21923

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ КОРАБЛЕЙ

Лекция

Военное дело, НВП и гражданская оборона

Назначение состав и особенности размещения энергетических установок на надводных кораблях. Устройство и живучесть надводного корабля. Это повлекло за собой усовершенствование конструкции парусного вооружения и способов управления парусами что позволило отказаться от весел сначала на крупных а затем и на остальных кораблях. Наряду с обеспечения движения корабля они стали снабжать оружие и технику различными видами энергии а также использоваться для улучшения обитаемости.

Русский

2013-08-02

127 KB

53 чел.

23

КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ВОЕННОГО ОБУЧЕНИЯ

                                                                                                                                                                                                                    Экз. № 1

У Т В Е Р Ж Д А Ю

Начальник военно-морской кафедры № 2

капитан 1 ранга                     И. Ковалев

«___»_______________ 2004 года

Капитан 2 ранга БЕЛОВ О.А.

ЛЕКЦИЯ: «ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ КОРАБЛЕЙ».

ВУС-072302, 122101,   250200

Дисциплина ТП.02

Тема № 2

Занятие 2.3

                                                                        

                                                                     Обсуждена на заседании ВМК № 2

«___»__________________2004 г.

Протокол №______

Петропавловск-Камчатский

2004


С О Д Е Р Ж А Н И Е:

ВВЕДЕНИЕ.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ (ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ):

1. Назначение, состав и особенности размещения  энергетических установок на надводных кораблях.

2. Схемы и принцип работы основных типов корабельных энергетических установок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРА:

1.  А.И. Самолетов, И.И. Украинцев. Устройство и живучесть надводного        корабля. М.: Воениздат, 1987.

2. Б.В.Ребров. Учебник машиниста-газотурбиниста. М.: Воениздат, 1980.

3. В.В. Рыбалко. Корабельные комбинированные энергетические установки (курс лекций). Часть 2. Пушкин: ВМИИ, 1999.

 

         УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

1. НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ:  холодные макеты дизеля М-503 и газотурбинного двигателя.

 

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ: кодоскоп.

3. ПРИЛОЖЕНИЕ: слайды для кодоскопа.


ВВЕДЕНИЕ

История войн на море непосредственно связана с непрекращающимися поисками наиболее эффективных способов передвижения кораблей. В течении многих веков для этой цели использовались весла, а парус выполнял вспомогательную роль, ибо морской сражение обычно заканчивалось абордажным боем, паруса же не обеспечивали достаточной маневренности при подходе к противнику и уклонении от него. Так продолжалось до тех пор, пока водоизмещение кораблей не возросло настолько, что возможности весельного движителя стали тормозом для дальнейшего развития кораблестроения. Это повлекло за собой усовершенствование конструкции парусного вооружения и способов управления парусами, что позволило отказаться от весел сначала на крупных, а затем и на остальных кораблях.

По мере роста водоизмещения кораблей приходилось развивать их парусную оснастку. Однако несмотря на талант и усилия кораблестроителей, самые быстрые парусные корабли не могли плавать со скоростью более 12-13 узлов. Эта скорость так и не была превышена до последних дней парусного флота.

В истории техники содержится множество примеров, когда открытия в одной области вызывали в другой полную переоценку ценностей. Это в равной мере относится к кораблестроению, которое претерпело кардинальные изменения с появлением паровой машины. За несколько десятилетий благодаря прогрессу науки и техники паровые корабли претерпели значительные изменения. Быстрыми темпами шло совершенствование их вооружения, усиливалась техническая оснащенность. Это обусловило появление новых дополнительных функций энергетических устройств. Наряду с обеспечения движения корабля они стали снабжать оружие и технику различными видами энергии, а также использоваться для улучшения обитаемости.

Прошло немногим более 170 лет с той поры, как впервые корабль вышел в море под котломашинной установкой. А как за этот относительно небольшой исторический период изменились корабли! И первостепенная роль в этой эволюции принадлежит прогрессу в корабельной энергетике.

1. НАЗНАЧЕНИЕ, СОСТАВ И ОСОБЕННОСТИ РАЗМЕЩЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА НАДВОДНЫХ КОРАБЛЯХ.

Современная корабельная энергетическая установка (КЭУ) представляет собой комплекс технических средств, обеспечивающих движение корабля, его маневрирование, действие вооружения и средств борьбы за живучесть, а также нормальную жизнедеятельность личного состава.

КЭУ включает в себя большое число различных элементов, тип и число которых зависит от типа и конструктивной схемы установки, целевого предназначения корабля, на котором она размещена. В общем случае в составе КЭУ можно выделить 4 основные части:

- главную энергетическую установку (ГЭУ),

- вспомогательную энергетическую установку  (ВЭУ),

- электроэнергетическую  систему  (ЭЭС),

- независимые механизмы, обеспечивающие работу корабельных устройств и систем общекорабельного назначения.

Главной энергетической установкой называют часть КЭУ, обеспечивающую движение корабля и его  маневрирование.

Она является важнейшим элементом энергетической установки корабля и во многом определяет его боевые возможности. Главная энергетическая установка состоит из одной или нескольких автономных групп движения, каждая из которых объединяет механизмы, обеспечивающих работу одного движителя. Как правило, автономная группа движения включает в свой состав главный двигатель, передачу мощности и валопровод с обслуживающими их системами, а также корабельный движитель, о котором мы говорили при рассмотрении мореходных качеств корабля.

