Тип судовой энергетической установки во многом определяет технико-эксплуатационные показатели работы судна, так как стоимость СЭУ — 30— 37% построечной стоимости судна, а затраты на ее эксплуатацию достигают 55—60% общей суммы эксплуатационных расходов по судну. Тип энергетической установки выбирают с учетом типа, назначения и условий эксплуатации морского судна. Основными требованиями, предъявляемыми к энергетической установке, являются следующие. Высокая надежность в работе при большом моторесурсе. Она характеризуется: безотказностью двигателей и обслуживающих его механизмов;
продолжительностью эффективной непрерывной работы с гарантированным отсутствием отказов и вынужденного ремонта;
частотой вывода установки из эксплуатации на профилактику и ремонт;
эффективностью использования мощности главного двигателя; продолжительностью эксплуатационного периода;
затратами труда и средств на осмотр, профилактику и ремонт. Надежность установки должна обеспечить безопасность плавания и сохранение свойств и технико-эксплуатационных характеристик судовых механизмов.
Главный двигатель с точки зрения надежности занимает особое положение, так как его безотказная работа имеет решающее значение для безопасности плавания. Поэтому любые мероприятия, повышающие надежность двигателя, независимо от затрат являются оправданными.
Элементы надежности двигателя закладываются в основном при его проектировании и постройке. Усовершенствование деталей и узлов, несмотря на увеличение первоначальных затрат, компенсируется в эксплуатации, так как снижаются затраты на ремонт.
Учитывая, что выполнение ремонтных работ в судовых условиях затруднено, повышение надежности судового оборудования, позволяющее снизить объем ремонтных работ, очень важно для понижения эксплуатационных расходов.
Однако определенные ремонтные работы на судах (по системе ППР) пока еще неизбежны.
Для повышения надежности оборудования целесообразно заменить периодический ремонт, предусмотренный этой системой, на ремонт по потребности. Необходимость ремонта по потребности определяют на основании данных контроля за состоянием машины по всем показателям, характеризующим возникновение дефекта (усиление вибрации, появление частиц износа и трещин, повышенный нагрев и т. д.). Раннее обнаружение дефектов— важное средство повышения долговечности и надежности машин.
2. Высокая экономичность. Ее достигают выбором эффективных тепловых схем, рациональных конструкций и оптимальных рабочих параметров; автоматизацией процессов управления и регулирования; уменьшением габарита и веса СЭУ; снижением строительной стоимости и эксплуатационных расходов; правильной технической эксплуатацией установки.
Показателями, определяющими экономичность разных вариантов СЭУ, являются: вес установки, занимаемый объем, стоимость, долговечность и эксплуатационная надежность (оцениваются по безотказности работы, периодичности, продолжительности и стоимости ремонтов); расход и стоимость топлива и смазки; запасы топлива, масла и воды; автоматизация управления и простота обслуживания; себестоимость перевозок.
3. Способность обеспечить требуемые реверсивные и маневренные качества судна. Определяется возможностью плавания с различной скоростью и быстротой перемен хода с полного вперед на полный назад и обратно.
Маневренность судна зависит от следующих характеристик главного двигателя: продолжительности подготовки к пуску и пуска;
продолжительности достижения номинальной мощности; минимально устойчивой частоты вращения; продолжительности и количества реверсов в течение часа; мощности и продолжительности заднего хода; количества и ширины запретных зон в интервале рабочей частоты вращения.
4. Технические удобства эксплуатации и ремонта. Использование простых и рациональных конструкций судовых механизмов и устройств, требующих минимального объема мероприятий при подготовке к действию, обслуживании во время работы и стоянки. Судовое оборудование должно быть удобно для монтажа и демонтажа в машинном отделении, для сборки и разборки с применением немногочисленных и простых инструментов и приспособлений. Детали судовых механизмов должны быть ремонтопригодными.
