Resumo: O motor usado para propulsão de navios é chamado de motor de propulsão principal (também conhecido como "motor principal"), que desempenha um papel decisivo no desempenho de toda a usina de energia marítima. Os tipos de usinas de energia marítimas são geralmente divididos de acordo com diferentes motores principais. Os motores principais dos navios modernos incluem principalmente motores a diesel, turbinas a vapor, turbinas a gás e usinas nucleares. Atualmente, a maioria dos navios civis e alguns navios militares médios e pequenos usam motores a diesel; navios grandes e médios usam principalmente turbinas a vapor ou turbinas a gás; usinas combinadas podem atender às necessidades de navios de superfície em diferentes condições de navegação; usinas nucleares podem melhorar significativamente a resistência e a autossuficiência dos navios, mas precisam usar dispositivos de blindagem, são pesadas e têm estruturas complexas. Eles são adequados para grandes porta-aviões, submarinos grandes e médios, quebra-gelos e alguns grandes navios civis. Submarinos médios e pequenos podem usar motores a diesel para acionar geradores para gerar eletricidade e impulsionar os submarinos para a frente por propulsão elétrica. Ao estudar usinas de energia marítima, é útil compreender rapidamente seus tipos, estruturas, características técnicas, uso e métodos de gerenciamento, melhorando assim seus efeitos reais de aplicação durante a navegação do navio e melhorando o desempenho geral de energia dos navios.
Palavras-chave: motor diesel; turbina a gás; turbina a vapor; unidade de potência combinada; energia nuclear; porta-aviões; propulsão elétrica

No início do século XIX, motores a vapor foram usados ​​com sucesso no navio interior “Clermont” como a principal força de propulsão para todo o navio, o que marcou a formação do conceito de “unidade de potência” para navios. O significado original de unidade de potência se refere a um conjunto de máquinas, equipamentos e sistemas que substituem a energia humana ou a energia eólica para fornecer energia de propulsão para vários navios. Ao longo dos anos, com o desenvolvimento e a otimização contínuos da tecnologia de navios, o desempenho das unidades de potência relacionadas também foi gradualmente melhorado.

1 Visão geral das unidades de energia marítima
Em unidades de energia marítima, o motor que fornece a fonte de energia para os navios navegarem é chamado de motor de propulsão principal, também conhecido como motor principal do navio. O motor principal converte energia térmica de várias fontes em trabalho mecânico, fornecendo assim a energia necessária para a navegação de vários navios. As unidades de energia são divididas em várias categorias de acordo com tipos específicos, incluindo principalmente motores a diesel, turbinas a vapor, turbinas a gás, unidades de energia combinadas e unidades de energia nuclear.

O motor principal do navio deve se esforçar para ser seguro e confiável, ter vitalidade suficiente, ser fácil de usar, flexível, leve, tamanho pequeno, baixo custo, baixo consumo de combustível, fácil manutenção e longa vida útil, ter a capacidade de reverter e pode funcionar de forma estável em baixa velocidade ou velocidade de cruzeiro, de modo a garantir que os vários desempenhos do navio sejam maximizados. A importância relativa dessas características varia com as diferentes tarefas do navio, e a confiabilidade é a mais importante.

Conforme mencionado acima, o motor principal do navio é o equipamento principal na usina de energia. A seleção do tipo de motor principal determina a composição estrutural e as características de desempenho de toda a usina de energia marítima em geral. Portanto, a classificação das usinas de energia marítima é baseada principalmente no tipo de motor principal. A condição de trabalho do motor principal afeta diretamente a navegação normal e a segurança de todo o navio, e atenção especial deve ser dada ao selecionar, projetar e fabricar.

2 Características técnicas e visão geral do desenvolvimento de motores diesel marítimos

2.1 Visão geral dos motores diesel marítimos

Os motores a diesel são um tipo comum de motor de combustão interna. Como não precisam ser equipados com outros equipamentos, como caldeiras, a redundância do sistema é reduzida. Atualmente, são amplamente utilizados em vários tipos de navios. No entanto, devido ao movimento alternativo dos motores a diesel, o desgaste, a vibração e o ruído são relativamente grandes. Em particular, o aumento da potência do motor a diesel é limitado pelo equipamento de processamento, tecnologia, materiais, volume e peso, por isso é difícil aumentar ainda mais a potência de um único motor.

Entre os motores a diesel, os motores a diesel de baixa velocidade têm a menor taxa de consumo de combustível e podem queimar diesel pesado inferior, então o custo do combustível é baixo. Devido à baixa velocidade e ao pequeno desgaste dos motores a diesel de baixa velocidade, a vida útil é longa e o custo de manutenção é baixo. No entanto, o peso e o tamanho dos motores a diesel de baixa velocidade são grandes, e eles ocupam mais espaço na cabine e deslocamento, o que é sua desvantagem. Este tipo de motor é usado principalmente como motor principal de grandes navios.

Os motores a diesel de alta velocidade são leves e pequenos em tamanho, e ocupam menos espaço na cabine e deslocamento. No entanto, os motores a diesel de alta velocidade têm uma alta taxa de consumo de combustível e precisam usar diesel leve de alta qualidade, então o custo do combustível é relativamente mais alto. Ao mesmo tempo, devido à alta velocidade dos motores a diesel de alta velocidade, a máquina se desgasta mais, a vida útil é curta, o custo de manutenção é alto e o ruído também é alto. Este tipo de motor é usado principalmente como motor principal de navios pequenos ou motor auxiliar de navios grandes e médios. O desempenho dos motores a diesel de média velocidade está entre os dois acima, e eles são geralmente usados ​​em navios de médio porte. No entanto, nos últimos anos, como os motores a diesel de média velocidade também podem queimar óleo pesado, e a taxa de consumo de combustível é próxima à dos motores a diesel de baixa velocidade, com o desenvolvimento da tecnologia de caixa de redução, alguns motores a diesel de média velocidade e alta potência também foram usados ​​em navios grandes.

2.2 Principais características técnicas dos motores diesel marítimos

Em geral, as vantagens técnicas dos motores diesel estão principalmente nos seguintes aspectos.

1) Boa economia. Os motores a diesel têm alta economia em uma ampla gama de condições operacionais. Ao mesmo tempo, os motores a diesel de baixa velocidade também podem queimar óleo pesado, o que reduz significativamente os custos de combustível. A taxa de consumo de combustível do motor principal do navio é um fator importante na determinação da eficiência econômica das operações do navio. Sob a atual situação energética, a alta economia dos motores a diesel garante suas boas perspectivas de aplicação.

2) Ampla faixa de potência. A cobertura de potência e velocidade dos motores diesel marítimos é ampla, e muitos modelos podem ser fornecidos para vários tipos de navios para escolher. Os motores diesel de baixa velocidade são os modelos mais potentes entre os motores diesel. Seu desenvolvimento tecnológico é representativo. Sua eficiência econômica, confiabilidade e manobrabilidade foram significativamente melhoradas nos últimos anos.

3) Boa manobrabilidade. O motor diesel dá partida rapidamente, é fácil de operar e tem reversão sensível. O trabalho de pré-partida pode ser concluído em cerca de 10 minutos. O tempo de transição da partida a frio para a operação de carga total do motor principal geralmente não é mais do que 10 minutos e não mais do que 3 a 4 minutos em uma emergência. A reversão do motor principal geralmente pode ser concluída em poucos segundos. A manobrabilidade do motor principal é um importante indicador de desempenho técnico, que é especialmente importante para navios de superfície. Isso afetará diretamente a capacidade de resposta abrangente e o desempenho técnico de todo o navio. Na era atual, armas de alto desempenho representadas por mísseis foram totalmente desenvolvidas e representam uma grande ameaça aos navios de superfície. Portanto, encurtar o tempo de preparação, entrar rapidamente em combate e deixar a zona de perigo a tempo são de grande importância para os navios de superfície.

4) Baixo consumo de ar, pequeno espaço ocupado pelos dutos de entrada e saída, mais fácil de organizar e melhor capacidade de trabalho independente e resistência ao impacto.

5) Motores a diesel de baixa velocidade podem acionar hélices diretamente e, ao adotar uma velocidade menor, a cavitação da hélice pode ser evitada, melhorando assim a eficiência de propulsão da hélice. Esse recurso não apenas melhora a eficiência geral da conversão de energia, mas também não requer um dispositivo de redução, simplifica o equipamento de transmissão e economiza investimentos em construção e custos de manutenção durante a construção naval.

6) Forte adaptabilidade ambiental. Os motores a diesel podem continuar a trabalhar sob a influência de alta contrapressão e grande vácuo continuamente flutuantes, e a atenuação de potência não é significativa. Além disso, os motores a diesel também podem ser transformados em unidades de baixo magnetismo para atender aos requisitos especiais de navios de superfície, como caça-minas.

