Характеристики тепловых двигателей

Дизели. Для движения морских судов чаще всего используются двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия — дизели, так как по сравнению с остальными тепловыми двигателями они имеют наиболее высокий к. п.д. при сравнительно дешевом топливе. Мощность и частота вращения дизеля регулируются изменением количества подаваемого в цилиндры топлива и воздуха.

Зависимости момента вращения двигателя и эффективной мощности Р_е на валу от частоты вращения М_е=f₁(n_e), Р_е=f₂(n_e) при длительно допустимой наибольшей подаче топлива называются внешними характеристиками (рис. 1). Дизели допускают кратковременную перегрузку по мощности на 10% при увеличенной подаче топлива. Характеристики, соответствующие перегрузке, показаны штриховыми линиями, а характеристики, соответствующие меньшей подаче топлива,— сплошными и называются частичными характеристиками.

Момент вращения М_е дизеля остается почти постоянным во всем диапазоне изменения частоты вращения от минимальной устойчивой (около 30 %) до номинальной n_ен при заданной подаче топлива. При уменьшении подачи топлива двигатель переходит с внешней характеристики А1С1 на частичную А2С2 (А3С3), соответственно перемещается кривая момента М_е.

Дизели рассчитаны на определенный тепловой режим, который определяет номинальную мощность и частоту вращения. Использование максимальной мощности недопустимо, так как это приведет к снижению срока службы деталей и увеличению удельного расхода топлива. По этой же причине не допускается повышенная частота вращения дизеля. Как правило, судовые дизели используются в наиболее экономичном режиме, которому соответствует мощность, равная 80%; скорость хода при этом снижается незначительно.

Дизели ГЭУ снабжаются всережимными регуляторами скорости, позволяющими поддерживать любую заданную частоту вращения в пределах от номинальной до минимальной устойчивой, ниже которой дизель не может работать и нести нагрузку.

Регуляторные характеристики показаны прямыми А1А3, В1В3, С1С3. По регуляторной характеристике мощность дизеля изменяется регулятором скорости. При заданной частоте вращения, например, n_ев, регулятор скорости находится в уравновешенном состоянии. Подача топлива соответствует моменту сопротивления и мощности при данной частоте вращения, например точке В2. Если увеличатся нагрузка генератора и его тормозной момент, то частота вращения дизеля уменьшится, так как количество топлива осталось прежним. Изменение частоты вращения дизеля приводит в движение рейку регулятора скорости, и подача топлива увеличивается. В результате частота вращения дизеля возвращается к прежнему значению n_ев.

Когда тормозной момент увеличится настолько, что дизель начинает работать на внешней характеристике в точке В1 при ограниченной подаче топлива или в точке В при предельной подаче топлива, регулятор скорости перестает действовать и увеличение подачи топлива не происходит.

Рис. 1. Внешние и частичные характеристики дизеля

Если тормозной момент генератора возрастет при предельной подаче топлива, то дизель будет снижать частоту вращения до наступления равновесия моментов.

При сбросе нагрузки дизель увеличивает частоту вращения. Для защиты от разноса дизель имеет предельный регулятор, который прекращает подачу топлива при превышении номинальной частоты вращения на 20%, что является требованием Правил Регистра.

При непосредственном соединении дизеля с винтом или соединении через редуктор мощность дизеля изменяется пропорционально третьей степени частоты вращения в соответствии с характеристикой винта. Для снижения частоты вращения дизеля изменяют уставку всережимного регулятора, с понижением частоты вращения общий расход топлива уменьшается, а удельный — увеличивается. При минимальной устойчивой частоте вращения удельный расход топлива увеличивается примерно вдвое и соответственно уменьшается к. п. д. дизеля. При работе дизеля с генератором уменьшение нагрузки последнего также приводит к увеличению удельного расхода топлива.

Паровые турбины. Паровые турбины обычно применяются на судах с большой мощностью гребной установки, где из соображений экономии и условий размещения дизели не дают преимуществ. Паровые турбины используются на большегрузных танкерах и работают через зубчатый редуктор на гребной винт. Такая установка называется турбозубчатым агрегатом (ТЗА). 

При мощности 20 тыс. — 30 тыс. кВт ТЗА имеет преимущества перед дизельной установкой в отношении первоначальной стоимости и стоимости топлива.