Главный двигатель обеспечивает ход корабля. Именно в нем происходит превращение химической энергии топлива в механическую энергию, необходимую для вращения движителя. Наиболее важными параметрами, характеризующими главный двигатель как элемент автономной группы движения, является его мощность Ne и частота вращения n.

В настоящее время на кораблях ВМФ в качестве главных используются средние и высокооборотные двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины и газотурбинные двигатели. По причинам, о которых будет сказано ниже, мощность от корабельного главного двигателя не может передаваться к движителю напрямую. Это обусловило применение в составе автономной группы движения промежуточного элемента, называемого передачей мощности.

Передача мощности представляет собой агрегат, расположенный между главным двигателем и валопроводом, предназначенный для изменения частоты вращения и крутящего момента двигателя по определенному закону, определяемому типом передачи и движителя, а также условиями работы главной энергетической установки. Передача мощности может также выполнять некоторые дополнительные функции, в частности «собирать» мощности нескольких главных двигателей на один движитель, «раздавать» мощность одного главного двигателя на несколько движителей, разобщать двигатели от движителей, осуществлять реверс и т.д.

Различают передачи мощности зубчатые, гидравлические, электрические и комбинированные.

Появление зубчатых передач мощности (редукторов) в составе ГЭУ было связано с применением в корабельной энергетике начиная с середины 90-х годов прошлого века надежных и пригодных для практического использования паровых турбин. По целому ряду показателей они значительно превосходили паровые машины и быстрыми темпами стали вытеснять последних из практики кораблестроения того времени. Однако создатель паровых турбин английский инженер Чарльз Парсонс (1854-1931) столкнулся с проблемой, связанной с резким падением экономичности турбинной установки по мере снижения скорости хода корабля. Оказалось, что турбина сохраняет свое значительное преимущество по КПД перед паровой машиной только при высоких оборотах ее вала. В тоже время гребной винт имеет наибольший КПД при относительно умеренных частотах вращения.

В стремлении кардинально решить проблему увеличения экономичности Парсонс отказался от применения турбин, непосредственно связанных с гребным валом, так называемых «прямодействующих», и применил редуктор, позволяющий снизить обороты гребного вала при сохранении высоких оборотов турбины.

Наряду с созданием оптимальных условий для совместной работы высокообортного двигателя и движителя зубчатые передачи позволяют обеспечить возможность суммирования мощности нескольких двигателей на один вал. Существуют также установки, где зубчатая передача может передавать мощность одного главного двигателя на две линии вала. Среди всех типов передач мощности зубчатые обладают наименьшими массой и габаритами. Основными их недостатками являются высокий уровень шумности и дополнительные потери на трение в зубчатых зацеплениях (КПД редукторов равен 0,96 - 0,98).

В поисках эффективных способов передачи мощности от двигателя к движителю конструкторы обратились к электродвижению, принцип которого впервые был реализован в 1903 году на первом дизельном судне -  речном танкере «Вандал» водоизмещением 1150 тонн.

В кораблестроении электродвижение получило признание, особенно в США, несколько позже, когда были достаточно полно разработаны теоретические основы, подготовлены конструкторские кадры и что особенно важно, освоены промышленностью достаточно мощные гребные электродвигатели и турбогенераторы с приемлемыми для корабельных условий массой и габаритами. С 1915 года в США началось серийное строительство линкоров с применением электродвижения, первый из которых «Нью-Мехико» водоизмещением около 35 тысяч тонн с турбоэлектрической установкой мощностью 40 тысяч л.с. и скоростью хода 21,5 уз. вошел в строй в 1918 году.

К преимуществам энергетических установок с электропередачей можно отнести: возможность использования нереверсивных главных двигателей, удобство управления установкой, отсутствие жесткой связи между движителем и главным двигателем, а также повышенная надежность установки в связи с применением нескольких турбогенераторов, питающих гребные электродвигатели.

Основными недостатками энергетических установок с электропередачей являются: пониженная экономичность вследствие двойного преобразования энергии (КПД электропередачи на переменном токе  0,86-0,94, на постоянном  0,81-0,89), более высокая стоимость и большая масса по сравнению с другими типами передач.

В современном военном флоте установки с электродвижением практически не применяются, за исключением дизель-электрических подводных лодок, а также нескольких атомных подводных лодок США и Франции (для снижения шумности). Однако нельзя исключить появления в будущем надводных кораблей с электродвижением на основе использования в качестве главных двигателей магнитогидродинамических генераторов (МГДГ), позволяющих получать электрическую энергию из тепловой прямым преобразованием.

Сочетание главного двигателя и передачи мощности, входящих в состав одной автономной группы движения, принято называть главным агрегатом. Связующим звеном между ним и движителем служит валопровод, представляющий собой систему взаимно соединенных валов с опорными и упорными подшипниками, соединительными, разобщительными и уплотнительными устройствами. Он предназначен для передачи движителю крутящего момента, развиваемого главным двигателем, восприятия осевой силы - упора, создаваемого движителем при его вращении в воде, и передачи упора через главный упорный подшипник корпусу корабля.

Взаимодействие основных элементов входящих в состав ГЭУ автономных групп движения происходит следующим образом. Крутящий момент двигателя, работающего на некоторой мощности при некоторой частоте вращения, преобразуется в передаче мощности и подводится к движителю. Движитель, потребляя подведенную к нему энергию, вращается, создавая упор, который через валопровод и главный упорный подшипник передается корпусу корабля. Корабль начинает двигаться и разгоняется до некоторой скорости V, пока сопротивление воды его движению не станет приблизительно равным по величине суммарному упору, создаваемому движителями.

