Судовые силовые и энергетические установки

Идея создать паровой двигатель возникла более 2000 лет назад. Греческий ученый Герон, живший в Александрии, сконструировал оригинальную паровую машину. Значительно позже английский механик Джеймс Уатт создал паровую машину, которой суждено было стать первой судовой силовой установкой.

ПАРОХОДЫ

11 августа 1807 года принято считать днем рождения парового судна. В этот день произошло испытание парохода, построенного талантливым американским инженером Робертом Фултоном. Пароход «Клермонт» открыл регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком и Олбени. Рост промышленности требовал корабли и суда, которые могли бы независимо от воли стихии совершать регулярные рейсы по Атлантическому и Тихому океанам. В 19 веке резко возросли размеры паровых судов, а вместе с ними и мощности паровых машин.

Пароход Роберта Фултона Clermont - реплика

Постепенно паровые машины становились все более мощными и надежными. Первые судовые силовые установки состояли из поршневой паровой машины и больших маломощных котлов, отапливаемых углем.

На грани двух веков паровыми машинами оборудовались в основном пассажирские суда и грузопассажирские корабли, чисто грузовыми судами были только парусники. Это объяснялось несовершенством и малой эффективностью паровой силовой установки того времени. Применение появившихся в 80-х годах 19 века водотрубных котлов, которые сейчас работают на жидком топливе, улучшило эффективность паровых силовых установок. Но коэффициент полезного действия их достиг всего лишь 15 процентов, чем и объясняется прекращение постройки пароходов.

Судовая паровая машина

В судовых силовых установках с паровыми машинами в качестве рабочего тела используется водяной пар. Поскольку пресную воду на судах можно перевозить только в ограниченном количестве, в данном случае применяют замкнутую систему циркуляции воды и пара. Разумеется, при работе силовой установки возникают определенные потери пара или воды, однако они незначительны и возмещаются водой из цистерны или испарителей. В первых судовых силовых установках применяли поршневые паровые машины, в которых расширение от входного до выходного давления и до давления в конденсаторе происходило в одном цилиндре. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения.

Поршневой паровой двигатель

ЭЛЕКТРОХОДЫ

В 1838 году жители Петербурга могли наблюдать, как по Неве двигалась небольшая лодка без парусов, весел и трубы. Это и был первый в мире электроход, построенный академиком Б.С. Якоби. Моторы судна потребляли энергию от аккумуляторных батарей. Изобретение ученого почти на целый век опередило мировую судостроительную науку. Но практическое применение на судах подобный двигатель получил только в 21 веке.

Речное электрическое судно Stroomboot

ТУРБОХОДЫ

Применение турбины в качестве главного двигателя нашло себя на судне под названием «Turbinia» водоизмещением 45 тонн, которое было спущено на воду в Англии конструктором Чарльзом Парсонсом.

Многоступенчатая паротурбинная установка состояла из паровых котлов и трех турбин, напрямую соединенных с гребным валом. На каждом гребном вале находилось по три гребных винта (система тандем). Общая мощность турбин составляла 2 000 л.с. при 200 оборотов в минуту. В 1896 году во время ходовых испытаний судно «Turbinia» развило скорость 34,5 узла.

Военные моряки по достоинству оценили появление новой силовой установки. Турбину начали устанавливать на линкоры и броненосцы, а со временем стал главным двигателем почти всех пассажирских судов.

В середине 20 века началась конкурентная борьба между паротурбинными и дизельными силовыми установками за применение их на больших судах для транспортировки объемных грузов, в том числе и танкерах. Первоначально на судах дедвейтом до 40 000 тонн преобладали паротурбинные силовые установки, но стремительное развитие двигателей внутреннего сгорания привело к тому, что суда водоизмещением более 100 000 тонн и в настоящее время оборудуются дизельными силовыми установками. Паротурбинные установки стали применять на быстроходных судах, когда мощность главного двигателя составляет 40 000 л.с. и более.

Судно Turbinia

Паровая турбина

Паровые турбины являются гидравлическими тепловыми двигателями, у которых в отличие от поршневых паровых машин и поршневых двигателей внутреннего сгорания не требуется преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение гребного винта. За счет этого упрощается конструкция, и решаются многие технические проблемы. Кроме того, паровые турбины имеют сравнительно небольшие размеры, так как частота вращения ротора довольно высока и в зависимости от типа и назначения турбины составляет от 3 000 до 8 000 оборотов в минуту.

