Эскизное проектирование и модернизация судовых энергетических установок. Часть 2
Эскизное проектирование и модернизация судовых энергетических установок: анализ режимов работы и выбор типа ГСДУ
В учебном пособии рассматриваются вопросы эскизного проектирования и модернизации судовых энергетических установок (СЭУ), уделяя особое внимание главным судовым двигательным установкам (ГСДУ). Книга, предназначенная для студентов специальности "Эксплуатация судовых энергетических установок", под редакцией В.В. Кузнецова, охватывает широкий спектр тем, от выбора типа и схемы ГСДУ до анализа режимов работы.
Классификация и компоненты СЭУ
СЭУ представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования, передачи и использования энергии, необходимой для обеспечения судовых нужд. Основными компонентами ГСДУ являются главный двигатель (ГД), передача мощности, валопровод и движитель. Вспомогательные системы, такие как электроэнергетическая система и вспомогательная установка, также играют важную роль в обеспечении работы СЭУ.
Выбор типа и схемы ГСДУ
Выбор типа ГСДУ является многовариантной задачей, требующей технико-экономического анализа. При выборе учитываются такие факторы, как надежность, энергоэффективность, маневренность, вес, габариты, возможность использования различных видов топлива и эксплуатационные расходы. Рассматриваются различные типы ГСДУ, включая дизельные (ДЭУ), паротурбинные (ПТУ), газотурбинные (ГТУ) и комбинированные установки (КЭУ).
Анализ режимов работы и ограничительные характеристики
Анализ режимов работы ГСДУ является важным аспектом проектирования. Рассматриваются различные эксплуатационные режимы, такие как ходовой режим, стоянка с грузовыми операциями, стоянка без грузовых операций и аварийный режим. Для каждого режима анализируется работа основных элементов СЭУ. Ограничительные характеристики дизельных двигателей, такие как максимальное и минимальное давление, частота вращения, удельный расход топлива, также играют важную роль в анализе режимов работы.
Современные направления развития ГСДУ
В книге рассматриваются современные направления развития ГСДУ, включая повышение цилиндровых и агрегатных мощностей, повышение топливной экономичности, использование альтернативных видов топлива, улучшение экологических показателей, автоматизацию и совершенствование конструкций. Особое внимание уделяется малооборотным дизелям (МОД), среднеоборотным дизелям (СОД) и высокооборотным дизелям (ВОД), а также двухтопливным двигателям.
Особенности компоновки ГСДУ
В заключение рассматриваются особенности компоновки ГСДУ и комплектования основными элементами судовых валопроводов. Учитываются требования к надежности, безопасности и удобству обслуживания.
Текст подготовлен языковой моделью и может содержать неточности.
- ВО - Бакалавриат
- 26.03.02: Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры
- ВО - Магистратура
- 26.04.02: Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры
- ВО - Специалитет
- 26.05.01: Проектирование и постройка кораблей, судов и объектов океанотехники
- 26.05.02: Проектирование, изготовление и ремонт энергетических установок и систем автоматизации кораблей и судов
А.Л. КИРЮХИН С.В. МАКСИМОВ С.И. ТОЛСТОЙ П.В. ЧЕРПИТА ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЧАСТЬ 2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТИПА И СХЕМЫ, АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГЛАВНЫХ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Под редакцией кандидата технических наук, доцента В.В. Кузнецова Москва ИНФРА-М 2025