Для увеличения скорости хода необходимо увеличить подводимую к движителя мощность и его частоту вращения, что достигается увеличением подачи топлива в главном двигателе.

Практически все боевые корабли, за исключением некоторых типов подводных лодок, оснащены многовальными главными энергетическими установками. Это позволяет, кроме выполнения основной функции - обеспечения движения корабля, управлять им при помощи главных двигателей, изменяя частоту вращения движителей, что особенно важно при выходе из строя рулевого устройства.

Несмотря на первостепенную значимость главной энергетической установки, без взаимодействия со всем комплексом элементов КЭУ, она не может в полной мере обеспечить высокие боевые качества корабля. Поэтому важное место в составе КЭУ, наряду с главной энергетической установкой, занимает вспомогательная энергетическая установка (ВЭУ). Она предназначена для поддержания боеспособности корабля и жизнедеятельности личного состава при стоянке на якоре или швартовах, а также ввода в действие ГЭУ при приготовлении корабля к бою и походу. В общем случае в ее состав могут входить вспомогательные котлы, опреснительные установки, стояночные электрогенераторы, компрессоры воздуха высокого давления.

Появление в 90-е годы ХIХ века на кораблях флота вспомогательных котлов было обусловлено существенным увеличением доли отводимого от главных котлов пара бля обеспечения вспомогательных нужд (привода вспомогательных механизмов, отопления и т.п.). Наиболее широкое применение в качестве вспомогательных получили в русском флоте того времени паровые котлы системы инженера В.Г.Шухова. Благодаря удачной конструкции и исключительной надежности предложенный им в 1896 году водотрубный котел безотказно служил отечественной энергетике более 50 лет.

В настоящее время более широкое распространение на кораблях получили вспомогательные котлы огнетрубного типа, в которых, в отличие от водотрубных, по трубкам протекает не вода, а образовавшиеся при сжигания топлива газы.

На современных кораблях пар от вспомогательных котлов расходуется на бытовые нужды (паровое отопление, подогрев воды для душа, для работы камбузных котлов и самоваров), для поддержания заданной температуры масла в расходных цистернах (баках) главных двигателей и редукторов, а также для обеспечения некоторых работ (пропаривание топливных цистерн перед чисткой, продувка забортных отверстий при плавании во льдах).

По мере совершенствования конструктивных схем котельных установок все более жесткие требования по солесодержанию стали предъявляются к котловой воде. Для ее получения из забортной и были созданы специальные установки - опреснители.

Стояночные электрогенераторы предназначены для снабжения электроэнергией повседневных потребителей корабля при его стоянке на рейде или у необорудованного пирса.

Компрессоры воздуха высокого давления обеспечивают поддержание необходимого давления воздуха в пусковых баллонах дизелей, в баллонах воздушных систем управления энергетической установкой, в воздушных баллонах некоторых противопожарных систем, а также работу пневмоинструмента.

С изобретением П.Н.Яблочковым маломощной дуговой лампы, названной впоследствии свечой Яблочкова, с 1878 г. на кораблях русского флота стало внедряться палубное электроосвещение. В 1882 г. на смену свечам Яблочкова пришли лампы накаливания, изобретенные Л.Н.Лодыгиным и усовершенствованные Эдисоном.

Широкое применение электроосвещения на кораблях вызвало усовершенствование конструкции электромашин, что в свою очередь способствовало использованию их в качестве двигателей корабельных механизмов и, таким образом, привело к появлению корабельного электропривода. Внедрение электродвигателей на кораблях начинается с 1888 г. вначале в качестве приводов для вентиляторов, а затем в артиллерийских установках для подачи боеприпасов и вращения башен.

Массовая электрификация корабельных механизмов (вентиляторов, насосов, рулевых устройств, арт.установок и других) на кораблях русского флота была осуществлена к 1900 - 1902 г.г.

Так в начале XX века в составе корабельной энергетической установке сформировалась еще одна из составных ее частей, названная впоследствии электроэнергетической системой корабля. Электроэнергетическая система корабля в современном ее виде представляет собой совокупность источников и преобразователей электроэнергии, распределительных устройств и кабельных трасс, обеспечивающих корабельные потребители электроэнергией.

За свою относительно короткую историю корабельная электроэнергетика претерпела громадные изменения. Сегодня на корабле нет практически ни одного комплекса вооружения или другого технического средства, где бы не применялись электроприводы, электрофицированные приборы и устройства. Степень электрификации корабля достигает 900 - 1000 Вт на тонну водоизмещения и устойчивая тенденция к ее росту сохраняется.

По мере усиления технической оснащенности кораблей флота из состава вспомогательной энергетической установки в самостоятельную часть КЭУ стали выделять группу механизмов, обеспечивающих работу корабельных устройств и общекорабельных систем. Их принято называть независимыми механизмами. К ним относятся: якорные и якорно-швартовые шпили (брашпили), лебедки, рулевые машины, активные успокоители качки, холодильные машины, вентиляторы, насосы общекорабельных систем.

В качестве одного из прообразов независимых механизмов, примененном на корабле, можно назвать центробежный вентилятор с ручным приводом, установленный на подводной лодке, построенной в России в 1834 г. инженер-генералом Карлом Шильдером. Он обеспечивал работу системы вентиляции, предназначенной для очистки воздуха внутри лодки при ходе ее вблизи поверхности воды.

