лассификация судовых энергетических установок

ЧЕЛПАНОВ И.В.

Л Е К Ц И Я № 8.1

Тема: Судовые энергетические установки

Текст лекции по дисциплине «Объекты морской техники»

Санкт-Петербург

Введение

Судовая энергетическая установка (СЭУ) — сложный комплекс функционально взаимосвязанных машин, механизмов, элементов энергетического оборудования, предназначенных для автономного генерирования, преобразования, передачи и использования различных видов энергии, обеспечивающих движение судна с заданной скоростью, безопасное и эффективное его функционирование по назначению.

Схема на рис. 8.1 даёт представление о составе СЭУ, а также о взаимосвязи элементов, входящих в неё. Непосредственно в СЭУ входят:

главная энергетическая установка (ГЭУ), иногда называемая силовой или механической,

вспомогательные энергетические установки (ВЭУ) и

электроэнергетическая система (ЭЭС).

Исполнительная часть ГЭУ, в которую входят главный двигатель (ГД), главная передача, валопровод и движитель, носит название пропульсивной установки (ПУ). Пропульсивная установка состоит из элементов, обеспечивающих движение и маневрирование судна.

Рис. 8.1. Типовой состав судовой энергетической установки

Входящие в состав ГЭУ элементы называются главными и в зависимости от её типа их число и функциональное назначение носят разнообразный характер. В состав ГЭУ, прежде всего, входят главные двигатели —

внутреннего сгорания (ДВС),

газотурбинные (ГТД),

паровые котлы (ПК),

паропроизводящие установки (ППУ),

главные передачи, а также

валопроводы, движители и

вспомогательные механизмы,

теплообменное и другое оборудование систем, обслуживающих ГД, и

системы дистанционного автоматического управления и контроля параметров ГЭУ.

Вспомогательные энергетические установки предназначены для удовлетворения любого вида энергетических потребностей (кроме электроэнергии) как для обеспечения непосредственно ГЭУ, так и общесудовых потребителей, связанных и несвязанных с пропульсивным комплексом.

В зависимости от назначения и типа судна в состав его ВЭУ может быть включено несколько вспомогательных установок, например, котельная, водоопреснительная, холодильная, компрессорная, кондиционирования, установка повторного сжижения углеводородных газов (для газовозов) и т. п. Каждая из названных ВЭУ предназначена для решения конкретной задачи в системе СЭУ, связанной с преобразованием или передачей какого-либо вида энергии или совершением работы в разнообразных механизмах, аппаратах, устройствах и оборудовании, обеспечивающих функционирование СЭУ.

Значительной группой потребителей механической энергии помимо движителей являются насосы, компрессоры, вентиляторы, палубные механизмы и др. Привод ряда таких потребителей от главных двигателей предпочтителен, но не всегда возможен и удобен. В таких случаях предпочтение отдается электроприводу. Поэтому в составе СЭУ всегда имеется электроэнергетическая система, включающая в себя элементы для выработки, передачи, трансформации и потребления электроэнергии. В качестве первичных двигателей для привода электрогенераторов используются вспомогательные ДВС, паровые и газовые турбины. На ходовых режимах электрогенератор может работать путём отбора мощности от ГД (валогенератор).

Мощность судовой электростанции (ЭЭС) в значительной мере зависит от назначения судна и характерных режимов её работы. На транспортных судах её мощность лежит в пределах 12- 25 % от мощности ГД. На промысловых, пассажирских судах и базах мощность ЭЭС может составлять до 70 % от мощности ГД.

Для нормального функционирования генераторов рабочих тел, двигателей главной и вспомогательной установок, их индивидуального обслуживания одновременно используются системы СЭУ (ЭС). Эти системы представляют собой совокупность машин и механизмов, теплообменных аппаратов, ёмкостей для хранения расходных тел (топлива, масла, воды, воздуха), фильтров, трубопроводов с арматурой, кабельных трасс, средств контроля, регулирования и защиты, предназначенных для обеспечения надёжной и безопасной эксплуатации СЭУ.

В зависимости от типа СЭУ перечень обслуживающих её систем может быть различным, но для установок, работающих на органическом топливе можно выделить ряд систем, традиционно повторяющихся. К ним можно отнести топливную, масляную, охлаждения, воздухоподающую, газовыпускную и др. Специфика рабочих процессов в различных СЭУ требует организации систем, характерных только для данного типа установки. Примером могут служить система сжатого воздуха для дизельной установки (ДУ), система пар—конденсат для паротурбинной (ПТУ), система воздушного охлаждения для газотурбинной установки (ГТУ) и т. д. В судовой ядерной установке (СЯУ) количество систем резко возрастает в связи с необходимостью обеспечения безопасного обслуживания радиоактивного оборудования.

лассификация судовых энергетических установок

Применяемые на судах энергетические установки могут быть классифицированы по основным признакам:

— по роду топлива: работающие на органическом (нефть, газ, уголь, синтетические топлива и т. п.) или ядерном топливе;

— по типу термодинамического цикла: открытый, закрытый, бинарный;

— по роду рабочего тела: паровые и газовые;

— по типу ГД: внутреннего сгорания, паротурбинные, газотурбинные, комбинированные, смешанные;

— по способу передачи мощности к движителям: с прямой (непосредственной), механической, гидравлической, электрической и комбинированной передачами;

— по числу валопроводов: одно- и многовальные;

— по числу ГД, работающих на один вал: одномашинные и многомашинные;

— по способу обеспечения реверса судна: реверсивным главным двигателем, реверс-редуктором или реверсивной муфтой, винтом регулируемого шага;

— по степени автоматизации, способу управления и обслуживания:

– неавтоматизированные и частично автоматизированные СЭУ с местным постом управления и постоянной вахтой в машинном отделении (МО);

– автоматизированные СЭУ с дистанционным автоматизированным управлением (ДАУ), с постоянной вахтой в центральном посту управления (ЦПУ) и периодическим обслуживанием в МО (степень автоматизации А2);

– автоматизированные СЭУ с ДАУ, без постоянной вахты в ЦПУ и МО и с периодическим обслуживанием (степень автоматизации А1).