Судовые паровые турбины имеют частоту вращения до 6000 об/мин и выше. Зубчатый редуктор мощной турбины представляет собой наиболее уязвимую часть установки и требует тщательной эксплуатации. Чтобы передавать усилия от мощной турбины на винт, зубцы редукторных колес должны обладать высокой прочностью и изготовляться с большей точностью для равномерного распределения нагрузки, а также для уменьшения редуктора и создаваемых им вибраций и шума. Для ослабления трения и шума редукторы работают в масле. Высокие требования, предъявляемые к редукторам судовых паровых турбин, обусловливают сложность их изготовления и большую стоимость. Сложность установки, высокая стоимость, значительные потери мощности (4 — 5%) и шум являются основными недостатками ТЗА. ТЗА кроме редуктора, имеет турбину заднего и переднего хода. Обычно устанавливается три ступени: высокого и среднего давления для работы на передний ход и низкого давления для работы на задний ход. При работе на передний ход ротор турбины заднего хода вращается вхолостую, без подачи пара на лопатки, при работе на задний ход вхолостую вращаются турбины переднего хода.

Отличительной особенностью турбин ГЭУ переменного тока является возможность широкого регулирования частоты вращения от номинальной до минимальной устойчивой, т. е. от 100 до 25%. Для повышения критической (резонансной) частоты вращения лопатки ротора таких турбин делаются большей толщины по сравнению с лопатками турбин, работающих при постоянной частоте вращения.

Регулирование частоты вращения и мощности турбины осуществляется изменением количества и качества подаваемого пара. В отличие от дизелей, турбина в нормальных условиях не работает с предельной подачей пара и допускает более длительную перегрузку, достигающую 25%.

Номинальный режим работы соответствует регуляторной характеристике (кривая 2 на рис. 2). 

При определенной подаче пара при номинальной мощности Рен турбина поддерживает номинальную частоту вращения n_ен. Если произойдет перегрузка, регулятор увеличит подачу пара и мощность может достигнуть максимума, а частота вращения снизится до n_ен. При снятии нагрузки подача пара уменьшается и частота вращения достигает n_ео. Если нагрузка превысит допустимый предел 125%, то турбина должна остановиться (кривая 1). Во время качки, как и у дизельных судов, частота вращения турбины снижается.

Газовые турбины. Газовые турбины (ГТ) различаются рабочими циклами, способом соединения компрессоров с турбинами, способом сжигания и видом топлива. На судах применяются ГТ со свободнопоршневыми газогенераторами, подобными цилиндрам дизеля, и с камерами сгорания постоянного объема. Газовые турбины имеют ряд преимуществ по сравнению с паровыми, благодаря чему можно ожидать широкого применения их в судостроении. Использование новых высокотемпературных сплавов позволит повысить к. п. д. газовых турбин и приблизить его к к. п. д. дизелей. Эксплуатационные расходы на газотурбинные установки (ГТУ) значительно ниже, чем на паротурбинные. Количество обслуживающего персонала в 1,5 — 2 раза меньше.

Рис. 2. Внешняя и регуляторная характеристики паровой турбины

Мощность и частота вращения, развиваемые ГТ, зависят от температуры, количества и давления подводимого газа, изменение которых меняет режим работы машины. Характеристики ГТ (1 и 2) и винта показаны на рис. 3. Прямая 1 представляет собой зависимость момента вращения М_е от частоты вращения n_е, кривая 2 — зависимость мощности Ре от частоты вращения; кривая Р_в.св — кубическая парабола.

Рис. 3. Характеристики газовой турбины

Наклон характеристики 1 определяет снижение частоты вращения при увеличении нагрузки, если параметры и количество подаваемого газа не меняются. Наибольший к. п. д. ГТ обеспечивается в точке пересечения винтовой характеристики и кривой 2. 

Резкое снижение к. п. д. при изменении частоты вращения приводит к необходимости использовать на ГТУ винт регулируемого шага.

Возможности полной автоматизации ГТУ, сравнительно небольшая масса и габариты, а также простота размещения позволили создать серию танкеров и контейнеровозов-электроходов, которые были построены в США. На этих судах газотурбогенератор расположен в трубе на главной палубе, а синхронный ГЭД с ВРШ — в самой корме судна, в результате чего значительно возросла грузовместимость судна.