Резюме: Двигателят, използван за задвижване на кораба, се нарича главен двигател за задвижване (известен също като „основен двигател“), който играе решаваща роля в работата на цялата морска електроцентрала. Типовете морски електроцентрали обикновено се разделят според различните основни двигатели. Основните двигатели на съвременните кораби включват главно дизелови двигатели, парни турбини, газови турбини и атомни електроцентрали. Понастоящем повечето граждански кораби и някои средни и малки военни кораби използват дизелови двигатели; големите и средните кораби използват предимно парни турбини или газови турбини; комбинираните електроцентрали могат да отговорят на нуждите на надводните кораби при различни навигационни условия; атомните електроцентрали могат значително да подобрят издръжливостта и самодостатъчността на корабите, но те трябва да използват екраниращи устройства, тежки са и имат сложни конструкции. Подходящи са за големи самолетоносачи, големи и средни подводници, ледоразбивачи и някои големи граждански кораби. Средните и малките подводници могат да използват дизелови двигатели за задвижване на генератори за генериране на електричество и задвижване на подводниците напред чрез електрическо задвижване. Чрез изучаване на морските електроцентрали е полезно бързо да се разберат техните типове, структури, технически характеристики, използване и методи на управление, като по този начин се подобрят техните действителни ефекти от приложението по време на навигация на кораба и се подобри цялостната мощност на корабите.
Ключови думи: дизелов двигател; газова турбина; парна турбина; комбиниран енергиен агрегат; ядрена енергия; самолетоносач; електрическо задвижване

В началото на 19-ти век парните двигатели са били успешно използвани във вътрешния кораб „Clermont“ като основна задвижваща сила за целия кораб, което бележи формирането на концепцията за „моторна единица“ за кораби. Първоначалното значение на енергийната единица се отнася до набор от машини, оборудване и системи, които заместват човешката енергия или вятърната енергия, за да осигурят задвижваща мощност за различни кораби. През годините, с непрекъснатото развитие и оптимизиране на корабната технология, производителността на свързаните силови агрегати също постепенно се подобряваше.

1 Преглед на морските силови агрегати
В морските силови агрегати двигателят, който осигурява източник на енергия за корабите да плават, се нарича главен задвижващ двигател, известен също като главен двигател на кораба. Основният двигател преобразува топлинната енергия от различни източници в механична работа, като по този начин осигурява енергия, необходима за навигация на различни кораби. Захранващите агрегати са разделени на няколко категории според конкретни типове, включително дизелови двигатели, парни турбини, газови турбини, комбинирани енергийни агрегати и ядрени енергийни блокове.

Основният двигател на кораба трябва да се стреми да бъде безопасен и надежден, да има достатъчна жизненост, да е лесен за използване, гъвкав, лек, малък размер, ниска цена, нисък разход на гориво, лесна поддръжка и дълъг живот, да има способността да се движи назад и да може работи стабилно при ниска скорост или крейсерска скорост, така че да гарантира, че различните характеристики на кораба са максимизирани. Относителното значение на тези характеристики варира в зависимост от различните задачи на кораба, а надеждността е най-важна.

Както бе споменато по-горе, основният двигател на кораба е основното оборудване в електроцентралата. Изборът на основния тип двигател определя структурния състав и експлоатационните характеристики на цялата морска електроцентрала като цяло. Следователно класификацията на морските електроцентрали се основава най-вече на типа на главния двигател. Работното състояние на главния двигател пряко влияе върху нормалната навигация и безопасността на целия кораб и трябва да се обърне специално внимание при избора, проектирането и производството.

2 Технически характеристики и преглед на развитието на корабните дизелови двигатели

2.1 Преглед на корабните дизелови двигатели

Дизеловите двигатели са често срещан тип двигател с вътрешно горене. Тъй като не е необходимо да бъдат оборудвани с друго оборудване като котли, резервирането на системата е намалено. В момента те се използват широко на различни видове кораби. Въпреки това, поради възвратно-постъпателното движение на дизеловите двигатели, износването, вибрациите и шумът са относително големи. По-специално, увеличаването на мощността на дизеловия двигател е ограничено от оборудване за обработка, технология, материали, обем и тегло, така че е трудно да се увеличи допълнително мощността на един двигател.

Сред дизеловите двигатели нискооборотните дизелови двигатели имат най-нисък разход на гориво и могат да изгарят по-нисък тежък дизел, така че цената на горивото е ниска. Поради ниската скорост и малкото износване на нискооборотните дизелови двигатели, експлоатационният живот е дълъг и разходите за поддръжка са ниски. Въпреки това, теглото и размерите на нискооборотните дизелови двигатели са големи и те заемат повече място в кабината и работен обем, което е техният недостатък. Този тип двигател се използва най-вече като основен двигател на големи кораби.

Високоскоростните дизелови двигатели са с малко тегло и малки размери и заемат по-малко място в кабината и работен обем. Високоскоростните дизелови двигатели обаче имат висок разход на гориво и трябва да използват висококачествен лек дизел, така че цената на горивото е относително по-висока. В същото време, поради високата скорост на високоскоростните дизелови двигатели, машината се износва повече, експлоатационният живот е кратък, разходите за поддръжка са високи и шумът също е висок. Този тип двигател се използва най-вече като основен двигател на малки кораби или спомагателен двигател на големи и средни кораби. Производителността на среднооборотните дизелови двигатели е между горните две и те обикновено се използват в средно големи кораби. Въпреки това, през последните години, тъй като дизеловите двигатели със средни обороти също могат да изгарят тежко масло, а разходът на гориво е близък до този на дизеловите двигатели с ниски обороти, с развитието на технологията на редукторната кутия, някои дизелови двигатели със средна скорост и висока мощност двигатели са използвани и в големи кораби.

2.2 Основни технически характеристики на корабните дизелови двигатели

Като цяло техническите предимства на дизеловите двигатели се изразяват главно в следните аспекти.

1) Добра икономика. Дизеловите двигатели имат висока икономичност в широк диапазон от работни условия. В същото време дизеловите двигатели с ниска скорост могат да изгарят и мазут, което значително намалява разходите за гориво. Нивото на разход на гориво на главния двигател на кораба е важен фактор за определяне на икономическата ефективност на операциите на кораба. При настоящата енергийна ситуация високата икономичност на дизеловите двигатели осигурява добри перспективи за тяхното приложение.

2) Широк диапазон на мощност. Обхватът на мощността и скоростта на морските дизелови двигатели е широк и могат да бъдат предоставени много модели за различни видове кораби, от които да избирате. Нискооборотните дизелови двигатели са най-мощните модели сред дизеловите двигатели. Технологичното им развитие е представително. Тяхната икономическа ефективност, надеждност и маневреност бяха значително подобрени през последните години.

3) Добра маневреност. Дизеловият двигател стартира бързо, лесен е за управление и има чувствителен реверс. Предварителната работа може да бъде изпълнена за около 10 минути. Времето за преход от студен старт към работа при пълно натоварване на главния двигател обикновено е не повече от 10 минути и не повече от 3 до 4 минути при авария. Реверсирането на главния двигател обикновено може да бъде завършено в рамките на няколко секунди. Маневреността на главния двигател е важен показател за технически характеристики, който е особено важен за надводните кораби. Това ще повлияе пряко върху способността за цялостна реакция и техническите характеристики на целия кораб. В днешната ера високоефективните оръжия, представлявани от ракети, са напълно разработени и представляват голяма заплаха за надводните кораби. Ето защо съкращаването на времето за подготовка, бързото влизане в бой и навременното напускане на опасната зона са от голямо значение за надводните кораби.

4) Ниска консумация на въздух, малко пространство, заемано от входящите и изпускателните канали, по-лесно за подреждане и по-добра независима работа и устойчивост на удар.

5) Дизеловите двигатели с ниска скорост могат директно да задвижват витлата и чрез приемане на по-ниска скорост може да се избегне кавитацията на витлото, като по този начин се подобрява ефективността на задвижването на витлото. Тази характеристика не само подобрява цялостната ефективност на преобразуването на енергия, но също така не изисква устройство за редуциране, опростява оборудването за предаване и спестява инвестиции в строителството и разходи за поддръжка по време на корабостроенето.

6) Силна адаптивност към околната среда. Дизеловите двигатели могат да продължат да работят под въздействието на непрекъснато вариращо високо обратно налягане и голям вакуум, а отслабването на мощността не е значително. В допълнение, дизеловите двигатели могат също да бъдат направени в нискомагнитни единици, за да отговорят на специалните изисквания на надводни кораби като миночистачи.