На практике в качестве основного признака различия современных СЭУ используют тип ГД. Под этим углом зрения рассмотрим наиболее распространенные из них.

В ДУ главный двигатель — дизель (двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением смеси топлива и окислителя от сжатия). Дизель на современных судах получил самое широкое применение вследствие, прежде всего, высокой экономичности. Различают малооборотные дизели — МОД (п = 50+350 об/мин), работающие через валопровод непосредственно на винт (прямая передача); среднеоборотные — СОД (п = 350-750 об/мин) и повышенной оборотности (п = 750-1500 об/мин) с передачей мощности на винт через понижающую зубчатую или гидравлическую передачи и высокооборотные — ВОД (п > 1500 об/мин) с зубчатой или электрической (через гребной электродвигатель) передачей мощности на винт. Сочетание дизеля с зубчатой передачей называют дизель-редукторной установкой, а с электрогенератором — дизель-электрической.

Термин «паротурбинный двигатель» означает наличие в составе ПТУ парового котла или парогенератора, в которых генерируется водяной пар за счёт окисления органического топлива в ПТУ или за счёт тепла, выделяемого в ядерном реакторе (ЯПТУ).

ПТУ применяются в сочетании с зубчатой или электрической передачами. В первом случае паровая турбина, редуктор и конденсатор образуют главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА), а во втором — главный турбогенератор.

Здесь уместно вспомнить о паровой машине (ПМ), долгие годы служившей основным ГД, который на сегодня морально устарел и не экономичен. К достоинствам ПМ следует отнести возможности больших перегрузок её по мощности и хорошие тяговые характеристики по моменту, что для некоторых типов судов (например, для ледоколов, буксиров) немаловажно.

Газотурбинные установки открытого цикла подразделяют на установки с камерами сгорания (КС) и со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ). Последние применялись только на одной серии отечественных лесовозов. Газотурбинный ГД работает на газе с относительно высоким давлением и температурой, получаемыми за счёт теплоты сжигаемого органического топлива. Возможна работа ГТУ и на высокотемпературных газах, отводящих тепло из активной зоны газоохлаждаемого ядерного реактора, по аналогии с паротурбинной, называемой в этом случае ЯГТУ. В ГТУ энергия на движитель может передаваться посредством зубчатой, гидравлической или комбинированной передач. Агрегат газовая турбина—электрогенератор называют газотурбогенератором.

В комбинированной СЭУ применяют два разнотипных ГД (обычно паровая и газовая турбины, дизель и паровая турбина) с термодинамически связанными циклами, т. е. когда энергия одного контура установки передаётся в другой контур (так называемые бинарные циклы). Так, например, если теплота уходящих из ГТУ газов расходуется на генерацию пара для ПТУ, работающей на движитель или на вспомогательные механизмы, то такая установка называется комбинированной газопаротурбинной установкой — ГПТУ (основной цикл — газовый, такую установку ещё называют ГТУ с теплоутилизационным контуром — ТУК). Если же основным циклом будет паровой, а газовый — дополнительным, установка называется комбинированной парогазотурбинной — ПГТУ. Например, выпускные газы высоконапорного парового котла являются рабочим телом в газовой турбине, которая является приводом компрессора, подающего окислитель в топку котла. К комбинированным СЭУ можно отнести и ДУ с ТУК, мощность паровой турбины которой идёт на пропульсивные цели или на привод вспомогательного электрогенератора. Такую установку можно назвать дизель-паротурбинной.

Целесообразность применения комбинированных установок состоит в значительном улучшении экономических характеристик СЭУ (уменьшение удельного расхода топлива, повышение КПД за счёт более глубокой степени утилизации тепловых потоков и рациональной организации тепловых схем).

Смешанной установкой называют СЭУ, состоящую из разнотипных главных двигателей с термодинамически не связанными циклами. В таких установках главные двигатели одного типа (паровая турбина, дизель — маршевые двигатели) обеспечивают продолжительный по времени экономический ход, а двигатели другого типа (обычно газотурбинные — форсажные двигатели) — кратковременный форсированный ход с повышенной скоростью. Иногда применяются установки так называемого условного смешанного типа с отдельными ГТД экономического хода и с лёгкими форсажными ГТД (условного потому, что в состав СЭУ входят не разнотипные, а однотипные ГД).

Многовальные СЭУ применяются при большой мощности ГД. Наибольшее распространение на морских транспортных судах находят одновальные СЭУ (дизельные с прямой передачей и зубчатой передачей).

Перспективны для применения на судах турбореактивные двигатели-движители (для скоростных СДПП), безмашинные установки с прямым преобразованием тепловой и химической энергии в электрическую (топливные элементы, термоэлектрические, термоэмиссионные генераторы) и магнитогидродинамические генераторы (МГДГ), которые в сочетании с турбинными установками способны обеспечить КПД СЭУ до 50-60 %. При использовании таких новых источников электрической энергии (НИЭЭ) перспективно применять электромагнитные гидрореактивные движительные комплексы (МГРД), способные преобразовывать электроэнергию в кинетическую энергию движения судна.