5. Допустимый уровень шума. Пределы допустимой шумности в машинных отделениях устанавливают Правила Регистра СССР и нормы Госсанинспекции.
Наряду с применением технических средств, уменьшающих шумность работающих машин, на современных судах с ДАУ широко распространены центральные звукоизолированные посты управления (ЦПУ), которые предотвращают вредное воздействие шума на обслуживающий персонал.
6. Способность обеспечить нормальные санитарно-гигиенические условия работы обслуживающему персоналу (требования освещенности, обогрева рабочих помещений и их вентиляции).
Некоторые из требований, предъявляемых к судовым энергетическим установкам, находятся в противоречии между собой, и удовлетворить их в полной мере практически невозможно. Именно этим объясняется разнообразие типов энергетических установок, применяемых на судах.
В качестве основных типов главных двигателей на морских судах распространены малооборотные и среднеоборотные дизели, паровые турбины и (в некоторой степени) газовые турбины.
В последние годы на суда малого и среднего тоннажа с мощностью главных двигателей до 15000 кВт устанавливают в основном малооборотные и среднеоборотные дизели; на крупнотоннажные суда с мощностью главных двигателей 15000—30000 кВт как малооборотные и среднеоборотные дизели, так и паровые турбины; при агрегатной мощности главного двигателя выше 30000 кВт—паровые турбины.
Статистические данные последних лет, характеризующие степень использования различных типов энергетических установок, показывают, что число судов мирового транспортного флота, оборудованных дизельными установками, составляет ~80% и соответствует ~63% всего тоннажа. Из этого следует, что дизельные энергетические установки преобладают в составе мирового транспортного флота.
Дальнейший рост агрегатной мощности судовых дизелей, увеличение их надежности, экономичности и долговечности будут способствовать не только их распространению, но и более широкому использованию в качестве главных двигателей на крупнотоннажных судах морского флота.
Судовые энергетические установки с дизелями в качестве главных двигателей по способу передачи энергии от дизеля к гребному винту делятся на три группы (рис. I): с прямой передачей, дизель-редукторные, дизель-электрические.
В дизельной энергетической установке с прямой передачей мощности на винт (рис. 1,а) к фланцу коленчатого вала дизеля 5 присоединен короткий промежуточный вал, имеющий гребень для упорного подшипника 4. Промежуточный вал 3 соединяется, с уложенным в дейдвудную трубу 2 гребным валом 1
В дизель-редукторном варианте (рис. 1,6) гребной винт может приводиться во вращение одним или несколькими дизелями через зубчатую передачу 6.
Дизель-электрическая гребная установка (рис. 1,в) представляет собой один или несколько дизель генераторов 8, электроэнергией которых питаются гребные электродвигатели 7.
Энергетические установки с прямой передачей мощности от главного двигателя к гребному винту в настоящее время широко распространены. В качестве главного двигателя здесь используется двухтактный, малооборотный (до 230 об/мин) дизель с наддувом.
При такой передаче мощность, потребляемая движителем, составляет примерно 97—98% мощности главного двигателя, т. е. потери мощности в валопроводе на трение в подшипниках гребного вала весьма незначительны.
Другим достоинством прямой передачи является простота конструкции установки, что снижает строительную стоимость, затраты на уход и ремонт.
Малооборотные двигатели отличаются высокой надежностью и удобством в эксплуатации (моторесурс достигает 100000 ч). По сравнению с другими тепловыми двигателями они имеют самый высокий эффективный к. п. д. (до 42%); в них используют дешевое тяжелое топливо. Цилиндровая мощность новых двигателей достигает 2950 кВт (4000 э.л.с.), что в 12¬цилиндровом агрегате позволяет получить мощность 35400 кВт (48000 э.л.с.).
Суммарная мощность малооборотных дизелей, выпускаемых ежегодно, составляет 68—78% мощности всех судовых установок.