7) Motores a diesel médios e pequenos são leves, ocupam menos espaço e têm menos equipamentos auxiliares. Um dos principais requisitos técnicos para unidades de energia marítima é o peso leve para reduzir o deslocamento ocupado pela unidade de energia, o que pode aumentar a carga líquida do navio ou melhorar a velocidade e a resistência do navio. Para navios médios e pequenos, o espaço da sala de máquinas é relativamente estreito. Além de exigir que a unidade de energia seja leve, também é particularmente necessário que seja compacta em tamanho e pequena em volume. O peso e o volume da própria unidade de energia dependem em grande parte do motor principal e de seu equipamento auxiliar necessário. Com o desenvolvimento da tecnologia de alta pressão, a potência do motor a diesel foi significativamente melhorada, enquanto o peso e o tamanho do motor a diesel não mudaram muito, e o peso unitário do motor a diesel superalimentado foi ainda mais reduzido. O motor a diesel não precisa ser equipado com grandes equipamentos auxiliares, e o equipamento auxiliar necessário também é menor. As vantagens dos motores a diesel de média e alta velocidade a esse respeito são particularmente proeminentes. Esta também é uma razão importante pela qual navios médios e pequenos geralmente usam motores a diesel.

Atualmente, as desvantagens técnicas dos motores diesel estão principalmente nos seguintes aspectos.

1) A potência única dos motores diesel de média e alta velocidade é relativamente pequena.

2) Embora a potência dos motores a diesel de baixa velocidade seja relativamente grande, à medida que a potência de toda a máquina aumenta, o volume e o peso desse tipo de unidade aumentarão rapidamente em uma determinada proporção. Portanto, haverá certas dificuldades em projetar e fabricar motores a diesel de baixa velocidade com maior potência e, correspondentemente, maiores requisitos são apresentados para o processamento, montagem e transporte de peças. No processo de redução das cargas mecânicas e térmicas dos materiais da unidade, certas dificuldades também serão encontradas. A alta altura da unidade também limita sua aplicação em grandes navios de superfície, como porta-aviões.

3) Ao contrário de máquinas rotativas, como turbinas a vapor e turbinas a gás, os pistões e outras partes dos motores a diesel continuam a se mover em vez de simplesmente girar, então forças de perturbação periódicas serão geradas. Portanto, o motor a diesel não só tem grande vibração e ruído, mas também tem sério atrito e desgaste das peças, e tem forte ruído de vibração de espectro de linha de baixa frequência, o que é muito desfavorável para a furtividade e antifurtividade de navios de superfície.

4) A velocidade mínima estável do motor diesel é alta, resultando em uma área de trabalho estável relativamente pequena da unidade.

2.3 Visão geral do desenvolvimento técnico de motores diesel marítimos

Conforme descrito em 2.2 deste artigo, as vantagens importantes dos motores a diesel são alta eficiência térmica, baixa taxa de consumo de combustível, boa economia geral, grande faixa de potência, ampla aplicabilidade, menos equipamentos auxiliares e peso total leve. Os principais defeitos dos motores a diesel são ruído, vibração e grandes perdas por atrito. Grandes navios civis usam principalmente motores a diesel de baixa velocidade como motores principais. Este tipo de motor tem alta confiabilidade, baixos custos de manutenção e pode acionar hélices diretamente. Navios militares médios e pequenos usam principalmente motores a diesel de média e alta velocidade como motores principais para reduzir o tamanho e o peso da unidade.

Nos últimos anos, com o aumento da tonelagem do navio, para aumentar a potência dos motores a diesel, os motores a diesel de baixa velocidade estão se desenvolvendo na direção do aumento do diâmetro do cilindro e do aumento da superalimentação, o que pode atender aos requisitos de propulsão de navios de alta potência e pode acionar hélices por meio de dispositivos de redução de velocidade. Especialmente em vários tipos de navios interiores, os motores a diesel têm uma vantagem absoluta e quase se tornaram o único tipo de potência.

Nos últimos anos, como economizar energia se tornou um importante tópico de pesquisa no país e no exterior. Atualmente, trabalhos de pesquisa relevantes estão sendo realizados para atingir um nível mais alto de eficiência térmica de motores a diesel marítimos. Além de melhorar o sistema de combustão, o sistema de injeção e o sistema de superalimentação, e reduzir a perda por atrito e a perda por vazamento de ar, pesquisas também estão sendo conduzidas para reduzir a perda de resfriamento, como fazer uso total da energia dos gases de escape e instalar uma turbina de potência após o turbocompressor de gases de escape para fazer uso total da energia dos gases de escape. Atualmente, ainda há muito trabalho de pesquisa e desenvolvimento a ser realizado em motores a diesel marítimos.

Nos últimos anos, a tecnologia de motores diesel marítimos se desenvolveu rapidamente, refletido principalmente nos seguintes aspectos.

1) Motores diesel de alta potência geralmente usam tecnologia de alta sobrealimentação e melhoram gradualmente o desempenho das unidades sob baixas condições de trabalho.

2) Adotar design modular e tecnologia de fabricação de alta confiabilidade.

3) Motores diesel de média e baixa velocidade usam tecnologias relacionadas para queimar completamente óleo pesado.

4) Adotar tecnologia de controle eletrônico “inteligente” e tecnologia de sistema de combustível common rail de alta pressão, bem como tecnologias de baixa emissão e outras tecnologias relacionadas.

No passado, por um longo período de tempo, navios civis de vários propósitos geralmente usavam motores a diesel como unidades de energia, enquanto navios grandes usavam principalmente turbinas a vapor. Nos últimos anos, com a melhoria da tecnologia de queima de óleo pesado de motores a diesel, a potência dos motores a diesel de baixa velocidade foi significativamente melhorada. Mesmo em navios grandes, os motores a diesel tendem a substituir gradualmente as turbinas a vapor. Em navios interiores, devido às limitações de condições objetivas, como profundidade do canal e tonelagem do navio, a maioria dos navios interiores usa motores a diesel de média e alta velocidade como motores principais.

3 Características técnicas e visão geral do desenvolvimento de turbinas a vapor marítimas

3.1 Visão geral das turbinas a vapor marítimas

Turbinas a vapor são um tipo de maquinário de turbina térmica que usa expansão de vapor para converter energia térmica em energia mecânica. Entre elas, caldeiras, corpos de turbina a vapor, condensadores e bombas de alimentação são equipamentos relativamente importantes.

Assim como as máquinas a vapor, as turbinas a vapor são dispositivos de energia que convertem energia térmica do vapor em trabalho mecânico. A diferença entre as duas é que nas turbinas a vapor, a energia térmica do vapor é convertida em energia cinética do vapor, e essa parte da energia cinética é então convertida em trabalho mecânico e transmitida ao eixo da turbina. Em termos de seu processo de trabalho, o vapor de alta pressão da caldeira entra no bico fixo, e o vapor se expande no bico. Ao expandir, a pressão do vapor diminui, e a vazão do vapor aumenta de acordo. O fluxo de vapor de alta velocidade impacta as lâminas instaladas no rotor, fazendo com que o rotor gire.

3.2 Principais características técnicas das turbinas a vapor marítimas

Em termos gerais, as turbinas a vapor apresentam as seguintes vantagens técnicas.

1) Como o motor térmico com a maior potência unitária, ele pode atender efetivamente aos requisitos de energia de grandes navios de superfície.

2) Possui alta confiabilidade e longa vida útil, e sua vida útil efetiva pode chegar a mais de 100,000 horas, e o processo de operação, manutenção e conservação é relativamente simples.

3) A unidade tem baixa vibração, atrito e ruído, o que pode proporcionar um ambiente mais silencioso e confortável para o pessoal do navio.

4) Possui forte adaptabilidade ao combustível e pode usar combustível de qualidade inferior, o que melhora o desempenho econômico.

Mas, ao mesmo tempo, as turbinas a vapor também apresentam as seguintes desvantagens.

1) O processo de conversão de energia é complexo e a economia é ruim. No processo de transferência de energia, a energia térmica será perdida em caldeiras, tubulações, válvulas, bombas e outros equipamentos, especialmente no condensador, então a eficiência térmica da unidade é relativamente baixa. Para turbinas a vapor usando ciclos simples, sua economia é ruim, não tão boa quanto motores a diesel ou turbinas a gás. O principal motivo é que a temperatura inicial do fluido de trabalho é baixa, e uma grande quantidade de energia térmica será retirada pela água de resfriamento do condensador, então a eficiência do ciclo é menor do que a dos outros dois tipos de motores principais.

2) A composição do sistema é complexa. A turbina a vapor usa vapor como fluido de trabalho e deve ser equipada com caldeiras, condensadores, bombas e outros dispositivos auxiliares, ou equipada com reatores nucleares e sistemas relacionados para obter vapor de alta temperatura. Portanto, o índice de peso da turbina a vapor é maior do que o dos motores a diesel de média velocidade, motores a diesel de alta velocidade e turbinas a gás. E afetada pelo processo de preparação de vapor, a manobrabilidade da turbina a vapor também não é tão boa quanto as unidades acima.

3) Devido à alta velocidade, a turbina a vapor precisa ser equipada com um dispositivo de redução, o que aumenta ainda mais o peso da unidade, torna a composição do sistema mais complicada, aumenta os custos de projeto e fabricação e reduz a confiabilidade do sistema.

3.3 Visão geral do desenvolvimento técnico de turbinas a vapor marítimas

Como as turbinas a vapor giram, elas funcionam suavemente, têm baixa vibração e ruído, produzem menos atrito e desgaste e têm uma longa vida útil, tornando-as particularmente adequadas para navios de passageiros. As turbinas a vapor são fáceis de manter e têm alta confiabilidade. Elas podem operar em condições de carga total por um longo tempo, têm forte capacidade de sobrecarga e são mais adaptáveis ​​ao meio ambiente. As turbinas a vapor têm alta potência, podem queimar óleo pesado ou gás natural liquefeito e são menores do que as máquinas a vapor em termos de peso e volume. No entanto, o processo de conversão de energia das turbinas a vapor é mais complicado, com baixa eficiência térmica, alta taxa de consumo de combustível e baixa economia. Atualmente, elas são usadas principalmente em petroleiros de grande tonelagem, navios porta-contêineres e navios de gás natural liquefeito.