Использование кинетической энергии для совершения механической работы происходит следующим образом. Выходящий из расширительных устройств пар попадает на вогнутые профили лопаток, отклоняется от них, изменяет свое направление и за счет этого воздействует тангенциальной силой на ротор. В результате создается вращающий момент, который вызывает вращение ротора турбины.

Паровая турбина Парсонса

В коммерческом флоте паровая турбина получила признание только после ее применения на лайнерах «Lusitania», «Мавритания» и «Aquitania» построенные в 1907 году. Эти круизные лайнеры с легкостью развивали скорость 26 узлов. Голубую ленту Атлантики — пассажирское судно «Мавритания» сохраняло за собой на протяжении 20 лет.

Судовая паровая турбина - принцип действия

Устройство отдельной паровой турбины

ТУРБОЭЛЕКТРОХОДЫ

Силовой установкой, состоящей из парового котла, турбины, генератора и электромотора, были оснащены турбоэлектроходы. Широкое применение они нашли в США, Германии и Франции. Со временем тяжелые электрогенераторы и электродвигатели постепенно были вытеснены редукторами.

Турбоэлектроход MS Tannenberg

Машинное отделение судна MS Tannenber

ТЕПЛОХОДЫ

История теплохода насчитывает шесть десятилетий, но суда с двигателями внутреннего сгорания уже прочно занимают ведущее место в мировом судостроении. Это объясняется, прежде всего, высокой экономичностью и возможностью постройки двигателей различных мощностей от 100 до 30 000 л.с. В 1896 году свой двигатель внутреннего сгорания запатентовал немецкий инженер Рудольф Дизель.

Дизельные силовые установки сразу заняли ведущие позиции в судостроении. Уже в 1914 году их мощности достигли 2 500 л.с. В 60-х годах одновременно с появлением винтов регулируемого шага в качестве главного двигателя стали применять не реверсивные дизельные силовые установки изначально на небольших судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших коммерческих кораблях. За счет этого конструкция двигателей совершенствовалась и упрощалась.

Дизельная силовая установка

Дизельная силовая установка состоит из одного или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов. В зависимости от способа осуществления рабочего цикла двигатели внутреннего сгорания разделяют на четырехтактные и двухтактные. Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува (наддув способствует сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это приводит к повышению мощности двигателя без увеличения его размеров. Достигается за счет нагнетания сжатого воздуха перед цилиндром.). Малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 оборотов в минуту непосредственно приводят в движение судовой движитель. Среднеоборотными называют ДВС с частотой вращения 300-600 оборотов в минуту. Они приводят в движение судовой движитель через редуктор. Кроме главного двигателя предусмотрены еще два вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы. Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов. Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю. При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и очищается в сепараторах и фильтрах от различных примесей. Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла. Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла. Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды, охладителей воды и масла.

Современные дизельные силовые установки отличаются высокой экономичностью и надежностью, они не требуют капитального ремонта до 50 000 часов.

Дизельный двигатель

ГАЗОТУРБОХОДЫ

Характерные черты газотурбинной установки — небольшой вес и малые габариты, простота обслуживания и безотказность в работе. Газотурбинные установки состоят из генератора газа и турбины.

Специалисты, работающие в области турбостроения сумели найти эквивалент паровой турбине, которая могла бы успешно функционировать без отдельного парового котла. Такой двигатель — газовая турбина — сочетает в себе достоинства дизельной силовой установки и паровой турбины: не нуждается в паровых котлах, а как турбина — не содержит элементов, совершающих возвратно-поступательного движения (поршней, штоков и т. д.).