Дальнейшее совершенствование мощных малооборотных дизелей идет по пути улучшения конструкции и технологии изготовления основных деталей, повышения их прочности и надежности, что позволит повысить цилиндровую мощность.
Однако следует отметить, что мощность малооборотных дизелей в настоящее время близка к рациональному пределу, так как максимальная мощность, передаваемая одним валом, ограничивается значением ~ 40 000 кВт (~ 55 000 э.л.с.).
Для повышения экономичности используют глубокую утилизацию тепла отработавших газов и охлаждающей воды. Упрощение эксплуатации достигается за счет частичной и комплексной автоматизации процессов по управлению, контролю и уходу за действующей установкой.
К основным недостаткам малооборотных дизелей можно отнести большую массу и большой габарит.
В настоящее время на судах отечественного и зарубежного флота широко распространены мощные малооборотные дизели фирм «Зульцер»,
«Бурмейстер и Вайн», МАИ, «Фиат», «Мицубиси» и их лицензиатов.
Отечественные малооборотные двигатели уже более 10 лет выпускаются по лицензии фирмы «Бурмейстер и Вайн» на Брянском машиностроительном заводе (БМЗ).
Первоначально было освоено производство двух типоразмеров: 50/110 и 74/160. С 1966 г. завод начал выпускать новую модификацию этих же двигателей: 50/110-2 и 74/160-2 с повышенной степенью наддува.
В настоящее время БМЗ разработал и построил опытный образец дизеля отечественной конструкции типа ДКРН 75/160 с прямоточно-клапанной продувкой и импульсным газотурбинным наддувом при использовании подпоршневых полостей.
На номинальном режиме при 115 об/мин, избыточном давлении продувочного воздуха 1,12 кг-с/см2 и среднем эффективном давлении 10,5 кг-с/см2 обеспечивается цилиндровая мощность 1400 кВт (1900 э.л.с.).
Основные параметры перспективных моделей судовых малооборотных дизелей большой мощности приведены в табл. 3.
Дизель-редукторные установки со среднеоборотными (до 600 об/мин) тронковыми двигателями в последние годы все чаще применяют на судах типа Ро-ро, контейнеровозах, пассажирских паромах.
Основными достоинствами среднеоборотных дизелей по сравнению с малооборотными являются: меньшая масса (снижается в 2—3 раза); меньший габарит, что позволяет с помощью редуктора сосредоточить на одном валу мощность нескольких дизелей, равную мощности малооборотного дизеля; при этом потребуются меньшие размеры машинного отделения;
Таблица 3
Перспективные модели судовых малооборотных дизелей большой мощности
Фирма
«Зульцер» RND 105 105 180 8-12 2576(3500) 108 9,36 204 (150)
«Бурмейстер и Ванн» K98FF 98 200 6-12 2576(3500) 100 10,5 208 (153)
МАН 02 105/180 105 180 6—10 2650(3600) 102 10,2 212 (156)
«Фиат» 1060S 106 190 6—12 2944(4000) 106 11,1 208 (153)
«Мицубиси» VE S85/160C 85 160 6-12 1692(2300) 125 9,12 208 (153)
«Сторк-Веркспур» SW90/170 90 170 6—12 2208(3000) 115 10,8 208 (153)
«Гетаверкен» БМ960/
VOSV1900 96 190 6-12 2208(3000) 105 9,36 207 (152)
большая живучесть установки благодаря наличию 2—4 двигателей; возможность получения более высокого к. п.д. винта благодаря большей свободе в выборе частоты вращения;
сокращение числа моделей дизелей, необходимых для флота, так как получение требуемой мощности может быть достигнуто путем подбора необходимого количества двигателей;
облегчение организации агрегатного ремонта, так как любой из двигателей благодаря небольшому габариту может быть легко демонтирован и заменен аналогичным из обменного фонда судоремонтного завода (СРЗ).