7) Средните и малките дизелови двигатели са леки, заемат по-малко място и имат по-малко спомагателно оборудване. Едно от основните технически изисквания за морските силови агрегати е лекото тегло, за да се намали водоизместимостта, заета от силовия блок, което може да увеличи нетното натоварване на кораба или да подобри скоростта и издръжливостта на кораба. За средни и малки кораби пространството на машинното отделение е сравнително тясно. В допълнение към изискването захранващият блок да бъде с ниско тегло, също така се изисква особено компактен размер и малък обем. Теглото и обемът на самия силов агрегат зависят до голяма степен от основния двигател и необходимото за него спомагателно оборудване. С развитието на технологията за високо налягане, мощността на дизеловия двигател е значително подобрена, докато теглото и размерът на дизеловия двигател не са се променили много, а единичното тегло на дизеловия двигател с компресор е намалено допълнително. Дизеловият двигател не трябва да бъде оборудван с голямо спомагателно оборудване, а необходимото спомагателно оборудване също е по-малко. Предимствата на средно- и високооборотните дизелови двигатели в това отношение са особено изявени. Това също е важна причина, поради която средните и малките кораби обикновено използват дизелови двигатели.

Понастоящем техническите недостатъци на дизеловите двигатели са главно в следните аспекти.

1) Единичната мощност на средно- и високоскоростните дизелови двигатели е сравнително малка.

2) Въпреки че мощността на нискооборотните дизелови двигатели е сравнително голяма, с увеличаване на мощността на цялата машина, обемът и теглото на този тип единица ще се увеличат бързо при определено съотношение. Следователно ще има определени трудности при проектирането и производството на нискооборотни дизелови двигатели с по-висока мощност и съответно се поставят по-високи изисквания за обработка, монтаж и транспортиране на части. В процеса на намаляване на механичните и термичните натоварвания на материалите на блока също ще възникнат определени трудности. Голямата височина на устройството също ограничава приложението му на големи надводни кораби като самолетоносачи.

3) За разлика от въртящите се машини като парни турбини и газови турбини, буталата и другите части на дизеловите двигатели продължават да се въртят по-скоро, отколкото просто да се въртят, така че ще се генерират периодични смущаващи сили. Следователно дизеловият двигател не само има големи вибрации и шум, но също така има сериозно триене и износване на частите и има силен нискочестотен вибрационен шум от линейния спектър, което е много неблагоприятно за стелт и анти-стелт на надводни кораби.

4) Минималната стабилна скорост на дизеловия двигател е висока, което води до относително малка стабилна работна площ на уреда.

2.3 Преглед на техническото развитие на корабните дизелови двигатели

Както е описано в 2.2 на тази статия, важните предимства на дизеловите двигатели са висока топлинна ефективност, нисък разход на гориво, добра цялостна икономия, голям диапазон на мощност, широка приложимост, по-малко спомагателно оборудване и малко общо тегло. Основните дефекти на дизеловите двигатели са шум, вибрации и големи загуби от триене. Големите цивилни кораби използват предимно нискооборотни дизелови двигатели като основни двигатели. Този тип двигател има висока надеждност, ниски разходи за поддръжка и може директно да задвижва витлата. Средните и малките военни кораби използват предимно средни и високоскоростни дизелови двигатели като основни двигатели, за да намалят размера и теглото на единицата.

През последните години, с увеличаването на тонажа на кораба, за да се увеличи мощността на дизеловите двигатели, дизеловите двигатели с ниска скорост се развиват в посока на увеличаване на диаметъра на цилиндъра и увеличаване на компресора, което може да отговори на изискванията за задвижване на кораб с висока мощност и може да задвижва витла чрез устройства за намаляване на скоростта. Особено при различни видове вътрешни кораби, дизеловите двигатели имат абсолютно предимство и почти са се превърнали в единствения тип мощност.

През последните години как да пестим енергия се превърна в основна изследователска тема у нас и в чужбина. Понастоящем се извършва съответната изследователска работа за постигане на по-високо ниво на топлинна ефективност на корабните дизелови двигатели. В допълнение към подобряването на горивната система, системата за впръскване и системата за свръхзареждане и намаляването на загубите от триене и загубите от изтичане на въздух, се провеждат и изследвания за намаляване на загубите при охлаждане, като пълно използване на енергията на отработените газове и инсталиране на силова турбина след турбокомпресор за изгорели газове, за да използвате пълноценно енергията на отработените газове. Понастоящем все още има много изследователска и развойна работа, която трябва да се извърши върху морските дизелови двигатели.

През последните години технологията на морските дизелови двигатели се разви бързо, което се отразява главно в следните аспекти.

1) Мощните дизелови двигатели обикновено използват технология с високо презареждане и постепенно подобряват производителността на агрегатите при ниски работни условия.

2) Възприемане на високонадежден модулен дизайн и технология на производство.

3) Дизеловите двигатели със средна и ниска скорост използват свързани технологии за пълно изгаряне на тежко гориво.

4) Приемете „интелигентна“ технология за електронно управление и технология за горивна система Common Rail с високо налягане, както и технологии с ниски емисии и други свързани технологии.

В миналото за дълъг период от време гражданските кораби с различни цели обикновено са използвали дизелови двигатели като двигатели, докато големите кораби са използвали предимно парни турбини. През последните години, с подобряването на технологията за изгаряне на тежко масло в дизеловите двигатели, мощността на нискооборотните дизелови двигатели беше значително подобрена. Дори на големите кораби дизеловите двигатели имат тенденция постепенно да заменят парните турбини. На вътрешните кораби, поради ограниченията на обективните условия като дълбочина на канала и тонаж на кораба, повечето вътрешни кораби използват средно- и високоскоростни дизелови двигатели като основни двигатели.

3 Технически характеристики и преглед на развитието на морските парни турбини

3.1 Преглед на морските парни турбини

Парните турбини са вид термична турбина, която използва разширение на парата, за да преобразува топлинната енергия в механична енергия. Сред тях котли, тела на парни турбини, кондензатори и захранващи помпи са сравнително важно оборудване.

Подобно на парните двигатели, парните турбини са силови устройства, които преобразуват топлинната енергия на парата в механична работа. Разликата между двете е, че при парните турбини топлинната енергия на парата се преобразува в кинетична енергия на парата и тази част от кинетичната енергия след това се преобразува в механична работа и се предава на вала на турбината. По отношение на работния си процес, парата под високо налягане от котела навлиза във фиксираната дюза и парата се разширява в дюзата. При разширяване налягането на парата намалява и скоростта на потока на парата съответно се увеличава. Високоскоростният поток от пара въздейства върху лопатките, монтирани на плъзгача, карайки плъзгача да се върти.

3.2 Основни технически характеристики на корабните парни турбини

Най-общо казано, парните турбини имат следните технически предимства.

1) Като термичен двигател с най-висока единична мощност, той може ефективно да отговори на изискванията за мощност на големи надводни кораби.

2) Има висока надеждност и дълъг експлоатационен живот, а ефективният му експлоатационен живот може да достигне повече от 100,000 XNUMX часа, а процесът на работа, поддръжка и поддръжка е сравнително прост.

3) Устройството има ниски вибрации, триене и шум, което може да осигури по-тиха и по-комфортна среда за персонала на кораба.

4) Има силна адаптивност към горивото и може да използва по-ниско гориво, което съответно подобрява икономическите показатели.

Но в същото време парните турбини имат и следните недостатъци.

1) Процесът на преобразуване на енергия е сложен и икономиката е лоша. В процеса на пренос на енергия топлинната енергия ще се губи в котли, тръбопроводи, клапани, помпи и друго оборудване, особено в кондензатора, така че топлинната ефективност на уреда е сравнително ниска. За парни турбини, използващи прости цикли, тяхната икономичност е лоша, не толкова добра, колкото дизеловите двигатели или газовите турбини. Основната причина е, че началната температура на работния флуид е ниска и голямо количество топлинна енергия ще бъде отнето от охлаждащата вода на кондензатора, така че ефективността на цикъла е по-ниска от тази на другите два типа главни двигатели .

2) Съставът на системата е сложен. Парната турбина използва пара като работен флуид и трябва да бъде оборудвана с котли, кондензатори, помпи и други спомагателни устройства или оборудвана с ядрени реактори и свързани системи за получаване на пара с висока температура. Следователно индексът на теглото на парната турбина е по-голям от този на среднооборотните дизелови двигатели, високоскоростните дизелови двигатели и газовите турбини. И повлияна от процеса на подготовка на парата, маневреността на парната турбина също не е толкова добра, колкото горните единици.

3) Поради високата скорост, парната турбина трябва да бъде оборудвана с устройство за намаляване, което допълнително увеличава теглото на агрегата, прави състава на системата по-сложен, увеличава разходите за проектиране и производство и намалява надеждността на системата.