Газовая турбина

В простейшем варианте газовая турбина — это своего рода «турбина внутреннего сгорания», в которой воздух засасывается из атмосферы посредством компрессора, сжимается давлением несколько атмосфер, и направляется в камеру сгорания, где сжигается соляровое масло, мазут или другие виды дешевого топлива. Образующиеся при сгорании газы, нагретые до температуры 600-800°C, вращают диски турбины. Отработавшие продукты сгорания топлива или удаляются в атмосферу, либо используются для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на военных кораблях. На коммерческих судах они не оправдали себя — на сегодняшний день газовые турбины применяются только на небольшом количестве судов. Причина — довольно большой расход топлива и высокая рабочая температура, требующая применения высокопрочных и дорогих материалов. К преимуществам газотурбинного двигателя относятся малые габаритные размеры по сравнению с достигаемой мощностью и небольшая собственная масса.

Судовая газовая турбина

Устройство отдельной газовой турбины

ГАЗОХОДЫ

Сжиженный природный газ, популярность которого растет с каждым годом, уже назвали топливом будущего для морских судов. Исследования показали, что природный газ снижает выбросы оксида азота примерно на 90%, а выбросы серы — незначительны. Помимо этого, привлекательной остается и нынешняя рыночная стоимость СПГ, способная конкурировать с тяжелым мазутом.

В 2013 году на воду спустили первое в мире речное газомоторное судно. В сравнении с дизелями, двигатели, работающие на сжиженном природном газе, экономичнее на 20 процентов и на 80 процентов экологически чище. Это достигается за счет низкой стоимости сжиженного природного газа и существенно низких расходов при нагрузках. СПГ двигатели с искровым зажиганием помогают снизить уровень шума до 50 процентов по сравнению с обычными дизелями большой мощности. Инновационный речной танкер Green Rhine оснащен четырьмя двигателями, вырабатывающими 300 кВт каждый, что позволяет максимально эффективно расходовать электроэнергию. Газовые двигатели изготовлены компанией Scania и расположены в специальных контейнерах на палубе. В кормовой части речного судна оборудованы два танка для сжиженного природного газа (СПГ). Данное речное судно имеет на борту столько голубого топлива, которого достаточно для преодоления расстояния между Роттердамом и Базелем и обратно без дозаправки.

Первое в мире речное судно работающее на газе Green Rhine

Двухтопливные двигатели

Несмотря на высокую экономичность газомоторных судов судостроители не спешат вкладывать средства в новые дорогостоящие проекты, а предпочитают другой, весьма экономичный и недорогой способ переобрудования судов, который предложила компания Wärtsilä. Сотрудники финской фирмы разработали новый тип дизельного двигателя, который может работать на двух видах топлива — дизельном и сжиженном природном газе (СПГ). Новая серия судовых двухтопливных моторов получила обозначение DF. Это среднеоборотные четырехтактные двигатели бывают 3-х типов:

• 20DF — шестицилиндровые или девятицилиндровые мощностью 1,0-1,6 МВт
• 34DF шестицилиндровые или двадцатицилиндровые мощностью 2,7-9 МВт
• 50DF шестицилиндровые или восемнадцатицилиндровые мощностью 5,85-17,55 МВт.

Двухтопливный мотор Wärtsilä

Однако использование такого двигателя требует соблюдения некоторых правил — повышенный уровень техники безопасности. Для этого резервуары для хранения СПГ должны располагаться на открытой палубе.

Паром Viking Grace оборудован двухтопливным двигателем

АТОМОХОДЫ

Успехи современной науки в использовании атомной энергии позволили применить новый вид топлива — ядерное. На сегодняшний день построено большое количество атомоходов — это и ледоколы, авианосцы и подводные лодки. Мощность силовой установки их колеблется от 22 000 до 60 000 л.с.

Самыми первыми и единственными коммерческими судами с ядерной энергетической установкой стали грузопассажирские суда «Savannah» построенное в 1964 году, «Otto Hahn» — 1968 году, «Mutsu Japan» — 1970 году и лихтеровоз «Севморпуть» — 1988 году.

Судно Savannah. Стоимость строительства 46,9 миллионов долларов

Судно Otto Hahn за 3 года не израсходовало даже 20 кг урана, в то время как расход топлива обычной паротурбинной установки на судне таких же размеров составил 40000 тонн

Ядерная энергетическая установка

К энергетической установке судна с атомным двигателем относятся реактор, парогенератор и турбинная установка, приводящая в движение судовой движитель. Реактор — это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую.