Como as turbinas a vapor só podem girar em uma direção. Para obter a potência para rotação reversa, um estágio reverso é geralmente instalado no eixo do cilindro de baixa pressão da turbina a vapor de avanço. O estágio reverso geralmente não tem mais do que três fileiras de lâminas giratórias, ou pode ter apenas duas fileiras, e a potência que ele gera é cerca de 40% da potência de avanço. Durante a operação normal da turbina a vapor, o estágio reverso está em estado reverso, então ele é geralmente instalado na extremidade de baixa pressão da turbina a vapor de baixa pressão. A densidade de vapor desta parte é baixa, então a perda de resistência do gás gerada pela turbina a vapor reversa também é baixa.

Em 1896, o Reino Unido usou com sucesso turbinas a vapor como motores principais de navios, e a velocidade de teste pode chegar a 34.5 nós (nós). Desde então, turbinas a vapor têm sido amplamente utilizadas em navios de alta potência. As primeiras turbinas a vapor eram usadas diretamente para acionar hélices, e nenhuma engrenagem de redução era usada. Para fazer a hélice funcionar em uma velocidade ideal, uma engrenagem de redução foi adicionada à turbina a vapor para que tanto a turbina a vapor quanto a hélice pudessem operar em suas respectivas velocidades ótimas. Em 1916, quase todas as turbinas a vapor marítimas usavam engrenagens de redução, e a taxa de redução foi aumentada do inicial 1:20 para mais de 1:80. Após adotar o dispositivo de redução, a turbina a vapor pode operar em uma velocidade mais alta, a eficiência é significativamente melhorada, o tamanho do corpo da máquina é correspondentemente reduzido, todo o dispositivo é mais compacto, o peso total é bastante reduzido e a eficiência de trabalho da hélice é bastante melhorada, tornando a turbina a vapor um dispositivo de energia marítima de alta potência ideal. Muitos grandes navios de passageiros, superpetroleiros e navios porta-contêineres de alta velocidade usam turbinas a vapor.

Por muito tempo, devido à sua vantagem significativa em potência de saída, as turbinas a vapor têm certas perspectivas de aplicação em vários navios grandes, especialmente no campo de grandes navios de superfície. No entanto, devido ao início tardio da indústria de fabricação de turbinas a vapor do meu país, a proporção de navios que usam turbinas a vapor como motores principais não é alta. Com a melhoria do sistema da indústria de construção naval do meu país, ainda se espera que ele seja totalmente desenvolvido. Atualmente, existem duas tendências principais no desenvolvimento de turbinas a vapor marítimas neste estágio: uma é melhorar a eficiência térmica do sistema, aumentando os parâmetros iniciais do vapor e adotando ciclos complexos, melhorando assim a eficiência do motor principal e dos motores auxiliares; a outra é usar parâmetros de vapor mais baixos e aumentar a vazão de vapor, para que o corpo da turbina e a caldeira possam adotar um sistema estrutural mais simples, simplificando assim o processo de gerenciamento e aumentando a confiabilidade do dispositivo.

4 Características técnicas e visão geral do desenvolvimento de turbinas a gás marítimas

4.1 Visão geral das turbinas a gás marítimas

Desde sua introdução, turbinas a vapor e motores a diesel têm sido amplamente utilizados. Conforme descrito em 2.2 e 3.2 deste artigo, motores a diesel são um tipo de motor de combustão interna, onde o combustível queima dentro do cilindro, e têm a vantagem de boa manobrabilidade; turbinas a vapor são um tipo de maquinário de turbina térmica, e sua principal vantagem é que elas têm uma grande potência de unidade única. Turbinas a gás combinam as vantagens de ambos, e são um tipo de motor térmico que foi formalmente desenvolvido em meados do século XX após os dois.

Assim como as turbinas a vapor, as turbinas a gás também são um tipo de maquinário de turbina térmica, composta principalmente de três partes: compressor, câmara de combustão e turbina. Entre elas, a turbina inclui principalmente uma turbina supercharger e uma turbina de potência. A turbina supercharger é coaxial com o compressor, e a turbina de potência aciona a hélice através do sistema de eixo, que geralmente também é chamado de turbina a gás de eixo duplo. O compressor, a câmara de combustão e a turbina supercharger constituem juntos o gerador de gás.

4.2 Principais características técnicas das turbinas a gás marítimas

Durante o processo de desenvolvimento, as turbinas a gás foram amplamente utilizadas pela primeira vez no campo da propulsão da aviação e substituíram totalmente os motores a pistão. Desde 1947, as turbinas a gás também têm sido utilizadas no campo dos navios de superfície e fizeram grande progresso nas décadas seguintes. Elas gradualmente se tornaram uma das principais unidades de energia dos navios de superfície e foram altamente valorizadas pelas marinhas ao redor do mundo. Suas vantagens técnicas são principalmente as seguintes.

1) Boa manobrabilidade, excelente desempenho de partida e aceleração. A turbina a gás parte do estado frio e leva apenas 2 a 3 minutos para atingir as condições de carga total. Uma vez que o inimigo é descoberto, o navio pode responder rapidamente e entrar em combate rapidamente, melhorando a manobrabilidade do combate e encurtando efetivamente o tempo de preparação. As vantagens acima são de grande importância para navios de superfície.

2) A turbina a gás é leve e pequena, pode ser transformada em um corpo de caixa e tem alta potência unitária.

3) Existem poucos acessórios, e a maioria deles é instalada no chassi, então a unidade tem forte vitalidade.

4) O grau de automação é alto e são necessários menos funcionários.

5) A amplitude de vibração da unidade é pequena, o que pode efetivamente melhorar o ambiente de trabalho do pessoal do navio.

6) É fácil de reparar, simples de gerenciar, tem uma pequena carga de trabalho de manutenção e é fácil realizar o controle automático.

Embora as turbinas a gás tenham vantagens técnicas extraordinárias, elas também apresentam as seguintes deficiências.

1) A economia das turbinas a gás não é tão boa quanto a dos motores a diesel, especialmente quando elas se desviam das condições operacionais nominais, a taxa de consumo de combustível das turbinas a gás aumentará rapidamente. Tomando a turbina a gás WR-21 como exemplo, sua taxa de consumo de combustível em condições nominais é semelhante à dos motores a diesel de alta velocidade, mas quando operando em condições de baixa carga, a taxa de consumo de combustível desse tipo de turbina a gás aumentará rapidamente. É precisamente por causa da existência dos problemas acima que a aplicação de turbinas a gás em navios civis é limitada.

2) As turbinas a gás não podem ser revertidas diretamente e precisam ser equipadas com um dispositivo de transmissão reversa ou uma hélice com passo ajustável, o que torna a estrutura da unidade de energia mais complicada e aumenta o custo do sistema.

3) A turbina a gás tem uma grande área de seção transversal para dutos de entrada e exaustão, o que afeta o layout geral do convés e do espaço da cabine do navio de superfície.

4) A temperatura de exaustão é alta e a radiação de calor é forte, portanto suas características de sinal térmico também são fortes, o que afeta a ocultação de toda a nave.

5) É sensível às condições ambientais, como temperatura, o que afeta facilmente a eficiência térmica da unidade.

6) A vida útil da unidade é curta. Como a câmara de combustão e as lâminas da turbina a gás estão trabalhando continuamente sob condições de alta temperatura e alta pressão. Ao mesmo tempo, o ar marinho inalado pela turbina a gás contém uma certa quantidade de sal. Sob a ação de substâncias como sódio e vanádio, as lâminas e bicos da turbina podem ser corroídos em um curto espaço de tempo. Embora materiais de liga de alta qualidade sejam geralmente selecionados, a vida útil das turbinas a gás marítimas ainda é curta.

4.3 Visão geral do desenvolvimento técnico de turbinas a gás marítimas

Comparadas com turbinas a vapor, turbinas a gás são pequenas em tamanho, leves em peso, com baixo consumo de combustível, boas em partida e aceleração, simples em operação e manutenção diária e convenientes para controle centralizado remoto. Comparadas com motores a diesel, embora turbinas a gás tenham eficiência térmica relativamente baixa, elas têm maior potência por unidade, estrutura mais simples, menos peças, peso mais leve, tamanho menor e confiabilidade gradualmente melhorada. Portanto, suas áreas de aplicação foram gradualmente expandidas nos últimos anos.

Nos últimos anos, alguns navios civis de alta velocidade também começaram a usar turbinas a gás como principal força de propulsão. Os navios principais de alguns países usam turbinas a gás como força de propulsão. Com o crescimento da demanda por energia dos navios, também há planos para usar turbinas a gás como estações de energia. A pesquisa e o desenvolvimento de turbinas a gás marinhas em meu país também fizeram progressos significativos e têm amplas perspectivas de desenvolvimento.