3.3 Преглед на техническото развитие на морските парни турбини

Тъй като парните турбини се въртят, те работят гладко, имат ниски вибрации и шум, произвеждат по-малко триене и износване и имат дълъг експлоатационен живот, което ги прави особено подходящи за пътнически кораби. Парните турбини са лесни за поддръжка и имат висока надеждност. Те могат да работят при условия на пълно натоварване за дълго време, имат силен капацитет за претоварване и са по-приспособими към околната среда. Парните турбини имат висока мощност, могат да изгарят мазут или втечнен природен газ и са по-малки от парните машини по отношение на тегло и обем. Процесът на преобразуване на енергията на парните турбини обаче е по-сложен, с ниска топлинна ефективност, висок разход на гориво и ниска икономия. Понастоящем те се използват най-вече в петролни танкери с голям тонаж, контейнеровози и кораби за втечнен природен газ.

Тъй като парните турбини могат да се въртят само в една посока. За да се получи мощност за обратно въртене, обикновено се монтира реверсивно стъпало на вала на цилиндъра за ниско налягане на предната парна турбина. Обратното стъпало обикновено има не повече от три реда въртящи се лопатки или може да има само два реда, а мощността, която генерира, е около 40% от мощността за движение напред. По време на нормална работа на парната турбина, обратната степен е в обратно състояние, така че обикновено се монтира в края с ниско налягане на парната турбина с ниско налягане. Плътността на парата на тази част е ниска, така че загубата на газово съпротивление, генерирана от обратната парна турбина, също е ниска.

През 1896 г. Обединеното кралство успешно използва парни турбини като корабни главни двигатели и пробната скорост може да достигне 34.5 kn (възела). Оттогава парните турбини се използват широко на кораби с висока мощност. Ранните парни турбини са използвани директно за задвижване на витла и не е използвана редукторна предавка. За да може витлото да работи с идеална скорост, към парната турбина беше добавен редуктор, така че както парната турбина, така и витлото да могат да работят при съответните си оптимални скорости. До 1916 г. почти всички морски парни турбини използват редуктори и съотношението на редукция е увеличено от първоначалното 1:20 до повече от 1:80. След приемане на редукторното устройство, парната турбина може да работи с по-висока скорост, ефективността е значително подобрена, размерът на тялото на машината е съответно намален, цялото устройство е по-компактно, общото тегло е значително намалено и работната ефективност на витлото е значително подобрен, което прави парната турбина идеално устройство за морска мощност с висока мощност. Много големи пътнически кораби, супертанкери и високоскоростни контейнеровози използват парни турбини.

Дълго време, поради значителното си предимство в изходната мощност, парните турбини имат определени перспективи за приложение в различни големи кораби, особено в областта на големите надводни кораби. Въпреки това, поради късното начало на индустрията за производство на парни турбини в моята страна, делът на корабите, използващи парни турбини като основни двигатели, не е висок. С подобряването на системата на корабостроителната индустрия на моята страна, тя все още се очаква да бъде напълно развита. Понастоящем има две основни тенденции в развитието на морските парни турбини на този етап: едната е да се подобри топлинната ефективност на системата чрез увеличаване на първоначалните параметри на парата и приемане на сложни цикли, като по този начин се подобри ефективността на главния двигател и спомагателни двигатели; другото е да се използват по-ниски параметри на парата и да се увеличи скоростта на потока на парата, така че тялото на турбината и котела да могат да приемат по-проста структурна система, като по този начин се опрости процеса на управление и се подобри надеждността на устройството.

4 Технически характеристики и преглед на развитието на корабните газови турбини

4.1 Преглед на морските газови турбини

От въвеждането им парните турбини и дизеловите двигатели са широко използвани. Както е описано в 2.2 и 3.2 на тази статия, дизеловите двигатели са вид двигател с вътрешно горене, при който горивото изгаря вътре в цилиндъра и имат предимството на добрата маневреност; парните турбини са вид термични турбини и основното им предимство е, че имат голяма единична мощност. Газовите турбини комбинират предимствата и на двете и са вид термичен двигател, който е официално разработен в средата на 20-ти век след двете.

Подобно на парните турбини, газовите турбини също са вид термични турбини, съставени главно от три части: компресор, горивна камера и турбина. Сред тях турбината включва главно компресорна турбина и силова турбина. Турбината на компресора е коаксиална с компресора, а силовата турбина задвижва витлото през системата от валове, която обикновено се нарича още газова турбина с двоен вал. Компресорът, горивната камера и компресорната турбина заедно съставляват газовия генератор.

4.2 Основни технически характеристики на морските газови турбини

По време на процеса на разработка газовите турбини за първи път бяха широко използвани в областта на задвижването на авиацията и напълно замениха буталните двигатели. От 1947 г. газовите турбини се използват и в областта на надводните кораби и постигнаха голям напредък през следващите десетилетия. Те постепенно се превърнаха в една от основните силови единици на надводните кораби и бяха високо ценени от флотовете по света. Техните технически предимства са главно следните.

1) Добра маневреност, отлично стартиране и ускоряване. Газовата турбина стартира от студено състояние и отнема само 2 до 3 минути, за да достигне условия на пълно натоварване. След като врагът бъде открит, корабът може да реагира бързо и бързо да влезе в битка, подобрявайки маневреността на битката и ефективно съкращавайки времето за подготовка. Горните предимства са от голямо значение за надводните кораби.

2) Газовата турбина е лека по тегло и малък размер, може да бъде направена в кутия и има висока мощност на единичен блок.

3) Има малко аксесоари и повечето от тях са инсталирани на шасито, така че устройството има силна жизненост.

4) Степента на автоматизация е висока и се изисква по-малко персонал.

5) Амплитудата на вибрациите на модула е малка, което може ефективно да подобри работната среда на персонала на кораба.

6) Лесен е за ремонт, лесен за управление, има малък обем от поддръжка и лесно се реализира автоматично управление.

Въпреки че газовите турбини имат изключителни технически предимства, те имат и следните недостатъци.

1) Икономиката на газовите турбини не е толкова добра, колкото тази на дизеловите двигатели, особено когато се отклоняват от номиналните работни условия, разходът на гориво на газовите турбини ще се увеличи бързо. Като вземем за пример газовата турбина WR-21, нейният разход на гориво при номинални условия е подобен на този на високоскоростните дизелови двигатели, но при работа при условия на ниско натоварване, разходът на гориво на този тип газова турбина ще се увеличи бързо. Именно поради наличието на горните проблеми, приложението на газовите турбини в гражданските кораби е ограничено.

2) Газовите турбини не могат да бъдат обърнати директно и трябва да бъдат оборудвани с устройство за обратно предаване или витло с регулируема стъпка, което прави структурата на енергийния блок по-сложна и увеличава цената на системата.

3) Газовата турбина има голяма площ на напречното сечение за входни и изпускателни канали, което се отразява на цялостното оформление на пространството на палубата и кабината на надводния кораб.

4) Температурата на отработените газове е висока и топлинното излъчване е силно, така че характеристиките на топлинния му сигнал също са силни, което се отразява на укриването на целия кораб.

5) Той е чувствителен към условията на околната среда като температура, което лесно влияе на топлинната ефективност на уреда.

6) Животът на уреда е кратък. Тъй като горивната камера и турбинните лопатки на газовата турбина непрекъснато работят при условия на висока температура и високо налягане. В същото време морският въздух, вдишван от газовата турбина, съдържа известно количество сол. Под действието на вещества като натрий и ванадий турбинните лопатки и дюзи могат да бъдат корозирали за кратко време. Въпреки че обикновено се избират висококачествени сплави, експлоатационният живот на морските газови турбини все още е кратък.

4.3 Преглед на техническото развитие на морските газови турбини

В сравнение с парните турбини, газовите турбини са с малки размери, леко тегло, нисък разход на гориво, добри при стартиране и ускоряване, лесни за ежедневна работа и поддръжка и удобни за дистанционно централизирано управление. В сравнение с дизеловите двигатели, въпреки че газовите турбини имат относително ниска топлинна ефективност, те имат по-висока мощност на единица, по-опростена структура, по-малко части, по-леко тегло, по-малък размер и постепенно подобрена надеждност. Поради това областите на тяхното приложение постепенно се разширяват през последните години.

През последните години някои високоскоростни граждански кораби също започнаха да използват газови турбини като основна задвижваща сила. Основните кораби на някои страни използват газови турбини като задвижваща сила. С нарастването на търсенето на корабна енергия има и планове за използване на газови турбини като електроцентрали. Изследванията и развитието на морските газови турбини в моята страна също отбелязаха значителен напредък и имат широки перспективи за развитие.

На този етап се разработват основно два различни типа газови турбини: авиационни и индустриални. Произведените от авиацията типове имат характеристиките на проста структура, леко тегло и лесен контрол, но трябва да използват висококачествено гориво. Индустриалните газови турбини са друг тип модели, които имат по-дълъг експлоатационен живот и могат да използват правилно обработено мазут. Промишлените единици обикновено използват регенератори. Изгарянето на гориво изисква голямо количество въздух и произвежда голямо количество отработени газове, което прави подаването на въздух и емисиите на димни газове важни въпроси.

