Анотація: Двигун, який використовується для приведення в рух судна, називається головним пропульсивним двигуном (також відомим як «головний двигун»), який відіграє вирішальну роль у роботі всієї морської енергетичної установки. Типи суднових енергетичних установок зазвичай поділяють за різними головними двигунами. Основні двигуни сучасних суден в основному включають дизельні двигуни, парові турбіни, газові турбіни та атомні електростанції. В даний час більшість цивільних суден і деякі середні і малі військові кораблі використовують дизельні двигуни; великі та середні судна здебільшого використовують парові або газові турбіни; комбіновані енергетичні установки можуть задовольняти потреби надводних кораблів у різних умовах плавання; атомні енергетичні установки можуть істотно підвищити витривалість і самодостатність кораблів, але вони потребують використання екрануючих пристроїв, вони важкі і мають складну конструкцію. Вони підходять для великих авіаносців, великих і середніх підводних човнів, криголамів і деяких великих цивільних кораблів. Середні та малі підводні човни можуть використовувати дизельні двигуни для приводу генераторів для виробництва електроенергії та руху підводних човнів вперед за допомогою електричної тяги. Вивчаючи морські енергетичні установки, корисно швидко зрозуміти їх типи, структуру, технічні характеристики, використання та методи управління, тим самим покращуючи їхні фактичні ефекти застосування під час навігації судна та покращуючи загальні енергетичні характеристики суден.
Ключові слова: дизельний двигун; газова турбіна; парова турбіна; комбінований силовий агрегат; атомна енергетика; авіаносець; електричний рушій

На початку 19 століття парові двигуни успішно використовувалися на судні внутрішнього плавання «Клермонт» в якості основної рушійної установки всього судна, що ознаменувало формування поняття «енергетична установка» для кораблів. Початкове значення енергетичної одиниці відноситься до набору машин, обладнання та систем, які замінюють енергію людини або енергію вітру для забезпечення рухової потужності для різних кораблів. З роками, з безперервним розвитком і оптимізацією суднових технологій, продуктивність відповідних силових агрегатів також поступово покращувалася.

1 Огляд суднових силових агрегатів
У морських енергетичних установках двигун, який забезпечує джерело енергії для плавання кораблів, називається головним рушійним двигуном, також відомим як головний двигун судна. Головний двигун перетворює теплову енергію від різних джерел у механічну роботу, забезпечуючи таким чином енергію, необхідну для навігації різних кораблів. Енергетичні агрегати поділяються на кілька категорій відповідно до конкретних типів, в основному включають дизельні двигуни, парові турбіни, газові турбіни, комбіновані енергоустановки та атомні енергоблоки.

Головний двигун судна повинен бути безпечним і надійним, мати достатню живучість, бути простим у використанні, гнучким, легкою вагою, невеликим розміром, низькою вартістю, низьким споживанням палива, легким в обслуговуванні і тривалим терміном служби, мати здатність реверсувати і може працювати стабільно на низькій швидкості або крейсерській швидкості, щоб гарантувати максимальне використання різноманітних характеристик судна. Відносна важливість цих характеристик залежить від різних завдань корабля, і надійність є найважливішою.

Як було сказано вище, головний двигун корабля є основним обладнанням енергетичної установки. Вибір типу головного двигуна визначає конструктивний склад і ТТК всієї суднової енергетичної установки в цілому. Тому класифікація суднових енергетичних установок здебільшого базується на типі головного двигуна. Робочий стан головного двигуна безпосередньо впливає на нормальну навігацію та безпеку всього корабля, тому при виборі, проектуванні та виготовленні слід приділяти особливу увагу.

2 Технічні характеристики та огляд розвитку суднових дизельних двигунів

2.1 Огляд суднових дизелів

Дизельні двигуни є поширеним типом двигунів внутрішнього згоряння. Оскільки їх не потрібно оснащувати іншим обладнанням, таким як котли, резервування системи зменшується. В даний час вони широко використовуються на різних типах кораблів. Однак через зворотно-поступальний рух дизельних двигунів знос, вібрація та шум є відносно великими. Зокрема, збільшення потужності дизельного двигуна обмежене технологічним обладнанням, технологією, матеріалами, об’ємом і вагою, тому важко надалі збільшувати потужність окремого двигуна.

Серед дизельних двигунів тихохідні дизельні двигуни мають найнижчу витрату палива і можуть спалювати гірше важкого дизеля, тому вартість палива низька. Завдяки низькій швидкості і малому зносу тихохідних дизельних двигунів термін служби великий, а вартість обслуговування низька. Однак маса і розміри тихохідних дизельних двигунів великі, вони займають більше місця в салоні і робочого об'єму, що є їх недоліком. Цей тип двигуна в основному використовується як головний двигун великих кораблів.

Високошвидкісні дизельні двигуни легкі за вагою та малими розмірами, займають менше простору в кабіні та об’єму. Однак високошвидкісні дизельні двигуни мають високу витрату палива і потребують використання високоякісного легкого дизеля, тому вартість палива є відносно вищою. У той же час через високу швидкість високошвидкісних дизельних двигунів машина більше зношується, термін служби короткий, вартість обслуговування висока, а також високий шум. Цей тип двигуна в основному використовується як головний двигун малих суден або допоміжний двигун великих і середніх суден. Продуктивність середньошвидкісних дизельних двигунів знаходиться між двома вищезазначеними, і вони зазвичай використовуються на кораблях середнього розміру. Однак в останні роки, оскільки середньошвидкісні дизельні двигуни також можуть спалювати важку нафту, а рівень споживання палива близький до низькошвидкісних дизельних двигунів, з розвитком технології редукторної коробки передач деякі середньошвидкісні високопотужні дизелі двигуни також використовувалися на великих кораблях.

2.2 Основні технічні особливості суднових дизелів

Загалом, технічні переваги дизельних двигунів полягають в основному в наступних аспектах.

1) Хороша економія. Дизельні двигуни відрізняються високою економічністю в широкому діапазоні умов експлуатації. У той же час тихохідні дизельні двигуни також можуть спалювати мазут, що значно знижує витрати на паливо. Коефіцієнт витрати палива головним двигуном судна є важливим фактором, що визначає економічну ефективність роботи судна. За сучасної енергетичної ситуації висока економічність дизельних двигунів забезпечує хороші перспективи їх застосування.

2) Широкий діапазон потужності. Потужність і швидкість охоплення морських дизельних двигунів широкі, і багато моделей можна надати для різних типів кораблів на вибір. Тихохідні дизелі є найпотужнішими моделями серед дизелів. Їхній технологічний розвиток є репрезентативним. За останні роки значно підвищилися їх економічність, надійність і маневреність.

3) Хороша маневреність. Дизельний двигун швидко запускається, простий в управлінні, має чутливий реверс. Передстартові роботи можна виконати приблизно за 10 хвилин. Час переходу від холодного пуску до роботи головного двигуна з повним навантаженням зазвичай становить не більше 10 хвилин, а в аварійних ситуаціях - не більше 3-4 хвилин. Реверс головного двигуна зазвичай може бути завершений протягом кількох секунд. Маневреність головного двигуна є важливим технічним показником, який особливо важливий для надводних кораблів. Це безпосередньо вплине на здатність комплексного реагування та технічні характеристики всього корабля. У сучасну епоху високоефективна зброя, представлена ​​ракетами, була повністю розроблена і становить серйозну загрозу для надводних кораблів. Тому для надводних кораблів дуже важливо скоротити час підготовки, швидко вступити в бій і вчасно вийти з небезпечної зони.

4) Низьке споживання повітря, невеликий простір, який займають вхідні та витяжні канали, легше влаштувати, краща незалежна робоча здатність і стійкість до ударів.

5) Низькошвидкісні дизельні двигуни можуть безпосередньо приводити в рух гвинти, і, прийнявши нижчу швидкість, можна уникнути кавітації гвинта, тим самим покращуючи ефективність руху гвинта. Ця функція не тільки покращує загальну ефективність перетворення енергії, але також не вимагає пристрою зниження, спрощує обладнання для передачі та заощаджує інвестиції в будівництво та витрати на технічне обслуговування під час будівництва корабля.

6) Сильна адаптивність до навколишнього середовища. Дизельні двигуни можуть продовжувати працювати під впливом постійного коливання високого зворотного тиску та великого розрідження, а ослаблення потужності незначне. Крім того, з дизельних двигунів також можна зробити маломагнітні агрегати, щоб відповідати особливим вимогам надводних кораблів, таких як тральщики.

7) Середні та малі дизельні двигуни мають невелику вагу, займають менше місця та мають менше допоміжного обладнання. Однією з основних технічних вимог до морських силових установок є легка вага, щоб зменшити водотоннажність, яку займає силовий агрегат, що може збільшити корисне навантаження судна або підвищити швидкість і витривалість судна. Для середніх і малих суден простір машинного відділення є відносно вузьким. Окрім невеликої ваги блоку живлення, він також вимагає компактних розмірів і малого об’єму. Маса і обсяг самого силового агрегату значною мірою залежать від головного двигуна і необхідного до нього допоміжного обладнання. З розвитком технології високого тиску потужність дизельного двигуна була значно покращена, у той час як вага та розмір дизельного двигуна не змінилися, а питома вага дизельного двигуна з наддувом була додатково зменшена. Дизельний двигун не потребує оснащення великим допоміжним обладнанням, і необхідного допоміжного обладнання також менше. Переваги середньо- і високошвидкісних дизельних двигунів у цьому відношенні особливо помітні. Це також важлива причина, чому середні та малі кораблі зазвичай використовують дизельні двигуни.

В даний час технічні недоліки дизельних двигунів полягають в основному в наступних аспектах.

1) Разова потужність середньо- і високошвидкісних дизельних двигунів порівняно невелика.

2) Хоча потужність тихохідних дизельних двигунів є відносно великою, у міру збільшення потужності всієї машини об’єм і вага цього типу агрегату швидко збільшуватимуться в певному співвідношенні. Тому виникнуть певні труднощі при проектуванні та виготовленні тихохідних дизельних двигунів більшої потужності, відповідно підвищені вимоги висуваються до обробки, складання та транспортування деталей. У процесі зниження механічних і теплових навантажень на матеріали блоку також виникнуть певні труднощі. Велика висота блоку також обмежує його застосування на великих надводних кораблях, таких як авіаносці.

3) На відміну від обертових механізмів, таких як парові турбіни та газові турбіни, поршні та інші частини дизельних двигунів продовжують зворотно-поступальний рух, а не просто обертаються, тому будуть створюватися періодичні збурювальні сили. Таким чином, дизельний двигун не тільки має високу вібрацію та шум, але також має серйозне тертя та знос деталей, а також має сильний вібраційний шум низькочастотного лінійного спектру, який дуже несприятливий для стелс- та анти-стелс надводних кораблів.

4) Мінімальна стабільна швидкість дизельного двигуна висока, що призводить до відносно невеликої стабільної робочої зони агрегату.

2.3 Огляд технічного розвитку суднових дизелів

Як описано в 2.2 цієї статті, важливими перевагами дизельних двигунів є високий термічний ККД, низька витрата палива, хороша загальна економічність, великий діапазон потужності, широке застосування, менше допоміжного обладнання та мала загальна вага. Основними дефектами дизельних двигунів є шум, вібрація і великі втрати на тертя. Великі цивільні судна в основному використовують тихохідні дизельні двигуни як головні двигуни. Цей тип двигуна має високу надійність, низькі витрати на технічне обслуговування та може безпосередньо приводити в рух гвинти. Середні та малі військові кораблі здебільшого використовують середні та високошвидкісні дизельні двигуни як головні двигуни для зменшення розмірів та ваги агрегату.

В останні роки, зі збільшенням тоннажу суден, з метою збільшення потужності дизельних двигунів розвиваються тихохідні дизелі в напрямку збільшення діаметра циліндра та збільшення наддуву, що може задовольнити вимоги потужної суднової рушійної установки. і може рухати гвинти через пристрої зниження швидкості. Особливо на різних типах суден внутрішнього плавання дизельні двигуни мають абсолютну перевагу і стали майже єдиним типом потужності.

Останніми роками питання економії енергії стало основною темою досліджень у країні та за кордоном. В даний час проводяться відповідні науково-дослідні роботи для досягнення більш високого рівня теплової ефективності суднових дизелів. Крім удосконалення системи згоряння, системи впорскування та системи наддуву, а також зменшення втрат на тертя та витоку повітря, також проводяться дослідження щодо зменшення втрат на охолодження, наприклад повне використання енергії вихлопних газів та встановлення силової турбіни після турбокомпресор для повного використання енергії вихлопних газів. В даний час ще належить провести багато дослідницьких і дослідницьких робіт щодо суднових дизельних двигунів.

В останні роки технологія суднових дизельних двигунів швидко розвивалася, що в основному відображається в наступних аспектах.

1) Потужні дизельні двигуни, як правило, використовують технологію високого наддуву та поступово покращують продуктивність агрегатів за низьких робочих умов.

2) Використовуйте високонадійну модульну конструкцію та технологію виробництва.

3) Середньо- та низькошвидкісні дизельні двигуни використовують відповідні технології для повного спалювання важкої нафти.

4) Використовуйте «інтелектуальну» технологію електронного керування та технологію паливної системи високого тиску Common Rail, а також низькі викиди та інші пов’язані технології.

Раніше протягом тривалого періоду часу цивільні судна різного призначення в якості силових агрегатів в основному використовували дизельні двигуни, а великі – парові турбіни. В останні роки з удосконаленням технології спалювання важкої нафти в дизельних двигунах потужність тихохідних дизельних двигунів була значно покращена. Навіть на великих кораблях дизельні двигуни мають тенденцію поступово замінювати парові турбіни. На судах внутрішнього плавання, через обмеження об’єктивних умов, таких як глибина каналу та тоннаж судна, більшість суден внутрішнього плавання використовують середньо- та високошвидкісні дизельні двигуни як головні двигуни.

3 Технічні характеристики та огляд розвитку морських парових турбін

3.1 Огляд суднових парових турбін

Парові турбіни — це тип теплової турбіни, яка використовує розширення пари для перетворення теплової енергії в механічну. Серед них відносно важливим обладнанням є котли, корпуси парових турбін, конденсатори та живильні насоси.

Як і парові машини, парові турбіни є енергетичними пристроями, які перетворюють теплову енергію пари в механічну роботу. Різниця між ними полягає в тому, що в парових турбінах теплова енергія пари перетворюється на кінетичну енергію пари, а ця частина кінетичної енергії потім перетворюється на механічну роботу та передається на вал турбіни. З точки зору робочого процесу, пара високого тиску з котла надходить у нерухоме сопло, а пара розширюється в соплі. При розширенні тиск пари зменшується, а швидкість потоку пари відповідно збільшується. Високошвидкісний потік пари впливає на лопаті, встановлені на бігуні, змушуючи бігунок обертатися.

3.2 Основні технічні особливості суднових парових турбін

Загалом парові турбіни мають такі технічні переваги.

1) Як тепловий двигун із найвищою одиночною потужністю, він може ефективно задовольнити вимоги до потужності великих надводних кораблів.

2) Він має високу надійність і тривалий термін служби, а його ефективний термін служби може досягати понад 100,000 XNUMX годин, а процес експлуатації, обслуговування та обслуговування є відносно простим.

3) Пристрій має низький рівень вібрації, тертя та шуму, що може забезпечити більш тихе та комфортне середовище для персоналу судна.

4) Він має сильну адаптивність до палива та може використовувати нижче паливо, що відповідно покращує економічні показники.

Але в той же час парові турбіни мають і наступні недоліки.

1) Процес перетворення енергії складний, а економіка погана. У процесі передачі енергії теплова енергія буде втрачатися в котлах, трубопроводах, клапанах, насосах та іншому обладнанні, особливо в конденсаторі, тому тепловий ККД установки є відносно низьким. Для парових турбін, які використовують прості цикли, їх економічність є поганою, не такою хорошою, як дизельні двигуни чи газові турбіни. Основна причина полягає в тому, що початкова температура робочого тіла низька, і велика кількість теплової енергії буде забиратися охолоджувальною водою конденсатора, тому ефективність циклу нижча, ніж у двох інших типів головних двигунів. .

2) Склад системи складний. Парова турбіна використовує пар як робоче тіло і повинна бути обладнана котлами, конденсаторами, насосами та іншими допоміжними пристроями або обладнана ядерними реакторами та відповідними системами для отримання високотемпературної пари. Тому ваговий показник парової турбіни більший, ніж у середньообертових дизелів, швидкохідних дизелів і газових турбін. Маневреність парової турбіни також не така хороша, як у вищезазначених агрегатів, що впливає на процес підготовки пари.

3) Через високу швидкість парову турбіну необхідно обладнати редукторним пристроєм, що додатково збільшує вагу агрегату, ускладнює структуру системи, збільшує витрати на проектування та виготовлення, а також знижує надійність системи.

3.3 Огляд технічного розвитку суднових парових турбін

Оскільки парові турбіни обертаються, вони працюють плавно, мають низький рівень вібрації та шуму, створюють менше тертя та зносу, а також мають тривалий термін служби, що робить їх особливо придатними для пасажирських суден. Парові турбіни прості в обслуговуванні і мають високу надійність. Вони можуть працювати в умовах повного навантаження протягом тривалого часу, мають високу здатність до перевантаження та є більш екологічно адаптованими. Парові турбіни мають високу потужність, можуть спалювати важку нафту або скраплений природний газ і менші за парові двигуни за вагою та об’ємом. Однак процес перетворення енергії парових турбін є більш складним, з низьким тепловим ККД, високим рівнем споживання палива та низькою економічністю. В даний час вони в основному використовуються на великотоннажних нафтових танкерах, контейнеровозах і суднах, що перевозять скраплений природний газ.

Так як парові турбіни можуть обертатися тільки в одному напрямку. Для отримання потужності для зворотного обертання на валу циліндра низького тиску прямої парової турбіни зазвичай встановлюють реверсний ступінь. Зворотний ступінь зазвичай має не більше трьох рядів обертових лопатей або може мати лише два ряди, а потужність, яку він генерує, становить приблизно 40% від потужності прямого ходу. Під час нормальної роботи парової турбіни реверсивний ступінь знаходиться в зворотному стані, тому він зазвичай встановлюється на кінці низького тиску парової турбіни низького тиску. Щільність пари в цій частині низька, тому втрати на опір газу, створювані зворотною паровою турбіною, також низькі.

У 1896 році Сполучене Королівство успішно використовувало парові турбіни як головні двигуни суден, і пробна швидкість могла досягати 34.5 вузлів. З тих пір парові турбіни отримали широке застосування на кораблях великої потужності. Ранні парові турбіни використовувалися безпосередньо для приводу гвинтів, і редуктор не використовувався. Щоб змусити гвинт працювати на ідеальній швидкості, до парової турбіни було додано редуктор, щоб як парова турбіна, так і гвинт могли працювати на відповідних оптимальних швидкостях. До 1916 року майже всі морські парові турбіни використовували редуктори, і передаточне число було збільшено з початкових 1:20 до більш ніж 1:80. Після прийняття редукційного пристрою парова турбіна може працювати на вищій швидкості, ефективність значно покращується, розмір корпусу машини відповідно зменшується, весь пристрій стає більш компактним, загальна вага значно зменшується, а ефективність роботи гвинта значно вдосконалено, що робить парову турбіну ідеальним морським енергетичним пристроєм великої потужності. Багато великих пасажирських суден, супертанкерів і високошвидкісних контейнеровозів використовують парові турбіни.

Через значну перевагу у вихідній потужності парові турбіни вже давно мають певні перспективи застосування на різних великих судах, особливо в області великих надводних кораблів. Однак через пізній початок виробництва парових турбін у моїй країні частка суден, які використовують парові турбіни як головні двигуни, невелика. З удосконаленням системи суднобудівної промисловості моєї країни очікується, що вона буде повністю розвиненою. На даний момент існують дві основні тенденції розвитку суднових парових турбін на даному етапі: одна полягає в покращенні термічної ефективності системи шляхом збільшення початкових параметрів пари та прийняття складних циклів, що сприяє підвищенню ефективності головного двигуна. і допоміжні двигуни; інший полягає у використанні нижчих параметрів пари та збільшенні швидкості потоку пари, щоб корпус турбіни та котел могли прийняти простішу структурну систему, тим самим спрощуючи процес керування та підвищуючи надійність пристрою.

4 Технічні характеристики та огляд розвитку морських газових турбін

4.1 Огляд морських газових турбін

З моменту свого впровадження парові турбіни та дизельні двигуни отримали широке застосування. Як описано в 2.2 і 3.2 цієї статті, дизельні двигуни є типом двигуна внутрішнього згоряння, де паливо згоряє всередині циліндра, і мають перевагу хорошої маневреності; парові турбіни є різновидом теплової турбіни, і їх головна перевага полягає в тому, що вони мають велику одиночну потужність. Газові турбіни поєднують у собі переваги обох і є типом теплового двигуна, який формально був розроблений у середині 20-го століття після двох.

Як і парові турбіни, газові турбіни також є типом теплової турбіни, яка в основному складається з трьох частин: компресора, камери згоряння та турбіни. Серед них турбіна в основному включає турбіну нагнітача та силову турбіну. Турбіна нагнітача є коаксіальною з компресором, а силова турбіна приводить в рух пропелер через систему валу, яку зазвичай також називають двовальною газовою турбіною. Компресор, камера згоряння і турбіна нагнітача разом складають газогенератор.

4.2 Основні технічні особливості суднових газових турбін

У процесі розробки газові турбіни вперше широко використовувалися в галузі авіаційної тяги і повністю замінили поршневі двигуни. Починаючи з 1947 року, газові турбіни також використовуються в області надводних кораблів і досягли значного прогресу в наступні десятиліття. Вони поступово стали одними з основних силових агрегатів надводних кораблів і отримали високу оцінку флотів усього світу. Їх технічні переваги в основному такі.

1) Хороша маневреність, відмінні характеристики старту та прискорення. Газова турбіна запускається з холодного стану, і їй потрібно лише 2-3 хвилини, щоб досягти повного навантаження. Після виявлення ворога корабель може швидко реагувати та швидко вступати в бій, покращуючи маневреність бою та ефективно скорочуючи час підготовки. Перераховані вище переваги мають велике значення для надводних кораблів.

2) Газова турбіна має невелику вагу та невеликий розмір, її можна зробити коробчатим корпусом і має високу одиночну потужність.

3) Є кілька аксесуарів, і більшість із них встановлено на шасі, тому пристрій має сильну життєву силу.

4) Ступінь автоматизації високий, і потрібно менше персоналу.

5) Амплітуда вібрації пристрою невелика, що може ефективно покращити робоче середовище персоналу судна.

6) Легко ремонтувати, легко керувати, має невелике навантаження на обслуговування та легко реалізувати автоматичне керування.

Хоча газові турбіни мають видатні технічні переваги, вони також мають наступні недоліки.

1) Економічність газових турбін не така хороша, як у дизельних двигунів, особливо коли вони відхиляються від номінальних робочих умов, швидкість споживання палива газовими турбінами швидко зростатиме. Якщо взяти як приклад газову турбіну WR-21, її витрата палива в номінальних умовах подібний до високошвидкісних дизельних двигунів, але при роботі в умовах низького навантаження витрата палива цього типу газової турбіни збільшиться. швидко. Саме через існування вищевказаних проблем застосування газових турбін на цивільних суднах є обмеженим.

2) Газові турбіни не можна реверсувати напряму, їх потрібно оснащувати пристроєм реверсивної передачі або гвинтом з регульованим кроком, що ускладнює структуру силового агрегату та збільшує вартість системи.

3) Газова турбіна має велику площу поперечного перерізу впускних і випускних каналів, що впливає на загальне розташування палубного і каютного простору надводного корабля.

4) Температура вихлопу висока, а теплове випромінювання сильне, тому характеристики теплового сигналу також сильні, що впливає на приховування всього корабля.

5) Він чутливий до умов навколишнього середовища, таких як температура, що легко впливає на теплову ефективність пристрою.

6) Короткий термін служби пристрою. Оскільки камера згоряння та лопатки турбіни газової турбіни постійно працюють в умовах високої температури та високого тиску. У той же час морське повітря, яке вдихає газова турбіна, містить певну кількість солі. Під дією таких речовин, як натрій і ванадій, лопатки турбіни і сопла можуть піддаватися корозії за короткий час. Хоча зазвичай вибираються високоякісні сплави, термін служби морських газових турбін все ще невеликий.

4.3 Огляд технічного розвитку суднових газових турбін

Порівняно з паровими турбінами, газові турбіни мають невеликі розміри, легку вагу, низьку витрату палива, хороші при запуску та прискоренні, прості в щоденній експлуатації та обслуговуванні та зручні для дистанційного централізованого керування. Порівняно з дизельними двигунами, хоча газові турбіни мають відносно низький термічний ККД, вони мають вищу потужність на одиницю, простішу структуру, менше деталей, меншу вагу, менший розмір і поступово покращену надійність. Тому в останні роки сфера їх застосування поступово розширюється.

В останні роки деякі швидкісні цивільні судна також почали використовувати газові турбіни як основну рушійну установку. Усі головні судна деяких країн використовують газові турбіни як рушійну установку. Із зростанням попиту на суднову енергію також планується використовувати газові турбіни як електростанції. Дослідження та розробки морських газових турбін у моїй країні також досягли значного прогресу та мають широкі перспективи розвитку.

На даному етапі в основному розробляються два різних типи газових турбін: авіаційні та промислові. Авіаційні типи мають просту структуру, малу вагу та легке керування, але вони повинні використовувати високоякісне паливо. Промислові газові турбіни є іншим типом моделей, які мають довший термін служби та можуть використовувати належним чином оброблену важку нафту. На промислових установках зазвичай використовуються регенератори. Для спалювання палива потрібна велика кількість повітря та утворюється велика кількість вихлопних газів, що робить подачу повітря та викиди димових газів важливими проблемами.

Іншою причиною швидкого розвитку морських газових турбін є те, що вони успадковують і використовують існуючу технічну основу авіаційних газових турбін і промислових газових турбін. Особливо для перших, авіаційні двигуни завжди були попередниками розвитку газотурбінних технологій. Принцип роботи газових турбін відомий людям давно, але протягом тривалого часу, порівняно з паровими турбінами, застосування газових турбін у промисловості йшло відносно повільно. Робоче тіло парових турбін може конденсуватися у воду, тому потужність, споживана насосом живильної води, невелика. Однак робочим тілом газових турбін є повітря та газ, які не можуть конденсуватися у воду, тому компресор потребує значного споживання енергії для досягнення процесу стиснення. Таким чином, лише коли температура циклу, компресор і турбіна є високими, газова турбіна може мати високий ККД циклу та забезпечувати велику корисну потужність. Саме технічні труднощі у високотемпературних матеріалах, технології охолодження лопатей та аеродинамічних характеристиках компресорів обмежують розробку та застосування газових турбін.

У порівнянні з промисловими газовими турбінами суднові газові турбіни пред'являють більш жорсткі вимоги до маси і розміру установки. Однак ця вимога відносно вільна порівняно з вимогою до авіаційних газових турбін. Навпаки, фокусом, або основною суперечністю, аеродинамічного дизайну морських газових турбін часто є висока ефективність компонентів і стабільні змінні робочі характеристики. У той же час, щоб скоротити цикл розробки, необхідно зменшити навантаження на налагодження. При проектуванні основних компонентів морських газових турбін необхідно приділяти повну увагу вимогам зрілої технології, стабільних рішень, простої конструкції та зручного виробництва. На відміну від авіаційних газових турбін, крейсерська потужність морських газових турбін значно нижче їх максимальної потужності. Незважаючи на те, що ця особливість може бути вирішена шляхом прийняття комбінованого енергетичного блоку крейсерської та прискорювальної одиниць, вона все одно висуває певні вимоги до економічності морських газових турбін у широкому діапазоні умов навантаження.

В даний час газові турбіни авіаційного виробництва в основному стали силовими агрегатами військових кораблів. Промислові газові турбіни більше підходять для цивільних суден, у яких більш низькі вимоги до маси і розміру силового агрегату. Якщо кораблю потрібно дати задній хід, можна використовувати гвинти зі змінним кроком і електричний рушій. Крім того, газові турбіни замкнутого циклу мають високий ККД, але все ще знаходяться на стадії дослідження. На кораблях газові турбіни часто використовують з комбінованими силовими агрегатами.

Наразі морські газові турбіни завжди розвивалися навколо збільшення потужності, підвищення ефективності та зменшення розміру та ваги. Його майбутній напрямок розвитку полягає в основному в наступному.

1) Продовжуйте розробляти прості цикли з вищими початковими параметрами, постійно підвищуйте початкову температуру газу та відповідно збільшуйте коефіцієнт тиску, використовуючи при цьому більш ефективну технологію охолодження. Завдяки передовій технології охолодження початкову температуру газу можна підвищувати в середньому приблизно на 25 ℃ щороку. В останні роки постійно розробляються жаростійкі високоміцні матеріали. Використовуючи високотемпературні матеріали, початкову температуру газу можна підвищувати в середньому приблизно на 10 ℃ щороку.

2) Продовжити розробку складних циклів і повне використання тепла вихлопних газів газових турбін для підвищення загальної ефективності установки. Для цього можна використовувати цикли рекуперації тепла та комбіновані газопарові цикли.

3) Подальше покращення продуктивності основних компонентів газової турбіни та підвищення загальної ефективності установки.

5 Порівняння технічних параметрів суднових головних двигунів

Вихідна потужність є фактором, на який великим надводним кораблям слід зосередитися при виборі головних двигунів. Взагалі кажучи, існує два основних показника, які визначають фактичну вихідну потужність теплових двигунів: витрата робочого тіла і питома ентальпія робочого тіла на одиницю витрати.

За умови аналогічного розміру агрегату газові турбіни значно кращі за дизельні двигуни з точки зору вихідної потужності. Основною причиною вищевказаного явища є безперервність потоку робочого тіла самої газової турбіни. Процес згоряння всередині газової турбіни знаходиться в безперервному стані, тоді як процес згоряння всередині дизельного двигуна є переривчастим. Щоб уникнути високотемпературної відмови та інших явищ, пікова температура робочої рідини всередині газової турбіни зазвичай нижча, ніж у дизельного двигуна. Крім того, ефект стиснення осьового компресора, який використовується в газових турбінах, зазвичай не такий хороший, як поршневий механізм дизельних двигунів. Тому за питомою витратою ентальпії робочого тіла на одиницю витрати газові турбіни не мають переваги. Однак, як згадувалося вище, оскільки робоча рідина всередині газової турбіни знаходиться в безперервному стані потоку і немає явища зворотно-поступального потоку, робоча рідина має явну перевагу з точки зору швидкості потоку. Загалом, за умов подібних структурних розмірів і ваги вихідна потужність газових турбін зазвичай вища, ніж у дизельних двигунів.

У порівнянні з паровими турбінами, які також є тепловими турбінними механізмами, робоче тіло всередині газових турбін також знаходиться в стані безперервного потоку. Хоча температура робочого тіла всередині газової турбіни вища, її тиск значно нижчий. Тиск робочого тіла газової турбіни зазвичай становить лише кілька МПа, але тиск пари поточної надкритичної парової турбіни може досягати 30 МПа, в результаті чого доступне падіння питомої ентальпії газової турбіни становить приблизно 1/5 до 1/3 від парової турбіни. Загалом газові турбіни, як правило, поступаються паровим турбінам за вихідною потужністю, але, враховуючи високу маневреність і автоматизацію управління газовими турбінами, вони все ж мають певні перспективи застосування в області великих надводних кораблів. Виходячи з вищесказаного, відповідні технічні параметри різних суднових головних двигунів наведені в таблиці 1.

6 Технічні характеристики та огляд розвитку суднових комбінованих силових установок

6.1 Походження морських комбінованих енергетичних установок

Перераховані вище морські силові агрегати відрізняються потужністю, швидкістю, маневреністю, економічністю, вагою і розмірами. Для цивільних суден головним міркуванням є економія, а недоліки можна усунути лише відповідними заходами. Для військових кораблів головною метою є боєздатність, і більше уваги приділяється вдосконаленню потужності агрегату для підвищення швидкості та маневреності всього корабля.

Згідно з відповідними статистичними даними (табл. 2), під час навігації надводні кораблі більшу частину часу перебувають у крейсерських (малих) умовах. У цей час вихідна потужність силового агрегату зазвичай не перевищує 25% від загальної потужності, тому для роботи можна вибрати агрегат меншої потужності, більшого терміну служби та меншої витрати палива. У разі війни або реальних бойових навчань (час плавання надводних кораблів в таких умовах становить лише близько 3% від загального часу плавання) може бути використаний інший розгінний блок з більшою потужністю і відповідно більшою витратою палива. У той же час круїзний блок і блок прискорення також можна запускати разом, щоб видавати більшу потужність і відповідати вимогам високої швидкості. Такий пристрій зазвичай називають комбінованою силовою установкою, яка може бути використана для збалансування економічних потреб надводних кораблів в крейсерських умовах і високих вимог до маневреності під час бою.

6.2 Огляд розвитку комбінованих силових агрегатів та типів їх комбінування

6.2.1 Огляд розвитку комбінованих силових установок

До теперішнього часу комбіновані силові установки для надводних кораблів розробляються досить давно. Відповідний досвід показує, що коли з'являється новий тип теплового двигуна, часто з'являється новий тип комбінованої енергетичної установки, що складається з цього типу агрегату та інших існуючих головних двигунів. У реальному використанні, у міру поліпшення технічних характеристик нових теплових двигунів, один тип силової установки поступово отримає перевагу і замінить раніше використовувану комбіновану силову установку. Поки не з’являться більш досконалі теплові двигуни, вони будуть знову об’єднані з існуючими головними двигунами, щоб створити більш нову комбіновану силову установку. Це явище повторюється нескінченно.

Зокрема, паровий двигун — це тип теплового двигуна, який народився під час промислової революції та відіграв важливу роль в історії людства. До кінця 19 століття з'явилася парова турбіна - новий тип парової силової установки. Найперша в історії комбінована силова установка складалася з парової машини та парової турбіни. Конструктивна концепція цього типу комбінованої силової установки полягає в наступному: через обмеження об’єму зазору та ходу циліндра парової машини високотемпературна пара не може повністю розширюватися в циліндрі, тому позаду встановлюється парова турбіна. парова машина. Пара, яка виконала роботу в паровій машині, надходить у парову турбіну, щоб знову розширитися, тим самим відновлюючи частину енергії пари. Таким чином досягається каскадне використання енергії, а також ефективне підвищення енергетичної та теплової ефективності установки.

Проте з розвитком технологій парові двигуни поступово пішли зі сцени історії, і різні великі кораблі більш схильні використовувати один тип головного двигуна, наприклад парові турбіни. Щоб розвинути технічні переваги парових турбін і подолати їх недоліки, окрім постійного вдосконалення технічних характеристик корпусу парової турбіни, він також може утворювати комбіновану силову установку з іншими типами теплових двигунів. Після Другої світової війни, з поступовим удосконаленням технології газових турбін, його чудові енергетичні характеристики також привернули широку увагу, і поступово з’явилася серія комбінованих силових установок, у яких він як прискорювальний агрегат.

В даний час в основному існують такі типи комбінованих енергоустановок, серед яких переважають газові турбіни.

1) Парова комбінована енергетична установка. Цей тип комбінованої електростанції використовує малу парову турбіну як крейсерський пристрій і газову турбіну як прискорювальний пристрій. Порівняно з однопаровою турбінною електростанцією цей тип комбінованої електростанції був значно покращений з точки зору розміру, ваги та характеристик пускового прискорення.

2) Паливно-паливна комбінована електростанція. Комбіновані електростанції паливо-паливо поділяються на два типи: комбіновані електростанції паливо-паливо та електростанції змінного палива. Круїзний блок і блок прискорення цього пристрою є газовими турбінами. Круїзна газова турбіна може економічно забезпечити низьку потужність, необхідну для крейсерської подорожі, і працювати як прискорювальний пристрій в умовах високої швидкості. Ця система має переваги гнучкості роботи, високої потужності та невеликої ваги, але пристрій дорогий, а впускні та випускні канали займають великий простір на палубі, що впливає на компонування всього корабля.

3) Дизель-паливна комбінована електростанція. Цей тип комбінованої електростанції ділиться на два види: дизель-паливні комбіновані електростанції та дизель-паливні електростанції змінного струму. Цей пристрій використовує дизельний двигун як круїзний агрегат і газову турбіну як прискорювальний блок. Дизельні двигуни використовуються в крейсерському і реверсивному русі, а газові турбіни — у швидкісному судноплавстві. Цей тип комбінованої силової установки має такі переваги, як низька витрата палива, хороший розгін і хороша надійність.

6.2.2 Основні комбіновані типи комбінованих енергоблоків

Беручи до уваги видатні технічні переваги газових турбін, комбіновані енергоблоки, що складаються з них, показані нижче та зведені в таблицю 3.

6.3 Основні технічні особливості комбінованих силових агрегатів

В цілому комбінований силовий агрегат має такі технічні особливості.

1) Оскільки легша та більш маневрена газова турбіна використовується як прискорювальний агрегат і, таким чином, забезпечує більшу частину (або навіть всю) потужності в умовах високого навантаження, загальну вагу силової установки всього корабля можна відповідно зменшити. .

2) Оскільки використовується більш ефективна та економічна крейсерська одиниця, витривалість надводних кораблів може бути значно покращена.

3) Оскільки використовуються два типи незалежних блоків, підвищується надійність блоку живлення.

4) Щоб реалізувати зворотний процес надводних кораблів, комбінована силова установка більше підходить для узгодження з відповідними системами, такими як гвинти кроку, редуктори та електричні рушії. У цей час будь-який головний двигун може самостійно приводити гвинт. Однак слід зазначити, що якщо використовується основний двигун, який може досягати зворотного обертання (наприклад, низькошвидкісний дизельний двигун і реверсивна турбіна, згадані в 3.3 цієї статті), це часто призведе до невідповідності потужності трансмісії або інших більш складні технічні проблеми, тим самим знижуючи надійність системи.

6.4 Загальна тенденція розвитку комбінованих енергоблоків

Як зазначалося вище, через різні робочі характеристики і застосовність декількох типів теплових двигунів неможливо зробити пов'язані головні двигуни в ідеальну комбіновану силову установку, просто об'єднавши їх попарно.

Що стосується сучасних комбінованих енергоблоків, то газові турбіни в основному використовуються як розгінні. Беручи як приклад комбіновану силову установку типу COGOG, круїзна установка зазвичай використовує важку газову турбіну з більшою одиничною вагою, меншою потужністю, меншим споживанням палива та довшим терміном служби, тоді як прискорювальна установка зазвичай використовує легку газову турбіну з більшою потужністю. , вища витрата палива та менший термін служби.

Іншим прикладом є згадана вище комбінована силова установка типу COSAG. Зі збільшенням потужності дизельного двигуна та покращенням ККД газової турбіни за останні роки, а також реального ефекту використання та надійності реверсивної парової турбіни в комбінованому стані агрегату необхідно терміново покращити. Тому комбінований енергоблок типу COSAG поступово замінюється комбінованим енергоблоком типу CODOG і комбінованим енергоблоком CODAG.

7 Технічні характеристики та особливості типів морських атомних енергоблоків

7.1 Огляд морських атомних енергоблоків

Основною частиною атомного енергоблока є атомний реактор, який еквівалентний топці та камері згоряння котла. Атомні енергоблоки зазвичай використовують 235U як ядерне паливо для реактора. Військові кораблі з ядерним двигуном зазвичай використовують ядерне паливо високої концентрації з концентрацією понад 20% до 40% для зменшення розміру та ваги пристрою. Атомні торговельні судна, з точки зору економії, здебільшого використовують ядерне паливо низької концентрації з концентрацією менше 5%. Атомні енергетичні установки дозволяють істотно підвищити витривалість головного двигуна корабля, і немає необхідності вдихати повітря і викидати вихлопні гази, що особливо важливо для підводних човнів. Тому атомні енергетичні установки спочатку широко застосовуються на підводних човнах. Атомні електростанції також мають хороші перспективи застосування на великих кораблях, таких як авіаносці і крейсери. Через шкідливість радіоактивних речовин на кораблях з атомними двигунами для людського організму та забруднення портових вод необхідно використовувати величезний свинцевий захисний шар і повний набір заходів захисту безпеки, що є дорогим, а технологія випробувань і управління є складні. Хоча він також використовується на цивільних кораблях, він не отримав широкого поширення і все ще знаходиться на стадії розробки.

7.2 Основні технічні особливості морських атомних енергетичних установок

Широкомасштабне застосування ядерних реакторів відкрило широкі перспективи для розвитку морських енергетичних установок, і їх технічні переваги полягають в основному в наступному.

1) Для отримання величезної енергії можна витратити невелику кількість ядерного палива. Кораблі, що використовують атомні енергетичні установки, можуть долати надзвичайно великі відстані з високою швидкістю. Наприклад, атомна електростанція потужністю близько 11,040 15,000 кВт (15 18 PS) споживає лише XNUMX-XNUMX г ядерного палива за один день і ніч. Перший атомний підводний човен США «Наутілус» може плавати навколо світу під водою без дозаправки. Радянський атомний криголам «Ленін» може безперервно плавати протягом року без дозаправки. Після використання ядерних енергетичних установок витривалість надводних кораблів значно покращується, а збережений простір можна використовувати для перевезення більшої кількості зброї та обладнання, покращуючи боєздатність усього корабля.

2) Відсутність споживання повітря. Процес ядерної реакції не вимагає участі повітря. Ця характеристика не має собі рівних жодного іншого типу силової установки, особливо для підводних човнів. Завдяки використанню атомних енергетичних установок можна істотно підвищити боєздатність підводних човнів, вони можуть надовго перебувати в морських глибинах, що ускладнить їх виявлення противником. Те, що атомні електростанції не споживають повітря, також має певні переваги для надводних кораблів, оскільки не потрібно встановлювати повітрозабірні та вихлопні канали, не буде утворюватися високотемпературний дим, що відповідно покращує прихованість. Під час ядерної війни також знижується ризик вдихання радіоактивного диму з повітрозабірника, що полегшує здійснення ядерного захисту.

Але в той же час атомні електростанції мають і певні недоліки, головним чином наступні.

1) Велика вага і розмір. Оскільки в процесі ядерної реакції виділяється велика кількість радіоактивних речовин, які завдадуть серйозної шкоди організму людини та призведуть до певного забруднення відкритого моря, морських вод і доків, необхідно встановити бар’єри вагою в сотні тонн або навіть тисячі тонн, щоб запобігти витоку радіоактивних речовин, що збільшує розмір і вагу всієї електростанції.

2) Атомні електростанції є дорогими, а технологія експлуатації та управління складною, що певною мірою обмежує їх масштабне просування.

З вищезазначених причин атомні енергетичні установки в основному використовуються для великих надводних кораблів і підводних човнів, а їх розвиток у сфері цивільних суден відбувається відносно повільно.

7.3 Особливі типи морських ядерних реакторів
Щоб забезпечити безпеку бортового персоналу, кораблі з атомними двигунами зазвичай мають суворіші вимоги щодо захисту від радіоактивності, ніж наземні атомні електростанції. Надводні кораблі можуть стикатися з зіткненнями, сідати на мілину, пожежами та вибухами під час навігації або можуть бути потоплені випадковими атаками зброї, такої як торпеди та ракети. Виходячи з передумови ймовірності виникнення пов’язаних аварій, для того, щоб зменшити поширення ядерного забруднення, корабельні атомні електростанції повинні мати функцію постійної зупинки та повинні бути обладнані твердими бар’єрами для реакторів. Відповідно до особливих вимог до суден для атомних електростанцій, водяні реактори під тиском, які зараз використовуються, в основному належать до трьох типів.

7.3.1 Реактор з пластинчастими тепловиділяючими елементами з високозбагаченого урану

У цьому типі реактора використовуються пластинчасті тепловиділяючі елементи зі збагаченням 235U більше 20%. Пластинчастий елемент має велику площу тепловіддачі, компактне розташування серцевини, малий об’єм і високу вихідну потужність на одиницю об’єму. Це може зменшити розмір корпусу реактора та зробити компонування обладнання більш компактним. Однак його технічні недоліки в основному полягають у високій концентрації необхідного ядерного палива та високій вартості проектування, будівництва та експлуатації.

7.3.2 Реактор з дисперсною водою під тиском низькозбагаченого урану

Конструкція цього типу реактора з водою під тиском приблизно така ж, як у наземного реактора з водою під тиском атомної електростанції. Він складається з парогенератора, реактора, насоса теплоносія першого контуру і компресора. Відповідні компоненти з’єднані трубами, щоб утворити замкнутий контур високого тиску та високої температури. Система та обладнання вторинного контуру подібні до звичайних морських пароелектростанцій.

7.3.3 Інтегрований реактор з водою під тиском

Візьмемо як приклад німецький морський реактор з водою під тиском «Отто Хан». Він має інтегровану структуру, просту систему первинного контуру, компактне обладнання та малий розмір захисної оболонки реактора, що підходить для надводних кораблів. Крім того, серцевина заповнена охолоджувальною водою і має хорошу природну циркуляцію. Коли охолоджуючий насос зупиняється в первинному контурі, природна циркуляція теплоносія все ще може підтримувати процес охолодження активної зони. Недоліком інтегрованого реактора з водою під тиском є ​​те, що реактор, випарник і головний насос з'єднані разом, що робить внутрішню конструкцію реактора складною і збільшує складність проектування, виготовлення та обслуговування.

8 Судновий електричний рушій

Електричні рушії також можуть бути використані для руху суден. Цей тип пристроїв отримує електричну енергію різними способами, а потім двигун приводить в рух гвинт, щоб забезпечити корабель рушійною силою. Його характеристики полягають у тому, що швидкість гвинта можна довільно регулювати відповідно до навігаційних потреб у різних робочих умовах, він простий у експлуатації та легкий в управлінні. Він більше підходить для деяких кораблів із особливими вимогами, таких як підводні човни, науково-дослідні кораблі, пороми тощо. Найбільшою перевагою електричного рушійного пристрою є хороша маневреність. Мінімальна швидкість його двигуна може досягати менше 1/10 від номінальної швидкості, і судно може плавати на надзвичайно низьких швидкостях. Крім того, час запуску та прямого та заднього ходу цього типу пристрою також короткий. Головний генератор і пропелер з моторним приводом можуть працювати в найкращих робочих умовах, їх легко дистанційно контролювати та керувати, а вібрація та шум усього пристрою відносно невеликі.

Загалом, агрегат, який використовується для виробництва електроенергії, складається з первинного двигуна та генератора. Основні рушії в основному включають парові турбіни, дизельні двигуни та газові турбіни, які в основному такі ж, як і основні типи двигунів суден. Як зазначалося вище, через відносно невелику потужність дизельних двигунів вони зазвичай використовуються для основних і допоміжних генераторних установок допоміжних військових кораблів або допоміжних генераторних установок військових кораблів. Парові турбіни мають такі переваги, як висока швидкість і висока потужність, і технологія є відносно зрілою, але вони також мають недоліки, такі як великі розміри та вага, низька ефективність, велика площа судна та складне розташування. Якщо вони використовуються в генераторних установках, питома потужність усієї генераторної установки буде зменшена. Крім того, через високу швидкість парових турбін, якщо використовується мережа змінного струму 50 Гц, для зниження швидкості потрібна величезна коробка передач, що відповідно збільшить шум усього судна. Гарні перспективи в цій галузі мають газові турбіни. В даний час багато електричних силових установок суден вибирають газові турбіни як головний двигун для виробництва електроенергії.

9 Огляд історії розвитку технології морських електростанцій

Оскільки паровий двигун використовувався на морських енергетичних установках, він швидко зайняв певне панівне становище. До Першої світової війни парові двигуни все ще домінували на цивільних і військових кораблях у всьому світі і були найважливішим джерелом енергії для кораблів. Однак час розквіту парових двигунів добігав кінця. Через великі розміри та низький термічний ККД парових двигунів вони поступово були замінені дизелями та паровими турбінами під час Першої та Другої світових воєн. У той же час, оскільки витрата палива тихохідних дизелів був значно нижчим, ніж у парових турбін, вони могли спалювати неякісне паливо і мали високу надійність, тому вони поступово витіснили парові турбіни на цивільних судах.

Для кораблів з більшою водотоннажністю майже всі використовувалися парові турбіни, тоді як невеликі кораблі були більш схильні використовувати дизельні двигуни. Лише в 1947 році з'явився новий конкурент для дизельних двигунів. Після випробувань першого британського корабля з газовими турбінами він почав конкурувати з домінуючими на той час дизельними двигунами та паровими турбінами.

Незважаючи на те, що він був дуже економічним і досяг чудових результатів у галузі морських енергетичних установок, сам дизельний двигун мав обмежену потужність і більше не міг відповідати вимогам потужності великих кораблів. Навпаки, незважаючи на те, що парова турбіна має просту конструкцію та високу потужність, вона потребує оснащення великим парогенеруючим пристроєм (наприклад, котлом тощо) та допоміжними системами, а її економічність та маневреність є поганими. Ця суперечлива ситуація тривала до появи газової турбіни. Коли газова турбіна була широко популяризована в галузі військової корабельної енергії, вищевказані проблеми були поступово вирішені. Газові турбіни можна не тільки побудувати єдину модель силового агрегату, але й поєднати з іншими силовими агрегатами, такими як дизельні двигуни, для створення нового комбінованого силового агрегату. Судна з газовими турбінами комплексного циклу як силові агрегати мають не тільки хороші економічні показники, але й високу загальну потужність, яка, можна сказати, є найкращою з обох світів.

Саме тому, що газові турбіни мають такі переваги, як легкий запуск і хороша маневреність, вони привернули широку увагу і, ймовірно, будуть «запізнілими». Однак, оскільки газові турбіни працюють в умовах високої температури і високого тиску, вони пред'являють високі вимоги до якості палива, а їх тепловий ККД значно нижчий, ніж у дизельних двигунів, тому вони рідко використовуються на цивільних суднах.

Атомні електростанції використовують ядерні реактори для отримання високотемпературної пари під високим тиском. Ядерні реактори генерують високу енергію за допомогою керованих ланцюгових реакцій ядерного поділу, які поглинаються безперервно циркулюючою охолоджувальною водою. Потім тепло передається воді у другому контурі через парогенератор, який перетворює його на пару, а потім надходить до парової турбіни для виконання роботи. В даний час атомні енергетичні установки в основному використовуються на великих надводних кораблях і підводних човнах.

Країни світу також провели відповідні дослідження щодо застосування атомних енергетичних установок у сфері цивільних суден. Сполучені Штати успішно випробували його на кораблі «Саванна»; Радянський Союз також використовував атомні силові установки на криголамі «Ленін». Відтоді Німеччина та Японія також будували атомні цивільні кораблі. Після періоду пробного рейсу відповідні кораблі були змушені припинити плавання через юридичні та громадські причини. Через занепокоєння, що радіоактивні речовини забруднюватимуть водні шляхи, порти та міське середовище, багато портів відмовляються пускати кораблі з атомними двигунами в порт. Відсутні також належні методи обробки ядерних відходів після використання ядерного палива, що певною мірою обмежує застосування атомних енергетичних установок на цивільних суднах.

Зі швидким розвитком науки й техніки продовжують з’являтися нові морські енергетичні пристрої, такі як паливні елементи, магнітогідродинамічні рушії, сонячні батареї тощо. Серед них новий магнітогідродинамічний рушій має гарну перспективу. Цей спосіб руху є надпровідним електромагнітним двигуном. Його принцип полягає у встановленні надпровідних магнітів на кораблі, а потім пропусканні струму через морську воду, використовуючи магнітне поле, створене надпровідними магнітами, і силу, створювану струмом у морській воді, щоб рухати корабель вперед. Характеристиками цієї форми рушійної установки є спрощений режим трансмісії, відсутність обертових частин (немає системи гвинта і вала), велика тяга і висока швидкість.

10 Основні технічні вимоги до суднових енергетичних пристроїв

Щоб забезпечити навігаційну здатність суднових енергетичних пристроїв, при виборі головного двигуна необхідно повністю відповідати наведеним нижче технічним характеристикам, які також можуть служити важливою орієнтиром для вибору головного двигуна.

10.1 Надійність

Після введення в експлуатацію протягом деякого часу електромеханічне обладнання неминуче виходить з ладу. Для морських енергетичних пристроїв надзвичайно важлива надійність. Надійність має два значення: перше — це життєздатність блоку живлення, що в основному стосується здатності блоку живлення підтримувати роботу після впливу зовнішніх факторів. Чим гірші умови він може витримати, тим сильніша його життєва сила; інший - час, протягом якого енергоблок знаходиться в нормальному режимі роботи. Чим більше нормальний час роботи, тим вище надійність, і навпаки.

Для енергетичних установок надводних кораблів часто використовуються багатомоторний багатогвинтовий або багатомоторний паралельний способи руху, надійність і живучість яких значно вище, ніж однодвигунний одногвинтовий метод руху. Візьмемо як приклад метод пропульсії з подвійним двигуном і двома гвинтами, коли один із головних двигунів або гвинт, який поєднується з ним, серйозно виходить з ладу, інший головний двигун і пропелер все ще можуть працювати нормально, а рушійна сила судна не втрачається повністю. Таким чином, з огляду на загальний ефект руху, двомоторний метод руху з подвійним гвинтом має більшу життєву силу. Тому надводні кораблі здебільшого використовують двомоторний двогвинтовий або багатомоторний двогвинтовий механізм трансмісії.

10.2 Маневреність

Маневреність означає здатність морської силової установки переходити з одного режиму роботи в інший, наприклад, рушати з місця, прискорюватися, гальмувати, рухатися заднім ходом і зливатися. Ефективність перетворення режиму роботи енергоблока безпосередньо впливає на здатність судна залишати док, плавати в льодових зонах, ходити в туманну погоду, уникати аварійних ситуацій.

10.2.1 Пускоздатність

Якість пускової здатності тісно пов'язана з типом головного двигуна. Що стосується часу запуску дизельного двигуна, він головним чином залежить від системи з найдовшим часом роботи серед допоміжних систем, таких як паливо, мастило, охолоджуюча вода та пускове повітря. Щоб підвищити маневреність дизельного двигуна, зазвичай вживаються такі заходи, як підігрів циліндрів.

У порівнянні з паровими турбінами дизельні двигуни вимагають певного потоку високотемпературної пари під час процесу запуску парових турбін, тому це в основному залежить від процесу досягнення параметрів пари заданого стану після запалювання котла. Хоча деякі котли можуть швидко подавати пару, середній час запуску парових турбін все одно довший, ніж у дизельних двигунів.

Порівняно з дизельними двигунами, газові турбіни мають відносно коротший час запуску, але в цілому між ними немає істотної різниці.

10.2.2 Прискорення

Розгін також пов'язаний з типом головного двигуна. Першою умовою скорочення часу розгону є те, що головному двигуну необхідно за короткий час збільшити потужність до максимального значення. По-друге, чи може пропелер повністю поглинати вихідну потужність головного двигуна під час процесу розгону та перетворювати її на зовнішню рушійну потужність.

Для основного двигуна основними факторами, що впливають на час розгону, є вага та теплова інерція компонентів. Менша вага та менша теплова інерція сприяють прискоренню. Загалом кажучи, теплоносні компоненти газових турбін відносно легкі та малі, тому вони мають кращі характеристики прискорення.

Для гвинтів, оскільки швидкість гвинтів з фіксованим кроком підлягає певним обмеженням, вона буде відповідно зростати зі збільшенням швидкості судна. Отже, зі збільшенням швидкості гвинтів із фіксованим кроком потужність головного двигуна також потрібно поступово збільшувати, щоб досягти розумного узгодження. Гвинт із регульованим кроком не обмежений власною швидкістю під час поглинання потужності та може генерувати більшу тягу за короткий час, тому його прискорення краще, ніж у гвинтів з фіксованим кроком.

10.2.3 Ефективність гальмування та заднього ходу

Продуктивність судна при гальмуванні та задньому ході в основному залежить від гвинта та відповідного режиму трансмісії. Для комбінації реверсивного низькошвидкісного дизельного двигуна та гвинта з фіксованим кроком, низькошвидкісний дизельний двигун повинен спочатку припинити вприскування палива та знизити швидкість до певного діапазону, перш ніж почати рух заднім ходом, тому час заднього ходу зазвичай довший.

Для таких комбінацій, як нереверсивний головний двигун + зчеплення + пропелер з фіксованим кроком, це в основному залежить від продуктивності зчеплення. Якщо система використовує фрикційну муфту, час реверсу судна в основному залежить від підвищення температури тертьових частин під час реверсу муфти. Чим вище механічне та теплове навантаження, які може витримати зчеплення під час руху заднім ходом, тим більше це сприятливо для покращення можливостей екстреного гальмування та заднього ходу.

Для таких комбінацій, як нереверсивний головний двигун + гвинт із регульованим кроком, оскільки судну не потрібно зупиняти головний двигун під час гальмування, а зворотну тягу можна створити шляхом регулювання кроку лопатей, його гальмівна та реверсна продуктивність є відносно хорошою .

11 Аналіз перспектив застосування суднових енергетичних установок

В останні роки дизельні двигуни стали основним джерелом енергії для різних типів суден. У сучасну епоху дедалі дефіцитнішої енергії, враховуючи високу термічну ефективність дизельних двигунів і просування технології низькоякісного масла, дизельні двигуни продовжуватимуть займати важливе місце в головних двигунах суден у наступні кілька років.

Середні і малі надводні кораблі в основному оснащені дизельними двигунами. До таких кораблів належать мисливці за підводними човнами, тральщики, патрульні катери, канонерські катери, торпедні катери, ракетні катери та допоміжні кораблі. Деякі великі кораблі, такі як фрегати та есмінці, також використовують дизельні двигуни або дизельно-паливні комбіновані силові установки як джерела енергії. У дизельно-паливних комбінованих силових установках дизельні двигуни в основному використовуються як крейсерські головні двигуни, щоб скористатися перевагами низької витрати палива для збільшення запасу ходу судна. Для підводних човнів, за винятком атомних енергетичних установок, на всіх звичайних підводних човнах в якості головних двигунів використовуються дизельні двигуни, а на деяких також використовуються повітронезалежні рухові установки (AIP).

В даний час, у зв'язку з розвитком дизельних двигунів і газових турбін, парові силові агрегати, представлені паровими турбінами, відмовилися від свого колишнього всеосяжного панування і разом утворили триногу триногу. Однак парові турбіни все ще домінують на великих кораблях, особливо на авіаносцях і атомних підводних човнах.

У зв'язку з великою витратою палива паровими турбінами кількість новозбудованих цивільних паротурбінних суден з кожним роком зменшується. Навпаки, майже всі судна, що працюють на зрідженому природному газі, використовують парові турбіни для переробки та утилізації витікає природного газу як палива для котлів. У моїй країні парові турбіни все ще домінують на великих і середніх кораблях, таких як авіаносці та атомні підводні човни. З точки зору фактичного використання на судні, видатними перевагами парових турбін є безпека та надійність, хороша маневреність, простота використання та хороша ремонтопридатність. Його недолік – погана економічність. При однаковій кількості палива запас ходу невеликий. Це фатальна слабкість, яка впливає на розвиток морських парових турбін. Щоб забезпечити подальший розвиток парових турбін, необхідно докласти зусиль для підвищення економічності.

Як було сказано вище, під час і після Другої світової війни дизельні двигуни і парові турбіни широко використовувалися на кораблях. Проте з подальшим розвитком технологій намітилася тенденція використання газових турбін як основного двигуна. В даний час газові турбіни в основному можна розділити на легкі газові турбіни та важкі газові турбіни відповідно до їх різних структурних типів. Серед них легкі газові турбіни — це тип нової установки, яка базується на авіаційних газових турбінах і додатково модифікована для адаптації до умов навігації кораблів. Важкі газові турбіни розроблені на основі промислових газових турбін і в даний час здебільшого придатні для великих цивільних суден, таких як контейнеровози, судна-ролери та пороми, але через низьку економічність цього типу установки, її застосування все ще знаходиться в експериментальній стадії.

Суднові газові турбіни в основному йдуть по шляху авіаційної модифікації. В умовах морського середовища та вимог використання суден було проведено велику кількість дослідницьких та експериментальних робіт з точки зору підвищення економічності та надійності, а також було прийнято багато нових технологій та процесів. Продукти багато разів оновлювалися і досягли відносно зрілої стадії, але порівняно з дизельними двигунами все ще є певна прогалина в економії. В даний час як парові турбіни, так і газові турбіни наполегливо працюють над підвищенням економічності та скорочення споживання палива, і досягли відрадних результатів.

Щоб збалансувати економію в крейсерських умовах і прискорення, необхідне для стратегічних маневрів, надводні кораблі зазвичай використовують комбіновані енергетичні установки, включаючи крейсерські і розгінні установки. Обидва агрегати з'єднані з головним редуктором муфтою, а для реалізації заднього ходу використовуються редуктори заднього і прямого ходу або гвинти регульованого кроку. Перевага комбінованого силового агрегату в тому, що він має достатню потужність, а вага і об'єм агрегату порівняно невеликі. Це вирішує протиріччя між високою потужністю на повній швидкості та крейсерською економічністю, а також покращує витривалість судна.

Атомні енергетичні установки можуть істотно підвищити потужність і витривалість кораблів і не вимагають спалювання повітря, що більше підходить для підводних кораблів, таких як підводні човни. Однак, оскільки радіоактивні речовини можуть завдати серйозної шкоди організму людини і забруднювати навколишнє середовище, для цього повинні бути встановлені засоби суворого радіоактивного захисту. Хоча ядерне паливо займає невеликий простір на атомних кораблях, враховуючи необхідний екрануючий шар і величезне допоміжне обладнання, переваги нівелюються, і все ще можна збільшити загальне навантаження на судно. Крім того, атомні енергетичні установки рідко використовуються на цивільних суднах через їх велику вагу, високу вартість і складні технології конструкції, експлуатації та управління. В даний час застосування атомних енергетичних установок на цивільних суднах більше визначається такими факторами, як прийнятність місцевого портового середовища, міжнародними угодами, страховими угодами та початковими витратами, а не простою технічною здійсненністю.

Узагальнено перспективи застосування суднових енергетичних установок наведено в табл. 4.

Згідно з наведеною вище ситуацією, цивільні кораблі ще деякий час будуть використовувати дизельні двигуни як основну енергетичну установку. Для великих цивільних суден низькошвидкісні дизельні двигуни, як правило, все ще є основною силовою установкою, тоді як для суден з обмеженою висотою кабіни, таких як ро-ро судна, пасажирські судна, пороми тощо, більше підходять середньо- та високошвидкісні дизельні двигуни . Серед них судна внутрішнього плавання все ще мають переважно середньо- та високошвидкісні дизельні двигуни, тоді як великі океанські судна мають переважно низькошвидкісні дизельні двигуни. В останні роки швидкість споживання палива середньообертовими двигунами наближається до тихохідних дизельних двигунів. Вони мають такі переваги, як висока ефективність використання відпрацьованого тепла, невеликі розміри, мала вага, низька вартість і хороші перспективи.

Відповідно до ситуації в моїй країні, середні та малі надводні кораблі, підводні човни та допоміжні кораблі все ще будуть переважно оснащені середньо- та високошвидкісними дизельними двигунами. Великі підводні човни зосередяться на розробці атомних енергетичних установок і як головний двигун як і раніше будуть використовувати парові турбіни. У той же час газові турбіни мають значні переваги в продуктивності і поступово стали стандартною силовою установкою для вітчизняних і іноземних військових кораблів. Варто також звернути увагу і розвивати різні комбіновані енергетичні установки з газовими турбінами як прискорювачами. В даний час необхідно терміново посилити дослідження і розробки газових турбін великої потужності для суден.

12 Перспективи суднових енергетичних установок

Підсумовуючи вищесказане, дизельні двигуни мають такі переваги, як висока термічна ефективність, хороша економічність, великий діапазон потужності, компактна конструкція, невелика кількість допоміжного обладнання та можуть безпосередньо приводити в рух гвинти. Однак із поступовим збільшенням тоннажу суден суднові дизелі вимагають розвитку в бік великої потужності. Щоб підвищити потужність дизельних двигунів, єдиним способом є збільшення діаметра циліндра, збільшення кількості циліндрів або використання кількох моделей. Це неминуче призведе до збільшення ваги та об’єму, що ускладнить і здорожчить виготовлення. Тому дизельні двигуни зазвичай не використовуються в якості основної рушійної силової установки на великих кораблях. Після багатьох років розвитку суднові дизельні двигуни досягли відносно високого технічного рівня. Однак для середніх і малих надводних кораблів, звичайних підводних човнів і цивільних кораблів дизельні двигуни все ще залишаються основним джерелом енергії. Низькі викиди вуглецю є серйозною проблемою для дизельних двигунів на цьому етапі. З обмеженнями на викиди суднових дизельних двигунів важче підвищити їх економічність, що також є новою темою в майбутньому розвитку суднових дизельних двигунів. Загалом, завдяки значним характеристикам дизельних двигунів, їх технічний прогрес значною мірою сприяв розвитку та революції суднової техніки та відкрив нову главу в розвитку морських силових агрегатів.

Парові турбіни мають високу потужність, малий розмір, малу вагу, стабільну роботу, тривалий термін служби, високу надійність, низьку витрату мастила, сильну перевантажувальну здатність, можуть спалювати низькоякісне паливо, низьку вібрацію та шум, але низьку теплову ефективність, складне управління , важка обробка та виготовлення, висока вартість, має бути оснащений редукторним редуктором і великим головним котлом, а також повинен приводити гвинт через редукційний пристрій. В даний час вони в основному використовуються на великих нафтових танкерах, авіаносцях і атомних підводних човнах.

Порівняно з вищезазначеними силовими агрегатами, газові турбіни мають невеликі розміри, легку вагу, займають найменший простір у кабіні та об’єм, і мають такі переваги, як низька вібрація та тертя, легке керування та обслуговування, швидкий запуск і можуть досягати максимальної потужності протягом через кілька хвилин після запуску. Тому вони більше підходять для військових кораблів. Однак через такі недоліки, як низька термічна ефективність, низька економічність, короткий термін служби, високі вимоги до металевих матеріалів і неможливість реверсу, вони не отримали широкого поширення на цивільних суднах і в основному використовуються на високопродуктивних кораблях, таких як судна на повітряній подушці.

В області надводних кораблів існують комбіновані енергетичні установки, що використовують газові турбіни в поєднанні з дизельними двигунами, паровими турбінами і атомними енергоустановками. Цей тип силового агрегату з'явився після Другої світової війни і дозволяє повною мірою використовувати переваги різних головних двигунів і максимально використовувати переваги газових турбін.

Атомні енергоблоки мають переваги, з якими інші енергоблоки не можуть зрівнятися, але вони потребують ретельного і серйозного захисту, вони дорогі, а технологія будівництва та управління випробуваннями є складною. Тому наразі вони не знайшли широкого застосування на цивільних кораблях, а в основному використовуються на великих надводних кораблях, таких як авіаносці та підводні човни. Зі збільшенням виснаження таких джерел енергії, як нафта, очікується подальше просування атомних енергоблоків у сфері цивільних суден.

Висновок 13

Таким чином, морські енергоблоки розвиваються в напрямку диверсифікації та великої потужності. На середніх і малих цивільних суднах в основному використовуються середньо- і високошвидкісні дизелі. На великих і середніх цивільних суднах в основному використовуються середньо- і тихохідні дизелі. Парові турбіни мають переваги зрілої та надійної технології, гарної ремонтопридатності та тривалого терміну служби, але їхніми недоліками є низька економічна ефективність та складний монтаж. Незважаючи на те, що газові турбіни мають недолік короткого терміну служби, кораблі можуть повною мірою використовувати переваги газових турбін, які вони можуть швидко запускати та отримувати високу потужність за короткий час, тому вони все ще мають гарні перспективи.

Атомні електростанції стануть важливим джерелом морської енергії. Після установки ядерного палива корабель може плавати кілька років. Він дуже підходить як джерело енергії для великих кораблів, а парові турбіни також будуть використовуватися як головний двигун. Електрична пропульсія стане важливим типом пропульсії для майбутніх кораблів. Він може забезпечувати електрику через батареї, генератори, що приводяться в рух первинними двигунами, і електрохімічне обладнання для виробництва енергії, таке як паливні елементи.