УДК 629.5.06(075.8) ББК 39.455я73 К43 Р е ц е н з е н т: В.Т. Матвеенко, доктор технических наук, профессор Р е д а к т о р: В.В. Кузнецов, кандидат технических наук, доцент Кирюхин А.Л. К43 Эскизное проектирование и модернизация судовых энергетических установок. Часть 2. Обоснование выбора типа и схемы, анализ режимов работы главных судовых двигательных установок : учебное пособие / А.Л. Кирюхин, С.В. Максимов, С.И. Толстой, П.В. Черпита ; под ред. канд. техн. наук, доц. В.В. Кузнецова. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 312 с. — (Военное образование). ISBN 978-5-16-020088-0 (print) ISBN 978-5-16-112640-0 (online) Во второй части учебного пособия изложены положения по выбору основных элементов главных судовых двигательных установок при эскизном проектировании и модернизации судовых энергетических установок (СЭУ), анализу их режимов работы. Обобщены технические мероприятия по реализации требований международных конвенций и национальных нормативных документов к экологической безопасности и энергоэффективности главных судовых двигательных установок. Приведены конструктивные особенности, технические характеристики, программы выпуска моделей судовых дизелей, зубчатых передач и элементов валопроводов. Систематизированы направления развития главных двигательных установок морских транспортных судов. Учитывает действующие национальные и международные нормативные документы по эскизному проектированию СЭУ и разработано на основе опыта подготовки судовых инженеров-механиков в Черноморском высшем военно-морском училище имени П.С. Нахимова. Разработано в соответствии с актуальными требованиями федеральных государственных стандартов образования и Международной конвенции ПДНВ-78/95 с учетом Манильских поправок 2010 года. Предназначено для студентов специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок» уровня управления, стандарт компетентности А-ІІІ/2 «Международной конвенции о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты 1978 года» (ПДНВ-78/95). УДК 629.5.06(075.8) ББК 39.455я73 Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе Znanium ISBN 978-5-16-020088-0 (print) ISBN 978-5-16-112640-0 (online) © Кирюхин А.Л., Максимов С.В., Толстой С.И., Черпита П.В., 2024
Принятые сокращения АГД — автономная группа движения АДГ — аварийный дизель-генератор ВГ — валогенератор ВОД — высокооборотный дизель ВП — валопровод ВРШ — винт регулируемого шага ВФШ — винт фиксированного шага ГД — главный двигатель ГЭД — гребной электродвигатель ГСДУ — главная судовая двигательная установка ДВС — двигатель внутреннего сгорания ДГ — дизель-генератор ДРА — дизель-редукторный агрегат ИМО (IMO) — Международная морская организация КПД — коэффициент полезного действия МАРПОЛ-73/78 — Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 г., измененная протоколом 1978 г. к ней МИШ — механизм изменения шага МО — машинное отделение МОД — малооборотный дизель ПДНВ-78/95 — Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты 1978 г. с изменениями 1995 г. ПК — пропульсивный комплекс ПУ — пропульсивная установка ПТУ — паротурбинная установка СДУ — судовая дизельная установка СОД — среднеоборотный дизель СПК — судно на подводных крыльях СЭС — судовая электростанция СЭУ — судовая энергетическая установка ТГ — турбогенератор ISO — Международная организация по стандартизации HFO — тяжелое остаточное топливо LNG — сжиженный природный газ LPG — сжиженный нефтяной газ MDO — дистиллятное топливо 3
MGO — высококачественное дистиллятное топливо MANES — MAN — энергетические решения Ro-Ro — накатное судно TEU — стандартный транспортный контейнер (20-футовый) 4
Принятые обозначения В — ширина судна сm — средняя скорость поршня Dв — диаметр винта Gч — часовой расход топлива е g — удельный эффективный расход топлива gч — удельный часовой расход топлива Н — шаг винта Нб — высота борта судна H/Dв — шаговое отношение винта s h — глубина погружения оси винта L — длина судна по конструктивную ватерлинию Мкр — крутящий момент е N — эффективная мощность двигателя Neсум — суммарная эффективная мощность ГСД p N — мощность, подводимая к гребному винту R N — буксировочная мощность nд — частота вращения двигателя nв — частота вращения гребного винта Р — упор винта рmе — среднее эффективное давление Qн — низшая теплотворная способность топлива R — сопротивление движению судна (буксировочное T — осадка судна V — объемное водоизмещение судна vs — скорость судна zр — количество гребных винтов η — пропульсивный коэффициент в η — КПД валопровода ηр — КПД винта п η — КПД передачи ηе — эффективный КПД 5