Друга причина за бързото развитие на морските газови турбини е, че те наследяват и използват съществуващата техническа основа на авиационните газови турбини и индустриалните газови турбини. Особено за първите, авиационните двигатели винаги са били предшествениците на развитието на газовите турбини. Принципът на газовите турбини е известен на хората от дълго време, но от дълго време, в сравнение с парните турбини, приложението на газовите турбини в индустрията е сравнително бавно. Работната течност на парните турбини може да кондензира във вода, така че мощността, консумирана от помпата за захранваща вода, не е голяма. Работният флуид на газовите турбини обаче е въздух и газ, които не могат да кондензират във вода, така че компресорът трябва да консумира значително количество енергия, за да постигне процеса на компресия. Следователно, само когато температурата на цикъла, ефективността на компресора и турбината са високи, газовата турбина може да има висока ефективност на цикъла и да осигури голяма полезна мощност. Техническите трудности във високотемпературните материали, технологията за охлаждане на лопатките и аеродинамичните характеристики на компресорите ограничават развитието и приложението на газовите турбини.

В сравнение с индустриалните газови турбини, морските газови турбини имат по-строги изисквания към теглото и размера на агрегата. Това изискване обаче е сравнително свободно в сравнение с това на авиационните газови турбини. Напротив, фокусът или основното противоречие на аеродинамичния дизайн на морските газови турбини често е висока ефективност на компонентите и стабилни променливи работни характеристики. В същото време, за да се съкрати цикълът на разработка, е необходимо да се намали работното натоварване за отстраняване на грешки. При проектирането на основните компоненти на морските газови турбини е необходимо да се обърне пълно внимание на изискванията за зряла технология, стабилни решения, проста структура и удобно производство. За разлика от авиационните газови турбини, крейсерската мощност на морските газови турбини е значително по-ниска от максималната мощност. Въпреки че тази особеност може да бъде решена чрез приемане на комбиниран енергиен блок от крейсерска единица и ускоряваща единица, тя все още поставя определени изисквания за икономичността на морските газови турбини в широк диапазон от условия на натоварване.

Понастоящем газовите турбини, произведени от авиацията, обикновено са се превърнали в енергийни агрегати на военни кораби. Индустриалните газови турбини са по-подходящи за граждански кораби, които имат по-ниски изисквания към теглото и размера на силовия агрегат. Ако корабът трябва да направи заден ход, могат да се използват витла с променлива стъпка и електрическо задвижване. Освен това газовите турбини със затворен цикъл имат висока ефективност, но все още са в етап на изследване. В корабите газовите турбини често се използват с комбинирани силови агрегати.

Засега морските газови турбини винаги са се развивали около увеличаване на мощността, подобряване на ефективността и намаляване на размера и теглото. Нейната бъдеща посока на развитие е основно както следва.

1) Продължаване на разработването на прости цикли с по-високи начални параметри, непрекъснато повишаване на началната температура на газа и съответно увеличаване на съотношението на налягането, като същевременно се използва по-ефективна технология за охлаждане. Чрез приемане на усъвършенствана технология за охлаждане, началната температура на газа може да се повишава средно с около 25 ℃ всяка година. През последните години непрекъснато се разработват и топлоустойчиви материали с висока якост. Чрез приемане на високотемпературни материали началната температура на газа може да се увеличи средно с около 10 ℃ всяка година.

2) Продължаване на разработването на сложни цикли и пълно използване на отработената топлина на газовите турбини, за да се подобри цялостната ефективност на блока. За тази цел могат да се използват цикли за възстановяване на топлината и комбинирани цикли газ-пара.

3) Допълнително подобряване на производителността на основните компоненти на газовата турбина и подобряване на цялостната ефективност на блока.

5 Сравнение на техническите параметри на главните корабни двигатели

Изходната мощност е фактор, върху който големите надводни кораби трябва да се съсредоточат при избора на главни двигатели. Най-общо казано, има два основни показателя, които определят действителната изходна мощност на термичните двигатели: дебитът на работния флуид и специфичният спад на енталпията на работния флуид за единица дебит.

При предпоставката за подобен размер на агрегата, газовите турбини са значително по-добри от дизеловите двигатели по отношение на изходната мощност. Основната причина за горното явление е непрекъснатостта на потока на работния флуид на самата газова турбина. Процесът на горене в газовата турбина е в непрекъснато състояние, докато процесът на горене в дизеловия двигател е периодичен. За да се избегне повреда при висока температура и други явления, пиковата температура на работния флуид вътре в газовата турбина обикновено е по-ниска от тази на дизеловия двигател. Освен това ефектът на компресия на аксиалния компресор, използван в газовите турбини, обикновено не е толкова добър, колкото буталния механизъм на дизеловите двигатели. Следователно, по отношение на специфичния спад на енталпията на работния флуид за единица дебит, газовите турбини нямат предимство. Въпреки това, както беше споменато по-горе, тъй като работният флуид вътре в газовата турбина е в състояние на непрекъснат поток и няма феномен на възвратно-постъпателна пропускателна способност, работният флуид има ясно предимство по отношение на дебита. Като цяло, при предпоставката за подобен структурен размер и тегло, изходната мощност на газовите турбини обикновено е по-висока от тази на дизеловите двигатели.

В сравнение с парните турбини, които също са термични турбини, работният флуид вътре в газовите турбини също е в състояние на непрекъснат поток. Въпреки че температурата на работния флуид вътре в газовата турбина е по-висока, налягането му е значително по-ниско. Налягането на работния флуид на газовата турбина обикновено е само няколко MPa, но налягането на парата на настоящата ултра-суперкритична парна турбина може да достигне 30 MPa, което води до наличния специфичен спад на енталпията на газовата турбина около 1/5 до 1/3 от тази на парната турбина. Като цяло газовите турбини обикновено са по-ниски от парните турбини по отношение на изходната мощност, но като се има предвид високата маневреност и управлението на автоматизацията на газовите турбини, те все още имат определени перспективи за приложение в областта на големите надводни кораби. Въз основа на горното, съответните технически параметри на различни корабни главни двигатели са показани в таблица 1.

6 Технически характеристики и преглед на развитието на морските комбинирани силови агрегати

6.1 Произход на морските комбинирани силови агрегати

Горните морски агрегати се различават по мощност, скорост, маневреност, икономичност, тегло и размер. За гражданските кораби основното съображение е икономията, а недостатъците могат да бъдат подобрени само чрез подходящи мерки. За военните кораби основната цел е бойната ефективност и се обръща повече внимание на подобряването на мощността на единицата, за да се подобри скоростта и маневреността на целия кораб.

Според съответната статистика (Таблица 2), по време на навигация, надводните кораби са в условия на крейсерска (ниска скорост) през по-голямата част от времето. По това време изходната мощност на силовия агрегат обикновено не надвишава 25% от общата мощност, така че може да се избере за работа агрегат с по-ниска мощност, по-дълъг експлоатационен живот и по-нисък разход на гориво. В случай на война или действително бойно учение (времето на плаване на надводни кораби при такива условия е само около 3% от общото време на плаване), може да се използва друг ускорителен блок с по-висока мощност и съответно по-висок разход на гориво. В същото време модулът за круиз и ускорителят също могат да бъдат пуснати в действие заедно, за да изведат по-висока мощност и да отговорят на изискванията за висока скорост. Такова устройство обикновено се нарича комбиниран енергиен блок, който може да се използва за балансиране на икономическите изисквания на надводните кораби при крейсерски условия и високите изисквания за маневреност по време на бой.

6.2 Преглед на развитието на комбинираните силови агрегати и техните комбинирани видове

6.2.1 Преглед на развитието на комбинираните мощности

Досега комбинираните силови агрегати за надводни кораби са разработени дълго време. Съответният опит показва, че всеки път, когато се появи нов тип термичен двигател, често ще се появи нов тип комбиниран енергиен агрегат, съставен от този тип агрегат и други съществуващи главни двигатели. При реална употреба, тъй като техническите характеристики на новите термични двигатели се подобряват, единичен тип задвижващ агрегат постепенно ще получи предимство и ще замени предишния използван комбиниран задвижващ агрегат. Докато се появят по-усъвършенствани термични двигатели, те отново ще бъдат комбинирани със съществуващите главни двигатели, за да се произведе по-нов комбиниран двигател. Това явление се повтаря безкрайно.