8.2. Судовые дизельные энергетические установки (ДЭУ)

Среди существующих СЭУ дизельные установки получили наибольшее распространение. В настоящее время доля их применения в общем объёме строящихся судов превышает 98 %. Объясняется это очевидными преимуществами судовых дизелей по сравнению с другими тепловыми двигателями:

— самой высокой экономичностью (их КПД превышает 50 %),

— стабильной работой на различных сортах газообразного и жидкого топлива, включая тяжёлое с вязкостью 700 сСт и содержанием серы 5 %,

— наилучшей приспособленностью к автоматизации, обеспечивающей безвахтенное обслуживание,

— значительным ресурсом и постоянной готовностью к функционированию.

Более того, большое разнообразие конструкций и типов судовых ДВС, перекрывающих широкий диапазон агрегатной мощности (8-68000 кВт), частоты вращения (55-2200 мин^-1) и удельной массы (2,2-38 кг/кВт) даёт возможность выбора их в качестве главных двигателей для различных судов, начиная от крупнотоннажных с водоизмещением свыше 300 тыс. т и кончая быстроходными на подводных крыльях и на воздушной подушке. Похожая ситуация наблюдается и с дизелями, которые используются для привода генераторов электрического тока: ассортимент дизель-генераторов настолько широк, что каких-либо затруднений с комплектацией судовых электростанций нет.

Для ДЭУ характерна максимальная зависимость основного комплектующего оборудования, проектного решения и эксплуатационных показателей от устанавливаемого на судне дизеля. В свою очередь, выбор судового ДВС производится с учётом назначения судна, условий размещения главного двигателя в машинном отделении, типа судовой передачи. Как правило, окончательный выбор главного ДВС является технико-экономической задачей, решаемой путём сопоставления различных вариантов структурных схем ДЭУ.

В ДЭУ эксплуатируются все типы дизельных двигателей, которые по частоте вращения коленчатого вала разделяются на мало-, средне-, повышенной оборотности и высокооборотные.

Малооборотные двигатели (МОД) применяются в СЭУ с прямой передачей, поскольку их частота вращения n_дв близка к оптимальной частоте вращения гребного винта п_гв. Последняя определяется максимальным КПД винта, в основном, зависит от его диаметра: с увеличением диаметра частота вращения понижается, а КПД растёт (рис. 8.2). Расчёты показывают, что для гребного винта диаметром 3 м наибольший КПД η = 0,59 получается только при n_дв = 200 мин^-1, а для винта с диаметром 9 м n_дв = 65 мин^-1 и η = 0,68. Что касается винтов диаметром 11 м и более, то МОД может выполнить условие n_дв = п_гв, вероятнее всего, только в сочетании с редуктором.

Современные судовые МОД — двухтактные, крейцкопфные, реверсивные, длинноходные двигатели рядного исполнения с прямоточно-клапанной продувкой, одноступенчатым газотурбинным наддувом и с встроенным упорным подшипником. Ведущими фирмами по количеству выпускаемых МОД являются MAN B&W и Wärtsilä NSD (Sulzer). В России такие двигатели делают на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы MAN B&W. Все двигатели упомянутых фирм образуют типоразмерные ряды. Для каждого ряда мощность ДВС дискретно меняется в зависимости от числа цилиндров (до 12), поэтому широкий мощностной диапазон охватывается минимальным количеством типоразмеров. Благодаря введению типоразмерных рядов, расширяются возможности для выполнения условия n_дв = п_гв, уменьшается стоимость двигателей, сокращаются сроки освоения новых конструкций, прежде всего, за счёт унификации отдельных деталей и узлов.

Среднеоборотные дизели (СОД) используются в СЭУ и в качестве главных, работающих на гребной винт непосредственно или через редуктор, и в качестве вспомогательных — первичных двигателей для дизель-генераторов. По сравнению с громоздкими МОД эти двигатели более компактные, имеют меньшую массу и примерно равный с ними ресурс. Относительно небольшая высота СОД делает их незаменимыми для судов речного флота и морских теплоходов с горизонтальной грузообработкой, паромов, траулеров, рыбоперераба-тывающих баз. В результате постоянного совершенствования СОД становятся конкурентами МОД. Есть много примеров, когда контейнеровозы одного класса оборудуют как МОД, так и СОД, причём установка с СОД оказывается нередко экономически эффективнее. Даже на танкерах, где МОД сохраняют доминирующее положение, пытаются устанавливать в качестве главного двигателя СОД. Отмеченная тенденция является следствием большой свободы для обеспечения оптимальной п_гв за счёт выбора передаточного отношения редуктора, поскольку на морских судах СОД используют, как правило, в сочетании с механической передачей, а поэтому жесткой связи по частотам п_гв и n_дв нет. Другое преимущество СОД — возможность создавать многомашинные установки, включающие два и более дизелей и работающие на один гребной винт через суммирующий редуктор — позволяет получать спецификационную мощность ДЭУ в широком диапазоне при ограниченном количестве типоразмеров этих двигателей. В свою очередь, многомашинные установки имеют свои преимущества и недостатки: они обеспечивают повышенную живучесть ДЭУ, но более трудоёмки в обслуживании, так как затраты на обслуживание растут с увеличением числа цилиндров ДВС.

