Азиподы судовые

Винто-рулевой комплекс судов не обеспечивает их необходимую маневрен­ность при движении на малых скоростях. Поэтому на многих судах для улучшения маневренных характеристик используются средства активного управления, кото­рые позволяют создавать силу тяги в направлениях, отличных от направления диа­метральной плоскости судна. К ним относятся: активные рули, подруливающие устройства, поворотные винтовые колонки и раздельные поворотные насадки.

Активный руль — это руль с установленным на нем вспомогательным винтом, расположенным на задней кромке пера руля (рис. 1). В перо руля встроен электродвигатель, приводящий во вращение гребной винт, который для защиты от по­вреждений помещен в насадку. За счет поворота пера руля вместе с гребным вин­том на определенный угол возникает поперечный упор, обусловливающий поворот судна. Активный руль используется на малых скоростях до 5 узлов. При маневри­ровании на стесненных акваториях активный руль может использоваться в каче­стве основного движителя, что обеспечивает высокие маневренные качества судна. При больших скоростях винт активного руля отключается, и перекладка руля осу­ществляется в обычном режиме.

Раздельные поворотные насадки (рис. 2). Поворотная насадка — это сталь­ное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше площади выходного. Гребной винт располагается в наибо­лее узком ее сечении. Поворотная насадка устанавливается на баллере и поворачи­вается до 40° на каждый борт, заменяя руль. Раздельные поворотные насадки уста­новлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания, и обеспечивают их высокие маневренные характеристики.

Рис. 1 Схема активного руляРис. 2 Раздельные поворотные насадки

Подруливающие устройства (рис. 3). Необходимость создания эффектив­ных средств управления носовой оконечностью судна привела к оборудованию судов подруливающими устройствами. ПУ создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства. Подруливающими устройствами оборудовано большое количество судов самого разного назначения. В сочетании с винтом и ру­лем ПУ обеспечивает высокую маневренность судна, возможность разворота на месте при отсутствии хода, отход или подход к причалу практически лагом. Ис­пользование подруливающих устройств эффективно до скорости судна 4 — 5 узлов.

Рис. 3 Подруливающие устройства

Общие сведения об AZIPOD

В последнее время получила распространение электродвижущаяся система AZIPOD (Azimuthing Electric Propulsion Drive), которая включает в себя дизель-генератор, электромотор и винт (рис. 4).

Рис. 4 Составные части комплекса «AZIPOD» 1 — панель управления; 2 — трансформаторы; 3 — рулевой модуль; 4 — блок контактных колец; 5 — установка охлаждения; 6 — распределительный щит; 7 — стабилизатор; 8 — движительный модуль с электродвигателем внутри; 9 — гребной винт; 10 — воздухопровод

AZIPOD (от англ. — azimuth (азимутальный) и pod (стручок) или азимуталь­ный электрический Погруженный гребной Двигатель (АЗИПОД)) является брен­дом шведско-швейцарской компании «ABB» (Asea Brown Boveri Ltd.) и представ­ляет собой размещенный в гондоле главный электрический движитель и рулевой механизм, приводящий в движение винт фиксированного шага с различными ско­ростными режимами.

Принцип действия движителя AZIPOD

Винто-рулевая колонка AZIPOD состоит из высокомоментного электродви­гателя, расположенного в отдельном корпусе — поде (рис. 5). Гребной винт уста­новлен непосредственно на валу электродвигателя, что позволило передавать вращающий момент с двигателя непосредственно на винт, минуя промежуточные ва­лы или редукторы. Электроэнергия для AZIPOD подается от судовой электростан­ции с помощью гибких кабелей. Отказ от промежуточных элементов пропульсивной системы позволил исключить потери энергии, возникающие в них при переда­че энергии с вала двигателя на винт. Установка закреплена вне корпуса судна с по­мощью шарнирного механизма и может вращаться вокруг вертикальной оси на 360°, что позволяет получить лучшую маневренность судна как по курсу, так и по скорости по сравнению с обычными движительными установками. Система пово­рота — гидравлическая.

Рис. 5 Винто-рулевая колонка AZIPOD

Модификации модулей «AZIPOD», их обозначения и установка на разных типах судов

Компанией АВВ создано несколько типов модулей AZIPOD, различающихся между собой по следующим признакам:

  • виду;
  • предполагаемой среде использования;
  • диаметру гребного двигателя;
  • длине гребного двигателя;
  • типу гребного двигателя.