Глава 1. ВЫБОР ТИПА ГЛАВНОЙ СУДОВОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Судовая энергетическая установка — это сложный комплекс функцио нально взаимосвязанных элемен тов энергетического оборудования, машин, механизмов, аппаратов и устройств, предназначенных для производства, трансформирования, передачи и использования различных видов энергии, необходимых для обеспечения всех судовых нужд [1]. Судовые энергетические установки (СЭУ) могут иметь множество комбинаций разных типов, размеров и вариантов расположения их элемен тов, взаимосвязанных непрерывно осуществляемыми процессами преобразования, передачи и перераспределения разных видов энергии. Однако в составе большинства СЭУ можно выделить основные элемен ты (группы элемен тов), которые выполняют в процессе их работы определенные и одинаковые функции. 1. Главная двигательная установка, которая обеспечивает движение (ходкость) судна и состоит из одной или нескольких автономных групп движения (АГД) в соответствии с количеством установленных на судне движителей (винтов). В состав главной судовой двигательной установки (ГСДУ) входят (рис. 1.1): а) главный двигатель (ГД) 1 (один или несколько) с обслуживающими системами, механизмами и устройствами, включая средства управления и контроля; б) передача мощности 2 с обслуживающими системами и устройствами, которая осуществляет механическую, гидравлическую или электрическую связь главного двигателя (ГД) с потребителем энергии — движителем. В зависимости от типа она предназначена для изменения величины (преобразования) крутящего момента двигателя (за счет изменения частоты вращения) при его передаче движителю, для суммирования мощности нескольких двигателей с одновременным преобразованием крутящего момента, а в ряде случаев — и для изменения направления вращения (реверса) движителя при неизменном направлении вращения вала двигателя; 6
в) валопровод (ВП) 3, который передает крутящий момент от передачи к движителю. Его использование обусловлено значительностью расстояний между двигателями, чаще всего устанавливаемыми в районе центра масс судна, и движителями (гребными винтами). 10 9 8 7 6 4 5 3 2 1 Рис. 1.1. Общий вид главной судовой двигательной установки со среднеоборотным дизельным двигателем [2] Основные элемен ты валопровода: • промежуточный, упорный и гребной валы, которые передают крутящий момент движителю; • главный упорный (опорно-упорный) подшипник, который воспринимает переданный от движителя упор и передает его корпусу судна; • опорный подшипник, который обеспечивает восприятие радиальной нагрузки вала и центровку валопровода; • переборочный сальник, который обеспечивает уплотнение валопровода в местах прохода через водонепроницаемые переборки; • тормоз валопровода, который предназначен для его стопорения при парциальной работе многовальной установки, при букси7
ровке судна или при проведении технологических операций с пропульсивным комплексом; • дейдвудное устройство, которое обеспечивает поддержание и уплотнение валопровода в месте выхода его из корпуса судна; • гребной вал; г) движитель 4, который превращает подведенную к нему мощность главного двигателя в работу осевой силы — упора, переданного корпусу судна для обеспечения его движения. Наиболее широко применяются гребные винты фиксированного (ВФШ) и регулируемого (ВРШ) шага, в ряде случаев используются водометные и крыльчатые движители, винто-рулевые колонки и воздушные винты. 2. Электроэнергетическая система, которая вырабатывает электрическую энергию и распределяет ее по потребителям. В ее состав входят дизель-генераторы (газо- и паротурбогенераторы) и валогенераторы 5 с обслуживающими их системами, средствами управления и контроля, а также средствами распределения и преобразования энергии. 