Судовые силовые и энергетические установки (часть 1)

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. В 1838 году британский пароход «Great Eastern» пересек Атлантику, не поднимая парусов, хотя и имел парусное вооружение. Рост промышленности требовал корабли и суда, которые могли бы независимо от воли стихии совершать регулярные рейсы по Атлантическому и Тихому океанам. В XIX веке резко возросли размеры паровых судов, а вместе с ними и мощности паровых машин. К 90-м годам мощность их была доведена до 9000 лошадиных сил.

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

Сто лет спустя коэффициент полезного действия (КПД) паровой силовой установки уже равнялся 30 процентам, и развивала мощность до 14720 кВт, а число обслуживающего персонала сократилось до 15 человек. Но малая производительность паровых котлов требовала увеличения их количества.

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 XIX 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. Но в наше время еще можно встретить суда, приводимые в движение поршневыми паровыми машинами это речной пароход «American Queen».
 

СУДОВЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ПАРОВЫЕ МАШИНЫ

 
поршневой паровой двигатель

 
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. Упрощенная схема такой циркуляции дана на рисунке 1.
 
принцип действия паровой установки

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВОЙ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

 
Рабочий пар подается в паровой цилиндр через паровые поршни. Он расширяется, давит на поршень и заставляет его скользить вниз. Когда поршень достигает своей нижней точки, парораспределительный золотник изменяет свое положение. Свежий пар подается под поршень, в то время как пар, заполнявший прежде цилиндр, вытесняется.

Теперь поршень движется в противоположном направлении. Таким образом, поршень совершает во время работы движения вверх и вниз, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из штока, ползуна и соединенного с коленчатым валом шатуна, преобразуются во вращательные движения коленчатого вала. Впуск и выпуск свежего и отработавшего пара регулируют клапаном. Клапан приводится в действие от коленчатого вала посредством двух эксцентриков, которые через штанги и шатун соединены с золотниковой штангой.

Перемещение шатуна с помощью переводного рычага вызывает изменение количества пара, заполнившего цилиндр за один подъем поршня, а следовательно, меняются мощность и частота вращения машины. Когда шатун находится в среднем положении, пар уже не входит в цилиндр, и паровая машина прекращает движение. При дальнейшем перемещении шатуна с помощью переводного рычага машина снова приводится в движение, на этот раз в противоположном направлении. Это обусловливает обратное движение судового движителя.

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. Принцип действия поршневой паровой машины показан на рисунке 2. Со временем стали применять машины многоступенчатого расширения. Принцип действия машины трехступенчатого расширения схематично показан на рисунке 3.

 
поршневая паровая машина

 
поршневая паровая машина трехкратного росширения

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией

Изменение сечения между направляющими лепестками изменяет скорость движения отработанных газов. Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией состоит в изменении сечения на входе колеса турбины с целью оптимизировать мощность турбины для заданной нагрузки. При низких оборотах двигателя и поток отработанных газов является небольшим и он раскручивает турбину недостаточно сильно для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки смещаются и уменьшают расстояние между собой. Несмотря на то, что объем отработанных газов не увеличился, ему теперь приходиться «протискиваться» через узкий коридор, что заставляет отработанные газы двигаться быстрее. В результате обороты турбины возрастают и увеличивается давление наддува. Таким образом, удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.

Примечания[ | ]

  1. Техническая энциклопедия / Главный редактор Л. К. Мартенс. — М: Государственное словарно-энциклопедическое издательство «Советская энциклопедия», 1934. — Т. 24. — 31 500 экз.
  2. И. В. Линде. Паровые турбины, вентиляторы и центробежные насосы высокого давления системы инженера А. Рато. // Записки Московскаго отделения Императорского русского технического общества, 1904. С. 563—641.
  3. Константин Владиславович Рыжов. [lib.aldebaran.ru/author/ryzhov_konstantin/ryzhov_konstantin_100_velikih_izobretenii/ 100 великих изобретений]. — М., 2006. — ISBN 5‑9533‑0277‑0.
  4. 12Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 169.
  5. Меркулов И. А. Газовая турбина / под ред. проф. А. В. Квасникова. — Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. — С. 25 – 26.