Каждому модулю присваивается свой код, который несёт в себе вышеизложенную информацию. Код формируется по следующей схеме (рис. 6):

Рис. 6 Схема формирования кода установки AZIPOD

Например, код модуля «AZIPOD® VI 1600 A» означает AZIPOD для использования во льдах с мощностью на валу в нижних пределах диапазона мощности (например, 5 МВт), построенный с асинхронным гребным двигателем.

Далее представлены примеры некоторых модулей AZIPOD и способы их установки на различных судах (рис. 7 – 11):

Рис. 7 Модели AZIPOD®VO, AZIPOD®XOРис. 8 Модель AZIPOD®COРис. 9 Модель AZIPOD®CZ thrusterРис. 10 Модель AZIPOD®XC CRP (Contra-rotating propeller)Рис. 11 Модель AZIPOD®VI (для использования в ледовых условиях)

Основные преимущества и недостатки комплексов AZIPOD

Основными преимуществами движителя AZIPOD являются:

  1. Сочетание в себе нескольких функций одновременно. Она одновременно явля­ется двигателем, движителем и средством управляемости судна.
  2. Повышенная маневренность в тяжелых ледовых условиях. Возможность по­ворота на 360° обеспечивает полный крутящий момент и тягу в любом направлении, полный крутящий момент доступен даже при остановке гребно­го винта и при реверсировании.
  3. Прочная механическая конструкция. Один короткий вал и отсутствие кониче­ских зубчатых передач означает, что максимальный крутящий момент элек­трического двигателя может быть полностью использован без механических ограничений.
  4. Прочность и жесткость. Корпус AZIPOD с рамной конструкцией и короткий жесткий валопровод выдерживают резкие изменения тяги и высокие ударные нагрузки во время дробления льда.
  5. Свобода при проектировании судов. AZIPOD обеспечивает высокую проект­ную гибкость и возможность разработки судов с отличными эксплуатацион­ными характеристиками как для операции во льдах так и на открытой воде.
  6. Экономия топлива на 15 %.
  7. Возможность судна двигаться во льдах кормой вперед. При этом движении происходит существенное снижении требуемой мощности. Обычно танкер, требующий мощность 10 МВт при движении в открытой воде будет требовать установленной мощности в 20 МВт для движения во льдах носом вперед. Ес­ли же его конструкция будет предусматривать движение во льдах кормой впе­ред, требуемая мощность будет снижена до 12 МВт.
  8. Простота силовой передачи. В то время как механические движители имеют сложную трансмиссию с зубчатыми колесами и валами, AZIPOD имеет только электрические кабели между источником электрического питания и электро­двигателем. Это позволяет построить крайне прочное гребное устройство, объединяющее в себе простоту, прочность и надежность для наиболее слож­ных ледовых условий и судов любого ледового класса.
  9. Экономность. Эта установка не только оптимально размещает весь винто­рулевой комплекс в подводной части судна, но и значительно упрощает ком­поновку машинного отделения обслуживающими системами и механизмами. Исходя из этого, удалось сократить размеры машинного отделения, стоимость постройки, а также упростить ряд технологических операций.
  10. Соответствие требованиям. Новая компактная установка AZIPOD спроек­тирована так, чтобы удовлетворить все предъявляемые требования по обеспе­чению маневренности с возможностью работы в диапазоне мощностей от 400 кВт до 5 МВт. При этом выдерживаются требования экономической целесо­образности применения на небольших типах судов.
  11. Плавное изменение скорости. Применение частотного преобразователя энер­гии позволяет плавно изменять скорость, а также обеспечивать контроль кру­тящего момента.
  12. Небольшой диаметр винта. Удалось уменьшить внешний диаметр гребного винта, сохранив все его гидродинамические характеристики.
  13. Высокая пропульсивная эффективность. Работа всех устройств и механизмов имеет низкую шумность и вибрацию.
  14. Модернизация конструкции. Усовершенствование конструкции электродвига­теля позволило значительно сократить потери мощности, а также эффективно применить систему охлаждения. Наиболее оптимальным стало использование воды в качестве охлаждающей среды.
  15. Система контроля. Она позволяет постоянно контролировать скорость двига­теля, держа угол атаки винта в заданном режиме работы, и не превышать пре­дельно допустимых значений. Частота вращения винта может изменяться пу­тем регулировки уровня тока, подаваемого на электродвигатель. Сам электро­привод низковольтный, рассчитан на напряжение 690 В.

