Современное морское судно представляет собой сложное инженерное сооружение, при постройке и эксплуатации которого используются достижения различных отраслей науки – от астрономии, радиолокации и гидродинамики до теплотехники и ядерной энергетики.
Крупнотоннажные морские суда океанского плавания могут перевозить несколько тысяч пассажиров и десятки тысяч тонн грузов, развивая скорость хода до 32-35 узлов. Для обеспечения таких скоростей хода судно должно быть оборудовано соответствующей силовой установкой.
Мощность силовых установок современных морских судов исчисляется десятками и даже сотнями тысяч лошадиных сил. К судовой силовой установке предъявляются значительно более жёсткие требования, чем к стационарной.
Это вызвано особыми условиями эксплуатации морского судна. Главным требованием при этом является надёжность работы установки в течение длительного промежутка времени, исчисляемого тысячами часов.
Выход её из строя может привести к самым тяжёлым последствиям, вплоть до гибели судна и экипажа.
При большой мощности силовая установка должна обладать по возможности малым весом для увеличения полезной грузоподъёмности судна. Большая скорость хода судна и экономичность работы силовой установки увеличивают его провозную способность, что в конечном счёте снижает основной экономический показатель – себестоимость перевозок.
Расходы на работу и обслуживание собственно силовой установки судна составляют более половины общих расходов, поэтому её технико-экономические показатели являются определяющими при выборе типа главного двигателя, его мощности, предельного срока службы и т.д.
Экономичность силовой установки зависит от размеров первоначальных затрат на проектирование, постройку и от текущих расходов на её обслуживание и ремонт. Главную часть этих расходов, существенно влияющих на экономичность установки, составляет стоимость топлива.
Современные силовые установки морских судов являются исключительно теплосиловыми. В них происходит преобразование тепла, получаемого при сжигании различных видов топлива, в механическую работу. Методы сжигания топлива и превращения тепла в механическую работу бывают различными, и в зависимости от них определяется тип силовой установки.
Силовые установки, в которых топливо сжигается вне цилиндра машины (в паровых котлах), а тепло передаётся при помощи промежуточного рабочего тела (пара), полученного в котлах, называют паросиловыми. В этих установках тепло водяного пара, обладающего высоким давлением и температурой, преобразуется в механическую работу в паровых поршневых машинах или в турбинах.
Силовые установки, в которых топливо сжигается в цилиндре машины и поэтому отсутствует необходимость в применении промежуточного рабочего тела, называются установками с двигателями внутреннего сгорания. Такие двигатели бывают поршневыми и газотурбинными.
При использовании атомной энергии тепло, выделяющееся в атомных реакторах, превращается в механическую работу при помощи пара в паровых или при помощи газа в газовых турбинах.
Силовые установки как паровые, так и с двигателями внутреннего сгорания, могут быть комбинированными. Паросиловая установка может включать паровую поршневую машину и паровую турбину, работающую паром, поступающим из машины.
Установка с двигателем внутреннего сгорания может содержать газовую турбину, которая используется как для наддува в поршневом двигателе, так и для механической работы (установки со свободнопоршневыми генераторами газа).
Всякое превращение одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается потерями. Степень использования затраченного тепла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия, который равен отношению величины полезной работы к величине затраченного тепла.
У установок с паровыми поршневыми машинами этот к.п.д. доходит до 20-22%, с паровыми турбинами – до 34-35%. У поршневых двигателей внутреннего сгорания термический к.п.д. достигает 40-42%. Целесообразность применения на морских судах силовой установки того или иного типа определяется не только её к.п.д.
Существенное значение при выборе силовой установки имеют такие факторы, как габариты, вес, сложность устройства, надёжность работы, количество обслуживающего персонала, моторесурс (продолжительность работы до капитального ремонта) и др.
Наиболее экономичной и отвечающей почти всем указанным требованиям является силовая установка с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания занимает меньше места и имеет меньший вес, чем паросиловая установка, поскольку в первом случае отсутствуют котлы; он требует меньших затрат топлива, благодаря меньшему удельному расходу на ходу судна (150-170 г/э.л.с.ч.) и отсутствию расхода топлива при стоянке, вследствие чего увеличивается полезное использование грузоподъёмности судна на 10-25% при одинаковой мощности и требуется меньше обслуживающего персонала (почти вдвое); значительно быстрее приводится в действие (двигатель можно пустить в любой момент).