Насосы, как независимые механизмы общекорабельных систем, стали применяться на кораблях в 70-е годы XIX столетия, когда перед специалистами встал вопрос о защите кораблей от вторжения больших масс воды во внутреннее пространство через подводные пробоины.

В это же время корабли стали оснащаться шпилями, брашпилями и рулевыми машинами с паровым приводом.

Начало широкого использования холодильных машин на военных кораблях различных государств было положено русским флотом после опытов, проведенных на канонерской лодке "Хивинец", вступившей в строй боевых кораблей флота в 1906г. Холодильная машина на этом корабле использовалась, в частности, и для охлаждения воздуха в жилых помещениях, что по тому времени было весьма прогрессивным и положило начало зарождению кондиционирования воздуха на кораблях.

Увеличение числа независимых механизмов - это объективная тенденция развития корабельной энергетики. Более развитая сеть независимых механизмов полнее обеспечивает потребности корабля, позволяет расширить его боевые возможности.

Рассмотренные составные части КЭУ, несмотря на различие выполняемых ими функций, глубоко взаимосвязаны и представляют собой единый организм. Любые нарушения работоспособности отдельных его элементов неизбежно влекут за собой ограничение возможностей установки в целом, что в свою очередь приводит к снижению боевых и мореходных качеств корабля. В итоге корабль может стать неспособным к выполнению в полной мере свойственных ему боевых задач. Для недопущения подобного все технические средства КЭУ должны поддерживаться в исправном состоянии и постоянной готовности к действию. Это должно быть предметом повседневной заботы личного состава электромеханической боевой части корабля.

Элементы энергетической установки размещаются в специальных помещениях (отсеках): реакторный отсек (РО), котельное отделение (КО), машинное отделение (МО), машинно-котельное отделение ( МКО) и т.д.

Как правило, главная энергетическая установка размещается в средней части корабля. Для повышения живучести КЭУ основные ее элементы обычно размещаются в разных отсеках. Например, в носовом машинном отделении (НМО) и кормовом машинном отделении (КМО).

Таким образом, КЭУ не только обеспечивает кораблю боевые и мореходные качества, но и непосредственно влияет на работу всех его частей, приборов, механизмов и вооружения. Поэтому от выбора того или иного типа КЭУ зависит деятельность корабля в целом.

2. СХЕМЫ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСНОВНЫХ ТИПОВ КОРАБЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

Каждый корабль в зависимости от боевого назначения и характера выполняемых задач, возможностей размещения и многих других факторов оснащается определенным типом энергетической установки.

В общем случае тип современной КЭУ определяется родом используемых в ней главных двигателей (дизель, ГТД или паровая турбина), а также способом получения тепловой энергии для нагрева рабочего тела (сжигание органического топлива или использование энергии деления ядер изотопов урана). В зависимости от этого различают котлотурбинные, ядерные, газотурбинные, дизельные и комбинированные ЭУ.

а) Котлотурбинная энергетическая установка (КТЭУ).

Рассмотрим состав, тепловую схему и принцип действия котлотурбинной энергетической установки (КТЭУ).

Основными элементами КТЭУ являются:

  •  главная котельная установка, обеспечивающая паром паротурбинную установку и бытовые нужды личного состава на ходу корабля;
  •  паротурбинная установка, преобразующая тепловую энергию пара в механическую работу для вращения валопроводов с гребными винтами;
  •  главная конденсационная установка, которая служит для конденсации пара поступающего от главных турбин, вспомогательных турбомеханизмов и теплообменных аппаратов;
  •  валопроводы и гребные винты, создающие упор для обеспечения движения корабля;
  •  вспомогательные механизмы, трубопроводы и аппараты, обслуживающие КТЭУ.

Главные котлы, турбины и конденсаторы с обслуживающими их механизмами и системами, в/проводы с гребными винтами объединены в две турбокотельные группы, каждая из которых размещена в своем машинно-котельном отделении (МКО) и составляет машинно-котельную установку (МКУ).

В состав каждой турбокотельной группы входят: паротурбинная установка (ПТУ), котельная установка (КУ), включающая в себя два главных паровых котла (ГПК) и обслуживающие их ВМ, системы и аппараты, в/провод с гребным винтом.

Тепловая схема КТУ представляет собой замкнутый процесс движения пара и конденсата. В КТУ рабочим телом является пар, полученный из воды, с определенными требованиями по чистоте.

От ГПК отбирается перегретый пар давлением до Pп = 65 кгс/см2 и температурой Tп = 470°C и насыщенный пар давлением Pп = 26 кгс/см2. Перегретый пар через быстрозапорный главный стопорный клапан парового котла поступает в главный и вспомогательный трубопроводы.

Пар, проходя через быстрозапорный клапан, по главному паропроводу поступает к органам управления и паровой турбине ПХ или маневровому устройству и от него к паровой турбине 3Х.

По вспомогательному трубопроводу перегретый пар поступает к части паровых турбин ВМ. Насыщенный пар от стопорного клапана насыщенного пара поступает по трубопроводу к механизмам, теплообменным аппаратам и системам (отопления, паротушения, свисток и сирена и т.д), работающим на насыщенном паре.

Процесс превращения потенциальной энергии пара в механическую работу осуществляется в паровых турбинах и вспомогательных турбомеханизмах. Отработавший пар от паровых турбин поступает через автоматический клапан в деаэратор, на испарительную установку, уплотнение турбин и турбогенераторов, теплообменные аппараты.

Избыток отработавшего пара в трубопроводе сбрасывается в главный конденсатор, а недостаток восполняется из трубопровода насыщенного пара через автоматический клапан.