ТУРБОХОДЫ

 
судно «Turbinia» 

 
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 2000 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 XX 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 40000 тонн преобладали паротурбинные силовые установки, но стремительное развитие двигателей внутреннего сгорания привело к тому, что некоторые корабли и суда водоизмещением более 100000 тонн и в настоящее время оборудуются дизельными силовыми установками. Паротурбинные установки сохранились даже на крупных боевых кораблях, а также на быстроходных и больших контейнеровозах, когда мощность главного двигателя составляет 40000 л. с. и более.
 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СУДОВОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

 
паровая турбина мощностью 20000 л. с.

Паровая турбина относится к силовым установкам, в которых тепловая энергия подведенного пара изначально превращается в кинетическую, а только после этого используется для работы.

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 даже при очень большой мощности имеют сравнительно небольшие размеры, так как частота вращения ротора довольно высока и в зависимости от типа и назначения турбины составляет от 3000 до 8000 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.

Современные паровые турбины судовой силовой установки состоят обычно из двух корпусов. В одном корпусе находится ротор турбины высокого давления, а в другом — низкого. Каждая турбина состоит из нескольких ступеней, которые в зависимости от вида турбины обозначаются как ступени давления или ступени скорости. Рабочий пар последовательно проходит через неподвижные венцы расширительных устройств и венцы рабочих лопаток. Так как объем пара во время процесса расширения постоянно увеличивается, рабочие лопатки по мере падения давления должны быть длиннее.

В корпусе турбины низкого давления находятся особые венцы рабочих лопаток турбины заднего хода. Турбины главной энергетической установки на судах, гребные винты которых имеют изменяющийся шаг, не нуждаются в турбинах заднего хода. Наряду с турбинами главной энергетической установки в машинных отделениях судов устанавливают вспомогательные турбины, которые служат для привода генераторов, насосов, вентиляторов и т. д. Принцип действия ступени паровой турбины показан на рисунке 4.
 
судовая паровая турбина

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.
 

Паротурбинная установка

Паротурбинные установки с высокими параметрами пара в пределах регулируемых частичных нагрузок допускают сохранение номинальных параметров потребляемого пара при переменной, в общем случае, температуре питательной воды, которая, как правило, повышается с увеличением нагрузки. Технологические производства обычно допускают некоторое снижение температурного уровня передаваемого тепла при работе на нагрузках, меньших номинальных. Потребитель, которому передается тепло от активной зоны, определяет нижний уровень температур.

Зависимость динамической вязкости ДФС от поглощенной зоны при различных температурах.

Паротурбинные установки с ОРТ находят достаточно широкое применение в различных областях энергетики.

Принципиальная схема паротурбинной установки без промежуточного перегрева пара.

Паротурбинная установка предназначена для преобразования тепловой энергии пара, получаемой в котле при сгорании топлива, в механическую энергию на валу турбины. На электрической станции эта механическая энергия превращается в электрическую энергию в электрическом генераторе.

Паротурбинные установки на органическом теплоносителе, для производства механической и электрической энергии ( мощность 50 — 800 кВт) нашли широкое применение в Германии.

Паротурбинная установка ( ПТУ) — одна из основных частей тепловой или атомной электростанции.

Паротурбинная установка, как и в режиме А, работает с предельно возможным пропуском пара через проточную часть.

Паротурбинные установки, в которых используется такой метод, называют установками с промежуточным перегревом пара. При правильном выборе давления отбора пара для его промежуточного перегрева и температуры промежуточного перегрева не только предотвращается чрезмерное увлажнение пара в конце процесса расширения, но и достигается некоторое увеличение термического КПД установки.

Паротурбинная установка мощностью N — 200 МВт работает по циклу Ренкина при начальных параметрах рг 13 МПа и ti — 565 С. При давлении р 2 МПа осуществляется промежуточный перегрев пара до первоначальной температуры.