Nesta fase, dois tipos diferentes de turbinas a gás são principalmente desenvolvidos: derivadas da aviação e industriais. Os tipos derivados da aviação têm as características de estrutura simples, peso leve e fácil controle, mas devem usar combustível de alta qualidade. As turbinas a gás industriais são outro tipo de modelo, que tem uma vida útil mais longa e pode usar óleo pesado tratado adequadamente. As unidades industriais geralmente usam regeneradores. A combustão de combustível requer uma grande quantidade de ar e produz uma grande quantidade de gás de exaustão, o que torna o suprimento de ar e as emissões de gases de combustão questões importantes.

Outra razão para o rápido desenvolvimento de turbinas a gás marítimas é que elas herdam e utilizam a base técnica existente de turbinas a gás de aviação e turbinas a gás industriais. Especialmente para as primeiras, os motores de aviação sempre foram os precursores do desenvolvimento da tecnologia de turbinas a gás. O princípio das turbinas a gás é conhecido pelas pessoas há muito tempo, mas por muito tempo, em comparação com as turbinas a vapor, a aplicação de turbinas a gás na indústria tem sido relativamente lenta. O fluido de trabalho das turbinas a vapor pode condensar em água, então a energia consumida pela bomba de água de alimentação não é grande. No entanto, o fluido de trabalho das turbinas a gás é ar e gás que não podem condensar em água, então o compressor precisa consumir uma quantidade considerável de energia para atingir o processo de compressão. Portanto, somente quando a temperatura do ciclo, a eficiência do compressor e da turbina são altas, a turbina a gás pode ter uma alta eficiência de ciclo e fornecer uma grande potência útil. São as dificuldades técnicas em materiais de alta temperatura, tecnologia de resfriamento de lâminas e desempenho aerodinâmico dos compressores que restringem o desenvolvimento e a aplicação de turbinas a gás.

Em comparação com turbinas a gás industriais, turbinas a gás marítimas têm requisitos mais rigorosos quanto ao peso e tamanho da unidade. No entanto, esse requisito é relativamente frouxo em comparação com o das turbinas a gás de aviação. Pelo contrário, o foco, ou a principal contradição, do design aerodinâmico de turbinas a gás marítimas é frequentemente a alta eficiência dos componentes e características operacionais variáveis ​​estáveis. Ao mesmo tempo, para encurtar o ciclo de desenvolvimento, é necessário reduzir a carga de trabalho de depuração. Ao projetar os principais componentes de turbinas a gás marítimas, é necessário prestar total atenção aos requisitos de tecnologia madura, soluções estáveis, estrutura simples e fabricação conveniente. Ao contrário das turbinas a gás de aviação, a potência de cruzeiro das turbinas a gás marítimas é significativamente menor do que sua potência máxima. Embora essa particularidade possa ser resolvida adotando uma unidade de potência combinada de uma unidade de cruzeiro e uma unidade de aceleração, ela ainda apresenta certos requisitos para a economia de turbinas a gás marítimas em uma ampla gama de condições de carga.

Atualmente, turbinas a gás derivadas da aviação geralmente se tornaram as unidades de energia de navios militares. Turbinas a gás industriais são mais adequadas para navios civis, que têm requisitos menores para o peso e tamanho da unidade de energia. Se o navio precisar reverter, hélices de passo variável e propulsão elétrica podem ser usadas. Além disso, turbinas a gás de ciclo fechado têm alta eficiência, mas ainda estão em fase de pesquisa. Em navios, turbinas a gás são frequentemente colocadas em uso com unidades de energia combinadas.

Por enquanto, as turbinas a gás marinhas sempre foram desenvolvidas em torno do aumento de potência, melhoria da eficiência e redução de tamanho e peso. Sua direção de desenvolvimento futuro é principalmente a seguinte.

1) Continue a desenvolver ciclos simples com parâmetros iniciais mais altos, aumente continuamente a temperatura inicial do gás e aumente a taxa de pressão de acordo, ao mesmo tempo em que adota uma tecnologia de resfriamento mais eficiente. Ao adotar uma tecnologia de resfriamento avançada, a temperatura inicial do gás pode ser aumentada em cerca de 25 ℃ em média a cada ano. Nos últimos anos, materiais de alta resistência e resistentes ao calor também foram desenvolvidos continuamente. Ao adotar materiais de alta temperatura, a temperatura inicial do gás pode ser aumentada em cerca de 10 ℃ em média a cada ano.

2) Continuar a desenvolver ciclos complexos e fazer uso total do calor de exaustão das turbinas a gás para melhorar a eficiência geral da unidade. Para esse fim, ciclos de recuperação de calor e ciclos combinados gás-vapor podem ser usados.

3) Melhorar ainda mais o desempenho dos principais componentes da turbina a gás e melhorar a eficiência geral da unidade.

5 Comparação de parâmetros técnicos de motores principais marítimos

A potência de saída é um fator no qual grandes navios de superfície precisam se concentrar ao selecionar motores principais. Em termos gerais, há dois indicadores principais que determinam a potência de saída real de motores térmicos: a taxa de fluxo do fluido de trabalho e a queda de entalpia específica do fluido de trabalho por taxa de fluxo unitária.

Sob a premissa de tamanho de unidade semelhante, as turbinas a gás são significativamente melhores do que os motores a diesel em termos de potência de saída. A principal razão para o fenômeno acima é a continuidade do fluxo do fluido de trabalho da própria turbina a gás. O processo de combustão dentro da turbina a gás está em um estado contínuo, enquanto o processo de combustão dentro do motor a diesel é intermitente. Para evitar falhas de alta temperatura e outros fenômenos, a temperatura máxima do fluido de trabalho dentro da turbina a gás é geralmente menor do que a do motor a diesel. Além disso, o efeito de compressão do compressor axial usado em turbinas a gás geralmente não é tão bom quanto o mecanismo de pistão dos motores a diesel. Portanto, em termos de queda de entalpia específica do fluido de trabalho por unidade de vazão, as turbinas a gás não têm vantagem. No entanto, como mencionado acima, uma vez que o fluido de trabalho dentro da turbina a gás está em um estado de fluxo contínuo e não há fenômeno de rendimento alternativo, o fluido de trabalho tem uma vantagem clara em termos de vazão. Em geral, sob a premissa de tamanho e peso estruturais semelhantes, a potência de saída das turbinas a gás é geralmente maior do que a dos motores a diesel.

Comparado com turbinas a vapor, que também são máquinas de turbina térmica, o fluido de trabalho dentro de turbinas a gás também está em um estado de fluxo contínuo. Embora a temperatura do fluido de trabalho dentro da turbina a gás seja mais alta, sua pressão é significativamente menor. A pressão do fluido de trabalho da turbina a gás é geralmente de apenas alguns MPa, mas a pressão de vapor da turbina a vapor ultra-supercrítica atual pode atingir 30 MPa, resultando na queda de entalpia específica disponível da turbina a gás sendo cerca de 1/5 a 1/3 daquela da turbina a vapor. Em geral, as turbinas a gás são geralmente inferiores às turbinas a vapor em termos de potência de saída, mas considerando a alta manobrabilidade e gerenciamento de automação das turbinas a gás, elas ainda têm certas perspectivas de aplicação no campo de grandes navios de superfície. Com base no acima, os parâmetros técnicos relevantes de vários motores principais marítimos são mostrados na Tabela 1.

6 Características técnicas e visão geral do desenvolvimento de unidades de energia combinadas marítimas

6.1 Origem das unidades de energia combinada marítima

As unidades de energia marítima acima diferem em potência, velocidade, manobrabilidade, economia, peso e tamanho. Para navios civis, a principal consideração é a economia, e as deficiências só podem ser melhoradas por medidas apropriadas. Para navios militares, a eficácia do combate é o objetivo principal, e mais atenção é dada à melhoria da potência da unidade para melhorar a velocidade e a manobrabilidade de todo o navio.

De acordo com estatísticas relevantes (Tabela 2), durante a navegação, os navios de superfície estão em condições de cruzeiro (baixa velocidade) na maior parte do tempo. Neste momento, a potência de saída da unidade de potência geralmente não excede 25% da potência total, então uma unidade com menor potência, maior vida útil e menor taxa de consumo de combustível pode ser selecionada para operação. No caso de uma guerra ou exercício de combate real (o tempo de navegação dos navios de superfície sob tais condições representa apenas cerca de 3% do tempo total de navegação), outra unidade de aceleração com maior potência e correspondentemente maior taxa de consumo de combustível pode ser usada. Ao mesmo tempo, a unidade de cruzeiro e a unidade de aceleração também podem ser colocadas em operação juntas para produzir maior potência e atender aos requisitos de alta velocidade. Esse dispositivo é geralmente chamado de unidade de potência combinada, que pode ser usada para equilibrar os requisitos econômicos dos navios de superfície sob condições de cruzeiro e os altos requisitos de manobrabilidade durante o combate.

6.2 Visão geral do desenvolvimento de unidades de energia combinadas e seus tipos de combinação

6.2.1 Visão geral do desenvolvimento de unidades de energia combinadas

Até agora, unidades de energia combinadas para navios de superfície foram desenvolvidas por um longo tempo. Experiências relevantes mostram que sempre que um novo tipo de motor térmico é lançado, um novo tipo de unidade de energia combinada composta por este tipo de unidade e outros motores principais existentes frequentemente aparecerá. No uso real, conforme o desempenho técnico de novos motores térmicos melhora, um único tipo de unidade de energia gradualmente ganhará uma vantagem e substituirá a unidade de energia combinada usada anteriormente. Até que motores térmicos mais avançados apareçam, eles serão combinados com motores principais existentes novamente para produzir uma unidade de energia combinada mais inovadora. Este fenômeno se repete infinitamente.