Выпускаемые СОД представляют собой четырёхтактные, тронковые, в большинстве нереверсивные двигатели с газотурбинным наддувом и числом цилиндров от 6 до 9 в рядном и от 12 до 18 в V -образном исполнении. Поставляются на рынок в агрегатированном виде, при котором на дизеле непосредственно закреплены насосы, фильтры, охладители, терморегуляторы, исполнительные устройства автоматизации. Более удобными для монтажа на судне представляются дизель-редукторные агрегаты (ДРА): дизель и редуктор смонтированы на общей подмоторной раме со всеми узлами, обеспечивающими функционирование агрегата. ДРА бывают одно- и двухмашинные, реверсивные и нереверсивные. Реверс осуществляется, чаще всего, реверс-редуктором. Масса ДРА превышает массу дизелей примерно на 25-35 %. В ДРА достаточно просто осуществляется привод валогенератора.

Двигатели повышенной оборотности (ПОД), наряду с СОД, применяются в качестве главных на судах с ограниченной высотой машинного отделения — на небольших паромах, контейнеровозах, ролкерах, буксирах различного назначения. Эти двигатели с механической передачей образуют одно- и двухмашинные агрегаты. Особых преимуществ такие агрегаты не дают. По массогабаритным показателям они превосходят аналогичные агрегаты с СОД, но уступают им по топливной экономичности и шумности. Между тем, установки с ПОД получили наибольшее распространение на судах с электродвижением. Здесь, они в качестве главных дизель-генераторов значительно упрощают компоновку машинного отделения и позволяют получать требуемую мощность ДЭУ путём установки нескольких двигателей с относительно небольшой агрегатной мощностью.

Во многом характеристики ПОД и СОД совпадают. Исключение касается лишь реверсирования: все ПОД делают нереверсивными, а реверс, в случае применения винтов фиксированного шага (ВФШ), осуществляют при помощи реверс-редуктора, который в отличие от предыдущего встраивают непосредственно в дизель.

Высокооборотные двигатели (ВОД) не пользуются повышенным спросом в морском и речном флотах по причине низкой топливной экономичности, больших трудозатрат на техническое обслуживание и незначительного ресурса. Однако при всех недостатках они очень компактные и лёгкие, что предопределяет область их применения: суда ограниченного водоизмещения (многочисленные катера, яхты) и наиболее быстроходные суда (например, суда на подводных крыльях).

Общие сведения о рассмотренных типах судовых дизелей, которые применяются в ДЭУ как главные, представлены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Основные параметры судовых дизелей

Принцип действия четырёхтактного ДВС показан на рис. 8.3. В четырёхтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за два поворота коленчатого вала, т. е. за четыре хо-

Рис. 8.3. Принцип действия четырёхтактного дизеля

да поршня. Механическая работа совершается только за время одного такта, три остальных служат для подготовки. При первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр. В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время второго такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счёт чего повышаются температура и давление. Топливный насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива. При достижении давления 19,62-39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94-3,43 МПа и температура 550-600 °С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92-4,91 МПа и 600-700 °С.

Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыснутое и тщательно распылённое топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь.

Третий такт является рабочим. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизелях с наддувом — от 5,89 до 7,85 МПа. Под давлением силы, возникающей за счёт давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу. Во время четвёртого такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.

Четырёхтактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

В рабочий цикл двухтактного дизеля входят два такта, или один оборот коленчатого вала. Первый такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении (рис. 8.4). Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой.

Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно за-крывается и выпускной клапан, воз-дух в цилиндре сжимается. Этот про-цесс не показан на рис. 8.4.

Впрыскивание топлива и вос-пламенение происходит точно так же, как и в четырёхтактном ДВС.

Во время второго такта — рабо-чего (или расширения) — расширяю-щиеся газы совершают механическую работу. В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова. Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.

Под наддувом дизельного двига-теля понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего ци-линдра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.

Наддув можно осуществлять за счёт предварительного сжатия воздуха перед ци-линдром.

Во всех выпускаемых четырёхтактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного ком-прессора, который приводится в действие га-зовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Принцип действия компрессора показан на рис. 8.5. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подаётся через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.

В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем (рис. 8.4), а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14—0,25 МПа. На рис. 8.6 показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.

Двухтактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами. Диаметр цилиндров больших двухтактных дизелей достигает 1000 мм, ход —

Рис. 8.6. Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля: a – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b – одновременно происходит сжатие и всасывание; с – рабочий такт и предварительное сжатие; d – предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана

1500-2000 мм. Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт. В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах. Двухтактные дизели имеют очень большие размеры и массу. Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например, 14720 кВт, масса составляет 600-800 т.

Четырёхтактные дизели (рис. 8.7 и 8.8) применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя.

Рис. 8.8. Четырёхтактный дизель (рядный двигатель). 1 — наддувочный агрегат; 2 — охладитель наддувочного воздуха; 3 — трубопровод отработавших газов; 4 — трубопровод наддувочного воздуха; 5 — трубопровод охлаждающей воды; 6 — масляный трубопро- провод; 7 — топливный трубопровод; 8 — распределительный вал; 9 — приводное колесо; 10 — проме- жуточные шестерни; 11— приводное колесо коленчатого вала; 12— коленчатый вал; 13 — шатун; 14— поршень; 15 — цилиндровая гильза; 16— камера охлаждающей воды; 17— крышка цилиндра; 18— вы- пускной клапан; 19 — впускной клапан; 20 — топливный клапан; 21— штанга; 22— топливный насос; 23— маслоразбрызгивающее кольцо; 24— масляная ванна картера; 25— станина двигателя; 26—блок цилиндров.