Известно, что энергия, выделяемая при использовании 1 кг урана, примерно равна энергии, получаемой при сгорании 1500 тонн мазута. Сердцем ядерной установки является реактор: в нем осуществляется управляемая ядерная реакция, в результате которой образуется тепло, отводимое с помощью теплоносителя — воды. Радиоактивная вода-теплоноситель перекачивается в парогенератор, где за счет ее тепла происходит образование пара из не радиоактивной воды. Пар направляется на диски турбин, которые приводят во вращение турбогенераторы, работающие на гребные электродвигатели, а последние вращают гребные винты. Отработавший пар направляется в конденсатор, где он снова превращается в воду и нагнетается в парогенератор.

Схема атомной энергетической установки с реактором

Большое внимание уделяется безопасности эксплуатации ядерной установки, так как находящиеся на судне люди в какой-то мере подвержены опасности радиоактивного облучения, поэтому ядерный реактор изолирован от окружающей среды защитным экраном, не пропускающим вредные радиоактивные лучи. Обычно применяются двойные экраны. Первичный экран окружает реактор и изготовляется из свинцовых пластин с полиэтиленовым покрытием и из бетона. Вторичный экран окружает парогенератор и заключает внутри себя весь первый контур высокого давления. Этот экран в основном изготовляют из бетона толщиной от 500 мм до 1095 мм, а также из свинцовых пластин толщиной 200 мал и полиэтилена толщиной 100 мм. Оба экрана требуют много места и имеют очень большую массу. Наличие таких экранов является большим недостатком атомных энергетических установок.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Еще до второй мировой войны кораблестроителями предпринимались попытки создать для подводных лодок некую альтернативу дизель-электрической энергетической установке — так называемый единый двигатель для надводного и подводного хода. По разным причинам в то время все эти попытки не вышли из стадии экспериментов, но уже в 1960-х годах к ним снова вернулись. Наиболее продуктивно над созданием единого не ядерного двигателя работали в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии.

Шведские подводные лодки класса Готланд

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стерлинга представляет собой тепловой поршневой двигатель с внешним подводом теплоты, в замкнутом объеме которого циркулирует постоянное рабочее тепло (газ), нагреваемое от внешнего источника тепла и совершающее полезную работу за счет своего расширения.

В отличие от двигателя внутреннего сгорания двигатель Стерлинга имеет в цилиндре две переменные по объему полости — горячую и холодную. Рабочее тело сжимается в холодной полости и поступает в горячую, затем после нагрева газ движется в обратном направлении и поступает в холодную полость, где, расширяясь, производит полезную работу. Такое двустороннее движение газа обеспечивается наличием двух поршней в каждом цилиндре: поршня-вытеснителя, регулирующего перетекание газа, и рабочего поршня, совершающего полезную работу. Объем горячей полости и верхней части цилиндра регулируется поршнем-вытеснителем, а объем холодной полости, находящейся между обоими поршнями, — их совместным перемещением. Оба поршня связаны механически и совершают согласованное движение, обеспечиваемое специальным механизмом, одновременно заменяющим кривошипно-шатунный механизм.

Двигатель Стирлинга используемый на субмарине Gotland

Регулирование мощности двигателя достигается изменением количества газа. В качестве рабочего тепла применяются газы с высокими теплотехническими свойствами (водород, гелий, воздух и пр.). Двигатели Стирлинга позволяют применять любой источник тепла, регулируя мощность путем изменения количества рабочего тепла в цикле при неизменных высшей и низшей температурах газа.

Благодаря этим достоинствам на двигатель и обратили внимание шведские подводники, воплотив идею в реальность на современной подводной лодке типа «Gotland». Как правило, их используют на подводных лодках как дополнительные двигатели с классической дизель-электрической силовой установке.

Анаэробная энергетическая установка

Самым перспективным оказалось направление, связанное с превращением химической энергии непосредственно в электрическую, без процесса горения или механического движения, иными словами с выработкой электрической энергии бесшумным способом. Речь идет об электрохимических генераторах. На практике такой способ нашел применение на современной германской подводной лодке U-212.

Компоновка анаэробной установки на лодке U-212

Электромеханический генератор создан на базе топливных элементов. По сути это аккумуляторная батарея с постоянной подзарядкой. Физика его работы базируется на процессе, обратном электролизу воды, когда при соединении водорода с кислородом выделяется электроэнергия. При этом энергетическое превращение происходит бесшумно, а единственным побочным продуктом реакции является дистиллированная вода, которой достаточно легко найти применение на подводной лодке.

По критериям эффективности и безопасности водород хранится в связанном состоянии в форме металлогидрида (сплав металла в соединении с водородом), а кислород — в сжиженном виде в специальных емкостях между легким и прочным корпусами субмарины. Между водородным и кислородным катодами находятся полимерные электролитные мембраны протонного обмена, выполняющие функцию электролита.

Мощность одного элемента достигает 34 кВт, а КПД энергетической установки составляет до 70 процентов. Несмотря на очевидные преимущества разработанной установки на топливных элементах, она не обеспечивает требуемые оперативно-тактические характеристики подводной лодки океанского класса, прежде всего в части, касающейся выполнения скоростных маневров при преследовании цели или уклонении от торпедной атаки противника. Поэтому подводные лодки проекта 212 оснащены комбинированной двигательной установкой, в которой для движения на высоких скоростях под водой используются аккумуляторные батареи или топливные элементы, а для плавания в надводном положении — традиционный дизель-генератор, в состав которого входит 16-цилиндровый V-образный дизель и синхронный генератор переменного тока. Дизель генераторы используются также для подзарядки аккумуляторных батарей — традиционного элемента неядерных подводных лодок. Электрохимический генератор, состоящий из девяти модулей топливных элементов, имеет суммарную мощность 400 л. с. и обеспечивает движение подлодки в подводном положении со скоростью 3 узла в течение 20 суток с показателями шумности ниже уровня естественных шумов моря.

КОМБИНИРОВАННЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

В последнее время стали популярны комбинированные силовые установки. Первоначально комбинированные энергетические установки породили желание обеспечить военным кораблям одновременно высокую скорость для боя большую дальность плавания для действий в удаленных районах Мирового океана. В частности, на германских крейсерах времен второй мировой войны появилась комбинация котлотурбинной и дизельной энергетических установок. В 1960-е годы на кораблях появились газовые турбины, которые по своей экономичности и особенностям эксплуатации могли использоваться только кратковременно и на больших оборотах. Для компенсации этого недостатка их стали комбинировать с котлотурбинной (COSAG) или дизельной (CODAG) энергетической установкой. Несколько позже появились та называемые маршевые газовые турбин, к которым требовались форсажные турбины (COGAG). Только появление всережимных газовых турбин позволили перейти к однородной газотурбинной энергетической установке.

Основные названия комбинированных силовых установок:

• COSAG — Combined Steam and Gas turbines (паротурбинная и газотурбинная). Установки работают совместно
• CODAG — Combined Disel and Gas turbines (дизель и газотурбинная). Установки работают совместно
• CODOG — Combined Disel or Gas turbines (дизель или газотурбинная). Установки работают раздельно. На большом ходу дизельная часть отключается
• COGAG — Combined Gas turbines and Gas turbines (газовая турбина и газовая турбина). Маршевая и форсажная турбины на полном ходу работают вместе
• COGOG — Combined Gas turbines or Gas turbines (газовая турбина или газовая турбина). Маршевая турбина работает до полного хода, а на полных ходах работает только форсажная
• CODEAG — Combined Disel Electro and Gas turbines and Gas turbines (дизель-газотурбинная с полным электродвижением). Главная энергетическая установка работает в четырех режимах: малой скорости с минимальным уровнем шумности при отключенных главных редукторах; высокой скорости хода при работе газовых турбин на винты через редукторы совместно с гребными электродвигателями; промежуточной скорости при работе одной газовой турбины на один винт и одного гребного электродвигателя на другой винт при отключенном редукторе; маневрирование при использовании только дизелей. Винты работают на задний ход только от гребных электродвигателей.

Таковы типы силовых установок, существующие на кораблях и судах прошлых и наших дней. Часть из них доживает свои последние годы, часть ограничила сферу своего распространения главным образом прогулочными и спортивными судами, некоторые достигли своей зрелости, некоторые еще не вышли из младенческого возраста, но все они выполняют одну и ту же функцию — дают возможность судну двигаться, преодолевая водные преграды.