Главная энергетическая установка буксирного судна

Энергетическая установка – это комплекс механизмов, аппаратов, устройств и трубопроводов, предназначенных для обеспечения движения судна. Совершенство буксирных судов, а также их эффективное ис­пользование во многом определяется энергетической установкой, степенью ее автоматизации, надежности и экономичности. Энергетические установкиКомплексная автоматизация энергетических установок буксирных судов буксиров обладают определенной спецификой и перспективой развития. Однако в отечественной и известной зарубежной литературе им уделено мало внимания. 

Особенности работы буксиров в морских, озерных, а также речных и портовых условиях определяют основные требования, предъ­являемые к их главным энергетическим установкам:

1. Высокая надежность и простота обслуживания. Это требова­ние имеет особое значение для буксиров, так как от надежности работы энергетической установки зависит безопасность плавания буксируемого судна или толкаемого состава. Одно из основных средств повышения надежности энергетиче­ской установки буксира — применение установок, состоящих из двигателей, срок службы которых значительный (применительно к дизелям — 4-5 тыс. ч до выема поршневой группы).
2. Способность автоматически поддерживать постоянную мощность во всем диапазоне нагрузок. Это требование имеет особое значение для энергетических установок буксиров, плавающих в ледовых условиях, так как сопротивление движению судна во льдах непрерывно меняется, и поддержание постоянной мощности вручную практически невозможно. Учитывая, что все моря, омывающие РФ, и большая часть внутренних водных путей в зимний период покрывается льдом, препятствующим плаванию судов, развитие перевозок по замерзающим водным путям делает необходимым при проектировании буксиров, наряду с увеличением общей мощности энергетической установки, реализовать требование автоматического поддержания мощности на гребном винте. Это требование важно и для речных буксиров; плавающих в условиях мелководья.
3. Повышенная маневренность установки, под которой понимается ее способность к быстрому реверсу, достижению в возможно короткий срок полной мощности заднего хода; обеспечение малых скоростей хода буксира с составом.
4. Комплексная автоматизация энергетической установки, позволяющая работать без несения постоянной вахты в машинном отделении.
5. Отсутствие запретных зон при вращении гребного винта на рабочих режимах.
6. Рациональное расположение механизмов в машинном отделении. На современных буксирах отсек энергетической установки занимает до 40-60 % длины судна. Длина этого отсека в значи­тельной степени определяет главные размерения буксира, поэтому уменьшение его размеров в результате выбора по возможности ма­логабаритных двигателей и рационального размещения всех механизмов — одна из основных задач проектирования установки. При разработке общего расположения энергетической установки необходимо соблюдать требуемые нормами охраны труда проходы, стремиться к уменьшению числа изолированных помещений и выгородок с тем, чтобы упростить обслуживание установки и ремонт.
7. Обеспечение уровней шумности в машинном отделении в ­соответствии с действующими нормами.
8. Применение унифицированного серийного оборудования.
9. Высокая экономичность. Применительно к энергетическим установкам буксиров имеется в виду достижение минимального ча­сового расхода топлива в широком диапазоне изменения нагрузки. Поэтому целесообразно такое управление, при котором заданный режим реализуется в случае минимального расхода топлива.

Развитие и совершенствование энергетических установок мирового буксирного флота характеризуется применением в качестве главных двигателей преимущественно средне- и высокооборотных дизелей. Дизельные установки используются во всем диапазоне мощностей до 16 000 л. с.

Определенный интерес к применению на буксирных судах газо­турбинных установок объясняется следующими их достоинствами: высокой мощностью в агрегате; большой перегрузочной способ­ностью; меньшим, чем у дизельных установок, весом и габаритами; большим сроком службы. Однако ввиду высокого удельного расхода топлива, почти вдвое превышающего удельный расход топлива дизельных установок, применение газотурбинных установок на буксирах невыгодно.

Примером использования газотурбинной установки служит построенный в 1961 г. японский буксир Хирио Мару, оборудованный СПГГ фирмы «Сигма» мощностью 2×1 000 л. с., работающими через редукторы на ВРШ.

Успехи, достигнутые в последнее время в области газотурбин­ных установок, дают основание полагать, что эти установки при определенных условиях могут оказаться конкурентоспособными с дизельными.