8.2. Судовые ядерные энергетические установки (ЯЭУ)

Первые соображения о возможности использования ядерных реакций в энергетике появились в научно-технической литературе в конце 1940-х годов. Преимущества ядерной энергии в судостроении, заключающиеся в возможности иметь корабли неограниченного радиуса действия без использования кислорода и пополнения горючим, наиболее эффективны для подводного кораблестроения.

Первым кораблём с ядерной энергетической установкой была подводная лодка «Наутилус» (США), которая вступила в строй в 1954 г. В составе ЯЭУ был применён ядерный реактор водо-водяного типа, в качестве главного двигателя — паровой паротурбинный агрегат. Параллельно с «Наутилусом» создавалась вторая ядерная подводная лодка «Сивулф» с принципиально иной реакторной установкой (США). В составе ЯЭУ использовался реактор с жидкометаллическим теплоносителем — сплавом натрия и калия, при этом в целях безопасности передача и преобразование энергии в реакторной установке осуществлялась по трёхконтурной схеме. Научное и инженерное руководство проектом осуществлялось группой учёных и инженеров во главе с адмиралом Риковером.

В СССР разработка первой ядерной подводной лодки началась по проекту 627 в 1952 г. В разработках по этой проблеме принимали участие сотни научно-исследовательских институтов, проектных и производственных предприятий различных отраслей.

Общее научное руководство работами по проекту осуществлял А. П. Александров. Главным конструктором корабля был В. Н. Перегудов, главным конструктором энергетической установки П. Д. Дегтярёв. Работами по созданию ядерной паропроизводящей установки руководил Н. А. Доллежаль, а рабочее проектирование реакторной установки выполняла конструкторская организация под руководством И. И. Африкантова. Подводная лодка проекта 627 была сдана в эксплуатацию в 1958 г. Новизна и сложность проблемы привела к необходимости для принятия решения об оптимальном типе ЯЭУ не ограничиваться научными и опытно-конструкторскими разработками, а осуществить постройку опытных подводных лодок с различными типами ЯЭУ. Так, в 1955 г. была начата разработка проекта 645 подводной лодки с жидкометаллическим теплоносителем в реакторе. Главный конструктор А. К. Назаров. Научное руководство осуществлялось А. И. Лейпунским и коллективом Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе. Проектирование реакторной установки велось под руководством Б. М. Шолковича. Опытный корабль проекта 645 был сдан в эксплуатацию в 1963 г. В отличие от американского проекта в составе энергоустановки была применена двухконтурная реакторная установка с теплоносителем — сплавом свинец-висмут. Результаты опытной эксплуатации позволили перейти к серийной постройке сначала подводных лодок, а затем и надводных боевых кораблей с ЯЭУ.

В СССР было начато гражданское судостроение с ЯЭУ. Первым подобным судном был ледокол «Ленин». Главный конструктор В. И. Неганов. Ледокол вступил в строй в 1959 г., положив начало серийному строительству ледоколов с ЯЭУ и далее ядерного транспортного судна «Севморпуть».

Судовые ядерные энергетические установки включают в свой состав следующие основные энергетические комплексы, функционально связанные между собой:

— ядерные реакторные установки (ЯРУ), паропроизводящие установки (ППУ);

— главные турбинные установки (ГТУ);

— вспомогательные энергетические установки (ВЭУ);

— средства и системы радиационной безопасности (СРБ);

— электроэнергетическую систему (ЭЭС);

— систему автоматического, дистанционного управления и контроля (САУиК).

Функциональная схема судовой ядерной энергетической установки представлена на рис. 8.9.

Помимо общих требований, предъявляемых к судовым энергетическим установкам и отвечающим этим требованиям характеристикам установки, к ЯЭУ предъявляют ряд дополнительных требований.

К основным общим требованиям можно отнести:

— технико-экономические;

— массогабаритные; совокупность требований, объединяемых понятием надёжность СЭУ;

— отработанность технических решений;

— необходимость проведения и объём научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ;

— технологичность.

К дополнительным требованиям следует отнести:

— безопасность ЯЭУ для личного состава, пассажиров и окружающей среды;

— удобство эксплуатации;

— самозащищенность установки при сочетании применения пассивных (без потребления энергии от внешних источников) и активных элементов в системах безопасности;

Рис. 8.9. Функциональная схема судовой ядерной энергетической установки: ЯР — ядерный реактор; Пг — парогенератор; СЦТ — система циркуляции теплоносителя; СКД — система компенсации давления теплоносителя; СР — система расхолаживания активной зоны при нормальной экс- плуатации; СПод — система подпитки контура циркуляции; СОхл — система охлаждения оборудования ЯРУ; СД — система дренажа, сбора и хранения радиоактивных отходов; СЯБ — система ядерной безопас- ности; СРБ — система радиационной безопасности; САР и Ох — система аварийного расхолаживания и охлаждения активной зоны; ССАДЗО — система снижения аварийного давления в защитном ограждении; ГТА — главный турбинный агрегат; ГКУ — главная конденсационная установка; ДУУ— дроссельно-увлаж-нительное устройство; ССм — система смазки оборудования ПТУ; КПС — конденсатно-питательная система; Ппр — паропроводы; ГП — главная передача; Вп — валопровод; Дв — движители; РПг — резервный парогенератор для движения судна; ПгНД — парогенератор низкого давления для обслуживания СЭУ и бытовых целей; ОУ — опреснительная установка; ВКУ — вспомогательная котельная установка на органическом топ-ливе; ЭГ — электрогенераторы различных типов; ГТр — преобразователи тока; СРЭ — средства распределе-ния электроэнергии; САУ и К — система автоматического управления и контроля, включающая локальные системы управления ЯРУ, ПТУ, ЭЭС, ВЭУ, комплексную систему управления СЯЭУ, локальные и комп-лексные системы контроля оборудования и энергоустановок, системы диагностического контроля состояния энергооборудования

— сокращение или отсутствие заводских ремонтов за срок службы;

— при снятии с эксплуатации ядерного судна должна быть предусмотрена возможность демонтажа реакторной установки крупными блоками при обеспечении безопасности при демонтаже и транспортировке блоков реакторной установки;

— разработка технологии утилизации блоков оборудования ЯЭУ.