3. Вспомогательная установка, которая представляет собой комплексы, предназначенные для обеспечения ГСДУ и удовлетворения энергетических потребностей общесудовых потребителей. В состав вспомогательной установки входят компрессоры, котлы, холодильные и опреснительные установки, кондиционеры, вентиляторы, насосы и другое оборудование. Элемен ты СЭУ объединяются в единый энергетический комплекс судна при помощи систем судовой энергетической установки. Системой СЭУ называется совокупность трубопроводов, механизмов, аппаратов, устройств, приборов и емкостей, предназначенных для обеспечения выполнения судовой энергетической установкой определенных функций [1]. Назначение топливной системы состоит в приеме, хранении, выдаче, перекачивании, очистке, подогреве и подводе топлива к дизельным, газотурбинным двигателям и котлам. Масляная система предназначена для обеспечения приема, выдачи, хранения, очистки и подачи масла для смазки и охлаждения машин и механизмов. Система охлаждения предназначена для подвода теплоотводящих сред на охлаждение механизмов, устройств, рабочих сред в теплообменных аппаратах СЭУ. Система сжатого воздуха предназначена для обеспечения СЭУ и судна сжатым воздухом необходимых параметров для пуска и реверса главных дизелей, пуска вспомогательных двигателей, работы 8
систем автоматики и управления, продувки кингстонов, обеспечения хозяйственных нужд. Конденсатно-питательная система предназначена для отбора конденсата из главного и вспомогательных конденсаторов, приема, передачи, хранения и подачи питательной воды к паропроизводящим установкам и агрегатам, а также к органам регулирования и управления. Паровые системы предназначены для подвода перегретого или насыщенного пара от паропроизводящих установок и агрегатов к главным паровым турбинам и вспомогательным механизмам, аппаратам и оборудованию, а также отвод отработанного пара к теплообменным аппаратам. Системы воздухоснабжения предназначены для очистки и подачи в двигатели и котлы воздуха, необходимого для сжигания топлива и охлаждения двигателей. Газоотводные системы отводят отработанные газы от двигателей и котлов. Для того чтобы ГСДУ проектируемых морских судов отвечали требованиям Приложения VI к «Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов 1973 г.» (МАРПОЛ-73/78) [3], газоотводные системы оборудуются техническими средствами ограничения эмиссии таких вредных компонентов выпускных газов, как оксиды серы (SOx) и азота (NOx), твердые частицы (сажа). В устройствах селективной каталитической очистки 7 (см. рис. 1.1) отработанные газы смешиваются с водным раствором мочевины, который в зоне реакции разлагается с образованием аммиака, вступающего во взаимодействие с оксидом азота с последующим выделением безопасных продуктов — азота и водяного пара (рис. 1.2). О2 H2O NO Catalyst N2 NH3 4N2 + 6H2O 4NO + 4NH3 + O2 Рис. 1.2. Химическая реакция в катализаторе 9
Учитывая ограниченный диапазон температур газов, в пределах которого обеспечивается эффективное функционирование такого SCR-реактора в составе ГСДУ с среднеоборотным дизельным двигателем, устройство 7 (см. рис. 1.1) размещают за турбиной газотурбонагнетателя (ГТН). В ГСДУ с малооборотными дизелями SCRреактор располагают до ГТН. Следует отметить, что для судов, эксплуатирующихся в зонах ЕСА [4], применение систем селективной каталитической очистки — это единственная реализуемая на настоящее время технология соблюдения условий правил Tier III при использовании традиционных топлив (рис. 1.3). Достаточно простым способом приведения содержания сернистых соединений в отработанных газах к существующим нормам, наряду с применением низкосернистых топлив, является их очистка при помощи скрубберных технологий. В скруббере 10 и в искрогасителях глушителя 9 (см. рис. 1.1) происходит тепломассообмен между отработанными газами и морской водой, которая распыливается в противоток газам. Оксиды серы и взвешенные твердые частицы поглощаются морской водой, которая затем очищается и нейтрализуется в гидроциклоне и сепараторе. Очищенная вода смешивается с водой циркуляционной системы и отводится за борт. EGR рециркуляция отр. газов SCR селективная каталит. очистка Двухтопливные ДВС (газ) Ограничение температуры горения 0 10 20 IMO Tier II 30 40 NOx ограничение, % 50 60 70 80 IMO Tier III ECA Достижимое Потенциал использования дополнительных мероприятий Рис. 1.3. Потенциал технологий ограничения эмиссии NOx [2] 10