Паротурбинная установка ( ПТУ) — одна из основных частей тепловой или атомной электростанции.

Паротурбинные установки эксплуатируются в различных областях техники. Их устанавливают на кораблях, морских и речных судах, а также на электростанциях, насосных и других установках.

Паротурбинная установка обеспечивает преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию и включает в общем случае паровую турбину, конденсационное устройство, регенеративные подогреватели питательной воды, деаэратор, конденсатиые и питательные насосы.

Паротурбинные установки эксплуатируются в различных областях техники. Их устанавливают на кораблях, морских и речных.

Паротурбинные установки могут работать также на солнечной и геотермальной энергии. Посылаемый на Землю пэток солнечной энергии примерно в 20 тыс. раз выше количества энергии, используемой за одно и то же время в мире. Однако плотность солнечного потока энергии мала, поэтому при использовании ее для производства электроэнергии последняя оказывается весьма дорогостоящей.

Критическое давление и критическая скорость

Первые попытки изобретателей еще не изучивших процесса расширения пара, построить промышленно пригодную паровую турбину натолкнулись на следующее затруднение: оказывается, что если сосуд, в котором находится пар под давлением, снабдить нерасширяющейся трубкой (соплом) цилиндрической или иной формы (рис. 4), через которую будет происходить истечение пара в пространство с меньшим давлением, то пар в этой трубке будет терять давление и приобретать скорость, но только до определенного предела; в случае сухого насыщенного пара у выхода из трубки давление его не может быть меньше 0,58 начального давления. Это давление называется критическим давлением. Соответственно этому давлению мы получим и некоторую предельную скорость истечения, которая называется критической скоростью. Для перегретого пара критическое давление равно 0,546 от начального давления.

Таким образом, если в нашем сосуде находится сухой насыщенный пар при давлении р=10 ата, а выпускаем мы его в атмосферу, то в конце сопла мы получим давление

р1=10*0,58=5,8 ата,

то есть мы используем для превращения в скоростной напор перепад давлений, равный только

10-5,8=4,2 ата.

Дальше, выйдя из устья сопла, пар, расширяясь уже в атмосфере, будет клубиться и увеличения скорости движения его в направлении оси сопла почти не произойдет. Следовательно, пользоваться цилиндрическим (нерасширяющимся)соплом целесообразно только тогда, когда начальное давление пара не превышает примерно двойного давления в пространстве, куда он вытекает; например, при выпуске пара в атмосферу рабочее давление перед соплом не должно превышать 1,8 ата.

Если отношение давлений перед и за трубкой больше 1,8, то для полного преобразования энергии давления в скоростную энергию нужно, чтобы трубка (сопло) имела после узкого сечения расширяющуюся часть (рис. 5).

Отличительная особенность расширяющегося сопла заключается в том, что давление пара у выхода из сопла может быть доведено до давления среды, в которую он вытекает. При этих условиях пар вытекает из сопла с сверхкритической скоростью и идет ровной струей, вся энергия которой может быть использована на лопатках турбины. Расширяющееся сопло дает возможность использовать любые перепады давлений, полностью преобразовываю в пределах данного перепада давлений потенциальную энергию пара в кинетическую.

История создания паровой турбины

В ходе истории было предпринято большое количество попыток создания механизмов, похожих на паровую турбину именно в том виде, какой мы ее рассматриваем сейчас. Можно сказать, что все началось еще в I веке. Герон Александрийский создал интересный механизм (рисунок 2). Но его потенциал не оценили и восприняли как забавную игрушку.

Рисунок 2. Геронов шар

Это изобретение по праву можно назвать первым прототипом паровой турбины. В котле кипела вода и образовывался пар. По трубке пар подавался к шару и вылетал из сопел. Шар начинал вращаться.

Считается, что первую паровую турбину создал в 1883 году шведский изобретатель Густав Лаваль. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями. Такой вариант сопел стал прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии.

С этого момента турбины стали активно использовать для приведения в действие электрогенераторов. В этом же году количество используемых турбин выросло до трехсот.