Паротурбинные установки ЯЭУ транспортных судов и ледоколов создавались на базе опыта постройки подобных установок судов и кораблей на органическом топливе и общие характеристики их могут быть проиллюстрированы на примере ПТУ ледоколов класса «Арктика» и лихтеровоза «Севморпуть» (рис. 8.10).

Энергетическая установка ледоколов — турбоэлектрическая. В её составе два главных турбогенератора переменного тока мощностью по 27,5 МВт. В электропередаче использованы статические выпрямители тока, действующие на три гребных электродвигателя постоянного тока. Для обслуживания электроэнергией потребителей ЭУ судового назначения предусмотре-

ны пять турбогенераторов мощностью по 2000 кВт и резервный дизель-генератор мощностью 1000 кВт.

Тепловая схема ЭУ ледоколов выполнена регенеративной с подогревом питательной воды в деаэраторе. Для подогрева используется отработавший пар турбоциркуляционных и турбопитательных насосов.

Принципиальная типовая схема ЭУ ледокола приведена на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Принципиальная тепловая схема ЭУ ледокола «Арктика»: 1 — главный турбогенератор; 2 — турбопривод питательного насоса; 3 — турбопривод циркуляционного насоса; 4 — дроссельно-увлажнительное устройство; 5 — стояночный конденсатор; 6 — уравнительная цистерна; 7 — деаэратор; 8 — парогенератор; 9 — питательный насос; 10 — разводочный питательный насос; 11 — подпиточный насос; 12 — вспомогательный турбогенератор (ВТГ); 13 — конденсатный насос ВТГ; 14 — эжектор ВТГ; 15 — эжектор уплотнений ВТГ; 16 — опреснительная установка; 17 — подогрева-тели опреснительной установки; 18 — парогенератор низкого давления (ПГНД); 19 — подогреватель ПГНД; 20 — дроссельно-увлажнительное устройство главного конденсатора; 21 — конденсатный насос; 22 — конденсатный насос стояночного конденсатора; 23 — главный эжектор; 24 — эжектор уплотнений главной турбины; 25 — ионообменный фильтр

В принципиальной схеме ЯЭУ лихтеровоза получила дальнейшее развитие система регенерации теплоты. В ПТУ предусмотрено три ступени регенеративного подогрева питательной воды паром, отбираемым из проточной части двухкорпусного ГТЗА. Температура питательной воды, поступающей в парогенератор, 170 °С, что является оптимальным для принятых в ЯЭУ параметров пара и характеристик ГТА. Использование в составе установки винта регулируемого шага повысило эффективность принятой тепловой схемы ПТУ. Потребность оборудования ЯЭУ и судна в электроэнергии обеспечивается тремя турбогенераторами по 2000 кВт и двумя резервными дизель генераторами мощностью по 600 кВт.

Принципиальная схема ЯЭУ лихтеровоза приведена на рис. 8.12.

Рис. 8.12. Принципиальная схема СЭУ лихтеровоза: 1 — парогенератор; 2 — турбина высокого давления; 3 — сепаратор пара; 4 — турбина низкого давления; 5 — главный конденсатор; 6 — дроссельно-увлажнительное устройство; 7 — конденсатный насос; 8 — эжектор уплотнений ГТЗА; 9 — эжектор конденсатора- ГТЗА; 10 — стояночный конденсатор; 11— конден-сатный насос стояночного конденсатора; 12 — эжектор уплотнений ВТГ; 13 — эжектор ВТГ; 14 — вспомо-гательный турбогенератор (ВТГ); 15 — конденсатор ВТГ; 16 — конденсатный насос ВТГ; 17 — парогенера-тор низкого давления; 18 — эжектор опреснительной установки; 19 — ионообменный фильтр; 20 — цистерна горячих конденсатов; 21 — дренажный насос; 22 — вспомогательный котел; 23 — подогреватель питатель-ной воды низкого давления; 24 — деаэратор; 25 — питательный насос; 26 — дренажный насос сепаратора па-ра; 27 — подогреватель опреснителя; 28 — подогреватель питательной воды среднего давления; 29 — подогре-ватель питательной воды высокого давления

Все современные судовые АЭУ используют тепло, выделяющееся при делении ядерного горючего для образования пара, или нагрева газа, поступающих затем в паровую или газовую турбины.

Основное звено атомной паропроизводящей установки (АППУ) — реактор, в котором происходит ядерная реакция. В качестве ядерного горючего используют различные расщепляющиеся вещества, у которых процесс деления ядер сопровождается выделением большого количества энергии. К таким веществам относятся изотопы урана, плутония и тория. Основными элементами судовых реакторов являются (рис. 8.13):

— активная зона, в которой размещены урановые стержни и замедлитель, необходимый для поглощения энергии выделяющихся при распаде ядер частиц нейтронов;

— отражатель нейтронов, возвращающий в активную зону часть вылетевших за её пределы нейтронов;

— теплоноситель для отбора из активной зоны тепла, выделяющегося при делении урана, и передачи этого тепла другому рабочему телу в теплообменнике;

— экран биологической защиты, препятствующий распространению вредных излучений реактора;

— система управления и защиты, регулирующая течение реакции в реакторе и прекращающая её в случае аварийного роста мощности.

