Судовые компрессоры и характеристики их производительности

Судовые компрессоры являются неотъемлемой частью систем, обеспечивающих жизнедеятельность и безопасность морских и речных судов. От их надежности и эффективности напрямую зависит работоспособность главных и Анализ конструкции вспомогательных механизмов на судневспомогательных механизмов, а также выполнение широкого спектра задач, от запуска двигателей до обеспечения работы различных пневматических систем.

СодержаниеСвернуть

Назначение и конструктивные особенности судовых компрессоров
Требования РМРС к комплектации компрессорами системы сжатого воздуха
Расчет системы пускового воздуха и производительности компрессоров

В данном материале мы рассмотрим основные функции судового компрессора и конструктивные особенности. Особое внимание будет уделено детальному анализу требований Российского морского регистра судоходства (РМРС) к комплектации судов компрессорами системы сжатого воздуха, что является критически важным для обеспечения соответствия судна установленным стандартам безопасности и эксплуатации. Наконец, мы углубимся в принципы расчета системы пускового воздуха и необходимой производительности компрессоров, что позволит понять, как обеспечивается достаточный запас сжатого воздуха для выполнения всех необходимых операций на борту судна.

Назначение и конструктивные особенности судовых компрессоров

Морской, речной и рыбопромысловый флот пополняется главным образом дизельными судами. Суда, эксплуатируемые и строящиеся, оснащены в основном реверсивными дизелями, работающими непосредственно на гребной винт. От надежности пускореверсивных систем дизелей в значительной степени зависит безопасность мореплавания и маневрирования судов в акваториях портов.

Для некоторых типов судов рыбопромыслового, вспомогательного и речного флота Маневрирование судна в аварийных ситуацияхрежим маневрирования – один из основных эксплуатационных режимов. Кроме того, большой расход воздуха на судах вызывается необходимостью привода в действие пневматического оборудования, инструмента судовых мастерских и подъемно-транспортных средств, в частности судовых кранов со следящими гидропневматическими системами.

К основным требованиям, которым должна удовлетворять судовая компрессорная установка, относятся:

малые габариты и масса;
высокая степень надежности;
коррозионная устойчивость;
простота эксплуатации;
постоянная готовность к часто повторяющимся пускам;
способность в течение почти всего времени эксплуатации работать на переходных режимах.

Классификация компрессоров по назначению нецелесообразна, поскольку обычно они используются для общесудовых нужд.

По давлению воздуха различают компрессоры:

высокого [свыше 15 МПа (150 кгс/см²)] давления;
среднего [2-15 МПа (20-150 кгс/см²)] давления;
и низкого [до 2 МПа (20 кгс/см²)] давления.

По типу привода судовые компрессоры подразделяются на:

электрические,
дизельные,
ручные.

Что такое турбонагнетатель?

Турбонагнетатель – это компрессор с приводом от газовых турбин.

Воздушные компрессоры воздуха высокого давления, имеющие, как правило, преимущества по габариту, устанавливают на судах с большим расходом воздуха (свыше 200 м³/ч), где последний используется не только для пуска дизелей и судового тифона, но и для технологических нужд, а также для общесудовых систем большой воздуховместимости (Промысловые добывающие и перерабатывающие судапромысловые суда, суда-мастерские и т. д.).

Воздух среднего давления на судах используется обычно для пуска дизелей и в меньшем количестве – для тифона, вспомогательного котла и других потребителей.

Пройдите этот тест полностью на нашем сайте, по ссылке: Тренировочный Дельта тест онлайн для старших механиков

Воздух низкого давления идет почти исключительно на технологические нужды рыбообработки и калориферной рефрижерации трюмов при перевозке скоропортящихся продуктов.

Система сжатого воздуха судна имеет отличительную особенность: в отличие от промышленных предприятий, она потребляет сжатый воздух не напрямую от компрессора, а из специальных баллонов.

Судовые компрессоры для сжатия воздуха можно разделить на два обширных класса:

В машинах первого класса сжатие газа осуществляется в замкнутой полости, объем которой периодически изменяется.
В машинах второго класса воздуху сообщается большая скорость, и кинетическая энергия потока затем преобразуется в работу сжатия нагнетаемого воздуха.

К первому классу относятся:

поршневые,
ротационные,
диафрагменные,
и винтовые компрессоры,

ко второму:

лопастные (центробежные и осевые).

Существует также третий класс – струйные (эжекционные) машины, значительно менее распространенные.

Наибольшее применение на судах получили поршневые компрессоры, в которых изменение объема полости сжатия происходит благодаря перемещению поршня.