В главном конденсаторе отработавший пар омывает охлаждающие трубки, внутри которых прокачивается забортная вода, охлаждается и конденсируется.

Конденсат из нижней части главного конденсатора откачивается конденсатным насосом и подается по трубопроводу в деаэратор. В деаэраторе конденсат подогревается и разбрызгивается, в результате чего из него выделяется воздух, содержащий кислород, что способствует уменьшению коррозии внутренних поверхностей котлов и т.п. Подогретый и деаэрированный конденсат из деаэратора откачивается бустерным насосом, который повышает давление конденсата и подает его питательному насосу. Питательный насос повышает давление конденсата до величины, превышающей давление пара в главном котле и по трубопроводу нагнетает его в паровой котел. В главном паровом котле конденсат (теперь котельная вода) испаряется за счет теплоты топлива, сжигаемого в топке котла, и превращается в пар. Затем замкнутый круговой процесс давления пара и конденсата повторяется.

Поддержание необходимого уровня конденсата в главном конденсаторе и деаэраторе обеспечивается автоматически специальным регулятором уровня.

Пополнение утечек конденсата из системы через неплотности арматуры, фланцевые соединения и т.п. осуществляется автоматически из уравнительной цистерны в главный конденсатор. В уравнительную цистерну котельная вода подается из запасных цистерн, расход воды в которых пополняется испарительными установками.

Первое судно с котло-турбинной ЭУ под названием «Турбиния» было построено Ч.Парсонсом в 1897г. На ходовых испытаниях оно показало фантастическую для того времени скорость 32,8 узла. С этого времени в военном флоте Англии, а затем и других стран, началось постепенное вытеснение котломашинных установок более совершенными котлотурбинными.

Достоинствами КТЭУ являются: наибольшая агрегатная мощность среди установок, работающих на органическом топливе, достаточно высокая надежность установки, большой технический ресурс, сопоставимый со сроком службы корабля, возможность использования низкосортного топлива.

Основными недостатками являются: большие масса и габариты, сложная система водоподготовки, сложность управления установкой, длительное время ввода в действие.

б) Дизельная энергетическая установка (ДЭУ).

Практически одновременно с котлотурбинными в военных флотах ряда стран получили распространение дизельные энергетические установки. Основным их элементом является дизель - двигатель внутреннего сгорания, изобретенный талантливым немецким ученым и инженером Рудольфом Дизелем (1858-1913).

Дизельная энергетическая установка состоит из дизеля, вспомогательных механизмов, систем и устройств.

Дизель - это двигатель внутренного сгорания с воспламенением топлива от сжатия.

Работает данный двигатель следующим образом.

При движении поршня вниз выпускной клапан закрыт, а впускной открыт и через него в цилиндр поступает атмосферный воздух, который затем при движении поршня вверх и закрытых клапанах сжимается до давления, при котором температура воздуха возрастает до величины необходимой для воспламенения топлива.

В конце сжатия впрыскивается топливо и сгорает в среде раскаленного воздуха. Образовавшиеся газы толкают поршень вниз - рабочий ход. Вторичным движением поршня вверх газы выталкиваются из цилиндра наружу через открытый выпускной клапан. Посредством шатуна поршень соединяется с коленчатым валом, преобразующим возвратно-поступательное движение во вращательное.

Работу дизеля обеспечивают системы: топливная, смазки, охлаждения, пуска, воздухоснабжения и газовыпуска.

Первым идею применения дизелей на судах и кораблях выдвинул в 1898 году известный русский инженер-кораблестроитель, профессор Константин Петрович Бокалевский (1862-1928). В военном флоте она была реализована практически только в 1910 году, когда на Балтийском заводе были построены и спущены на воду 8 канонерских лодок с ДЭУ для Амурской флотилии. При водоизмещении 946 т, при мощном артиллерийском вооружении скорость хода кораблей составляла 12 узлов при дальности плавания 2000 миль. Так в России впервые в мире появились дизельные корабли.

В современном военно-морском флоте ДЭУ широко применяются на кораблях малого и среднего водоизмещения. ДЭУ обладают хорошими массо-габаритными показателями, высокой экономичностью, высокими маневренными качествами, практически немедленной готовностью к действию.

К недостаткам ДЭУ относятся: сравнительно небольшая агрегатная мощность, повышенная шумность и вибрация при работе.

В течении нескольких десятилетий дизельные и котлотурбинные установки безраздельно господствовали в военных флотах. Однако вскоре у них появился серьезный конкурент.

в) Газотурбинная энергетическая установка (ГТЭУ).

Быстрое развитие газотурбостроения в годы после второй мировой войны, что в немалой степени объясняется применением ГТД в авиации, привело к созданию нового типа КЭУ - газотурбинной.

В 1947 году на испытания вышел английский трехвальный патрульный катер "MGB-2009" водоизмещением около 100 тонн, на котором один из трех бензиновых моторов мощностью 1250 л.с., был заменен ГТД мощностью 2500 л.с. удельной массой 1,2 кг/л.с. На испытаниях, продолжавшихся в течении почти 5 лет корабль был проверен по широкой программе и показал скорость полного хода 34 узла, в то время как до модернизации она составляла около 30 узлов.