Замедлителем в ядерных реакторах служит графит, тяжёлая и обычная вода, а теплоносителем — жидкие металлы с низкой температурой плавления (натрий, калий, висмут), газы (гелий, азот, углекислый газ, воздух.) или вода.

В судовых АЭУ получили распространение реакторы, у которых и замедлителем и теплоносителем является дистиллированная вода, откуда и произошло их название водо-водяные реакторы. Эти реакторы проще по устройству, компактнее, надёжнее в работе, чем другие типы, и дешевле.

В зависимости от способа передачи тепловой энергии от реактора исполнительному механизму (турбине) различают одноконтурную, двухконтурную и трёхконтурную схемы АЭУ.

Рис. 8.14. Тепловые схемы ядерных энергетических установок: а – одноконтурная; б — двухконтурная; в — трёхконтурная. 1 — реактор; 2 — турбина; 3 — конденсатор; 4 — циркуляционный насос; 5 — парогенератор; 6 — конденсатный насос; 7 — система подогрева, фильтрации и подпитки; 8 — питательный насос; 9 — теплообменник; 10 — биологическая защита

По одноконтурной схеме (рис. 8.14, а)рабочее вещество — пар — образуется в реакторе, откуда поступает непосредственно в турбину и из неё через конденсатор с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор.

По двухконтурной схеме (рис, 8.14, б)циркулирующий в реакторе теплоноситель отдаёт своё тепло в теплообменнике — парогенераторе — воде, образующей пар, который поступает в турбину. При этом теплоноситель пропускают через реактор и парогенератор циркуляционным насосом или воздуходувкой, а образующийся в конденсаторе турбины конденсат прокачивают конденсатным насосом через систему подогрева, фильтрации и подпитки и питательным насосом снова подают в парогенератор.

Трёхконтурная схема (рис. 8.14, в)представляет собой двухконтурную схему с включённым между первым и вторым контурами дополнительным промежуточным контуром.

Одноконтурная схема требует биологической защиты вокруг всего контура, включая и турбину, что усложняет обслуживание и управление и повышает опасность для экипажа. Безопаснее двухконтурная схема, так как здесь второй контур уже не опасен для экипажа. Поэтому на атомных судах почти всегда применяют двухконтурные схемы. Трёхконтурные схемы используют в том случае, если теплоноситель в реакторе сильно активируется и его необходимо тщательно отделить от рабочего вещества, для чего и предназначен промежуточный контур.

Ядерная безопасность. Состав и конструкция ядерного реактора, его активной зоны и системы управления должны исключать возможность неконтролируемого разгона реактора и возможность ядерного взрыва при всех эксплуатационных и аварийных условиях, в том числе, при изменении ориентации судна в пространстве (крен, дифферент, опрокидывание), а также при воздействии ударных (динамических) нагружений.

Рис. 8.15. Система безопасности ЯЭУ

Радиационная безопасность предполагает применение на судах специальных конструкций и систем, а также введение организационно-технических мероприятий, исключающих облучение радиоактивными излучениями лиц на борту судна дозами, превышающими нормы радиационной безопасности, распространение радиоактивных загрязнений в пределах судна и окружающей среды, как при нормальной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях.

На схеме рис. 8.15 представлены основные решения в этом направлении.

Системы аварийного расхолаживания и охлаждения активной зоны. Введение специальных систем безопасности предполагает предотвращение опасного развития аварийных ситуаций, а также уменьшение опасности аварийных повреждений. В данном случае предусматривается отвод выделяющегося тепла от активной зоны при остановленном реакторе, если нормальный канал расхолаживания через главный конденсатор ПТУ не действует. При этом рассматривают два состояния первого контура ЯППУ: с сохранением плотности коммуникаций первого контура и с нарушением их плотности. Условием теплоотвода является максимальное использование естественной циркуляции теплоносителя и рабочих сред или же применение автономных источников энергии.

При первом состоянии первого контура ППУ предполагается отвод теплоты в теплообменники систем очистки теплоносителя по схеме: первый-третий-четвертый контуры, через специальный конденсатор расхолаживания по схеме: первый-второй-четвертый контуры и с помощью теплообменника цистерны аварийного расхолаживания с последующим выпариванием воды из цистерны. Схема передачи теплоты следующая: первый контур — вода цистерны аварийного расхолаживания — окружающая среда.

При втором состоянии первого контура ППУ возможно применение системы высокого давления с подачей в активную зону воды от гидроаккумуляторов или насосами из цистерны конденсатно-питательной системы ПТУ.

Система низкого давления предполагает рециркуляцию воды насосами через активную зону после конденсации пара, вытекающего через повреждения первого контура, на поверхности защитного ограждения ЯУ.