Especificamente, a máquina a vapor é um tipo de máquina térmica que nasceu durante a Revolução Industrial e desempenhou um papel importante na história humana. No final do século XIX, surgiu a turbina a vapor, que é um novo tipo de unidade de energia a vapor. A primeira unidade de energia combinada da história consistia em uma máquina a vapor e uma turbina a vapor. O conceito de design deste tipo de unidade de energia combinada é o seguinte: Devido à limitação do volume de folga e do curso do cilindro da máquina a vapor, o vapor de alta temperatura não pode ser totalmente expandido no cilindro, então uma turbina a vapor é disposta atrás da máquina a vapor. O vapor que fez trabalho na máquina a vapor entra na turbina a vapor para se expandir novamente, recuperando assim parte da energia do vapor. Desta forma, a utilização em cascata de energia é alcançada, e a potência e a eficiência térmica da unidade são efetivamente melhoradas.

No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia, os motores a vapor gradualmente se retiraram do palco da história, e vários navios grandes estão mais inclinados a usar um único tipo de motor principal, como turbinas a vapor. Para levar adiante as vantagens técnicas das turbinas a vapor e superar suas desvantagens, além de melhorar continuamente o desempenho técnico do corpo da turbina a vapor, ela também pode formar uma unidade de energia combinada com outros tipos de motores térmicos. Após a Segunda Guerra Mundial, com a melhoria gradual da tecnologia da turbina a gás, seu excelente desempenho de energia também atraiu ampla atenção, e uma série de unidades de energia combinadas com ela como uma unidade de aceleração surgiram gradualmente.

Atualmente, existem principalmente os seguintes tipos de unidades de energia combinadas, dominadas por turbinas a gás.

1) Unidade de energia combinada de combustão a vapor. Este tipo de usina de energia combinada usa uma pequena turbina a vapor como um dispositivo de cruzeiro e uma turbina a gás como um dispositivo de aceleração. Comparado com uma única usina de energia de turbina a vapor, este tipo de usina de energia combinada foi significativamente melhorado em termos de tamanho, peso e desempenho de aceleração inicial.

2) Usina combinada de combustível-combustível. As usinas combinadas de combustível-combustível são divididas em dois tipos: usinas combinadas de combustível-combustível e usinas alternadas de combustível-combustível. A unidade de cruzeiro e a unidade de aceleração deste dispositivo são ambas turbinas a gás. A turbina a gás de cruzeiro pode fornecer economicamente a baixa potência necessária para cruzeiro e operar como uma unidade de aceleração em condições de alta velocidade. Este sistema tem as vantagens de operação flexível, alta potência e peso leve, mas o dispositivo é caro e os dutos de admissão e exaustão ocupam um grande espaço no convés, afetando o layout de todo o navio.

3) Usina combinada de energia a diesel. Este tipo de usina combinada de energia é dividido em dois tipos: usinas combinadas de energia a diesel e usinas alternadas de energia a diesel. Este dispositivo usa um motor a diesel como unidade de cruzeiro e uma turbina a gás como unidade de aceleração. Os motores a diesel são usados ​​em cruzeiro e reversão, e as turbinas a gás são usadas em navegação de alta velocidade. Este tipo de unidade combinada de energia tem as vantagens de baixo consumo de combustível, boa aceleração e boa confiabilidade.

6.2.2 Principais tipos de combinação de unidades de potência combinadas

Levando em consideração as excelentes vantagens técnicas das turbinas a gás, as unidades de energia combinadas compostas por elas são mostradas abaixo e resumidas na Tabela 3.

6.3 Principais características técnicas das unidades de potência combinada

Em geral, a unidade de potência combinada possui as seguintes características técnicas.

1) Como uma turbina a gás mais leve e manobrável é usada como unidade de aceleração e, portanto, fornece a maior parte (ou mesmo toda) da energia sob condições de alta carga, o peso total da unidade de energia de todo o navio pode ser reduzido de acordo.

2) Como uma unidade de cruzeiro mais eficiente e econômica é usada, a resistência dos navios de superfície pode ser bastante melhorada.

3) Como são utilizados dois tipos de unidades independentes, a confiabilidade da unidade de energia é melhorada.

4) Para realizar o processo reverso de navios de superfície, a unidade de potência combinada é mais adequada para combinar com sistemas relacionados, como hélices de passo, redutores e propulsão elétrica. Neste momento, qualquer motor principal pode acionar a hélice de forma independente. No entanto, deve-se notar que se um motor principal que pode atingir rotação reversa (como um motor a diesel de baixa velocidade e a turbina reversa mencionada em 3.3 deste artigo) for usado, isso frequentemente levará à incompatibilidade de potência de transmissão ou outros problemas técnicos mais complexos, reduzindo assim a confiabilidade do sistema.

6.4 Tendência geral de desenvolvimento de unidades de energia combinadas

Conforme mencionado acima, devido às diferentes características de desempenho e aplicabilidade de vários tipos de motores térmicos, não é possível transformar os motores principais relacionados em uma unidade de potência combinada ideal simplesmente combinando-os em pares.

Quanto às atuais unidades de potência combinadas, as turbinas a gás são usadas principalmente como unidades de aceleração. Tomando a unidade de potência combinada do tipo COGOG como exemplo, a unidade de cruzeiro geralmente usa uma turbina a gás pesada com um peso unitário maior, menor potência, menor taxa de consumo de combustível e maior vida útil, enquanto a unidade de aceleração geralmente usa uma turbina a gás leve com maior potência, maior taxa de consumo de combustível e menor vida útil.

Outro exemplo é a unidade de potência combinada do tipo COSAG mencionada acima. Com o aumento da potência do motor diesel e a melhoria da eficiência da turbina a gás nos últimos anos, bem como o efeito de uso real e a confiabilidade da turbina a vapor reversa no estado combinado da unidade, é urgente melhorar. Portanto, a unidade de potência combinada do tipo COSAG é gradualmente substituída pela unidade de potência combinada do tipo CODOG e pela unidade de potência combinada do tipo CODAG.

7 Características técnicas e tipos específicos de unidades de energia nuclear marinha

7.1 Visão geral das unidades de energia nuclear marítima

A parte principal de uma unidade de energia nuclear é um reator atômico, que é equivalente ao forno e à câmara de combustão de uma caldeira. As unidades de energia nuclear geralmente usam 235U como combustível nuclear do reator. Os navios de guerra movidos a energia nuclear geralmente usam combustível nuclear de alta concentração com uma concentração de mais de 20% a 40% para reduzir o tamanho e o peso do dispositivo. Os navios mercantes movidos a energia nuclear, da perspectiva da economia, usam principalmente combustível nuclear de baixa concentração com uma concentração de menos de 5%. As usinas nucleares podem melhorar significativamente a resistência do motor principal do navio, e não há necessidade de inalar ar e descarregar gases de escape, o que é de particular importância para submarinos. Portanto, as usinas nucleares são amplamente utilizadas em submarinos. As usinas nucleares também têm boas perspectivas de aplicação em grandes navios, como porta-aviões e cruzadores. Devido aos danos das substâncias radioativas em navios movidos a energia nuclear ao corpo humano e à poluição das águas portuárias, uma enorme camada protetora de chumbo e um conjunto completo de medidas de proteção de segurança devem ser usados, o que é caro e a tecnologia de teste e gerenciamento é complexa. Embora também seja usado em navios civis, não foi amplamente promovido e ainda está em fase de desenvolvimento.

7.2 Principais características técnicas das usinas nucleares marítimas

A aplicação em larga escala de reatores nucleares abriu amplas perspectivas para o desenvolvimento de usinas de energia marítima, e suas vantagens técnicas são principalmente as seguintes.

1) Uma pequena quantidade de combustível nuclear pode ser consumida para obter uma energia enorme. Navios que usam usinas nucleares podem viajar distâncias extremamente longas em alta velocidade. Por exemplo, uma usina nuclear com uma potência de cerca de 11,040 kW (15,000 PS) consome apenas 15 a 18 g de combustível nuclear em um dia e uma noite. O primeiro submarino nuclear dos Estados Unidos, o Nautilus, pode navegar ao redor do mundo debaixo d'água sem reabastecimento. O quebra-gelo soviético movido a energia nuclear Lenin pode navegar continuamente por um ano sem reabastecimento. Depois de usar usinas nucleares, a resistência dos navios de superfície é muito melhorada, e o espaço economizado pode ser usado para transportar mais armas e equipamentos, melhorando a capacidade de combate de todo o navio.

2) Sem consumo de ar. O processo de reação nuclear não requer a participação do ar. Esse recurso é incomparável a qualquer outro tipo de usina de energia, especialmente para submarinos. Ao usar usinas nucleares, a eficácia de combate dos submarinos pode ser significativamente melhorada, e eles podem ficar escondidos no fundo do mar por um longo tempo, dificultando sua descoberta pelo inimigo. A característica das usinas nucleares de não consumirem ar também tem certas vantagens para navios de superfície, porque não há necessidade de instalar dutos de entrada e saída de ar, e nenhuma fumaça de alta temperatura será gerada, o que melhora correspondentemente a ocultação. Em uma guerra nuclear, o risco de inalar fumaça radioativa da entrada de ar também é reduzido, facilitando a realização da proteção nuclear.