При оценке установок со среднеоборотными дизелями следует учитывать, что им присущи и недостатки:
меньший, по сравнению с малооборотными двигателями, моторесурс; более низкая эксплуатационная надежность; трудность использования тяжелых топлив;
повышенные затраты трудовых и материальных средств на техническую эксплуатацию;
усложнение установки и понижение к. п. д. передачи мощности на винт из-за наличия дорогостоящего редуктора и специальных муфт; повышенная шумность в работе.
И все же, несмотря на недостатки, дальнейшее конструктивное совершенствование среднеоборотных двигателей позволит выдвинуть их в качестве серьезного конкурента малооборотных дизелей.
В дизель-редукторных установках используют четырехтактные и двухтактные двигатели с трубонаддувом рядного и У-образного исполнения с числом цилиндров 6—18, диаметром 300—500 мм, ходом поршня 450— 650 мм и частотой вращения 400—600 об/мин на номинальном режиме. Цилиндровая мощность среднеоборотных дизелей в настоящее время достигла 736 кВт (1000 э.л.с.), что при 18-цилиндровом исполнении обеспечивает агрегатную мощность 13250 кВт (18000 э.л.с.).
В связи с высокими параметрами теплового процесса в среднеоборотных дизелях и повышением по мере совершенствования конструкции и технологии производства механического к. п.д. до 0,92 удельный расход топлива будет доведен до 200—204 г/кВт-ч (145—150 г/э.л.с-ч). Моторесурс среднеоборотных дизелей приближается к 50000 ч. Ежегодное производство среднеоборотных дизелей по суммарной мощности составляет 20—28% мощности всего мирового судового дизелестроения.
Основные характеристики новых моделей среднеоборотных дизелей приведены в табл. 4.
Дизель-электрические установки имеют главные агрегаты, состоящие из дизелей и приводимых ими в действие генераторов электрического тока.
От генераторов электрическая энергия передается гребным электродвигателям, непосредственно соединенным с гребными винтами. Г ребные электродвигатели выполняют реверсивными.
Основными преимуществами дизель-электрических установок являются: возможность установки быстроходных главных нереверсивных двигателей, непосредственно соединенных с электрогенераторами;
возможность изменения количества работающих двигателей для изменения скорости хода судна;
осуществление реверса при помощи электрических переключений, что позволяет двигателям в любых эксплуатационных условиях работать на постоянном режиме;
сравнительная простота схемы дистанционного управления установкой с мостика;
независимость расположения энергетической установки от гребных валов и возможность уменьшения длины валопровода;
возможность использования главных генераторов для получения тока, питающего вспомогательные механизмы.
К недостаткам электропривода относятся: относительно низкий к. п. д. передачи (75—85%); высокая строительная стоимость; большая масса энергетической установки:
сложность оборудования, повышающая сложность эксплуатации.
Та блица 4 Перспективные модели судовых среднеоборотных дизелей Двухтактные дизели
«Зульпер» 2У30/38
2У40/48 30
40 38 48 12— 16 8- 276(375)
435(591) 590
445 10.65
10.65 217(160)
216(159)
.«Мицубиси» МТ-50 50 80 6—9 574(780) 225 9,9 213(157)
16 368(500) 450 10,54 207(152)
«Бурмейстер н Вайи» и45Н 45 54 8-18 405(550) 465 13,6 211(155)
МАН УУ52/55 52 55 10-18 736(1000) 430 17,9 204(150)
«Семт Пилстик» РС-3 48 52 12—
18 626(850) 460 17,9 208(153)
«Фиат» L420SS 42 58 12—
18 331(450) 330 13,1 212(156)
«УДАВ Юнайтед Дизель АБ» иБЛВУ 52 57 8—18 736(1000) 425 17,35 212(156)
Примечание. У двухтактных дизелей «Зульцер» и «Мицубиси» расположение цилиндров рядное, у остальных дизелей — У-образное.
Дизель-электрические гребные установки применяют на судах специального назначения, которые по роду своей деятельности длительное время работают на переменных режимах.
