах и т.п.) суммарная мощность основных технических средств (рефульных насосов, подъемных кранов и т.п.) может превышать мощность, необходимую для движения судна. Поэтому для таких судов главной является энергетическая установка, обеспечивающая энергией основные технические средства, которые обеспечивают выполнение основных задач по предназначению этих судов.
ГЭУ состоит из главных двигателей, главных установок для выработки рабочего тела (пара, газа), главных передач, судовых валопроводов и движителей, систем дистанционного автоматического управления главными двигателями и электрогенераторами; механизмов автоматизированного централизованного контроля рабочих параметров; механизмов теплообменных аппаратов и других устройств, обеспечивающих работу главных генераторов рабочих тел и главных двигателей пропульсивной установки – насосы, маслоохладители, теплообменные аппараты и другие устройства.
В качестве главных двигателей могут применяться паротурбинные, газотурбинные, а также дизельные двигатели. При этом в одной ГЭУ могут использоваться в качестве главных двигатели различных типов.
В последние годы ХХ сложилось следующие соотношение в применении типов главных двигателей: на 986 судах дейдвейтом более 2000 т, построенных в 1996 году, из 1103 главных двигателей суммарной мощностью 10.261,8 МВт используются 11 паротурбинных агрегатов, 12 газотурбинных двигателей и 1080 дизелей. Таким образом, на судах в качестве главного двигателя применяются в основном дизели (двигатели внутреннего сгорания). Однако, это не значит, что будущий судовой механик не должен изучать прочие типы двигателей.
Передачами называются устройства, через которые энергия главных двигателей передается на судовой валопровод. Передачи бывают механическими, гидравлическими, гидродинамическими и электрическими.
Судовой валопровод передает механическую энергию от главного двигателя (или от фланца передачи) на двигатель.
В качестве движителей используются гребные винты фиксированного или регулируемого шага, водометные и крыльчатые движители. В последние годы появились разработки магнитодинамических движителей с внутренним или внешним магнитным полем. Однако пока что КПД такого движителя слишком низок из-за сравнительно низкой электропроводности морской воды.
Вспомогательные энергетические установки (ВЭУ) являются комплексами, предназначенными для удовлетворения потребностей в энергии общесудовых потребителей и обеспечения функционирования пропульсивной установки.
К ВЭУ относятся электроэнергетическая установка (судовая электростанция), вспомогательный паровой котел, водоопреснительная и холодильная установки.
Судовая электростанция является автономным комплексом, обеспечивающим судно электрической энергией во время движения, на стоянке и при выполнении швартовых и грузоподъемных операций судовыми устройствами. В состав судовой электростанции входят вспомогательные первичные двигатели (паровые или газовые турбины, дизели), электрические генераторы, главный и местные распределительные щиты, трансформаторы, выпрямители, преобразователи, кабели для подачи питания к потребителям и системам (дистанционного и автоматического управления, аварийно-предупредительной сигнализации и защиты).
Мощность судовой электростанции зависит от типа и назначения судна. Особенно высокую мощность имеют электростанции пассажирских, промысловых, исследовательских судов и баз, на которых она может составлять 60…70% мощности главных двигателей. На универсальных сухогрузных судах и танкерах мощность электростанции, как правило, составляет 15…25% мощности главного двигателя.
Вспомогательная котельная установка обеспечивает судно и энергетическую установки паром и горячей водой. В ее состав входят вспомогательные, утилизационные и комбинированные котлоагрегаты, насосы, вентиляторы, теплообменные аппараты, другое оборудование, устройства и системы обслуживания котлов, дистанционное автоматическое управление, аварийно-предупредительная сигнализация и защита.
Водоопреснительная установка предназначена для получения пресной воды из морской на судах со значительной длительностью и автономностью плавания.
Установка кондиционирования предназначена для поддержания комфортных параметров воздуха в помещениях СЭУ и других обитаемых помещениях (где возможно пребывание людей).
Кроме пропульсивной установки и вспомогательных энергетических комплексов в состав СЭУ входят устройства, обеспечивающие ее эксплуатацию и ремонт-защитные устройства, настил-площадки, трапы, поручни, подъемное и транспортное оборудование, мастерские и кладовые с запасными частями, приборами и материалами. Для этих же целей предназначены системы вентиляции машинного отделения, шумозащищенные выгородки и покрытия, тепловая изоляция горячих и холодных поверхностей.