Однако первая попытка применить ГТД на кораблях была предпринята задолго до этого инженером-механиком российского флота Павлом Дмитриевичем Кузьминским (1840-1900). По его чертежам на Балтийском заводе в Петербурге еще в 1894 году была построена и испытана газотурбинная установка, предназначенная для катера. Несмотря на успешно проведенные испытания Морское министерство интереса к двигателю не проявило. Но он получил признание видных ученых, и Русское техническое общество сочло целесообразным представить газотурбинный двигатель на Всемирную выставку 1900 г. в Париже. Однако 7 апреля 1900 г. П.Д.Кузьминский внезапно скончался. ГТД на выставку не попал, так как некому было подготовить его к демонстрации. Таким образом, начало применения ГТД в военном флоте было надолго отодвинуто.

Принцип работы ГТД довольно прост. Компрессор засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и подает в камеру сгорания, куда одновременно поступает топливо. Смешиваясь с воздухом, топливо воспламеняется и сгорает. Продукты сгорания под давлением, создаваемым компрессором, поступают в газовую турбину, вращают ее, а также закрепленные на общем валу компрессор и топливный насос, после чего удаляются в атмосферу. Часть мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора и топливного насоса, а остальная мощность через редуктор и валопровод передается на движитель. Запуск ГТД производится от постороннего источника, обычно электродвигателя, который вращает газовую турбину до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать достаточное количество нагретого до нужной температуры газа, после чего электродвигатель отключается.

В настоящее время корабли с газотурбинными энергетическими установками входят в состав военных флотов всех ведущих морских держав. Их достоинствами являются малые массо-габаритные характеристики, хорошая

маневренность установки, возможность быстрой агрегатной замены, быстрый ввод установки в действие.

Недостатками являются: высокие требования к качеству топлива и воздуха, повышенная воздушная шумность, невысокая экономичность на режимах повышенной мощности.

г) Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ).

Новые перспективы в развитии корабельной энергетики открылись, когда стало известно о возможности получения самоподдерживающейся ядерной реакции с выделением огромного количества тепловой энергии.

Новому источнику энергии сразу же пристальное внимание уделило Морское инженерное управление (ныне управление кораблестроением) США. В декабре 1945 года в этой стране была разработана обширная программа, предусматривающая создание атомных ПЛ и энергетических установок для них, а 18 января 1955 года вышла на ходовые испытания первая атомная подводная лодка США «Наутилус».

В основе работы ядерной энергетической установки (ЯЭУ) лежит превращение ядерной энергии в механическую путем использования ядерного реактора в качестве источника теплоты. Таким образом, уместно провести аналогию между реакторной частью ЯЭУ и котельной частью КТУ, но с той огромной разницей, что пар в котле генерируется за счет сжигания органического топлива, в то время как в паропроизводящей части ЯЭУ генерация происходит за счет теплоты, выделяющейся при делении ядер атомов ядерного горючего. Принципиальное преимущество ЯЭУ вытекает из огромной концентрации ядерной энергии в веществе по сравнению с концентрацией химической энергии в органическом топливе. Так, если при сжигании 1 кг мазута выделяется 10 тыс. ккал теплоты, то при делении такого же количества ядерного топлива ее выделяется примерно в два миллиона раз больше.

В общем случае работа ядерного реактора водо-водяного типа на тепловых нейтронах происходит следующим образом. В активной зоне размещено делящееся вещество (U235) и замедлитель нейтронов - вода. Снижение скорости нейтронов необходимо, так как эффективность взаимодействия нейтронов с ядрами делящегося вещества зависит от их энергии. Вероятность захвата нейтронов ядрами атомов повышается при снижении их энергии и, следовательно, скорости.

Процесс замедления быстрых нейтронов можно сравнить с ударяющими друг друга бильярдными шарами, только в роли встречных шаров выступают легкие ядра водорода, масса которых примерно равна массе нейтронов. При столкновениях нейтроны теряют примерно половину своей энергии и превращаются в тепловые (V=500-600 м/сек), которые легко захватываются ядрами делящегося вещества. После захвата нейтрона и последующего деления ядра атома из него вылетают 2-3 нейтрона, которые в свою очередь замедляются и вызывают деление других ядер - возникает цепная реакция деления.

Активная зона реактора окружена оболочкой из материала с высокой отражательной способностью, который не поглощает нейтроны, а отражает их, возвращая в активную зону. В каналы активной зоны погружены тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), представляющие собой тонкостенные трубки из сплавов алюминия  или  нержавеющей  стали,  заполненные  таблетками ядерного горючего.  Размер активной зоны реактора невелик,  но в то же время для отвода большого количества тепловой энергии требуется большая поверхность теплообмена. Это достигается расположением в активной зоне многочисленных каналов, в которые и погружены ТВЭЛы. Отвод теплоты достигается прокачкой воды через зазоры между стенками каналов и ТВЭЛами.

В результате реакции деления ТВЭЛы нагреваются. Интенсивность нагрева, а следовательно и тепловая мощность реактора регулируется с помощью специальных стержней, изготовленных из графита, хорошо поглощающего нейтроны. Степенью погружения этих стержней в активную зону и регулируется энергетический уровень реакции деления. При полном погружении стержней реакция прекращается. На случай необходимости в срочном прекращении реакции деления предусмотрена аварийная защита в виде стержней, которые в любой момент могут быть сброшены в активную зону под воздействием пружин и собственной массы.

Корабельная ЯЭУ с реактором водо-водяного типа работает следующим образом. Нагретая в активной зоне реактора вода, являющаяся одновременно теплоносителем и замедлителем, отдает в парогенераторе теплоту воде второго контура, превращающая ее в пар, поступающий в турбинную часть установки, мало чем отличающуюся от применяемых в обычных КТЭУ.