По-конкретно, парната машина е вид термична машина, която е родена по време на индустриалната революция и е изиграла важна роля в човешката история. В края на 19 век се появява парната турбина, която е нов тип парен агрегат. Най-ранният комбиниран енергиен агрегат в историята се състои от парна машина и парна турбина. Концепцията на дизайна на този тип комбиниран агрегат е следната: Поради ограничението на свободния обем и хода на цилиндъра на парната машина, парата с висока температура не може да се разшири напълно в цилиндъра, така че зад него е разположена парна турбина парната машина. Парата, която е свършила работа в парната машина, влиза в парната турбина, за да се разшири отново, като по този начин възстановява част от енергията на парата. По този начин се постига каскадно оползотворяване на енергията и ефективно се подобрява мощността и топлинната ефективност на блока.

Въпреки това, с развитието на технологиите, парните двигатели постепенно се оттеглиха от сцената на историята и различни големи кораби са по-склонни да използват един тип основен двигател, като например парни турбини. За да се продължат техническите предимства на парните турбини и да се преодолеят техните недостатъци, в допълнение към непрекъснатото подобряване на техническите характеристики на тялото на парната турбина, тя може също така да формира комбиниран енергиен агрегат с други видове термични двигатели. След Втората световна война, с постепенното усъвършенстване на технологията на газовите турбини, нейните отлични мощностни характеристики също привлякоха широко внимание и постепенно се появиха серии от комбинирани силови агрегати с нея като ускоряваща единица.

Понастоящем има основно следните типове комбинирани мощности, доминирани от газови турбини.

1) Комбиниран енергиен агрегат с изгаряне на пара. Този тип комбинирана електроцентрала използва малка парна турбина като круизно устройство и газова турбина като ускорително устройство. В сравнение с електроцентрала с единична парна турбина, този тип комбинирана електроцентрала е значително подобрена по отношение на размер, тегло и производителност при стартово ускорение.

2) Комбинирана електроцентрала гориво-гориво. Комбинираните електроцентрали гориво-гориво се разделят на два типа: комбинирани електроцентрали гориво-гориво и електроцентрали с променливо гориво-гориво. Круизният модул и ускорителният блок на това устройство са газови турбини. Круизната газова турбина може икономично да осигури ниската мощност, необходима за круиз, и да работи като ускоряваща единица при условия на висока скорост. Тази система има предимствата на гъвкава работа, висока мощност и леко тегло, но устройството е скъпо, а всмукателните и изпускателните канали заемат голямо пространство на палубата, което влияе върху оформлението на целия кораб.

3) Комбинирана електроцентрала за дизелово гориво. Този тип комбинирана електроцентрала е разделена на два вида: комбинирани електроцентрали с дизелово гориво и централи с променлив ток на дизелово гориво. Това устройство използва дизелов двигател като круизна единица и газова турбина като ускорителна единица. Дизеловите двигатели се използват при крейсерска и реверсивна езда, а газовите турбини се използват при високоскоростна навигация. Този тип комбиниран двигател има предимствата на нисък разход на гориво, добро ускорение и добра надеждност.

6.2.2 Основни комбинации от комбинирани силови агрегати

Като се имат предвид изключителните технически предимства на газовите турбини, съставените от тях комбинирани мощности са показани по-долу и обобщени в таблица 3.

6.3 Основни технически характеристики на комбинираните силови агрегати

Като цяло комбинираният агрегат има следните технически характеристики.

1) Тъй като по-лека и по-маневрена газова турбина се използва като ускоряваща единица и по този начин осигурява по-голямата част (или дори цялата) мощност при условия на високо натоварване, общото тегло на силовата единица на целия кораб може да бъде съответно намалено .

2) Тъй като се използва по-ефективна и икономична крейсерска единица, издръжливостта на надводните кораби може значително да се подобри.

3) Тъй като се използват два вида независими блокове, надеждността на захранващия блок се подобрява.

4) За реализиране на обратния процес на надводните кораби, комбинираният енергиен блок е по-подходящ за съвпадение със свързани системи като витла с наклон, редуктори и електрическо задвижване. По това време всеки главен двигател може самостоятелно да задвижва витлото. Все пак трябва да се отбележи, че ако се използва главен двигател, който може да постигне обратно въртене (като дизелов двигател с ниска скорост и обратната турбина, споменати в 3.3 на тази статия), това често ще доведе до несъответствие на мощността на предаване или други по-сложни технически проблеми, като по този начин се намалява надеждността на системата.

6.4 Обща тенденция на развитие на комбинираните силови агрегати

Както бе споменато по-горе, поради различните работни характеристики и приложимостта на няколко вида термични двигатели, не е възможно свързаните главни двигатели да се превърнат в идеална комбинирана мощност чрез простото им комбиниране по двойки.

Що се отнася до сегашните комбинирани мощности, газовите турбини се използват най-вече като ускорителни агрегати. Като вземем за пример комбинирания енергиен блок от типа COGOG, круизният блок обикновено използва тежка газова турбина с по-голямо единично тегло, по-малка мощност, по-нисък разход на гориво и по-дълъг живот, докато ускорителният блок обикновено използва лека газова турбина с по-голяма мощност , по-висок разход на гориво и по-кратък живот.

Друг пример е споменатата по-горе комбинирана мощност от типа COSAG. С увеличаването на мощността на дизеловия двигател и подобряването на ефективността на газовата турбина през последните години, както и действителния ефект на използване и надеждността на обратната парна турбина в комбинирано състояние на блока, е спешно да се подобри. Поради това комбинираният енергоблок тип COSAG постепенно се заменя от комбиниран енергоблок тип CODOG и комбиниран енергоблок тип CODAG.

7 Технически характеристики и специфични видове корабни ядрени енергийни блокове

7.1 Преглед на морските атомни енергийни блокове

Основната част от ядрения енергиен блок е атомен реактор, който е еквивалентен на пещта и горивната камера на котела. Ядрените енергийни блокове обикновено използват 235U като ядрено гориво на реактора. Военните кораби с ядрено задвижване обикновено използват ядрено гориво с висока концентрация с концентрация над 20% до 40%, за да намалят размера и теглото на устройството. Търговските кораби с ядрени двигатели, от гледна точка на икономиката, използват предимно ядрено гориво с ниска концентрация с концентрация под 5%. Атомните електроцентрали могат значително да подобрят издръжливостта на главния двигател на кораба и няма нужда от вдишване на въздух и изхвърляне на отработени газове, което е от особено значение за подводниците. Следователно атомните електроцентрали първо се използват широко на подводници. Атомните електроцентрали също имат добри перспективи за приложение на големи кораби като самолетоносачи и крайцери. Поради вредата на радиоактивните вещества в корабите с ядрени двигатели върху човешкото тяло и замърсяването на пристанищните води трябва да се използва огромен оловен защитен слой и пълен набор от мерки за защита на безопасността, което е скъпо и технологията за тестване и управление е комплекс. Въпреки че се използва и в граждански кораби, той не е широко популяризиран и все още е в етап на разработка.

7.2 Основни технически характеристики на морските атомни електроцентрали

Мащабното приложение на ядрени реактори отвори широки перспективи за развитието на морски електроцентрали, а техническите му предимства са главно както следва.

1) Малко количество ядрено гориво може да се консумира, за да се получи огромна енергия. Корабите, използващи атомни електроцентрали, могат да пътуват на изключително големи разстояния с висока скорост. Например атомна електроцентрала с мощност около 11,040 15,000 kW (15 18 PS) изразходва само XNUMX до XNUMX g ядрено гориво за един ден и нощ. Първата атомна подводница на Съединените щати, Nautilus, може да обиколи света под вода без презареждане. Съветският ядрен ледоразбивач "Ленин" може да плава непрекъснато една година без презареждане. След използване на ядрени електроцентрали, издръжливостта на надводните кораби е значително подобрена и спестеното пространство може да се използва за носене на повече оръжия и оборудване, подобрявайки бойните способности на целия кораб.

2) Няма консумация на въздух. Процесът на ядрена реакция не изисква участието на въздух. Тази характеристика е несравнима с никой друг тип електроцентрали, особено за подводници. Чрез използването на атомни електроцентрали бойната ефективност на подводниците може значително да се подобри и те могат да бъдат скрити в дълбокото море за дълго време, което ги прави трудни за откриване от противника. Характеристиката на атомните електроцентрали, че те не консумират въздух, също има определени предимства за надводните кораби, тъй като не е необходимо да се монтират въздухозаборни и изпускателни канали и няма да се генерира дим с висока температура, което съответно подобрява прикриването. При ядрена война рискът от вдишване на радиоактивен дим от въздухозаборника също е намален, което улеснява извършването на ядрена защита.

Но в същото време атомните електроцентрали имат и определени недостатъци, главно както следва.

1) Голямо тегло и размер. Тъй като процесът на ядрена реакция ще освободи голямо количество радиоактивни вещества, което ще причини сериозни увреждания на човешкото тяло и ще причини определено замърсяване на открито море, офшорни води и докове, е необходимо да се поставят бариери с тегло стотици тонове или дори хиляди тона, за да се предотврати изтичането на радиоактивни вещества, което прави размера и теглото на цялата електроцентрала по-големи.