Кроме того, нужно иметь в виду большую безопасность при обслуживании установки и лучшие условия работы для технического персонала.
К недостаткам двигателей внутреннего сгорания следует отнести значительную сложность устройства по сравнению с паровыми машинами, и, следовательно, большую требовательность к уходу за ними, высокие требования к качеству топлива и смазочных материалов, неспособность к длительной работе с перегрузкой, ограниченность в снижении числа оборотов, трудность получения больших мощностей в одном агрегате.
Паровая машина наименее экономична из всех типов двигателей, но наиболее надёжна в эксплуатации и проста в обслуживании. Использование паровых турбин позволило получить практически неограниченные мощности в одном агрегате. В связи с этим турбины нашли применение для судов, требующих силовых установок значительной мощности.
Мощность стационарных турбин доходит до 300 000 л.с. и более. Не смотря на относительно высокий расход топлива, паровые турбины целесообразно применять наряду с двигателями внутреннего сгорания, в некоторых случаях паровые турбины ничем не могут быть заменены. Остальные преимущества паровых турбин заключаются в небольшом весе, уравновешенности, простоте обслуживания, получение за турбиной чистого конденсата (без примеси масла).
К недостаткам их следует отнести большое число оборотов, что не позволяет передавать мощность турбины непосредственно на гребной вал, нереверсивность (для осуществления реверса необходима турбина заднего хода). Со временем получил развитие тепловой двигатель – газовая турбина.
Газотурбинные установки имеют ряд преимуществ по сравнению с паросиловыми и с двигателями внутреннего сгорания. Они проще по устройству, имеют значительно меньший вес, компактны, позволяют получать сравнительно большую мощность в одном агрегате, быстро включаются в действие, уравновешены, так как отсутствует кривошипно-шатунный механизм.
Увеличение экономичности работы газовых турбин зависит от начальной температуры газа. Последняя ограничивается материалом, из которого изготавливаются лопатки, так как жаропрочность материала лопаток определяет максимально допустимую температуру газа перед турбиной.
Большой интерес представляют двигатели внутреннего сгорания со свободно движущимися поршнями. Прямодействующие двигатели со свободно движущимися поршнями применяются в качестве привода для компрессоров и как генераторы газа в комбинированных газотурбинных установках.
Одним из важнейших преимуществ этих двигателей по сравнению с двигателями внутреннего сгорания обычных типов является простота устройства и полная уравновешенность; отсутствуют потери в подшипниках; из-за отсутствия боковых усилий на поршень значительно уменьшается износ цилиндров и поршней, что увеличивает моторесурс.
При использовании прямодействующего двигателя со свободно движущимися поршнями в качестве генератора газа в совокупности с газовой турбиной создана теплосиловая установка большой эффективности при весьма умеренной температуре (500-600˚С) газа перед турбиной, так как получение газа в такой установке происходит при высоком давлении и высокой температуре в цилиндре двигателя, недоступных для обычных газовых турбин.
Коэффициент полезного действия такой установки не ниже, чем установки с обычным двигателем внутреннего сгорания (т.е. 40% и выше), а мощность её может достигать 40 тыс. л.с., и более.
Подобный анализ характеристик и основных показателей работы силовой установки может дать более широкое и полное представление о целесообразности их применения на морских судах.
Было бы, однако, ошибкой говорить о безусловной рациональности использования какого-либо одного типа силовой установки для всех видов морских судов.
Разные морские суда (буксиры, ледоколы, грузо-пассажирские суда, танкеры и т.д.) предъявляют свои особые требования к силовой установке. Большое значение имеют: район плавания и продолжительность рейсов.
Рекомендуем к прочтению:
Статья и фото: “Журнал Морского Волка”
Если Вам понравилась статья, не забудьте поставить оценку. Подписывайтесь на канал, пишите комментарии, задавайте вопросы.