Поршневой компрессор (рис. ниже) состоит из цилиндра 6, в котором предусмотрен всасывающий 1 и нагнетательный 4 патрубки, соединенные с полостью сжатия посредством всасывающего 2 и нагнетательного 3 самодействующих клапанов, поршня 5, совершающего возвратно-поступательное движение, и кривошипно-шатунного механизма, состоящего из шатуна 7 и кривошипа 8.

Конструкция одноступенчатого поршневого компрессора — Схема одноступенчатого поршневого компрессора

При движении поршня 5 из крайнего левого положения вправо в цилиндре начинает создаваться разрежение, благодаря чему всасывающий клапан 2 открывается и из всасывающего патрубка 1 в цилиндр начинает поступать воздух. После того как поршень достигнет крайнего правого положения, всасывающий клапан закроется и при движении поршня влево начнется сжатие воздуха.

Рекомендуется к прочтению: Газовозы. Грузовые компрессоры

Когда давление в цилиндре станет равным давлению в нагнетательном патрубке 4, сжатие воздуха прекратится, и через нагнетательный клапан 3 начнет выталкиваться сжатый воздух из цилиндра до тех пор, пока поршень не достигнет крайнего левого положения. При изменении направления движения поршня давление в цилиндре снизится до давления начала всасывания и процесс начнет повторяться.

Основные параметры и технические требования к судовым поршневым компрессорам пускового воздуха, предназначенным для обеспечения пуска дизельных и дизель-электрических установок и работы воздушных тифонов и сирен, нормализованы. Основные параметры пусковых компрессоров приведены в таблице ниже.

Таблица параметров пусковых компрессоров — Основные характеристики судовых электрокомпрессоров пускового воздуха

Большое внимание уделяется очистке воздуха от масла и воды. Присутствие в воздухе масла может привести к взрывам, а наличие воды вызвать коррозию оборудования системы сжатого воздуха. Для очистки воздуха большинство компрессоров оборудовано водомаслоотделителями, установленными после каждого из охладителей воздуха:

конечного,
и промежуточного.

Охладители воздуха являются неотъемлемой частью каждого компрессора. Они могут быть:

кожухотрубными и змеевиковыми;
автономными или встроенными в водяное пространство рубашек компрессоров.

Действительная производительность, м³/ч, поршневого компрессора определяется по формуле:

V_{к} = λ i F S n \cdot 60, Ф о р м . 1

где:

λ – коэффициент подачи, λ = 0,75-0,80;
i – число всасывающих сторон поршня цилиндра первой ступени;
F – площадь поршня, м²;
S – ход поршня, м;
n – частота вращения вала компрессора, об/мин.

Цилиндровая мощность на валу поршневого компрессора N_ц, кВт, может быть определена по упрощенной формуле:

N_{ц} = 0, 11 \frac{V}{i} l g \frac{p_{н}}{p_{а}}, Ф о р м . 2

где:

V – заданная производительность компрессора, м³/ч;
p_а – давление всасывания, МПа;
p_н – давление нагнетания, МПа;
i – число автономных цилиндров в агрегате.

Производительность компрессора определяют путем наполнения мерных воздушных баллонов:

V_{н} = \frac{V_{б}}{t}, Ф о р м . 3

где:

V_б – объем мерных баллонов, м³;
t – время наполнения баллонов, с.

При этом замеряют параметры нагнетания (p_н, T_н) и всасывания (p_а, T_а) воздуха.

Пересчет объема воздуха на условия всасывания производят по формуле:

{V^{'}}_{н} = V_{н} \frac{p_{н} T_{а}}{p_{а} T_{н}} . Ф о р м . 4

Требования РМРС к комплектации компрессорами системы сжатого воздуха

В соответствии с Правилами классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства, число основных компрессоров на судах неограниченного района плавания должно быть не менее двух, один из которых может быть навешенным; при этом, в случае выхода из строя компрессора наибольшей производительности, производительность остальных компрессоров должна быть достаточной для заполнения в течение одного часа воздухохранителей Сборка главных судовых двигателей внутреннего сгоранияглавных двигателей, начиная от давления 0,5 МПа (5 кгс/см²) до давления, необходимого для выполнения определенного числа пусков и маневров.

Запас сжатого воздуха во всех воздухохранителях для пуска и реверсирования главных двигателей должен обеспечивать не менее 12 пусков попеременно на передний и задний ход каждого двигателя, подготовленного к действию. Общий запас сжатого воздуха для пуска главных нереверсивных двигателей, а также главных дизель-генераторов должен быть достаточным для выполнения шести пусков двигателя наибольшего по мощности из установленных, а при наличии более двух двигателей – не менее трех пусков каждого двигателя, подготовленного к действию. Для пуска вспомогательных двигателей должен быть предусмотрен, как минимум, один воздухохранитель вместимостью, достаточной для выполнения шести пусков подготовленного к действию одного двигателя наибольшей мощности.