Mas, ao mesmo tempo, as usinas nucleares também têm certas desvantagens, principalmente as seguintes.

1) Grande peso e tamanho. Como o processo de reação nuclear liberará uma grande quantidade de substâncias radioativas, que causarão sérios danos ao corpo humano e causarão certa poluição ao mar aberto, águas offshore e docas, é necessário montar barreiras pesando centenas de toneladas ou mesmo milhares de toneladas para evitar o escape de substâncias radioativas, o que torna o tamanho e o peso de toda a usina elétrica maiores.

2) As usinas nucleares são caras e a tecnologia de operação e gestão é complexa, o que até certo ponto restringe sua promoção em larga escala.

Pelos motivos acima, as usinas nucleares são usadas principalmente para grandes navios de superfície e submarinos, e seu desenvolvimento no campo de navios civis é relativamente lento.

7.3 Tipos específicos de reatores nucleares marinhos
Para garantir a segurança do pessoal a bordo, os navios movidos a energia nuclear geralmente têm requisitos de proteção mais rigorosos para radioatividade do que as usinas nucleares terrestres. Os navios de superfície podem encontrar colisões, encalhes, incêndios e explosões durante a navegação, ou podem ser afundados por ataques acidentais de armas como torpedos e mísseis. Sob a premissa de que acidentes relacionados provavelmente ocorrerão, a fim de reduzir a disseminação da poluição nuclear, as usinas nucleares de navios devem ter a função de desligamento permanente e precisam ser equipadas com barreiras de reator sólidas. De acordo com os requisitos especiais de navios para usinas nucleares, os reatores de água pressurizada atualmente usados ​​são principalmente dos três tipos a seguir.

7.3.1 Reator de elemento combustível de placa de urânio altamente enriquecido

Este tipo de reator usa elementos de combustível de placa com um enriquecimento de 235U de mais de 20%. O elemento de placa tem uma grande área de dissipação de calor, um layout de núcleo compacto, um pequeno volume e uma alta potência de saída por unidade de volume. Isso pode reduzir o tamanho do invólucro do reator e tornar o layout do equipamento mais compacto. No entanto, suas desvantagens técnicas residem principalmente na alta concentração de combustível nuclear necessária e no alto custo de projeto, construção e operação.

7.3.2 Reator de água pressurizada dispersa com urânio pouco enriquecido

A estrutura desse tipo de reator de água pressurizada é aproximadamente a mesma de um reator de água pressurizada de usina nuclear terrestre. Ele consiste em um gerador de vapor, um reator, uma bomba de refrigeração primária e um pressurizador. Os componentes relevantes são conectados por tubos para formar um circuito fechado de alta temperatura e alta pressão. O sistema de circuito secundário e o equipamento são semelhantes às usinas de energia a vapor marítimas convencionais.

7.3.3 Reator de água pressurizada integrado

Tomemos como exemplo o reator de água pressurizada marinha alemão “Otto Hahn”. Ele adota uma estrutura integrada, um sistema de loop primário simples, equipamento compacto e um pequeno tamanho de casco de segurança do reator, que é adequado para navios de superfície. Além disso, o núcleo é preenchido com água de resfriamento e tem bom desempenho de circulação natural. Quando a bomba de resfriamento para no loop primário, a circulação natural do refrigerante ainda pode ser confiável para manter o processo de resfriamento do núcleo. A desvantagem do reator de água pressurizada integrado é que o reator, o evaporador e a bomba principal são conectados juntos, o que torna a estrutura interna do reator complexa e aumenta a dificuldade de projeto, fabricação e manutenção.

8 Dispositivo de propulsão elétrica marítima

Dispositivos de propulsão elétrica também podem ser usados ​​para propulsão de navios. Este tipo de dispositivo obtém energia elétrica por vários meios e, em seguida, o motor aciona a hélice para fornecer energia de propulsão para o navio. Suas características são que a velocidade da hélice pode ser ajustada arbitrariamente para atender às necessidades de navegação em várias condições de trabalho, e é simples de operar e fácil de gerenciar. É mais adequado para alguns navios com requisitos especiais, como submarinos, navios de pesquisa científica, balsas, etc. A maior vantagem do dispositivo de propulsão elétrica é a boa manobrabilidade. A velocidade mínima de seu motor pode atingir menos de 1/10 da velocidade nominal, e o navio pode navegar em velocidades extremamente baixas. Além disso, o tempo de inicialização e reversão para frente e para trás desse tipo de dispositivo também é curto. O gerador principal e a hélice movida a motor podem operar nas melhores condições de trabalho, e é fácil de controlar e gerenciar remotamente, e a vibração e o ruído de todo o dispositivo são relativamente pequenos.

Em termos gerais, a unidade usada para geração de energia consiste em um motor principal e um gerador. Os motores principais incluem principalmente turbinas a vapor, motores a diesel e turbinas a gás, que são basicamente os mesmos tipos de motores principais de navios. Conforme mencionado acima, devido à potência relativamente pequena dos motores a diesel, eles são geralmente usados ​​para os conjuntos de geradores principais e auxiliares de navios auxiliares militares, ou os conjuntos de geradores auxiliares de navios militares. As turbinas a vapor têm as vantagens de alta velocidade e alta potência, e a tecnologia é relativamente madura, mas também têm desvantagens como grande tamanho e peso, baixa eficiência, grande área do navio e layout difícil. Se forem usadas em conjuntos de geradores, a densidade de potência de todo o conjunto de geradores será reduzida. Além disso, devido à alta velocidade das turbinas a vapor, se uma rede elétrica CA de 50 Hz for usada, uma caixa de engrenagens enorme será necessária para reduzir a velocidade, o que aumentará o ruído de todo o navio de acordo. As turbinas a gás têm boas perspectivas neste campo. Atualmente, muitos sistemas de propulsão elétrica de navios escolhem turbinas a gás como motores principais para geração de energia.

9 Visão geral da história do desenvolvimento da tecnologia de usinas de energia marítima

Como a máquina a vapor era usada em usinas de energia marítima, ela rapidamente ocupou uma certa posição dominante. Até a Primeira Guerra Mundial, as máquinas a vapor ainda dominavam navios civis e militares ao redor do mundo e eram a fonte mais importante de energia para navios. No entanto, o apogeu das máquinas a vapor estava chegando ao fim. Devido ao grande tamanho e à baixa eficiência térmica das máquinas a vapor, elas foram gradualmente substituídas por motores a diesel e turbinas a vapor durante a Primeira Guerra Mundial e a Segunda Guerra Mundial. Ao mesmo tempo, como a taxa de consumo de combustível dos motores a diesel de baixa velocidade era significativamente menor do que a das turbinas a vapor, elas podiam queimar combustível de baixa qualidade e tinham alta confiabilidade, então elas gradualmente substituíram as turbinas a vapor no campo de navios civis.

Para navios com deslocamento maior, turbinas a vapor eram quase todas usadas, enquanto navios pequenos eram mais inclinados a usar motores a diesel. Foi somente em 1947 que um novo rival para motores a diesel apareceu. Depois que o primeiro navio britânico movido a turbinas a gás foi testado, ele começou a competir com motores a diesel e turbinas a vapor que dominavam na época.

Embora fosse altamente econômico e tivesse alcançado resultados notáveis ​​no campo de usinas de energia marítima, o motor a diesel em si era limitado em potência e não conseguia mais atender aos requisitos de desempenho de energia de grandes navios. Em contraste, embora a turbina a vapor tenha uma estrutura simples e alta potência, ela precisa ser equipada com um grande dispositivo de geração de vapor (como uma caldeira, etc.) e sistemas auxiliares, e sua economia e manobrabilidade são ruins. Essa situação contraditória continuou até a turbina a gás ser lançada. Quando a turbina a gás foi amplamente popularizada no campo da energia de navios militares, os problemas acima foram gradualmente resolvidos. As turbinas a gás não podem apenas construir um único modelo de unidade de energia, mas também ser combinadas com outras unidades de energia, como motores a diesel, para formar uma nova unidade de energia combinada. Navios com turbinas a gás de ciclo complexo como unidades de energia não apenas têm bons indicadores econômicos, mas também têm alta potência geral, o que pode ser considerado o melhor dos dois mundos.

Precisamente porque as turbinas a gás têm as vantagens de partida fácil e boa manobrabilidade, elas receberam ampla atenção e provavelmente serão “retardatárias”. No entanto, como as turbinas a gás trabalham em condições de alta temperatura e alta pressão, elas têm altos requisitos para qualidade de combustível e sua eficiência térmica é significativamente menor do que a dos motores a diesel, então raramente são usadas em navios civis.

Usinas nucleares usam reatores nucleares para obter vapor de alta temperatura e alta pressão. Reatores nucleares geram alta energia por meio de reações em cadeia de fissão nuclear controláveis, que são absorvidas pela água de resfriamento em circulação contínua. Então o calor é transferido para a água no segundo circuito através do gerador de vapor, que o transforma em vapor e depois vai para a turbina a vapor para fazer trabalho. Atualmente, usinas nucleares são usadas principalmente em grandes navios de superfície e submarinos.

Países ao redor do mundo também conduziram pesquisas relevantes sobre a aplicação de usinas nucleares no campo de navios civis. Os Estados Unidos testaram com sucesso no navio “Savannah”; a União Soviética também usou usinas nucleares no quebra-gelo “Lenin”. Desde então, a Alemanha e o Japão também construíram navios civis movidos a energia nuclear. Após um período de viagem de teste, os navios relevantes foram forçados a parar de navegar por razões legais e de opinião pública. Devido a preocupações de que substâncias radioativas poluirão cursos de água, portos e ambientes urbanos, muitos portos se recusam a permitir que navios movidos a energia nuclear entrem no porto. Também há uma falta de métodos de tratamento adequados para resíduos nucleares após o uso de combustível nuclear, o que até certo ponto limita a aplicação de usinas nucleares em navios civis.

Com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, novos dispositivos de energia marítima continuam a surgir, como células de combustível, propulsão magnetohidrodinâmica, células solares, etc. Entre eles, a nova propulsão magnetohidrodinâmica tem uma boa perspectiva. Este método de propulsão é uma propulsão eletromagnética supercondutora. Seu princípio é instalar ímãs supercondutores no navio e, em seguida, passar a corrente pela água do mar, usando o campo magnético gerado pelos ímãs supercondutores e a força gerada pela corrente na água do mar para impulsionar o navio para a frente. As características desta forma de propulsão são modo de transmissão simplificado, sem peças rotativas (sem sistema de hélice e eixo), grande impulso e alta velocidade.

10 Principais requisitos técnicos para dispositivos de energia marítima

Para garantir a capacidade de navegação dos dispositivos de propulsão marítima, ao selecionar o motor principal, o seguinte desempenho técnico precisa ser totalmente atendido, o que também pode servir como uma referência importante para a seleção do motor principal.

10.1 Confiabilidade

Após ser colocado em operação por um período de tempo, o equipamento eletromecânico inevitavelmente falhará. Para dispositivos de energia marítima, a confiabilidade é extremamente importante. Confiabilidade tem dois significados: um é a vitalidade da unidade de energia, que se refere principalmente à capacidade da unidade de energia de manter a operação após ser afetada por fatores externos. Quanto piores as condições que ela pode suportar, mais forte é sua vitalidade; o outro é o tempo em que a unidade de energia está em operação normal. Quanto maior o tempo de operação normal, maior a confiabilidade e vice-versa.

Para unidades de energia de navios de superfície, métodos de propulsão multimotor, multihélice ou multimotor paralelo são frequentemente usados, e sua confiabilidade e vitalidade são significativamente maiores do que o método de propulsão monomotor e monohélice. Tomando o método de propulsão bimotor e bihélice como exemplo, quando um dos motores principais ou a hélice correspondente falha seriamente, o outro motor principal e a hélice ainda podem operar normalmente, e a força de propulsão do navio não é completamente perdida. Portanto, do efeito geral da propulsão, o método de propulsão bimotor e bihélice tem vitalidade mais forte. Portanto, os navios de superfície usam principalmente métodos de transmissão bimotor e bihélice ou multimotor e bihélice.

10.2 Manobrabilidade

Manobrabilidade refere-se à capacidade de uma unidade de energia marítima de fazer a transição de uma condição operacional para outra, como partida, aceleração, frenagem, reversão e fusão. O desempenho da conversão da condição operacional da unidade de energia afeta diretamente a capacidade do navio de deixar o cais, navegar em áreas de gelo, navegar em tempo de neblina e evitar emergências.

10.2.1 Inicialização

A qualidade da capacidade de partida está intimamente relacionada ao tipo de motor principal. Quanto ao tempo de partida de um motor a diesel, ele depende principalmente do sistema com o maior tempo de operação entre os sistemas auxiliares, como combustível, óleo lubrificante, água de resfriamento e ar de partida. Para melhorar a capacidade de manobra de um motor a diesel, medidas como aquecimento do cilindro são geralmente adotadas.

Comparados com turbinas a vapor, motores a diesel requerem um certo fluxo de vapor de alta temperatura durante o processo de inicialização de turbinas a vapor, então depende principalmente do processo de parâmetros de vapor atingindo o estado especificado após a caldeira ser acesa. Embora algumas caldeiras possam fornecer vapor rapidamente, o tempo médio de inicialização de turbinas a vapor ainda é maior do que o de motores a diesel.

Em comparação com os motores a diesel, as turbinas a gás têm um tempo de partida relativamente menor, mas, no geral, não há diferença significativa entre as duas.

10.2.2 Aceleração

A aceleração também está relacionada ao tipo de motor principal. A primeira condição para encurtar o tempo de aceleração é que o motor principal precisa aumentar a potência para o valor máximo em um curto espaço de tempo. A segunda é se a hélice pode absorver totalmente a potência de saída do motor principal durante o processo de aceleração e convertê-la em potência de propulsão externa.

Para o motor principal, os principais fatores que afetam o tempo de aceleração são o peso e a inércia térmica dos componentes. Peso mais leve e menor inércia térmica são propícios à aceleração. Em termos gerais, os componentes portadores de calor das turbinas a gás são relativamente leves e pequenos, então eles têm melhor desempenho de aceleração.

Para hélices, como a velocidade das hélices de passo fixo está sujeita a certas restrições, ela aumentará de acordo com o aumento da velocidade do navio. Portanto, conforme a velocidade das hélices de passo fixo aumenta, a potência do motor principal também precisa ser gradualmente aumentada para atingir uma correspondência razoável. A hélice de passo ajustável não é limitada por sua própria velocidade ao absorver potência e pode gerar maior empuxo em um curto espaço de tempo, então sua aceleração é melhor do que a das hélices de passo fixo.

10.2.3 Desempenho de frenagem e marcha ré

O desempenho de um navio em frenagem e reverso depende principalmente da hélice e do modo de transmissão correspondente. Para a combinação de um motor diesel reversível de baixa velocidade + hélice de passo fixo, o motor diesel de baixa velocidade deve primeiro parar de injetar combustível e reduzir a velocidade para uma certa faixa antes de começar a reverter, então o tempo de reverso é geralmente maior.

Para combinações como motor principal não reversível + embreagem + hélice de passo fixo, depende principalmente do desempenho da embreagem. Se o sistema usar uma embreagem de fricção, o tempo de reversão do navio depende principalmente do aumento da temperatura das peças de fricção quando a embreagem reverte. Quanto maior a carga mecânica e a carga térmica que a embreagem pode suportar ao reverter, mais propício é melhorar a frenagem de emergência e as capacidades de reversão.

Para combinações como motor principal não reversível + hélice de passo ajustável, como o navio não precisa parar o motor principal ao frear, e o empuxo reverso pode ser gerado ajustando o passo das pás, seu desempenho de frenagem e reversão é relativamente bom.

11 Análise das perspectivas de aplicação de unidades de energia marítima

Nos últimos anos, os motores a diesel se tornaram a principal fonte de energia para vários tipos de navios. Na era atual de energia cada vez mais escassa, considerando a alta eficiência térmica dos motores a diesel e a promoção da tecnologia de óleo de baixa qualidade, os motores a diesel continuarão a ocupar uma posição importante nos motores principais dos navios nos próximos anos.

Navios de superfície médios e pequenos são movidos principalmente por motores a diesel. Esses navios incluem caçadores de submarinos, caça-minas, barcos de patrulha, canhoneiras, barcos torpedeiros, barcos de mísseis e navios auxiliares. Alguns navios grandes, como fragatas e contratorpedeiros, também usam motores a diesel ou unidades de energia combinadas de combustível diesel como fontes de energia. Em unidades de energia combinadas de combustível diesel, os motores a diesel são usados ​​principalmente como motores principais de cruzeiro para aproveitar a baixa taxa de consumo de combustível para estender o alcance de cruzeiro do navio. Para submarinos, exceto para unidades de energia nuclear, todos os submarinos convencionais usam motores a diesel como motores principais, e alguns também usam sistemas de propulsão independentes do ar (AIP).

Atualmente, devido ao desenvolvimento de motores a diesel e turbinas a gás, unidades de energia a vapor representadas por turbinas a vapor desistiram de seu antigo domínio abrangente e formaram um tripé de três pernas juntas. No entanto, turbinas a vapor ainda dominam grandes navios, especialmente porta-aviões e submarinos nucleares.

Devido ao grande consumo de combustível das turbinas a vapor, o número de navios civis de turbina a vapor recém-construídos está diminuindo ano a ano. Em contraste, quase todos os navios de gás natural liquefeito usam turbinas a vapor para reciclar e utilizar o gás natural escapado como combustível de caldeira. No meu país, as turbinas a vapor ainda dominam navios de grande e médio porte, como porta-aviões e submarinos nucleares. Da perspectiva do uso real do navio, as vantagens notáveis ​​das turbinas a vapor são segurança e confiabilidade, boa manobrabilidade, facilidade de uso e boa manutenção. Sua desvantagem é a baixa economia. Com a mesma quantidade de combustível, o alcance de cruzeiro é curto. Esta é uma fraqueza fatal que afeta o desenvolvimento de turbinas a vapor marítimas. Para permitir o desenvolvimento contínuo de turbinas a vapor, esforços devem ser feitos para melhorar a economia.