2) Атомните централи са скъпи, а технологията на експлоатация и управление е сложна, което до известна степен ограничава тяхното широкомащабно популяризиране.

Поради горните причини атомните електроцентрали се използват главно за големи надводни кораби и подводници, а развитието им в областта на гражданските кораби е относително бавно.

7.3 Специфични типове морски ядрени реактори
За да се гарантира безопасността на персонала на борда, корабите с ядрени двигатели обикновено имат по-строги изисквания за защита от радиоактивност, отколкото наземните атомни електроцентрали. Надводните кораби могат да се сблъскат със сблъсъци, кацане на земята, пожари и експлозии по време на навигация или могат да бъдат потопени от случайни атаки от оръжия като торпеда и ракети. При предпоставката, че е вероятно да възникнат свързани аварии, за да се намали разпространението на ядрено замърсяване, корабните ядрени електроцентрали трябва да имат функцията на постоянно спиране и трябва да бъдат оборудвани със солидни бариери за реактори. Съгласно специалните изисквания на корабите за атомни електроцентрали, използваните в момента реактори с вода под налягане са основно от следните три типа.

7.3.1 Реактор с горивен елемент с пластинчати високообогатен уран

Този тип реактор използва пластинчати горивни елементи с обогатяване на 235U повече от 20%. Пластинчатият елемент има голяма площ на разсейване на топлината, компактно оформление на ядрото, малък обем и висока изходна мощност на единица обем. Това може да намали размера на корпуса на реактора и да направи разположението на оборудването по-компактно. Техническите му недостатъци обаче се състоят главно във високата концентрация на необходимото ядрено гориво и високата цена на проектиране, изграждане и експлоатация.

7.3.2 Реактор с вода под налягане с ниско обогатен уран

Структурата на този тип реактор с вода под налягане е приблизително същата като тази на наземна атомна електроцентрала с вода под налягане. Състои се от парогенератор, реактор, помпа за първичен охладител и компресор. Съответните компоненти са свързани чрез тръби, за да образуват затворен контур с висока температура и високо налягане. Системата и оборудването на вторичния контур са подобни на конвенционалните морски парни електроцентрали.

7.3.3 Интегриран реактор с вода под налягане

Да вземем за пример немския морски реактор с вода под налягане „Ото Хан“. Той приема интегрирана структура, проста първична контурна система, компактно оборудване и малък размер на защитната обвивка на реактора, който е подходящ за надводни кораби. В допълнение, сърцевината е пълна с охлаждаща вода и има добра естествена циркулация. Когато охладителната помпа спре в първичния контур, все още може да се разчита на естествената циркулация на охлаждащата течност за поддържане на процеса на охлаждане на сърцевината. Недостатъкът на интегрирания реактор с вода под налягане е, че реакторът, изпарителят и главната помпа са свързани заедно, което прави вътрешната структура на реактора сложна и увеличава трудността на проектирането, производството и поддръжката.

8 Морско електрическо задвижващо устройство

Електрическите задвижващи устройства могат да се използват и за задвижване на кораби. Този тип устройство получава електрическа енергия чрез различни средства и след това моторът задвижва витлото, за да осигури задвижваща мощност за кораба. Неговите характеристики са, че скоростта на витлото може да се регулира произволно, за да отговори на нуждите на навигацията при различни работни условия, и е лесен за работа и лесен за управление. Той е по-подходящ за някои кораби със специални изисквания, като подводници, научноизследователски кораби, фериботи и др. Най-голямото предимство на електрическото задвижващо устройство е добрата маневреност. Минималната скорост на неговия двигател може да достигне по-малко от 1/10 от номиналната скорост и корабът може да плава при изключително ниски скорости. В допълнение, времето за стартиране и връщане напред и назад на този тип устройство също е кратко. Главният генератор и моторно задвижваното витло могат да работят при най-добрите работни условия и е лесно за дистанционно управление и управление, а вибрациите и шумът на цялото устройство са относително малки.

Най-общо казано, агрегатът, използван за производство на електроенергия, се състои от първичен двигател и генератор. Първичните двигатели включват главно парни турбини, дизелови двигатели и газови турбини, които са основно същите като основните двигатели на корабите. Както бе споменато по-горе, поради сравнително малката мощност на дизеловите двигатели, те обикновено се използват за главните и спомагателните генераторни комплекти на военни спомагателни кораби или за спомагателните генераторни комплекти на военни кораби. Парните турбини имат предимствата на висока скорост и висока мощност и технологията е сравнително зряла, но те също имат недостатъци като голям размер и тегло, ниска ефективност, голяма площ на кораба и трудно оформление. Ако се използват в генераторни комплекти, плътността на мощността на целия генераторен комплект ще бъде намалена. В допълнение, поради високата скорост на парните турбини, ако се използва 50 Hz променливотокова електрическа мрежа, е необходима огромна скоростна кутия за намаляване на скоростта, което съответно ще увеличи шума на целия кораб. Газовите турбини имат добри перспективи в тази област. Понастоящем много корабни системи за електрическо задвижване избират газови турбини като основен двигател за генериране на електроенергия.

9 Преглед на историята на развитието на технологията за морски електроцентрали

Тъй като парната машина се използва в морските електроцентрали, тя бързо заема известно господстващо положение. До Първата световна война парните двигатели все още доминираха в цивилните и военните кораби по света и бяха най-важният източник на енергия за корабите. Разцветът на парните машини обаче беше към своя край. Поради големите размери и ниската топлинна ефективност на парните машини, те постепенно са заменени от дизелови двигатели и парни турбини през Първата световна война и Втората световна война. В същото време, тъй като разходът на гориво на нискооборотните дизелови двигатели беше значително по-нисък от този на парните турбини, те можеха да изгарят нискокачествено гориво и имаха висока надеждност, така че постепенно замениха парните турбини в областта на гражданските кораби.

За кораби с по-голяма водоизместимост почти всички са били използвани парни турбини, докато малките кораби са били по-склонни да използват дизелови двигатели. Едва през 1947 г. се появява нов конкурент на дизеловите двигатели. След като първият британски кораб, задвижван от газови турбини, беше тестван, той започна да се конкурира с дизеловите двигатели и парните турбини, които доминираха по това време.

Въпреки че беше много икономичен и постигна забележителни резултати в областта на морските електроцентрали, самият дизелов двигател беше с ограничена мощност и вече не можеше да отговори на изискванията за мощност на големите кораби. За разлика от това, въпреки че парната турбина има проста структура и висока мощност, тя трябва да бъде оборудвана с голямо устройство за генериране на пара (като котел и др.) и спомагателни системи, а нейната икономичност и маневреност са лоши. Тази противоречива ситуация продължи до излизането на газовата турбина. Когато газовата турбина беше широко популяризирана в областта на военната корабна мощност, горните проблеми бяха постепенно решени. Газовите турбини могат не само да изградят един модел задвижващ агрегат, но и да бъдат съчетани с други задвижващи агрегати, като например дизелови двигатели, за да образуват нов комбиниран задвижващ агрегат. Корабите с газови турбини със сложен цикъл като енергийни агрегати имат не само добри икономически показатели, но и висока обща мощност, която може да се каже, че е най-доброто от двата свята.

Именно защото газовите турбини имат предимствата на лесното стартиране и добрата маневреност, те получиха широко внимание и вероятно ще бъдат „закъснели“. Въпреки това, тъй като газовите турбини работят при условия на висока температура и високо налягане, те имат високи изисквания към качеството на горивото и тяхната топлинна ефективност е значително по-ниска от тази на дизеловите двигатели, така че те рядко се използват в граждански кораби.

Атомните електроцентрали използват ядрени реактори за получаване на пара с висока температура и високо налягане. Ядрените реактори генерират висока енергия чрез контролируеми верижни реакции на ядрено делене, които се абсорбират от непрекъснато циркулиращата охлаждаща вода. След това топлината се прехвърля към водата във втория контур чрез парогенератора, който я превръща в пара и след това отива към парната турбина, за да върши работа. В момента атомните електроцентрали се използват главно в големи надводни кораби и подводници.

Страни по света също са провели съответните изследвания за приложението на атомни електроцентрали в областта на гражданските кораби. Съединените щати са го тествали успешно на кораба „Савана“; Съветският съюз също използва атомни електроцентрали на ледоразбивача „Ленин“. Оттогава Германия и Япония също са построили граждански кораби с атомна енергия. След период на пробно плаване, съответните кораби бяха принудени да спрат да плават поради правни причини и причини, свързани с общественото мнение. Поради опасения, че радиоактивните вещества ще замърсят водните пътища, пристанищата и градската среда, много пристанища отказват да позволят на кораби с атомна енергия да влязат в пристанището. Липсват и подходящи методи за третиране на ядрени отпадъци след използване на ядрено гориво, което до известна степен ограничава приложението на атомни електроцентрали в граждански кораби.