На судах неограниченного района плавания, главные и вспомогательные двигатели которых пускаются сжатым воздухом, должно быть предусмотрено устройство, обеспечивающее возможность пуска основных пусковых компрессоров в течение не более одного часа. Для этой цели можно применять ручной компрессор или дизель-компрессор с ручным пуском двигателя, заполняющие отдельный воздухохранитель вместимостью, достаточной для трехкратного пуска одного из дизель-генераторов или одного из основных компрессоров, если он приводится в действие двигателем внутреннего сгорания. Отдельный воздухохранитель не устанавливают, если дизель-компрессор или ручной компрессор могут заполнить в указанный период времени наименьший из воздухохранителей, предназначенных для пуска вспомогательных двигателей. Если питание двигателя одного из основных компрессоров или подкачивающего компрессора можно осуществлять от аварийного дизель-генератора, рассмотренное устройство обычно не предусматривают.

Расчет системы пускового воздуха и производительности компрессоров

Выполнение вышеуказанных требований Российского морского регистра судоходства подтверждается проектировочными расчетами системы пускового воздуха. Для таких расчетов рекомендуется следующая методика.

Один из ключевых аспектов проектирования системы пускового воздуха – это формула расчета объема пускового воздуха для дизель-генератора. В частности, вместимость воздухохранителей (баллонов) пускового воздуха V_б, л, для главных двигателей и вспомогательных Роль современных дизель-генераторов на судахдизель-генераторов определяется по формуле:

V_{б} = \frac{v n p_{а} k}{p_{1} - p_{2}}, Ф о р м . 5

где:

v – объем воздуха, расходуемого на один пуск двигателя, л, свободного воздуха, т. е. при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) и температуре 0 °С (приводится в технических условиях на поставку двигателя);
n – число пусков;
p_а – атмосферное давление, равное 0,1 МПа;
p₁ – максимальное давление сжатого воздуха в баллоне, МПа;
p₂ – минимальное давление, при котором еще возможен пуск двигателя (с учетом потери давления в трубопроводе), МПа;
k – число двигателей (главных или вспомогательных).

Если в технических условиях на поставку двигателя расход воздуха на пуск приведен в литрах на литр объема, описываемого поршнем, то:

v = 1 000 q \frac{π D^{2}}{4} S z, Ф о р м . 6

где:

q – расход свободного воздуха на пуск, л, на 1 л объема, описываемого поршнем;
D – диаметр цилиндра двигателя, м;
S – ход поршня двигателя, м;
z – число цилиндров двигателя.

Если в технических условиях на поставку двигателя расход воздуха на пуск приведен в литрах на единицу мощности двигателя, то:

v = q N, Ф о р м . 7

где:

q – расход свободного воздуха на пуск, л/э. л. с.;
N – мощность двигателя, э. л. с.

Производительность пусковых компрессоров, м³/ч:

Q = \frac{V_{б} (p - p_{2})}{p_{а} t}, Ф о р м . 8

где:

V_б – вместимость баллонов главных двигателей, м³;
p – максимальное давление в баллоне, МПа;
p₂ – минимальное давление в баллоне, при котором еще возможен пуск двигателя, МПа;
p_а = 0,1 МПа;
t = 1 ч.

Производительность первичного компрессора определяется по формуле 8, при этом:

V_б – емкость баллона, заполняемого первичным компрессором, м³.

Значение давления p, МПа, определяется по формуле:

p = p_{2} \frac{v n}{V_{б}} p_{а}, Ф о р м . 9

где:

n – число пусков.

В отдельных случаях давление p соответствует максимальному давлению воздуха в баллоне p₁.

Пример. Определить производительность судовых компрессоров системы пускового воздуха для Суда и их энергетические установкисудовой энергетической установки с одним главным двигателем и тремя вспомогательными дизель-генераторами.

Исходные данные:

1 Главный двигатель – реверсивный.

Расход воздуха на один пуск двигателя, литров свободного воздуха (по техническим условиям на поставку двигателя) q = 4 л на литр объема, описываемого поршнем.
Число цилиндров z = 9.
Диаметр цилиндра D = 500 мм.
Ход поршня S = 1 100 мм.
Верхний предел давления пускового воздуха p_п = 2,5 (25) МПа (кгс/см²).
Максимальное давление в баллоне p₁ = 2,6 (26) МПа (кгс/см²).
Минимальное давление, при котором возможен пуск прогретого двигателя, p₂ = 1,2 (12) МПа (кгс/см²).
Средняя продолжительность пуска t = 3 с.

2 Три вспомогательных дизель-генератора с двигателями мощностью N = 300 л. с.