Основными недостатками комплекса AZIPOD являются высокая стоимость установки и трудность ремонта в рейсе.

Система управления AZIPOD

Установки AZIPOD применяются на контейнеровозах, балкерах, пассажир­ских судах и т. д. В подавляющем большинстве это достаточно крупные суда. Немаловажным фактором является большая возможность использовать пропульсив- ные установки AZIPOD для ледоколов и судов ледового плавания.

Один из примеров использования AZIPOD — танкер двойного действия (рис. 12), который на открытой воде двигается как обычное судно, а во льдах двигается кормой вперёд как ледокол, для чего кормовая часть такого судна оснащена ледо­вым подкреплением для ломки льда.

Современные суда ледового плавания, как правило, имеют навигационный мостик закрытого типа во всю ширину судна. Две консоли управления модулями AZIPOD расположены в центре мостика (в передней части для управления судном при движении вперёд и в задней части при движении кормой вперёд) и по одной на каждом их крыльев (рис. 13). Консоли, установленные на крыльях мостика, поз­воляют капитану одновременно управлять модулями и контролировать окружаю­щую обстановку у борта судна, например, во время таких сложных операций как швартовка к причалу, подход к которому затруднён из-за льда. Консоль управле­ния, как правило, оборудована монитором рабочей станции, средствами связи, те­леграфом и джойстиками ручного управления движителями AZIPOD (рис. 14).

Рис. 12 Танкер двойного действияРис. 13 Навигационный мостик судна двойного назначения: 1 — кормовая и 2 — носовая часть мостика

С помощью джойстиков (рис. 15) капитан может изменить скорость судна, увеличив или уменьшив количество оборотов движителей маленькой рукояткой (телеграфом), и установить необходимый угол поворота движительных модулей для изменения направления тяги винтов, повернув джойстик вокруг своей оси. По­ложение модулей также контролируется на специальных индикаторах возле джойстиков.

Рис. 14 Консоль управления движительными установками AZIPODРис. 15 Джойстики ручного управления движителями AZIPOD

Предлагается к прочтению:
Влияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна
Влияние гребного винта фиксированного шага (ВФШ) и руля на управляемость судна

От шеста до азипода. Часть I.

Каждое самоходное плавающее средство приводится в движение при помощи движителя. Устройство приводящее в движение судно называется судовым движителем.

Для судна, оборудованного двигателем, судовой движитель – это устройство при помощи которого производится преобразование выработанной двигателем энергии, в полезную работу, направленную на перемещение судна в нужном направлении.

Период до парового двигателя

Первым движителем, которым пользовались люди для перемещения первых плав средств был шест. Ему на смену пришло весло и осталось можно сказать на долго, на очень долго. Веслом пользуются не только спортсмены и любители, весло является обязательным элементом в составе снабжения надувных спасательных плотов, которые обязательны для всех коммерческих судов, выходящих в море.

Название движущей части весла, лопасть, перешло и к гребному колесу, и к гребному винту, и к крыльчатому движителю, то есть, во всех применяемых в наше время судовых движителях, используется лопасть, а в водометных движителях – лопатка. Вот каким необходимым для человечества оказалось простое весло.

По мере увеличения размеров судов, весла стало не хватать и человек приспособил в качестве движителя парус. Парус так же, как и весло оказался долгожителем среди судовых движителей, и, хотя для коммерческих целей он не используется (единичные случаи его использования некоторыми чудаками в расчет принимать не будем), для спортивных и учебных парусных судов, парус вполне себе актуален. Человек до сих пор не утратил надежды приспособить дармовую энергию ветра в качестве энергии для судового движителя. Да и с заботой о защите окружающей среды и ограничении вредных выбросов в атмосферу энергия ветра он очень даже гармонично вписывается.