Читайте также: Классификация буксирных судов, типы и виды

На буксирах применяются дизели различного типа. В качестве главных двигателей буксирного флота используются дизели простого действия, рядные или V-образные с газотурбинным наддувом. Двигатели с числом цилиндров 4-8, как правило, выполняют одно­рядными, а при 12 и более цилиндрах — V-образными. Наибольшее распространение получили однорядные двигатели с числом цилиндров 6 и 8. Они обладают хорошей уравновешенностьюПонятие уравновешенности. Действие неуравновешенного двигателя на фундамент и корпус судна и достаточно высоким механическим к. п. д. V-образная компоновка позволяет снизить весогабаритные характеристики дизелей, особенно большой мощности. Высокие агрегатные мощности, как известно, могут быть достигнуты увеличением рабочего объема или числа цилиндров. Увеличение числа цилиндров до 12-16 в V-образном исполнении позволяет на 10-15 % снизить удельный вес дизеля по сравнению с однорядным такой же мощности.

На буксирах находят применение как четырехтактные, так и двухтактные дизели. Наибольшее распространение получили четы­рехтактные дизели. Частота вращения главных двигателей харак­теризуется диапазоном 250-2 300 об/мин.

Конструкция валопроводаРемонт валопроводов и судовых гребных винтов от главных двигателей к гребным винтам обеспечивает передачу крутящего момента и придает установке буксира качества, которых лишены двигатели. Так, ни один из судовых двигателей, за исключением паровой поршневой машины, не обладает свойством саморегулируемости. Дизель, как известно, не может устойчиво работать при частоте вращения менее 30 % от номинальной; в случае взаимодействия со льдом возможна полная его остановка, а частые реверсы резко снижают срок службы. Поэтому на главную передачу возлагаются следующие основные функции:

• реверсирование гребных винтов;
• редуциро­вание частоты вращения в случае применения дизелей с форсиро­ванными оборотами;
• обеспечение эффективного использования мощности двигателей как на свободном ходу, так и при ходе с составом, а также на швартовном режиме (рис. 1);
• обеспечение хороших маневренных качеств установки;
• защита двигателя от перегрузок;
• суммирование на гребном валу мощности нескольких главных двигателей.

На буксирах нашли применение следующие основные типы главных передач:

• прямая передача мощности непосредственно от реверсивного двигателя к ВФШ;
• зубчатая передача;
• передача мощности от двигателя к регулируемому движителю (ВРШ или КД);
• электропередача па постоянном токе;
• гидравлическая передача.

На современных морских буксирах практически отказались от прямой жесткой передачи мощности на ВФШ, поскольку она обес­печивает использование полной мощности главных двигателей и получение хорошей тяги только на одном расчетном режиме. Это обстоятельство, а также весьма низкая маневренность установки обусловили отказ от применения таких установок на морских буксирах.

Основным средством для более эффективного использования мощности главных двигателей является применение различных типов одно- и многоскоростных реверсивно-редукторных передач. Наибольшее распространение на зарубежных буксирах получили двух- и трехскоростные реверсивно-редукторные передачи. Введе­ние в реверсивно-редукторную передачу эластичной разобщитель­ной муфты (гидравлической, электромагнитной либо шинно-пневматической) позволяет отключить двигатель, что облегчает его пуск и прогрев, упрощает монтаж, уменьшает крутильные колебания, смягчает удары (например, удары во льдах) и повышает манев­ренность установки.

Приведенные достоинства зубчатых передач с различными демп­фирующими элементами обусловили широкое распространение их на буксирах различной мощности. В большинстве случаев на морских буксирах применяют установки с реверсивно-редукторными передачами.

ВРШ и КД выполняющие роль реверсивного устройства, а КД кроме того, — и редуцирующего устройства, также могут рассмат­риваться в качестве основных типов передач. Не останавливаясь подробно на особенностях установок с ВРШ и КД, уместно отметить, что их применение на буксирах по сравнению с ВФШ позволяет:

• использовать полную мощность главного двигателя на заданной скорости при различных режимах плавания, в том числе при реверсе и на заднем ходу, за счет изменения шага движителя;
• повысить тягу на швартовах на 20-25 %;
• получить любую малую скорость судна (вплоть до полной остановки при работающем главном двигателе) путем установки лопастей в нулевое положение;
• значительно сократить время реверса и длину выбега судна в результате быстрого развития тормозного упора во время поворота лопастей на задний ход;
• сократить количество остановок и пусков главного двигателя (это повышает его моторесурс);
• проще осуществить привод вспомогательных механизмов, в частности валогенераторов, непосредственно от валопровода главных двигателей;
• повысить экономичность работы энергетической установки на частичных режимах в результате управления главным двигателем и движителем по принципу экономической оптимизации;
• в случае применения КД отказаться от дейдвудного устройства, упорного подшипника и рулевого устройства.