Системы СЭУ объединяют главные и вспомогательные механизмы в единый энергетический комплекс. Системой СЭУ называется совокупность функционально взаимосвязанных механизмов, аппаратов, устройств, приборов и емкостей, предназначенных для выполнения задач по обеспечению функционирования СЭУ. В зависимости от назначения системы СЭУ делятся на топливные, масляные, охлаждения, сжатого воздуха, газоотвода, конденсатно-питательные, паровые, управления и контроля дистанционного и автоматического управления.
1.2 Типы судовых энергетических установок
Судовые энергетические установки в зависимости от вида главного двигателя делятся на паротурбинные, газотурбинные и дизельные.
Паротурбинная установка (ПТУ) представляет собой совокупность агрегатов, двигателей и устройств, объединенных единой тепловой схемой. Рабочее тело (водяной пар) создается в паровом котле или в парогенераторе. Пар соответствующих параметров (давления и температуры) вращает паровую турбину. Прошедший через турбину отработавший пар поступает в конденсатор, где превращается в воду (конденсат), которая далее используется для питания парового котла. Таким образом, пароводяной цикл замыкается. Паровая турбина через зубчатую передачу передает вращающий момент через судовой валопровод на гребной винт. Паровые турбоустановки (ПТУ) судовой валопровод на гребной винт. Паровые турбоустановки (ПТУ) отличаются высокой надежностью и относительной простотой обслуживания.
Газотурбинные установки отличаются тем, что в них главным двигателем является газовая турбина (газотурбинный двигатель), рабочее тело, для которой готовится в камере сгорания. В отличие от ПТУ для ГТУ не требуется громоздкий паровой котел. В результате ГТД является компактным и легким, имеющим высокую мощность. Это качество ГТД позволяет применять его в составе СЭУ достаточно эффективно, несмотря на меньшую экономичность. Однако, в связи с высокой скоростью вращения ротора ГТД его мощность не может быть передана на судовой валопровод непосредственно и поэтому необходимо применять промежуточные передачи мощность (зубчатые, гидравлические или комбинированные) с понижением числа оборотов. Выходящие из ГТД газы имеют высокую температуру (450…550ºС), а их количество весьма значительно. Это используется для получения водяного пара в утилизационном котле с дальнейшим применением пара для привода паровой турбины без дополнительных затрат топлива. В результате получается комбинированная газопаротурбинная установка (ГПТУ) или ГТУ с теплоутилизирующим контуром. Кроме того, ГТД может использоваться в качестве форсажного для достижения максимальной скорости хода в СЭУ с ПТУ или дизельной установкой.
Дизельные СЭУ являются наиболее распространенными энергоустановками. В качестве главных двигателей в дизельных СЭУ применятся двигатель внутреннего сгорания – дизель. Дизели бывают малооборотные (n=50…250 об/мин), которые присоединяются к валопроводу непосредственно (прямая передача); среднеоборотные (n=250…750 об/мин) с передачей мощности на винт через зубчатую или гидравлическую передачу; высокооборотные (n=750…2500об/мин) с зубчатой или электрической (через гребной электродвигатель) передачи мощности на винт.
Вместе с зубчатой передачей дизель образует дизель-редукторный агрегат (Дизель-редукторная установка):
Если дизель является приводом электрогенератора, то такая установка называется дизель-генератором
Комплекс, состоящий из дизель-генератора, гребного электродвигателя, электрических сетей и систем управления называют дизель-электрической установкой (ДЭУ):
Дизель может применяться во всех вариантах комбинированных СЭУ:
- дизель-паротурбинная установка;
- дизель-газотурбинная установка.
К комбинированным можно отнести установки, состоящие из однотипных двигателей разной мощности, предназначенных для обеспечения малых и полных ходов. В комбинированных установках маршевые и форсажные двигатели могут работать одновременно и раздельно. При одновременной работе двигателей разной мощности СЭУ усложняется существенно. Поэтому в последние годы такие СЭУ не применяются.