В эпоху пара – гребное колесо и гребной винт

В начале 19-го века паровой двигатель был установлен на судно и в качестве судового движителя было использовано гребное колесо, вернее будет сказать, два колеса – по одному с каждого борта. Первые колеса были установлены на одном валу и вращались синхронно. Разумеется, что первые гребные колеса были неудобными для использования на судах и по мере накопления опыта их эксплуатации в различных погодных и эксплуатационных условия в них вносились изменения и усовершенствования, что в общем то нормально и, само собой разумеется. Гребные колеса устанавливались, да и в наше время также устанавливаются как в средней части по бортам, так и в кормовой части одно или два колеса. Если устанавливается два гребных колеса, то для лучшей маневренности судна они делаются асинхронными, то есть они могут вращаться в разные стороны. Гребное колесо хоть и обладает существенными недостатками, а в качестве движителя для морского судна так и совсем не пригодно, однако долгое время, почти до второй половины 20-го века широко использовалось в качестве движителя на речных буксирах. В Советском Союзе еще в 50-х годах строились речные колесные буксиры.

Как это не покажется странным, но в наше время находятся в эксплуатации не только сохранившиеся в качестве почти музейных экспонатов речные колесные пассажирские суда, а совершенно новые, построенные на Волге колесные дизель-электроходы. Это суда проекта ПКС-40, типа «Сура», которые были построены на Городецком судоремонтном заводе. У них, разумеется, нет никакого парового двигателя, а установлены обычные дизель-генераторы, а два гребных колеса, установленных на корме судна, вращаются электромоторами. Данные пассажирские суда очень удобны для эксплуатации на реках и водоемах с маленькими глубинами, в случае посадки судна на мель, гребные колеса опускаются на грунт при помощи специального гидравлического устройства и при вращении цепляясь за грунт позволяют судну достаточно легко сойти с мели на «глубокую» воду. В данном типе судна гребное колесо является, можно сказать, оптимальным судовым движителем, так как установка винта, при эксплуатации на малых глубинах почти всегда сопряжена с риском его частого повреждения, что будет неизбежно приводить к частому выводу судна из эксплуатации для ремонта или смены винта, а то и гребного вала или дейдвудного уплотнения.

В нашей стране, кроме колесных теплоходов типа Сура, продолжает эксплуатироваться на реке Северная Двина колесный пароход «Николай Гоголь», который был построен в 1911 г на заводе «Сормово» в Нижнем Новгороде. Разумеется, в мире, находятся в эксплуатации в качестве туристических судов, десятки колесных пароходов и теплоходов, их можно встретить на реках и озерах Европы и Северной Америки. И нет никаких предпосылок, что в обозримом будущем их стало меньше, совсем наоборот, пример появления колесного дизель-электрохода проекта ПКС – 40 показывает, что их число будет только увеличиваться.

Уже первые опыты с гребным колесом показали его существенные, или, вернее сказать, критические недостатки, в качестве судового движителя для морских судов и механики начали искать ему замену. Долго искать не пришлось, так как при всем многообразье выбора, альтернативы для винта в то время попросту не существовало. Даже использование винта в качестве судового движителя потребовало годы эксплуатации и накопления первоначального опыта, позволившего создать приемлемую схему паровой двигатель – гребной вал – винт, тем более, что необходимо было еще создать дейдвудную трубу, то есть трубу в корпусе судна для гребного вала и сальниковое уплотнение, или уплотнение, обеспечивающее скользящее вращение гребного вала и герметичность, не позволяющую забортной воде поступать внутрь корпуса судна. Современные системы типа «Симплекс», «Цедерваль», «Гудрича», Вяртсиля и им подобные, проделали очень длинный путь от примитивных уплотнений, даже не обеспечивающих полную герметичность и требующих почти непрерывной работы водоотливной (осушительной) помпы (насоса), до современных дейдвудных уплотнений, контроль за состоянием которых осуществляет электронная мониторинговая система, например в уплотнении финской компании Вяртсиля.

Винт на долгое время стал основным судовым движителем для торговых, военных и других судов и кораблей. Гребной винт также, как и любое другое устройство прошел эволюционный путь, который не закончился и в наше время, и будет продолжаться всегда, пока он будет находить применение. Гребные винты бывают двухлопастные и много лопастные (число лопастей более двух). Количество лопастей зависит от назначения судна или корабля. На современных быстроходных крупнотоннажных судах устанавливаются пяти лопастные гребные винты.

Большой проблемой для гребных винтов была кавитация, то есть разрушение поверхности винта, в основном лопастей. Однако со временем с этой проблемой научились справляться и в настоящее время она уже не представляет сколько-нибудь значимую угрозу для винтов.