С бързото развитие на науката и технологиите продължават да се появяват нови морски енергийни устройства, като горивни клетки, магнитохидродинамично задвижване, слънчеви клетки и др. Сред тях новото магнитохидродинамично задвижване има добра перспектива. Този метод на задвижване е свръхпроводящо електромагнитно задвижване. Неговият принцип е да инсталира свръхпроводящи магнити на кораба и след това да прекара ток през морската вода, като използва магнитното поле, генерирано от свръхпроводящите магнити, и силата, генерирана от тока в морската вода, за да задвижи кораба напред. Характеристиките на тази форма на задвижване са опростен режим на предаване, липса на въртящи се части (без витло и система от валове), голяма тяга и висока скорост.

10 Основни технически изисквания към корабните енергетични устройства

За да се гарантира навигационната способност на морските силови устройства, при избора на главния двигател трябва да бъдат напълно изпълнени следните технически характеристики, които също могат да служат като важна референция при избора на главния двигател.

10.1 Надеждност

След като бъде пуснато в експлоатация за определен период от време, електромеханичното оборудване неизбежно ще се повреди. За морските енергийни устройства надеждността е изключително важна. Надеждността има две значения: едното е жизнеността на силовия блок, което се отнася главно до способността на силовия блок да поддържа работа, след като бъде повлиян от външни фактори. Колкото по-лоши условия може да издържи, толкова по-силна е неговата жизненост; другото е времето, през което захранващият блок е в нормална работа. Колкото по-дълго е нормалното време на работа, толкова по-висока е надеждността и обратното.

За силовите агрегати на надводни кораби често се използват многодвигателни многовитлови или многодвигателни паралелни методи за задвижване, като тяхната надеждност и жизненост са значително по-високи от метода на задвижване с един двигател и едно витло. Като вземем за пример метода за задвижване с двоен двигател и двойно витло, когато един от главните двигатели или витлото, съчетано с него, се повреди сериозно, другият основен двигател и витлото все още могат да работят нормално и задвижващата сила на кораба не се губи напълно. Следователно, от цялостния ефект на задвижване, методът на задвижване с двоен двигател и двойно витло има по-голяма жизненост. Следователно надводните кораби използват най-вече двудвигателни методи за трансмисия с двойно витло или многодвигателни двойни витла.

10.2 Маневреност

Маневреността се отнася до способността на корабния силов агрегат да преминава от едно работно състояние към друго, като потегляне, ускоряване, спиране, обръщане и сливане. Ефективността на преобразуването на работните условия на силовия блок пряко влияе върху способността на кораба да напуска дока, да плава в ледени зони, да плава в мъгливо време и да избягва аварийни ситуации.

10.2.1 Възможност за стартиране

Качеството на стартиране е тясно свързано с вида на главния двигател. Що се отнася до времето за стартиране на дизелов двигател, то зависи главно от системата с най-дълго време на работа сред спомагателните системи като гориво, смазочно масло, охлаждаща вода и въздух за стартиране. За да се подобри маневреността на дизеловия двигател, обикновено се приемат мерки като загряване на цилиндрите.

В сравнение с парните турбини, дизеловите двигатели изискват определен поток от пара с висока температура по време на процеса на стартиране на парните турбини, така че това зависи главно от процеса на параметрите на парата, достигащи определеното състояние след запалване на котела. Въпреки че някои котли могат да доставят пара бързо, средното време за стартиране на парните турбини все още е по-дълго от това на дизеловите двигатели.

В сравнение с дизеловите двигатели, газовите турбини имат относително по-кратко време за стартиране, но като цяло няма съществена разлика между двете.

10.2.2 Ускорение

Ускорението също е свързано с вида на главния двигател. Първото условие за съкращаване на времето за ускорение е, че главният двигател трябва да увеличи мощността до максималната стойност за кратко време. Второто е дали витлото може напълно да абсорбира изходната мощност на главния двигател по време на процеса на ускорение и да я преобразува във външна задвижваща мощност.

За главния двигател основните фактори, влияещи върху времето за ускорение, са теглото и топлинната инерция на компонентите. По-малкото тегло и по-ниската топлинна инерция благоприятстват ускорението. Най-общо казано, топлоносещите компоненти на газовите турбини са относително леки и малки, така че имат по-добро ускоряване.

За витлата, тъй като скоростта на витлата с фиксирана стъпка подлежи на определени ограничения, тя ще се увеличи съответно с увеличаването на скоростта на кораба. Следователно, тъй като скоростта на витлата с фиксирана стъпка се увеличава, мощността на главния двигател също трябва постепенно да се увеличава, за да се постигне разумно съответствие. Витлото с регулируема стъпка не е ограничено от собствената си скорост при абсорбиране на мощност и може да генерира по-голяма тяга за кратко време, така че неговото ускорение е по-добро от това на витлата с фиксирана стъпка.

10.2.3 Ефективност на спиране и заден ход

Ефективността на кораба при спиране и заден ход зависи главно от витлото и съответния режим на предаване. За комбинацията от реверсивен дизелов двигател с ниска скорост и витло с фиксирана стъпка, дизеловият двигател с ниска скорост трябва първо да спре да впръсква гориво и да намали скоростта до определен диапазон, преди да започне движение на заден ход, така че времето за заден ход обикновено е по-дълго.

За комбинации като нереверсивен главен двигател + съединител + витло с фиксирана стъпка, това зависи главно от работата на съединителя. Ако системата използва фрикционен съединител, времето за обръщане на кораба зависи главно от повишаването на температурата на триещите се части, когато съединителят се движи назад. Колкото по-голямо е механичното натоварване и термичното натоварване, които съединителят може да издържи при движение на заден ход, толкова по-благоприятно е за подобряване на възможностите за аварийно спиране и заден ход.

За комбинации като нереверсивен главен двигател + витло с регулируема стъпка, тъй като корабът не трябва да спира главния двигател при спиране и обратната тяга може да се генерира чрез регулиране на стъпката на лопатките, неговата спирачна и реверсивна производителност е относително добра .

11 Анализ на перспективите за приложение на корабни силови агрегати

През последните години дизеловите двигатели се превърнаха в основен източник на енергия за различни видове кораби. В днешната ера на все по-оскъдна енергия, като се има предвид високата топлинна ефективност на дизеловите двигатели и насърчаването на нискокачествени маслени технологии, дизеловите двигатели ще продължат да заемат важна позиция в главните корабни двигатели през следващите няколко години.

Средните и малките надводни кораби се задвижват предимно от дизелови двигатели. Тези кораби включват ловци на подводници, миночистачи, патрулни катери, канонерки, торпедни катери, ракетни катери и спомагателни кораби. Някои големи кораби като фрегати и разрушители също използват дизелови двигатели или комбинирани силови агрегати с дизелово гориво като източници на енергия. В комбинираните силови агрегати с дизелово гориво дизеловите двигатели се използват най-вече като основни двигатели за круиз, за ​​да се възползват от ниския разход на гориво за разширяване на обхвата на плаване на кораба. За подводниците, с изключение на атомните енергийни блокове, всички конвенционални подводници използват дизелови двигатели като основни двигатели, а някои използват и въздухонезависими системи за задвижване (AIP).

Понастоящем, поради развитието на дизеловите двигатели и газовите турбини, парните енергийни агрегати, представени от парни турбини, са се отказали от предишното си всеобхватно господство и са образували заедно триножник. Въпреки това, парните турбини все още доминират в големите кораби, особено в самолетоносачите и атомните подводници.

Поради големия разход на гориво на парните турбини, броят на новопостроените граждански кораби с парни турбини намалява всяка година. Обратно, почти всички кораби, работещи с втечнен природен газ, използват парни турбини за рециклиране и използване на изпуснатия природен газ като гориво за котли. В моята страна парните турбини все още доминират в големите и средни кораби, като самолетоносачи и атомни подводници. От гледна точка на действителното използване на кораба, изключителните предимства на парните турбини са безопасност и надеждност, добра маневреност, лекота на използване и добра поддръжка. Недостатъкът му е слабата икономичност. При същото количество гориво обхватът на плаване е малък. Това е фатална слабост, която засяга развитието на морските парни турбини. За да се даде възможност за продължаващо развитие на парните турбини, трябва да се положат усилия за подобряване на икономичността.