В 1894 году английский инженер Чарлз Парсонс построил опытное судно “Турбиния” с приводом от паровой турбины. Скорость этого судна достигала $60 \frac{км}{ч}$. В настоящее время судно находится в музее Newcastle’s Discovery Museum (рисунок 3), а её турбина находится в Лондонском музее науки.

Рисунок 3. “Турбиния” в музее Newcastle’s Discovery Museum

{"questions":,"answer":}}}]}

Рабочий процесс активной турбины

На (рис. 8) изображен в схематическом виде разрез простейшей активной турбины. В верхней части этого рисунка нанесены кривые, определяющие давление и скорости пара перед соплами за соплами и за рабочими лопатками.

Свежий пар с давлением р и скоростью с поступает в сопло 4 и расширяется в нем до давления р1; при этом скорость струи пара возрастает до величины с1. С этой скоростью струя подходит к рабочим лопаткам 3 и, воздействуя на лопатки, заставляет диск 2 и вал 1 вращаться, производя механическую работу.

По выходе из рабочих лопаток струя имеет скорость с2 (выходную скорость) меньшую, чем с1, так как кинетическая энергия преобразуется в механическую работу. Хотя давление в различных местах криволинейного канала, образованного рабочими лопатками, неодинаково, но при входе в канал и при выходе из него оно одинаково, так как каналы между лопатками имеют одинаковое сечение по длине и в них не происходит добавочного расширения пара.

Практически, как мы увидим ниже, сечения каналов между лопатками активных турбин приходится выполнять несколько возрастающими по направлению течения пара; это вызывается тем обстоятельством, что вследствие трения и ударов при протекании паровой струи между лопатками теплосодержание пара несколько возрастает; следовательно, для того чтобы давление его оставалось неизменным, необходимо постепенное увеличение сечений каналов.

Отработавший пар с давлением р21 уходит из турбины через выпускной патрубок 6.

Таким образом, мы видим, что активная турбина имеет следующую характерную особенность: Падение давления пара происходит только в сопле (или в соплах, если их несколько); давление пара при входе на лопатки и при выходе с них одинаково.

Два принципа работы пара в турбине

Из сказанного выше вытекает, что, используя расширение пара в турбине, мы можем получить механическую работу, эквивалентную располагаемому перепаду тепла за вычетом потерь. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую работу может происходить различным образом в зависимости от типа турбины.

Турбины, у которых расширение пара происходит только в неподвижных соплах до вступления его на рабочие лопатки, называется активными турбинами.

Турбины, у которых расширение пара совершается не только до вступления его на рабочие (подвижные) лопатки, но и во время прохождения между ними, называются турбинами, работающими с реакцией. Если теплопадение в соплах составляет примерно половину общего теплопадения (или меньше), турбину принято называть реактивной.

Струя жидкости, направленная на лопатку, оказывает на нее давление, которое зависит от расхода жидкости, скорости ее при входе на поверхность и при выходе с нее, формы поверхности лопатки, угла направления струи относительно этой поверхности и разности давлений жидкости перед и за лопаткой. При этом вовсе не требуется, чтобы струя ударяла о лопатку; наоборот, этого нужно всегда избегать и стремиться к тому, чтобы поток не ударял о лопатку, а плавно ее обтекал.

Дело в том, что при обтекании паром лопаток, так же как при обтекании воздухом крыла самолета, с обеих сторон поверхности лопатки образуется разное давление: с вогнутой стороны давление всегда выше, чем с выпуклой. Вследствие этого получается сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны; она заставляет лопатки перемещаться и совершать работу. Отцом русской авиации» профессором Н. Е. Жуковским установлены основные законы для определения «подъемной силы» крыла самолета, обтекаемого воздухом; применение этих законов помогает конструкторам современных турбин создавать наилучшие профили лопаток, обеспечивающие малые потери.

Однако при элементарном изучении преобразования энергии в турбине и конструкций турбин удобнее и нагляднее разделять и рассматривать особо активные и реактивные ступени и происходящие в них процессы. При этом часто вводятся еще некоторые упрощения; в частности, поток пара в соплах и между лопатками рассматривается в ряде случаев как некоторая сплошная струя несжимаемой жидкости, имеющая одинаковые скорости и давления в любой точке входного или выходного сечения.