Кроме кавитации другим существенным недостатком гребных винтов является создаваемая ими вибрация, которая оказывает отрицательное влияние на судно и находящихся на нем людей. Со временем и с вибрацией научились бороться, путем увеличения числа лопастей и придание им соответствующей формы.

В настоящее время в эксплуатации находится очень большое множество разновидностей винтов, которые отличаются формой и размером лопастей, углом разворота лопастей, формой и конструкцией ступицы винта, дисковым отношением, направлением вращения. В качестве материала для изготовления винта применяется сталь, нержавеющая сталь, бронзовые и алюминиевые сплавы. Для судов, работающих в тяжелых ледовых условиях, винты изготавливают из никель-алюминий-бронзового сплава, например компания Роллс-Ройс изготовила из такого сплава, винт регулируемого шага фирмы Камева диаметром 6,5 метров и весом 45 тонн, который был установлен на канадский балкер, работающий в Арктике.

На отечественных ледоколах устанавливаются винты из нержавеющей высокопрочной стали.

В настоящее время самый большой гребной винт изготовлен немецкой компанией MecklenburgerMetallgussGmbH, мировым лидером производства судовых гребных винтов. Вес винта составляет 140 тонн, а диаметр винта 11,3 метра. Техническое оснащение предприятия позволяет изготавливать винты весом до 160 тонн и диаметром 11,6 метра.

Как правило на судах устанавливается один винт, однако на некоторых типах судов или когда требуется большая мощность или скорость, то устанавливается большее число винтов, два, три и более.

Как мы уже упомянули кроме видимых отличий гребные винты различаются направлением вращения, различают гребные винты правого вращения и левого вращения. Для определения направления вращения винта рассматривают его вращение если смотреть в направлении от кормы в сторону носа. В этом случае вращение лопастей винта по часовой стрелке означает винт правого вращения, а против часовой стрелки – винт левого вращения. Направление вращения винта имеет большое значение при управлении судном, так например, у судна с винтом правого вращения, при его вращении на задний ход корма судна обычно отклоняется влево, а нос вправо; у судна с винтом левого вращения все будет наоборот – корма будет уклоняться вправо, а нос влево.

Все гребные винты делятся на два вида, винты фиксированного шага и винты регулируемого шага.

Обычный винт, у которого лопасти неподвижны и представляют одно целое со ступицей, называются винтами фиксированного шага (ВФШ).

Винты, у которых лопасти съёмные и разворачиваются при помощи вспомогательной системы, обычно гидравлической, называются винтами регулируемого шага (ВРШ).

Как это не покажется странным, но винты регулируемого шага появились почти сразу после того, как обычный винт стали использовать на первых пароходах в качестве судового движителя. Первые ВРШ применялись для того, чтобы устранить неудобства, которые возникали при движении винтового судна под парусами. А все первые винтовые суда естественно имели парусное вооружение, вот и пришлось англичанам придумывать как уменьшить негативное влияние винта на судно, идущее под парусами. Известно, что уже в 1844 году Вудкрофт сконструировал винт с поворотными лопастями, а за ним в 1848 г Модслей, в 1849 г Гриффитс, в 1869 г Бевис, предложили свои конструкции винтов.

В России удачный ВРШ создали на Балтийском заводе в 1894 г конструкторы Савельев, Васильев, Лихачев, под руководством Ивана Григорьевича Бубнова. Их ВРШ был установлен на учебном парусно-винтовом корабле «Верный», который вступил в строй в 1896 г и прослужил аж до 1948 года! В 1948 году судно переделали в несамоходную плавбазу и гребной винт естественно демонтировали. В качестве базы «Верный» прослужил еще десять лет.

Однако надежные ВРШ именно в качестве судовых движителей появились только в середине 30-х годов 20-го века. В 1934 г на Женевском озере началась эксплуатация теплохода с ВРШ, сконструированного швейцарской фирмой «Эшер-Висс» и успешно продолжалась в течении многих лет. В 1937 г шведская компания «КаМеВа» установила свой первый ВРШ на теплоход «Рейн». В 1940 г свои первые ВРШ установили на корабли американские компании «Морган-Смит» и «Дженерал Моторс». В настоящее время винт регулируемого шага установлен практически на каждом морском грузовом судне дедвейтом до 20000 тонн. Винты фиксированного шага устанавливают на судах большого тоннажа с реверсивными двигателями большой мощности.