Система снижения давления в защитном ограждении (ЗО). Конструкция защитного ограждения отвечает международным требованиям радиационной безопасности и локализует газовую и аэрозольную радиоактивность, проникающую в ЗО в результате нарушений плотности первого контура ядерной реакторной установки (ЯРУ). Системы снижения давления в ЗО ограничивают давление паро-воздушной среды при полном или частичном выбросе теплоносителя первого контура в объём ЗО. В результате действия систем осуществляется конденсация пара и охлаждение воздуха и, как следствие, снижение давления внутри ЗО. Величина давления определяется при проектировании ЯЭУ и принимается в расчетах прочности конструкций ЗО. При нормальном состоянии ЯРУ в ЗО поддерживается специальной системой некоторое разряжение, препятствующее выходу радиоактивных газов через возможные неплотности ЗО в помещения судна. Следует отметить, что как при проектировании оболочки, так и при её изготовлении применяются специальные технологические решения, обеспечивающие её эксплуатационную плотность.

Системы снижения давления в ЗО, перечисленные в схеме на рис. 8.15, не нуждаются во внешних источниках энергии.

Так, при конденсации пара в теплообменниках для охлаждения используется вода из цистерны аварийного расхолаживания AЗ реактора при естественной циркуляции воды. Подача воды в систему душирования может осуществляться из гидропневмоцистерны.

Заполнение кессона реактора водой охлаждает корпус реактора, защищая его от расплавления при запроектной аварии и при расплавлении активной зоны реактора.

8.3. Судовые паротурбинные энергетические установки (ПТУ)

Судовая паротурбинная установка производит механическую, тепловую и электрическую энергию, которая используется для обеспечения движения судна, собственных нужд ПТУ и общих судовых потребителей. ПТУ может работать на органическом топливе (как элемент котлотурбинной установки — КТЭУ) и применяется в составе АЭУ.

Совокупность элементов установки и способ их взаимодействия называется тепловой схемой. В современных ПТУ реализуется закрытый термодинамический цикл Ренкин а. В качестве рабочей среды чаще всего используется водяной пар.

Парогенератор. В парогенераторе осуществляется подвод тепла к рабочей среде. Тепло в парогенераторе может быть получено за счёт сжигания органического топлива (КТЭУ) либо подведено от реактора (ЯЭУ). В ЯЭУ применяются двухконтурные схемы с реакторами типа ВВРД. Пар для ПТУ производится во втором контуре парогенератора, который представляет собой теплообменник поверхностного типа.

В КТЭУ применяются высоконапорные прямоточные парогенераторы и парогенераторы с естественной циркуляцией. Воздух в парогенератор подаётся турбонаддувочным агрегатом или высоконапорным вентилятором.

Паровая турбина. В паровой турбине потенциальная энергия пара преобразуется в механическую энергию ротора. В ней происходит непрерывный во времени рабочий процесс. Вращающий момент на роторе создаётся за счёт динамического взаимодействия рабочей среды с лопаточным аппаратом. Паровая турбина работает на перегретом и влажном паре. Величина предельной влажности пара ограничена 14-16 %. Это необходимо для уменьшения эрозионного износа деталей, связанного с взаимодействием деталей турбины с каплями влаги. Кроме того, 1 % влажности пара снижает эффективность рабочего процесса на ~1 %.

Паровые турбины, энергия которых используется для обеспечения движения судна, называются главными турбинами, остальные паровые турбины — вспомогательными. Ротор паровой турбины может быть непосредственно соединён с валом приводного механизма (прямодействующие ПТ) либо через зубчатую передачу. Совокупность турбины и редуктора составляет турбозубчатый агрегат (ТЗА). Рабочий процесс в главной турбине может быть реализован в одной (однокорпусный агрегат), двух (в турбинах высокого – ТВД и низкого – ТНД давления) и трёх турбинах. Для повышения КПД на режимах малых ходов в паровой турбине могут размещаться специальные ступени малого хода. Иногда для этой цели применяется специальная маршевая турбина. Для обеспечения реверса турбины используется специальная турбина заднего хода (ТЗХ), которая обычно размещается в корпусе ТНД.

Конденсатор и конденсационная установка. В конденсаторе за счёт отвода тепла к окружающей среде пар конденсируется. Конденсационная установка предназначена для

— конденсации отработавшего пара в конденсаторе и сохранения питательной воды для парогенератора;

— создания и поддержания заданного разрежения на выходе из паровой турбины;

— удаления из питательной воды кислорода и других газов (деаэрации в деаэраторе или в тёплом ящике). В состав конденсационной установки входят:

— конденсатор, циркуляционный насос (ЦН) или самопроточная система циркуляции для подачи охлаждающей воды;

— конденсатный насос (КН) для удаления конденсата;

— воздушный насос (ВН) (обычно пароструйный эжектор) для удаления воздуха.

По назначению конденсаторы разделяются на главные и вспомогательные, по конструктивному устройству и способу конденсации — на поверхностные и смесительного типа. В СПТУ чаще применяются поверхностные конденсаторы.

Питательный насос (ПН) повышает давление питательной воды до значений выше давления в парогенераторе.

Вспомогательное оборудование (ВО) обеспечивает работу основного оборудования и выработку электрического тока. Оно включает в себя: системы (масляную, конденсатную, питательную, циркуляционную, укупорки и отсоса от уплотнений паровой турбины, отсоса паровоздушной смеси из конденсатора, регулирования и защиты) с необходимыми ёмкостями (цистернами), теплообменными аппаратами (ТА) (маслоохладители, маслоподогреватели, регенеративные подогреватели питательной воды; вспомогательные конденсаторы), арматурой и фильтрами; вспомогательные механизмы (ВМ) (масляные, конденсатные, циркуляционные, охлаждающие насосы, сепараторы и эжекторы). Вспомогательный электрогенератор может приводиться от специальной турбины или от главной турбины (так называемый валогенератор). ВМ могут приводиться от ВТ или от электродвигателей.