Расход воздуха на один пуск двигателя, литров свободного воздуха, л/э. л. с. q = 1,5.
Верхний предел давления пускового воздуха p_п = 2,5 (25) МПа (кгс/см²).
Минимальное давление, при котором возможен пуск прогретого двигателя, p₂ = 1,9 (19) МПа (кгс/см²).

Расчет:

Определяем вместимость пусковых баллонов главного двигателя:

V = q \frac{π D^{2}}{4} S z = 4 \cdot \frac{3, 14 \cdot 0, 5^{2}}{4} \cdot 1, 1 \cdot 9 = 7, 77 м^{3}

свободного воздуха.

Вместимость баллонов при давлении воздуха в них, равном давлению пуска, должна быть не менее:

V_{б} = \frac{V n p_{а} k}{p_{1} - p_{2}} = \frac{7, 77 \cdot 12 \cdot 0, 1 \cdot 1}{2, 5 - 1, 2} = 7, 17 м^{3} .

Принимаем два баллона:

V_{б} = 2 \cdot 4 м^{3} .

Производительность компрессора находим из условия заполнения им в течение часа баллонов главного двигателя от давления 1,2 МПа до давления, которое обеспечит выполнение 12 пусков двигателя.

Будет интересно: Судовые энергетические установки в морской отрасли

Ввиду того, что вместимость баллонов принята больше расчетной, верхний предел давления p, обеспечивающий 12 пусков двигателя, будет меньше 2,5 МПа:

p = p_{2} + \frac{V n}{V_{б}} p_{а} = 1, 2 + \frac{7, 77 \cdot 12}{8} \cdot 0, 1 = 2, 36 М П а .

Производительность компрессора:

Q_{к} = \frac{V_{б} (p - p_{2})}{p_{а} t} = \frac{8 (2, 36 - 1, 2)}{0, 1 \cdot 1} = 92, 8 \approx 100 м^{3} / ч,

то есть должны быть установлены два компрессора производительностью не менее 100 м³/ч каждый.

Выполним расчет емкости пусковых баллонов вспомогательных дизель-генераторов.

Расход воздуха на один пуск двигателя:

v = qN = 1,5 · 300 = 450 л

свободного воздуха.

Вместимость баллонов при давлении в них 2,5 МПа (25 кгс/см²) должна быть не менее:

V_{б} = \frac{v n p_{а} k}{p_{1} - p_{2}} = \frac{450 \cdot 6 \cdot 0, 1 \cdot 3}{2, 6 - 1, 9} = 1 157 л .

Принимаем один баллон вместимостью 1 200 л. Производительность первичного компрессора находим из условия заполнения им в течение часа баллона вспомогательных дизель-генераторов от давления 1,9 МПа до давления p, обеспечивающего шесть пусков одного дизель-генератора:

p = p_{2} + \frac{v n}{V_{б}} p_{а} = 1, 9 + \frac{450 \cdot 6}{1 200} \cdot 0, 1 = 2, 12 М П а;

Q_{пк} = \frac{V_{б} (p - p_{2})}{p_{а} t} = \frac{1, 2 (2, 12 - 1, 9)}{0, 1 \cdot 1} = 2, 7 м^{3} / ч .

Автор

Ольга Коцофан

Фрилансер

Список литературы

Аристов Ю. К. Судовые вспомогательные механизмы. М., Речной транспорт. М., 1963.
Арцыков А. П., Воронов В. Ф. Судовые вспомогательные механизмы. Л., Судпромгиз, 1963.
Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М., ГНТИМЛ, 1963.
Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., Судостроение, 1971.
Валдаев М. М. Гидравлические приводы судовых палубных механизмов. Л., Судостроение, 1973.
Власьев Б. А., Резчик Ю. И. Судовые вспомогательные механизмы. Л., Судостроение, 1979.
Колесников О. Г. Судовые вспомогательные механизмы и холодильные установки. М., Транспорт, 1964.
Лукин Г. Я., Колесник Н. Н. Опреснительные установки промыслового флота. М., Пищевая промышленность, 1970.
Попов Р. И. Судовые вспомогательные механизмы. М., Пищевая промышленность, 1970.
Торбан С. С. Судовые и береговые промысловые установки и механизмы. М., Пищевая промышленность, 1972.
Шмаков М. Г. Судовые устройства. М., Транспорт, 1971.
Шмаков М. Г., Климов А. С. Якорные и швартовные устройства. Л., Судостроение, 1964.
Юткевич Р. М., Савин К. А., Волегов В. А. Судовые сепараторы топлива и масла. Л., Судостроение, 1967.

Сноски

Судовые компрессоры – классификация и эксплуатационные параметры

Назначение и конструктивные особенности судовых компрессоров

Требования РМРС к комплектации компрессорами системы сжатого воздуха

Расчет системы пускового воздуха и производительности компрессоров