Както бе споменато по-горе, по време и след Втората световна война дизеловите двигатели и парните турбини са широко използвани на корабите. Въпреки това, с последващото развитие на технологиите, се наблюдава тенденция за използване на газови турбини като основен двигател. Понастоящем газовите турбини могат да бъдат разделени главно на леки газови турбини и тежки газови турбини според техните различни структурни типове. Сред тях леките газови турбини са вид нов агрегат, който е базиран на авиационни газови турбини и е допълнително модифициран, за да се адаптира към условията на навигация на кораба. Тежките газови турбини са разработени на базата на промишлени газови турбини и понастоящем са подходящи най-вече за големи граждански кораби, като контейнеровози, рол-он/ро-оф кораби и фериботи, но поради лошата икономичност на този тип единици, приложението му все още е в експериментален етап.

Морските газови турбини следват главно пътя на модификацията на авиацията. В условията на морската среда и изискванията за използване на кораби са извършени голям брой изследователски и експериментални работи от гледна точка на подобряване на икономичността и надеждността и са приети много нови технологии и процеси. Продуктите са актуализирани многократно и са достигнали сравнително зрял етап, но в сравнение с дизеловите двигатели все още има известна празнина в икономичността. В момента както парните турбини, така и газовите турбини работят усилено за подобряване на икономичността и намаляване на разхода на гориво и са постигнали задоволителни резултати.

За да се балансира икономиката при крейсерски условия и ускорението, необходимо за стратегически маневри, надводните кораби обикновено използват комбинирани силови агрегати, включително круизни агрегати и ускорителни блокове. И двата блока са свързани към главния редуктор чрез съединител, а за осъществяване на реверс се използват реверсивни и предни предавателни кутии или витла с регулируема стъпка. Предимството на комбинирания агрегат е, че има достатъчна мощност, а теглото и обемът на агрегата са относително малки. Той разрешава противоречието между високата мощност на пълна скорост и крейсерската икономичност и подобрява издръжливостта на кораба.

Ядрените енергийни блокове могат значително да подобрят мощността и издръжливостта на корабите и не изискват въздушно изгаряне, което е по-подходящо за подводни кораби като подводници. Въпреки това, тъй като радиоактивните вещества могат да причинят сериозни увреждания на човешкото тяло и да замърсят околната среда, за това трябва да се създаде строга радиоактивна защита. Въпреки че ядреното гориво заема малко място в корабите с ядрена енергия, като се има предвид необходимия екраниращ слой и огромното спомагателно оборудване, предимствата се компенсират и все още е възможно да се увеличи допълнително общото натоварване на кораба. В допълнение, атомните електроцентрали рядко се използват в граждански кораби поради тяхното голямо тегло, висока цена и сложни технологии за конструкция, експлоатация и управление. Понастоящем приложението на атомни електроцентрали в цивилни кораби се определя повече от фактори като приемането на местната пристанищна среда, международни споразумения, застрахователни споразумения и първоначални разходи, отколкото проста техническа осъществимост.

В обобщение, перспективите за приложение на морските електроцентрали са показани в таблица 4.

Съгласно горната ситуация, гражданските кораби все още ще използват дизелови двигатели като основна електроцентрала за определен период от време. За големите граждански кораби нискооборотните дизелови двигатели обикновено все още са основната електроцентрала, докато за кораби с ограничена височина на кабината, като ро-ро кораби, пътнически кораби, фериботи и др., средно- и високоскоростните дизелови двигатели са по-подходящи . Сред тях вътрешните кораби все още са предимно със средно- и високоскоростни дизелови двигатели, докато големите океански кораби са предимно с нискоскоростни дизелови двигатели. През последните години разходът на гориво на среднооборотните двигатели е близък до този на нискооборотните дизелови двигатели. Те имат предимствата на висока ефективност на оползотворяване на отпадната топлина, малък размер, леко тегло, ниска цена и добри перспективи.

Съгласно ситуацията в моята страна, средните и малките надводни кораби, подводниците и спомагателните кораби все още ще бъдат оборудвани основно със средно- и високоскоростни дизелови двигатели. Големите подводници ще се съсредоточат върху развитието на ядрени енергийни агрегати и все още ще използват парни турбини като основен двигател. В същото време газовите турбини имат значителни предимства в производителността и постепенно се превърнаха в стандартен енергиен агрегат за вътрешни и чуждестранни военни кораби. Трябва да се обърне внимание и да се развият различни комбинирани енергийни агрегати с газови турбини като ускорителни агрегати. Понастоящем е спешно да се засилят изследванията и развитието на газови турбини с висока мощност за кораби.

12 Перспективи за корабни силови агрегати

За да обобщим горното, дизеловите двигатели имат предимствата на висока топлинна ефективност, добра икономия, голям диапазон на мощност, компактна структура, малко спомагателно оборудване и могат директно да задвижват витла. Въпреки това, с постепенното увеличаване на тонажа на корабите, корабните дизелови двигатели трябва да се развиват в посока на висока мощност. За да увеличите мощността на дизеловите двигатели, единственият начин е да увеличите диаметъра на цилиндрите, да увеличите броя на цилиндрите или да използвате няколко модела. Това неизбежно ще увеличи теглото и обема, което ще направи производството трудно и скъпо. Поради това дизеловите двигатели обикновено не се използват като основна задвижваща система на големи кораби. След години на развитие, корабните дизелови двигатели са достигнали сравнително високо техническо ниво. Въпреки това, за средни и малки надводни кораби, конвенционални подводници и граждански кораби, дизеловите двигатели все още са основният източник на енергия. Ниските въглеродни емисии са сериозно предизвикателство пред дизеловите двигатели на този етап. С ограниченията върху емисиите от корабните дизелови двигатели е по-трудно да се подобри тяхната икономичност, което също е нова тема в бъдещото развитие на корабните дизелови двигатели. Като цяло, поради значителните характеристики на дизеловите двигатели, техният технологичен прогрес значително насърчи развитието и революцията на корабната технология и отвори нова глава в развитието на морските силови агрегати.

Парните турбини имат висока мощност, малък размер, леко тегло, стабилна работа, дълъг живот, висока надеждност, нисък разход на смазочно масло, силен капацитет на претоварване, могат да изгарят гориво с ниско качество, ниски вибрации и шум, но ниска топлинна ефективност, сложно управление , трудна обработка и производство, висока цена, трябва да бъде оборудван с редуктор и голям главен котел и трябва да задвижва витлото през редуктор. В момента те се използват най-вече в големи петролни танкери, самолетоносачи и атомни подводници.

В сравнение с горните енергийни агрегати, газовите турбини са малки по размер, леко тегло, заемат най-малко пространство в кабината и денивелация и имат предимствата на ниски вибрации и триене, лесно управление и поддръжка, бързо стартиране и могат да достигнат максимална мощност в рамките на няколко минути след стартиране. Следователно те са по-подходящи за военни кораби. Въпреки това, поради недостатъците на ниска топлинна ефективност, лоша икономичност, кратък живот, високи изисквания за метални материали и невъзможност за обръщане, те не са широко рекламирани на цивилни кораби и се използват най-вече в кораби с висока производителност като кораби на въздушна възглавница.

В областта на надводните кораби има комбинирани силови агрегати, които използват газови турбини във връзка с дизелови двигатели, парни турбини и ядрени енергийни агрегати. Този тип силови агрегати се появяват след Втората световна война и могат да се възползват напълно от предимствата на различни главни двигатели и да използват пълноценно предимствата на газовите турбини.

Ядрените енергийни блокове имат предимства, с които другите енергийни блокове не могат да се сравнят, но те трябва да бъдат оборудвани с внимателни и тежки защитни мерки и са скъпи, а технологията за управление на конструкцията и тестването е сложна. Поради това засега те не са широко използвани в граждански кораби и се използват предимно в големи надводни кораби като самолетоносачи и подводници. С нарастващото изчерпване на енергия като петрол, се очаква ядрените енергийни единици да бъдат допълнително насърчавани в областта на гражданските кораби.

13 Заключение

В обобщение морските енергийни агрегати се развиват в посока диверсификация и висока мощност. Средните и малките граждански кораби използват предимно средно- и високоскоростни дизелови двигатели. Големите и средните граждански кораби използват предимно средно- и нискооборотни дизелови двигатели. Парните турбини имат предимствата на зряла и надеждна технология, добра поддръжка и дълъг експлоатационен живот, но техните недостатъци са ниската икономическа ефективност и сложната инсталация. Въпреки че газовите турбини имат недостатъка на краткия експлоатационен живот, корабите могат да се възползват напълно от предимствата на газовите турбини, че могат да стартират бързо и да получат висока мощност за кратко време, така че все още имат добри перспективи.

Атомните електроцентрали ще станат важен източник на морска енергия. След като бъде инсталирано ядрено гориво, корабът може да плава няколко години. Той е много подходящ като източник на енергия за големи кораби, а парните турбини ще се използват и като основен двигател. Електрическото задвижване ще стане важен тип задвижване за бъдещи кораби. Той може да осигури електричество чрез батерии, генератори, задвижвани от главни двигатели, и електрохимично оборудване за генериране на енергия, като горивни клетки.