Главным недостатком энергетических установок с регулируе­мыми движителями является сложность конструкции и меньший, чем у ВФШ, к. п. д. на расчетном режиме (примерно на 2 %). Кроме того, в случае применения двигателей средней быстроходно­сти при использовании ВРШВлияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна следует иметь редуктор на линии вала. Однако эти недостатки компенсируются положительными качествами ВРШ и КД.

На отечественных судах главные энергетические установки с КД нашли применение на портовых и рейдовых буксирах мощностью 600 и 900 л. с. (рис. 2). Установки с ВРШ используются на буксирах-кантовщиках мощностью 600 и 1 200 л. с.

Применение электропередачи на постоянном токе целесообразно для буксирных судов, эксплуатирующихся в ледовых условиях. Основными достоинствами этих передач являются:

• возможность ис­пользования полной мощности первичных двигателей в широком диапазоне внешних нагрузок гребных винтов — от свободного хода до швартовного режима;
• повышенная маневренность, создаваемая за счет неограниченного количества реверсов, быстроты реверса, плавности изменения частоты вращения генератора электродвижения (ГЭД), обеспечения малых скоростей хода;
• высокая эксплуа­тационная надежность, живучесть и возможность защиты первичных двигателей от недопустимых перегрузок как в статических, так и переходных процессах;
• использование для питания мощных судо­вых потребителей постоянного тока (пожарные и водоотливные насосы) главной энергетической установки (ГЭУ).

Предлагается к прочтению: Ремонт судового двигателя внутреннего сгорания в рыбной промышленности

Дизель-электрическая передача на постоянном токе в отечест­венной практике применена на морских буксирах мощностью 2 000 л. с. (рис. 3), на буксирах-спасателях мощностью 2 200 л. с. и шлюзовых буксирах-толкачах мощностью 600 л. с.

Гидравлические передачи и, в частности гидродинамические, применяются пока редко, несмотря на их очевидные достоинства. Из-за отсутствия опыта эксплуатации гидротрансформаторов на морских буксирах такие вопросы, как поведение гидропреобразователей в динамике, надежность работы уплотнений в условиях ча­стых реверсов и ударов винта и корпуса о лед, пока еще не ясны.

На судах внутреннего плавания эксплуатируется гидрозубчатая передача, установленная на буксире-толкаче мощностью 4 000 л. с. Маршал Блюхер (рис. 4). В состав энергетической установки тол­кача входят два главных дизель-гидрозубчатых агрегата 1ДГРЛ мощностью по 2 000 л. с. при частоте вращения 175 об/мин. Каж­дый агрегат состоит из двухтактного V-образного дизеля 10Д40 и универсальной гидрозубчатой передачи ГЗГ1С-2 000, соединенных шинно-пневматической муфтой 8ШМС. Он позволяет после разгона и реверсирования при длительных режимах автоматически переда­вать мощность на гребной вал через гидромуфту, имеющую более высокий к. п. д.

Агрегат обеспечивает получение высоких тяговых характеристикТяговые характеристики буксирных судов при практически постоянном моменте двигателя независимо от из­менения крутящего момента на гребном валу. Максимальные зна­чения крутящего момента в случае заклинивания движителя могут в 2,5-2,8 раза превышать рабочий момент. Реверсирование греб­ного винта с полного переднего хода на полный задний, без изме­нения частоты вращения дизеля, осуществляется за 15 с. Таким об­разом, дизель-гидроредукторные агрегаты, имея существенные преимущества перед дизель-электрическими установками по эконо­мичности, весу и габаритам, расширяют тяговые и маневренные возможности буксиров-толкачей, допускают плавание в ледовых условиях и на мелководье. В будущем они могут найти более широ­кое применение.