Ниже рассмотрим подробнее, как работают активная и реактивная ступени турбины.

Мощный газотурбинный двигатель. Новая разработка украинской промышленности

Речь идет о мощных ГТД, которые можно применять в составе генерирующих электростанций, включая, в том числе, и мобильные электростанции.

В мире существует стабильный спрос на такой тип продукции. Двигатель можно применять и на газоперекачивающих станциях, где требуется прокачка больших объемов газа. И хотя в целом это двигатели гражданского назначения, в перспективе их с учётом адаптации можно также применять и на кораблях военно-морских сил.


Новый ГТД станет основой пропульсивного комплекса перспективных кораблей.

– На сегодняшний день создано три опытных образца, два из которых относятся к энергетическому направлению и предназначены для выработки электроэнергии, и еще один образец – для газоперекачивающих агрегатов, – отметил генеральный конструктор НПКГ «Зоря»-«Машпроект» Геннадий Литвинов. – По всем трем образцам в 2020 году мы приступили к опытно-доводочным работам. Это процесс очень ответственный и потому не быстрый, опытно-доводочные работы ГТД нового поколения могут занять до семи лет.

Создание нового мощного двигателя было невозможно без использования современных технологий и материалов.


Мощный ГТД, которые можно применять в составе генерирующих электростанций, включая, в том числе, и мобильные электростанции.

– На каждом из этапов создания мы старались применять существующие в мире и уже имеющиеся у нас технологии, – рассказывает заместитель генерального конструктора – начальник конструкторского отделения Владимир Чобенко. – В частности, на этапе проектирования – это современные расчетные программные комплексы, современные методы проектирования, так называемое «сквозное проектирование», когда конструктор создает трехмерную модель детали, а дальше она передается технологам, которые разрабатывают оснастку для изготовления двигателя. На этапе выбора материалов мы ориентировались на сплавы, которые имеют более высокие жаропрочные свойства, чем применяемые у нас сейчас на серийно изготавливаемых двигателях.

Для проведения испытаний на НПКГ «Зоря»-«Машпроект» используется разработанная специалистами телеметрическая система для передачи информации с вращающихся деталей. Это позволяет сократить финансовые и временные затраты на создание нового изделия. Идет этап опытно-доводочных работ, в рамках которых проводится ряд испытаний с целью подтверждения правильности и эффективности принятых конструктивных решений. В данный момент завершены испытания так называемой «пятой сборки».


Из каталога НПКГ «Зоря-Машпроект». PublicDocuments/0401851.pdf

– Пятая сборка означает глобальный пятый этап испытаний, – поясняет Геннадий Литвинов. – В настоящее время образец №2 – двигатель для газоперекачивающих агрегатов – демонтирован с испытательного стенда и находится в сборочном цехе нашего предприятии. Испытания пятого этапа выполнены. Речь идет о проверке напряженности лопаток силовой турбины, напряженности и термического состояния жарового узла и технического состояния упорных подшипников скольжения. Будет проведен анализ результатов, сделаны выводы и, возможно, выполнены какие-то корректировки.

Завершение этого этапа испытаний не означает полного завершения работ по созданию нового ГТД. По словам заместителя генерального директора – генерального конструктора ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект», это, по сути, начало пути. Вполне возможно, что впереди еще предстоит внести изменения в конструкцию, чтобы получить гарантированно надежный и эффективный двигатель мощностью 32 МВт.

Источник

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Теги: Технологии двигатель кораблестроение Украина

Предыдущая статья «Мрия» в аэропорту Алматы | Видео из кабины пилотов

Следующая статья Сколько стоит «Мрия»?

Предоставлено SendPulse

Нравится 0

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Editor
Editor/ автор статьи

Давно интересуюсь темой. Мне нравится писать о том, в чём разбираюсь.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Информ-дайджест
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: