Эскизное проектирование судовых энергетических установок

ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ 

УСТАНОВОК 

В.В. КУЗНЕЦОВ
С.В. МАКСИМОВ
С.И. ТОЛСТОЙ

Черноморское высшее военноморское ордена Красной Звезды 

училище имени П.С. Нахимова 

Факультет судовождения и энергетики судов 

Кафедра эксплуатации судовых энергетических установок

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

Рекомендовано экспертным советом ЧВВМУ

имени П.С. Нахимова в качестве учебного пособия

к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине

«Эксплуатация судовых энергетических установок»

для студентов, обучающихся по специальности 

26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Москва 
ИНФРА-М 

202

УДК 629.5.01(075.8)
ББК 39.45я73 
 
К89

Кузнецов В.В.

К89  
Эскизное проектирование судовых энергетических установок : 

учебное  пособие  / В.В. Кузнецов,  С.В. Максимов,  С.И. Толстой. —  
Москва : ИНФРА-М, 2024. — 220 с. — (Военное образование).

ISBN 978-5-16-014944-8 (print)
ISBN 978-5-16-107441-1 (online)
В учебном пособии рассмотрены основные характеристики судовых 

энергетических установок. Приведены методики расчета основных элементов установки и необходимые справочные данные. Методики расчета 
проиллюстрированы численными примерами.

Предназначено для студентов специальности «Эксплуатация судовых 

энергетических установок» при курсовом и дипломном проектировании. 
Может быть использовано судовыми инженерами-механиками в практической деятельности, а также научными работниками при выполнении научных исследований и проектных разработок.

УДК 629.5.01(075.8)

ББК 39.45я73

Р е ц е н з е н т ы:

В.Н. Казаренко, кандидат технических наук, доцент; 
В.А. Жидков

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р:

А.Л. Кирюхин, доктор технических наук, профессор

Р е д а к т о р:

Е.В. Польский

ISBN 978-5-16-014944-8 (print)
ISBN 978-5-16-107441-1 (online)

© Черноморское высшее военно-мор
ское ордена Красной Звезды училище 
имени П.С. Нахимова, 2019

П р и н я т ы е  с о к р а щ е н и я

АГД
–
автономная группа движения

АДГ
–
аварийный дизель-генератор

АЭУ
–
атомная энергетическая установка

ВВД
–
воздух высокого давления

ВСД
–
воздух среднего давления

ВГ 
–
валогенератор

ВД
–
водометный движитель

ВДГ
–
вспомогательный дизель-генератор

ВЭУ
–
вспомогательная энергетическая установка

ВРШ
–
винт регулируемого шага

ВФШ
–
винт фиксированного шага

ГД
–
главный двигатель

ГТД
–
газотурбинный двигатель

ГТУ
–
газотурбинная установка

ДВС
–
двигатель внутреннего сгорания

ДГ 
–
дизель-генератор

ДУ
–
дизельная установка

ИМО (IMO)
–
Международная Морская организация

КД
–
крыльчатый движитель

КПД
–
коэффициент полезного действия

МД
–
маршевый двигатель

МИШ
–
механизм изменения шага

МО
–
машинное отделение

МОД
–
малооборотный дизель

ПК
–
пропульсивный комплекс

ПКПМС
–
правила классификации и постройки морских судов

ПУ
–
пропульсивная установка

ПТУ
–
паротурбинная установка

СДЭУ
–
судовая дизельная энергетическая установка

СОД
–
среднеоборотный дизель

СПК 
–
судно на подводных крыльях

СЭС
–
судовая электростанция

СЭУ
–
судовая энергетическая установка

ТГ 
–
турбогенератор

ФД
–
форсажный двигатель

ЭЭС
–
энергоэнергетическая система

КПГТУ
–
парогазотурбинная установка комбинированная

КДДУ
–
комбинированная дизель-дизельная установка

3

П р и н я т ы е  о б о з н а ч е н и я

А
–
площадь лопастей винта

Аd
–
площадь диска винта

А/Аd
–
дисковое отношение винта

В
–
ширина судна

ч
G
–
часовой расход топлива

l
G
–
путевой расход топлива

D
–
диаметр винта

еg
–
удельный эффективный расход топлива

ч
g
–
удельный часовой расход топлива

lg
–
удельный путевой расход топлива

Н
–
шаг винта

Нб
–
высота борта судна

H/D
–
шаговое отношение винта

hp
–
поступь винта

sh
–
глубина погружения оси винта

d
K–
коэффициент упора – диаметра

n
K–
коэффициент упора – частоты вращения

L
–
длина судна по конструктивную ватерлинию

Мкр.
–
крутящий момент

е
N
–
эффективная мощность двигателя

А
е
N
–
эффективная мощность АГД

сум
e
N
–
суммарная эффективная мощность ПУ

p
N
–
мощность, подводимая к гребному винту (эффективная
мощность)

i
N
–
индикаторная мощность

R
N
–
буксировочная мощность

nД
–
частота вращения двигателя

nВ
–
частота вращения гребного винта

Р
–
упор винта

4

ре
–
удельный упор винта

Qн
–
низшая теплотворная способность топлива

R
–
сопротивление движению судна (буксировочное)

T
–
осадка судна

t
–
коэффициент засасывания

V
–
водоизмещение судна объемное, м3

W
–
водоизмещение судна весовое, т
Индексы при W(V):

Н – нормальное

П – полное

Пор – порожнем

Б – в балласте

vs
–
скорость судна

p
v
–
скорость воды в диске винта

zл
–
число лопастей винта

zр
–
количество гребных винтов

–
пропульсивный коэффициент

в
–
КПД валопровода

р
–
КПД винта

п
–
КПД передачи

i–
индикаторный КПД

е
–
эффективный КПД

p
–
относительная поступь винта

р
–
коэффициент нагрузки винта по упору

R
N
–
суммарная буксировочная мощность (для траулеров и
буксиров)

eP
–
суммарная тяга винта

–
число кавитации

–
коэффициент попутного потока

5

В В Е Д Е Н И Е

Судовая энергетическая установка (СЭУ) предназначена для 

обеспечения движения судна и снабжения необходимой энергией 
всех судовых потребителей. 

От СЭУ существенно зависят экономические показатели, сто
имость постройки судна и текущие эксплуатационные затраты. Соотношение этих затрат и прибыли от эксплуатации судна определяет 
его экономическую эффективность. Затраты на СЭУ составляют 
20...35% общей строительной стоимости судна и 35...50% затрат на 
содержание судна в процессе эксплуатации. Кроме того, основные 
показатели эффективности качества судов – надежность, маневренность, эргономичность, масса и габариты, живучесть – в значительной мере обеспечиваются СЭУ. В связи с этим проектирование СЭУ 
является одним из важнейших этапов создания судна.

История судостроения органически связана с историей созда
ния и развития элементов СЭУ. Первая попытка использовать механический двигатель на судне относится к 1730 году.

Англичанин Джонатан Хулл (1699 – 1758) получил патент и 

построил паровой бот с двигателем, расположенным на корме. В качестве главного двигателя Д. Хулл использовал пароатмосферную 
машину соотечественника Томаса Ньюкомена (1663 – 1729), которая 
с помощью ременной передачи вращала кормовое гребное колесо.

Буксир «Шарлотта Дандас» стал первым функционирующим 

судном с двигателем. Этот пароход с гребным колесом на корме и 
конденсационным двигателем двойного действия конструкции 
Джеймса Уатта (1736–1819) был построен Уильямом Саймингтоном 
(1763 – 1831) в 1801–1802 гг. для канала Форт Клайд, Шотландия.

Только в начале XIX века появились конкурентоспособные 

суда с механическими двигателями. Трудом многочисленных изобретателей и исследователей разных стран паровая машина была доведена до приемлемой степени совершенства.

В России первый рейс парохода состоялся 3 ноября 1815 года. 

В этот день из Петербурга в Кронштадт отправился пароход «Елизавета», построенный петербургским заводчанином Карлом Николаевичем (Чарльзом) Бердом (1766 – 1843). Имя конструктора парохода 
до нас не дошло.

6

Балансирная паровая машина мощностью около 11,8 кВт 

с частотой вращения 40 об/мин вращала два гребных колеса, расположенных по бортам деревянной лодки. В качестве топлива для парового котла использовались березовые дрова. Пароход развивал 
скорость 6,3 узла.

Кстати, термин «пароход» вместо существовавших в то время 

«стимбот» и «пироскаф» ввел в обиход русский моряк Петр Иванович Рикорд (1776– 1855). 

13 сентября 1838 года в Петербурге по Неве совершил свой 

первый рейс колесный деревянный баркас, у которого два гребных 
колеса, расположенных по бортам, вращались электродвигателем 
постоянного тока мощностью 0,7 кВт. Электродвигатель получал 
питание от гальванической батареи из 320 элементов.

Этот первый в мире электроход и его электродвигатель создал 

профессор Петербургской академии наук Борис Семенович Якоби 
(1801 – 1874). 

Быстрое развитие энергетики потребовало для флота квали
фицированных специалистов. В целях обеспечения грамотной эксплуатации ЭУ 15 декабря 1851 года в русском флоте введена должность инженера-механика.

10 февраля 1893 года инженер-механик флота Павел Дмитрие
вич Кузьминский (1840– 1900) доложил в Русском техническом обществе результаты испытаний созданной им газотурбинной установки, предназначенной для катера. Турбина работала на смеси из 
продуктов сгорания керосина и водяного пара.

Смерть изобретателя в мае 1900 года, а также отсутствие 

средств не позволили довести работу до завершения.

В 1897 году в Портсмуте (Англия) многочисленные зрители 

большого морского парада были поражены резвостью тридцатиметрового баркаса «Турбиния», который развил скорость 33 уз. Создателем этого быстроходного судна был английский инженер Чарльз 
Алджернон Парсонс (1854– 1931), использовавший в качестве главного двигателя паровую турбину. Баркас водоизмещением 44 тонны
имел 3 паровые турбины суммарной мощностью около 1470 кВт при 
2000 об/мин. Малые габариты главного двигателя при значительной 
мощности обеспечили высокую скорость хода «Турбинии».

Весной 1903 года Сормовский завод (г. Нижний Новгород) по
строил танкер «Вандал» водоизмещением 1000 т, имеющий скорость 

7

хода 7,4 уз. Это было первое в мире судно с дизельной энергетической установкой. Так как дизели были нереверсивными, то проблема 
обеспечения необходимой маневренности судна решилась за счет 
разработанной заводом электрической передачи мощности, которая 
позже получила широкое распространение.

Энергетическая установка «Вандала» состояла из трех дизель
генераторов и трех гребных электродвигателей мощностью по 
75 кВт, вращающих три трехлопастных гребных винта. Четырехтактные трехцилиндровые дизели мощностью по 88 кВт при
240 об/мин изготовил Петербургский машиностроительный завод 
акционерного общества «Людвиг Нобель».

В первой трети XX в. более эффективные паротурбинные 

и дизельные установки начинают вытеснять установки с паровыми 
машинами, а к середине века строительство паровых машин полностью прекращается. К этому времени преобладающее распространение получили дизельные установки, особенно после применения газотурбинного наддува, позволившего поднять верхний предел агрегатной мощности и улучшить их массогабаритные характеристики.

Применяемые в настоящее время движители имеют давнюю 

историю развития.

В 1787 году американский изобретатель Джеймс Рамзи

(1743–1792) испытал построенное им судно на р. Потомак. Судно 
имело водометный движитель пульсирующего типа. В качестве 
главного двигателя использовалась паровая машина Т. Ньюкомена. 
Коэффициент полезного действия движителя оказался ничтожно 
мал.

В это же время (1787 г.) другой американец Джон Фитч 

(1743–1798) испытал судно с гребным винтом (спиралью Архимеда) 
на р. Делавэр в Филадельфии. Гребной винт вращался паровой машиной, и результаты были также малоутешительны.

Гребной винт был изобретен фермером из графства Кент, Ве
ликобритания, сэром Фрэнсисом Петтитом Смитом (1808–1871) 
и запатентован 31 мая 1836 г. (британский патент №7104). 

История развития винта регулируемого шага (ВРШ) началась 

13 мая 1896 года, когда вступило в строй учебное судно «Верный» 
водоизмещением 1287 т постройки Балтийского завода. Проектирование и постройка судна происходила под руководством выдающегося русского ученого-кораблестроителя Ивана Григорьевича 
Буб8

Первая конструкция крыльчатого движителя была разработана 

и использована на катере американцем Ф.И. Кирстеном в 1925 году. 
Новый тип движителя обеспечивал создание упора в любом направлении относительно диаметральной плоскости судна.

Для обеспечения работы современных судовых энергетиче
ских установок используются жидкое и газообразное топливо, а 
также ядерная энергия (самоподдерживающийся процесс деления 
ядер изотопов урана).

Жидкое топливо (нефть) впервые было применено на парохо
де «Иран» (Россия) в 1870 году после создания форсунки русским 
изобретателем А.И. Шпаковским (1823– 1881). 

17 января 1955 года в 11 часов подводная лодка «Наутилус» 

(США) отошла от пирса на ходовые испытания своим ходом, используя атомную энергию.

Основными направлениями развития СЭУ на ближайшее вре
мя являются: снижение затрат на топливо и затрат труда на обслуживание, увеличение экономичности СЭУ, повышение надежности 
и эффективности использования судов.

9

Г л а в а  1  

О С Н О В Н Ы Е  Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И  С У Д О В Ы Х  

Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К И Х  У С Т А Н О В О К

1.1. Основы проектирования СЭУ

Цель проектирования состоит в выборе, обосновании и разра
ботке оптимального варианта СЭУ применительно к судну заданного назначения. Конечным результатом проектирования является выработка определенного объема информации, на основе которой при 
наличии соответствующей производственной базы может быть построено новое судно. В настоящее время информация выдается 
в виде проектной технической документации и частично в виде моделей или моделей и макетов. Полный комплект такой информации 
по судну представляет собой проект.

Оптимизация технических решений в процессе проектирова
ния включает выявление множества возможных решений или определение области поиска и выделение одного или нескольких вариантов решений, обладающих наилучшими характеристиками. Поиск 
оптимальных решений осуществляется на основе информации, которая большей частью вырабатывается в процессе проектирования. 
При проектировании широко используется метод объемного моделирования.

Весь комплекс работ по проектированию СЭУ можно разбить 

на четыре этапа.

1. Техническое предложение – совокупность конструкторских

документов, которые должны содержать технические и техникоэкономические обоснования целесообразности разработки документации изделия на основании анализа технического задания заказчика 
и различных вариантов возможных решений изделий, сравнительной 
оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий и патентные 
исследования. Техническое предложение после согласования и 
утверждения в установленном порядке является основанием для 
разработки эскизного (технического) проекта. 

2. Эскизный проект – совокупность конструкторских докумен
10