Для того, чтобы получить во втором контуре пар заданных параметров, вода первого контура должна иметь достаточно высокую температуру, превышающую таковую производимого пара. Для исключения выкипания воды в первом контуре в нем необходимо поддерживать соответствующее избыточное давление, обеспечивающее так называемый «недогрев до кипения». Так, в первом контуре зарубежных ЯЭУ поддерживается давление 140-180 кгс/см2 , позволяющее нагревать воду до 250-280°С. При этом во втором контуре генерируется насыщенный пар давлением 15-20 кгс/см2 при температуре 200-250°С.

Для компенсации колебаний объема теплоносителя в 1 контуре при изменении режима работы установки и поддержания в контуре заданного давления предусмотрен компенсатор объема, представляющий собой баллоны, частично заполненные водой контура, частично инертным газом (паром), соединенные с контуром напрямую, в которых постоянно поддерживается высокое давление.

В результате ядерной реакции около 23% энергии выделяется в виде излучения нейтронов и гамма-квантов. Будучи нейтральными, эти излучения проникают в вещества на большие расстояния. Чтобы предохранить личный состав от облучения, паропроизводящая часть ЯЭУ окружена биологической защитой, в состав которой входит вода, сталь, свинец, бетон, карбид бора, графит.

Отработавший в турбинной части пар поступает в главный конденсатор, где конденсируется, а затем фильтруется, и с помощью питательного насоса снова направляется в паропроизводящую часть ЯЭУ.

По сравнению с другими энергетическими установками ЯЭУ значительно увеличивают боевую эффективность кораблей, так как имеют ряд достоинств: обеспечивают практически неограниченную дальность плавания, не требуют больших запасов топлива, воздуха для работы.

В то же время ЯЭУ имеют высокую стоимость, большие массы и габариты (из-за необходимости применения тяжелой биологической защиты).

На сегодняшний день ЯЭУ устанавливаются на ПЛ России, США, Франции, Великобритании и Китая. Кроме того, ряд боевых кораблей ВМС США и ВМФ РФ оснащены установками такого типа. К применению ЯЭУ на надводных кораблях вплотную подошла и Франция.

д) Комбинированные энергетические установки.

Опыт показал, что ни одна из рассмотренных типов КЭУ не может в полной мере удовлетворять всем требованиям из-за присущих каждой из них специфических недостатков. Выход был найден в создании комбинированных ЭУ, включающих в свой состав либо разнородные главные двигатели, либо однотипные, но различной мощности.

Первым к идее корабельной комбинированной ЭУ в 1878 г. привлек внимание С.О.Макаров. Он предложил устанавливать на минных катерах специально для кратковременного увеличения скорости при выходе в атаку торпедные поршневые пневматические машинки.

В 1888 г. С.О.Макаров составил докладную записку «Об устройстве вспомогательных двигателей на кораблях с целью сохранения и экономии горючего», в которой рекомендовал применять на кораблях с большой дальностью плавания специальные паровые машины экономического хода: «Самое правильное решение вопроса заключается в том, чтобы малый ход получать вспомогательными машинами, приводящими в движение винты, разобщенные от главных машин».

Идея Макарова была реализована на ряде иностранных крейсеров, гребные валы которых соединялись с двумя отключаемыми паровыми машинами, каждая мощностью примерно 50% от полной.

В ином варианте предложил комбинированную установку известный русский кораблестроитель Николай Евлампиевич Кутейников (1854-1906). В трехвальной КЭУ на средний вал работала паровая машина экономического хода. По такой схеме была выполнена ЭУ крейсера «Россия» водоизмещением 12500 т, построенного в 1896 г.

Первая комбинированная ЭУ с разнородными главными двигателями была спроектирована в 1903 г. Г.Парсонсом для истребителя английского флота «Велокс» водоизмещением 440 т. Согласно проекту корабль имел четырехвальную турбомашинную установку, на внутренние валы которой работали турбины высокого давления, а на наружные - турбины низкого давления и расположенные перед ними паровые машины мощностью 100 л.с. Для малого хода и реверса предназначались паровые машины, а при скорости свыше 13 узлов машины отключались и пар подавался помимо них в турбины. Комбинированная установка позволила обеспечить заданную дальность плавания и в то же время превысить контрактную скорость (26 уз) почти на 8 узлов.

Большие перспективы в развитии комбинированных ЭУ открылись с появлением на кораблях ГТД. Благодаря своим высоким техническим характеристикам они стали ядром всех современных комбинированных установок. В настоящее время наиболее широкое распространение в военных флотах передовых морских держав получили комбинированные ЭУ: паро-газотурбинные, дизель-газотурбинные, и газо-газотурбинные ( с маршевыми и ускорительными ГТД ). В перспективе возможно появление на кораблях комбинированных ядерно-газотурбинных установок, которые пока находятся в стадии разработки.

Благодаря наличию довольно широкого многообразия принципиальных и конструктивных схем ЭУ современные кораблестроители имеют возможность в каждом конкретном случае выбрать для корабля установку, наиболее соответствующую ему по своим тактико-техническим характеристикам.

ВЫВОДЫ

За каких-то неполных два столетия истории развития КЭУ прошли огромный путь от первых примитивных котломашинных до современных ядерных. Но и это еще не предел. Уже сегодня лучшие умы человечества упорно работают над идеями создания принципиально новых ЭУ, таких как, например, магнитогидродинамических генераторов, позволяющих получить электрическую энергию из тепловой прямым преобразованием, без посредников - котла, в котором образуется водяной пар, и турбины, вращающей генератор.