Conforme mencionado acima, durante e após a Segunda Guerra Mundial, motores a diesel e turbinas a vapor foram amplamente utilizados em navios. No entanto, com o desenvolvimento subsequente da tecnologia, houve uma tendência de usar turbinas a gás como motor principal. Atualmente, as turbinas a gás podem ser divididas principalmente em turbinas a gás leves e turbinas a gás pesadas de acordo com seus diferentes tipos estruturais. Entre elas, as turbinas a gás leves são um tipo de nova unidade que é baseada em turbinas a gás de aviação e posteriormente modificadas para se adaptar às condições de navegação do navio. As turbinas a gás pesadas são desenvolvidas com base em turbinas a gás industriais e atualmente são mais adequadas para grandes navios civis, como navios porta-contêineres, navios roll-on/roll-off e balsas, mas devido à baixa economia desse tipo de unidade, sua aplicação ainda está em estágio experimental.

As turbinas a gás marinhas seguem principalmente o caminho da modificação da aviação. Sob as condições do ambiente marinho e os requisitos de uso do navio, um grande número de pesquisas e trabalhos experimentais foram realizados a partir dos aspectos de melhoria da economia e confiabilidade, e muitas novas tecnologias e processos foram adotados. Os produtos foram atualizados muitas vezes e atingiram um estágio relativamente maduro, mas, em comparação com os motores a diesel, ainda há uma certa lacuna na economia. Atualmente, tanto as turbinas a vapor quanto as turbinas a gás estão trabalhando duro para melhorar a economia e reduzir o consumo de combustível, e alcançaram resultados gratificantes.

Para equilibrar a economia em condições de cruzeiro e a aceleração necessária para manobras estratégicas, os navios de superfície geralmente usam unidades de potência combinadas, incluindo unidades de cruzeiro e unidades de aceleração. Ambas as unidades são conectadas ao redutor principal por uma embreagem, e caixas de engrenagens reversas e de avanço ou hélices de passo ajustável são usadas para implementar a ré. A vantagem da unidade de potência combinada é que ela tem potência suficiente, e o peso e o volume da unidade são relativamente pequenos. Ela resolve a contradição entre alta potência em velocidade máxima e economia de cruzeiro, e melhora a resistência do navio.

As unidades de energia nuclear podem melhorar significativamente a potência e a resistência dos navios e não requerem combustão de ar, o que é mais adequado para navios subaquáticos, como submarinos. No entanto, como as substâncias radioativas podem causar sérios danos ao corpo humano e poluir o ambiente ao redor, equipamentos rigorosos de proteção radioativa devem ser configurados para isso. Embora o combustível nuclear ocupe um pequeno espaço em navios movidos a energia nuclear, considerando a camada de blindagem necessária e o enorme equipamento auxiliar, as vantagens são compensadas e ainda é possível aumentar ainda mais a carga total do navio. Além disso, as usinas nucleares raramente são usadas em navios civis devido ao seu peso pesado, alto custo e tecnologias complexas de construção, operação e gerenciamento. Atualmente, a aplicação de usinas nucleares em navios civis é mais determinada por fatores como a aceitação do ambiente portuário local, acordos internacionais, acordos de seguro e custos iniciais, em vez da simples viabilidade técnica.

Em resumo, as perspectivas de aplicação das usinas marítimas são mostradas na Tabela 4.

De acordo com a situação acima, os navios civis ainda usarão motores a diesel como a principal usina de energia por um período de tempo. Para grandes navios civis, os motores a diesel de baixa velocidade geralmente ainda são a principal usina de energia, enquanto para navios com altura de cabine limitada, como navios ro-ro, navios de passageiros, balsas, etc., os motores a diesel de média e alta velocidade são mais adequados. Entre eles, os navios interiores ainda são principalmente motores a diesel de média e alta velocidade, enquanto os grandes navios oceânicos são principalmente motores a diesel de baixa velocidade. Nos últimos anos, a taxa de consumo de combustível dos motores de média velocidade tem sido próxima à dos motores a diesel de baixa velocidade. Eles têm as vantagens de alta eficiência de utilização de calor residual, tamanho pequeno, peso leve, baixo custo e boas perspectivas.

De acordo com a situação do meu país, navios de superfície médios e pequenos, submarinos e navios auxiliares ainda serão equipados principalmente com motores a diesel de média e alta velocidade. Grandes submarinos se concentrarão no desenvolvimento de unidades de energia nuclear e ainda usarão turbinas a vapor como motor principal. Ao mesmo tempo, as turbinas a gás têm vantagens significativas de desempenho e gradualmente se tornaram a unidade de energia padrão para navios militares nacionais e estrangeiros. Várias unidades de energia combinadas com turbinas a gás como unidades de aceleração também devem receber atenção e ser desenvolvidas. Atualmente, é urgente fortalecer a pesquisa e o desenvolvimento de turbinas a gás de alta potência para navios.

12 Perspectivas para unidades de energia marítima

Para resumir o acima, os motores a diesel têm as vantagens de alta eficiência térmica, boa economia, grande faixa de potência, estrutura compacta, poucos equipamentos auxiliares e podem acionar hélices diretamente. No entanto, com o aumento gradual da tonelagem do navio, os motores a diesel marítimos precisam se desenvolver na direção de alta potência. Para aumentar a potência dos motores a diesel, a única maneira é aumentar o diâmetro do cilindro, aumentar o número de cilindros ou usar vários modelos. Isso inevitavelmente aumentará o peso e o volume, tornando a fabricação difícil e cara. Portanto, os motores a diesel geralmente não são usados ​​como a principal unidade de propulsão em navios grandes. Após anos de desenvolvimento, os motores a diesel marítimos atingiram um nível técnico relativamente alto. No entanto, para navios de superfície médios e pequenos, submarinos convencionais e navios civis, os motores a diesel ainda são a principal fonte de energia. As baixas emissões de carbono são um sério desafio enfrentado pelos motores a diesel neste estágio. Com as restrições de emissões dos motores a diesel marítimos, é mais difícil melhorar sua economia, o que também é um novo tópico no desenvolvimento futuro dos motores a diesel marítimos. Em geral, devido às características significativas dos motores a diesel, seu progresso tecnológico promoveu enormemente o desenvolvimento e a revolução da tecnologia naval e abriu um novo capítulo no desenvolvimento de unidades de energia marítima.

As turbinas a vapor têm alta potência, tamanho pequeno, peso leve, operação estável, longa vida útil, alta confiabilidade, baixa taxa de consumo de óleo lubrificante, forte capacidade de sobrecarga, podem queimar combustível de baixa qualidade, baixa vibração e ruído, mas baixa eficiência térmica, gerenciamento complexo, processamento e fabricação difíceis, alto custo, devem ser equipadas com uma caixa de engrenagens de redução e uma grande caldeira principal e devem acionar a hélice por meio de um dispositivo de redução. Atualmente, elas são usadas principalmente em grandes petroleiros, porta-aviões e submarinos nucleares.

Comparadas com as unidades de energia acima, as turbinas a gás são pequenas em tamanho, leves em peso, ocupam o menor espaço de cabine e deslocamento, e têm as vantagens de baixa vibração e atrito, fácil gerenciamento e manutenção, inicialização rápida e podem atingir a potência máxima em poucos minutos após a inicialização. Portanto, elas são mais adequadas para navios militares. No entanto, devido às desvantagens de baixa eficiência térmica, economia ruim, vida útil curta, altos requisitos para materiais metálicos e incapacidade de reversão, elas não foram amplamente promovidas em navios civis e são usadas principalmente em navios de alto desempenho, como hovercraft.

No campo de navios de superfície, há unidades de energia combinadas que usam turbinas a gás em conjunto com motores a diesel, turbinas a vapor e unidades de energia nuclear. Esse tipo de unidade de energia surgiu após a Segunda Guerra Mundial e pode aproveitar ao máximo as vantagens de vários motores principais e fazer uso total das vantagens das turbinas a gás.

As unidades de energia nuclear têm vantagens que outras unidades de energia não podem igualar, mas precisam ser equipadas com medidas de proteção cuidadosas e pesadas, são caras e a tecnologia de gerenciamento de construção e teste é complexa. Portanto, elas não têm sido amplamente utilizadas em navios civis por enquanto, e são usadas principalmente em grandes navios de superfície, como porta-aviões e submarinos. Com o crescente esgotamento de energia, como petróleo, espera-se que as unidades de energia nuclear sejam ainda mais promovidas no campo de navios civis.

Conclusão 13

Em resumo, as unidades de energia marítima estão se desenvolvendo na direção da diversificação e alta potência. Navios civis médios e pequenos usam principalmente motores a diesel de média e alta velocidade. Navios civis grandes e médios usam principalmente motores a diesel de média e baixa velocidade. As turbinas a vapor têm as vantagens de tecnologia madura e confiável, boa manutenibilidade e longa vida útil, mas suas desvantagens são baixa eficiência econômica e instalação complexa. Embora as turbinas a gás tenham a desvantagem de curta vida útil, os navios podem fazer uso total das vantagens das turbinas a gás, pois podem iniciar rapidamente e obter alta potência em um curto espaço de tempo, então ainda têm boas perspectivas.

As usinas nucleares se tornarão uma importante fonte de energia marítima. Uma vez instalado o combustível nuclear, o navio pode navegar por vários anos. É muito adequado como fonte de energia para grandes navios, e turbinas a vapor também serão usadas como motor principal. A propulsão elétrica se tornará um importante tipo de propulsão para navios futuros. Pode fornecer eletricidade por meio de baterias, geradores acionados por motores primários e equipamentos de geração de energia eletroquímica, como células de combustível.