За последние 40 лет об МГДГ немало сказано и написано. Сторонники заманчивой идеи не скупятся на прогнозы. В начале 60-х годов ряд американских экспертов заявили, что к 2000 году электростанции с МГДГ в США составят половину вновь вводимых мощностей. Но все оказалось намного сложнее, хотя прогресс в физике плазмы, а также новые жаропрочные металлы и мощные сверхпроводящие магнитные системы, позволили достичь определенных успехов в этой области энергетики.

В нашей стране, США, Японии, Франции созданы экспериментальные и полупромышленные МГДГ мощностью до 250 МВт. Не прекращаются исследования возможности применения МГДГ в судостроении и кораблестроении. По мнению специалистов США, в условиях корабля эффективность МГДГ определяется уменьшением массо-габаритных показателей установки и повышенной экономичностью.

Конечно, прежде чем МГДГ появится в составе судовых, а тем более корабельных энергетических установок, он должен будет пройти освоение и доводку в стационарных условиях. Поэтому, отдавая должное этому эффективному способу получения энергии, лучше пока от прогнозов воздержаться.

Старший преподаватель ВМК № 2

капитан 2 ранга                                   О. Белов

«___» ____________ 2004 г.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30817. Для сохранения целостности пользователь может наложить ограничения на процессы вставки удаления или обнов. 12.09 KB
  Для сохранения целостности пользователь может наложить ограничения на процессы вставки удаления или обновления данных в базе. База данных состоит из различных объектов таких как таблицы виды домены сохраненные процедуры триггеры. Объекты базы данных содержат всю информацию о ее структуре и данных.
30818. ADO, провайдеры ADO 11.36 KB
  DO позволяет представлять данные из разнообразных источников реляционных баз данных текстовых файлов и т. Провайдеры DO обеспечивают соединение приложения использующего данные через DO с источником данных сервером SQL локальной СУБД файловой системой и т. Для каждого типа хранилища данных должен существовать провайдер DO. Провайдер знает о местоположении хранилища данных и его содержании умеет обращаться к данным с запросами и интерпретировать возвращаемую служебную информацию и результаты запросов с целью их передачи приложению.
30819. Генератор отчетов Rave Reports 5.0 18.73 KB
  Компоненты для создания отчетов Генератор отчетов Rve Reports 5.0 Генератор отчетов Rve Reports 5.0 разработан фирмой Nevron и входит в состав Delphi 7 в качестве основного средства для создания отчетов. Он состоит из трех частей: ядро генератора отчетов обеспечивает управление отчетом и его предварительный просмотр и отправку на печать.
30820. Доступ к общим данным 17.87 KB
  Доступ к общим данным Строки являются записями а столбцы полями таблицы базы данных. Класс tdtset обеспечивает возможность редактирования набора данных а также предоставляет средства для перемещения навигации по записям. Этот класс инкапсулирует в себе функциональные возможности borlnd dtbse engine bde процессора баз данных фирмы borlnd. Класс tbdedtset имеет класспотомок tdbdtset в котором определены дополнительные свойства и методы обеспечивающие возможность связывания набора данных с физическими таблицами базы данных.
30821. Структура BDE 46.29 KB
  Структура BDE Архитектура и функции BDE BDE представляет собой набор динамических библиотек которые умеют передавать запросы на получение или модификацию данных из приложения в нужную базу данных и возвращать результат обработки. В составе BDE поставляются стандартные драйверы обеспечивающие доступ к СУБД Prdox dBSE FoxPro и текстовым файлам. Структура процессора баз данных BDE Доступ к данным серверов SQL обеспечивает отдельная система драйверов SQL Links. Помимо этого в BDE имеется очень простой механизм подключения любых драйверов...
30822. Модели организации данных в БД 30.78 KB
  Модели организации данных в БД Организация баз данных – физическая и логическая Организация БД Организация данных базыопределяется видом модели данных которую поддерживает конкретная СУБД. Модель данных это методпринцип логической организации данных реализуемый в СУБД. Организация данныхв базе характеризуется двумя уровнями логическим и физическим. Логическаяорганизация БД определяется типом структур данных и видоммодели данных которая поддерживается СУБД.
30823. Реляционная модель базы 14.12 KB
  Реляционная модель базы Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами: все столбцы в таблице – однородные имеют одинаковый тип; каждый столбец имеет уникальное имя; одинаковые строки в таблице отсутствуют; порядок следования строк и столбцов может быть произвольным. В реляционной модели данных объекты и взаимосвязи между ними представляются с помощью таблиц. Каждая таблица представляет один объект и состоит из...
30824. Виды связей в БД 16.81 KB
  При этом таблица Книги будет содержать ссылки на записи таблицы Издатели . В большинстве случаев сопоставляются первичный ключ одной таблицы содержащий для каждой из строк уникальный идентификатор и внешний ключ другой таблицы. При такой связи каждой строке таблицы А может соответствовать множество строк таблицы Б однако каждой строке таблицы Б может соответствовать только одна строка таблицы А. Связи многие ко многим При установлении связи многие ко многим каждой строке таблицы А может соответствовать множество строк таблицы Б и наоборот.
30825. Типы СУБД 13.67 KB
  Централизованная база данных хранится в памяти одной вычислительной системы. Такой способ использования баз данных часто применяют в локальных сетях ПК. Распределенная база данных состоит из нескольких возможно пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей хранимых в различных ЭВМ вычислительной сети.