Изготовление гребных винтов фиксированного шага относится к одним из самых высокотехнологических процессов.

Развитие гребных винтов продолжается и в настоящее время, так ведь оно и понятно, пределов для совершенства нет, а это значит, что мы увидим новые формы и конструкции винтов.

Автор капитан В. Н. Филимонов

Инфографика: как устроены боевые корабли будущего разных стран

Специализирующаяся на вопросах Военно-морского флота организация Naval Analyses представила графики, показывающие, что будут представлять собой боевые корабли будущего, которые пополнят составы флотов Франции, Великобритании, Израиля и Саудовской Аравии.

Под номером один находится корабль Type 26, или Global Combat Ship, — британский фрегат, который вскоре должен заменить тринадцать фрегатов типа 23.

Это многоцелевой корабль противолодочной и противовоздушной обороны. Версия для ВМС Великобритании будет оснащена зенитным ракетным комплексом Sea Ceptor с 48 ячейками установки вертикального пуска ракет, противокорабельными ракетами LRASM, крылатыми Tomahawk, а также противолодочным оружием и различной артиллерией. Всего таких кораблей будет восемь.

Type 26 / ©navalanalyses

Далее идет французский Frégate de Défense et d’Intervention (FDI), который из-за его футуристичного вида уже успели в шутку прозвать «французским Zumwalt». Первые фрегаты этого типа должны вступить в строй к 2023 году, также предполагается экспортная версия. Франция хочет получить пять таких кораблей, которые станут одной из основных составляющих Военно-морских сил государства.

Frégate de Défense et d’Intervention / ©navalanalyses

Под номером три расположился корабль, который американская компания Lockheed Martin создаст для Саудовской Аравии. Корабль типа Multi-Mission Surface Combatant (MMSC) разработан на базе боевых кораблей прибрежной зоны LCS (Littoral Combat Ship) типа Freedom. Длина MMSC составит 118 метров. Корабли получат 57- и 20-миллиметровые артиллерийские установки, а также широкий набор ракетного вооружения. Кроме того, MMSC оснастят площадкой и ангаром для вертолета MH-60. Всего Саудовская Аравия должна будет получить четыре таких корабля.

MMSC/ ©navalanalyses

Наконец, финальный работа (очевидно, не самая новая) демонстрирует корветы типа Sa’ar 6, которые Германия поставит Израилю. Общее число таких кораблей достигнет четырех. Проект Sa’ar 6 предусматривает строительство корабля длиной 90 метров и максимальной шириной чуть более 13 метров. Полное водоизмещение задано на уровне двух тысяч тонн. Согласно ранее представленным планам, на баке разместится артиллерийская установка Leonardo Super Rapid 76/62 с орудием калибра 76 миллиметров. Позади этой установки находятся два боевых модуля Raphael Typhoon RW с 25-миллиметровыми пушками. В вертикальных пусковых установках, предположительно, будут находиться перехватчики Tamir комплекса C-Dome. Емкость установки — 40 ракет.

>Суда в море

Корабли будущего

Надежные и эффективные системы сообщений, включающие в себя гражданскую авиацию, автомобильный, железнодорожный и морской транспорт, играют важную роль в развитии любого государства.

Морской транспорт нашей страны в последнее десятилетие превратился в одну из самых мощных и развитых отраслей промышленности. В строй вошли десятки необычных кораблей. Научно-технический прогресс в области металлургии и сварки, турбино- и дизелестроения, в автоматике и радиотехнике оказывает глубокое влияние на всю транспортную промышленность. При составлении перспективных планов судостроители внимательно изучают основные направления и тенденции развивающегося мирового флота.

Вместе с тем в зарубежной печати появляются и другие прогнозы, которые «предрекают» бесперспективное будущее транспортировке грузов морем, и особенно снижение пассажирских перевозок. Поверить этому трудно. Весь ход развития судоходства и судостроения свидетельствует об обратном.

Сама специфика морского транспорта, таящиеся в нем возможности дальнейшего количественного и качественного роста характеристик судов очень велики. С ними, пожалуй, не могут соперничать ни самолеты, ни транспортные ракеты. Опыт показывает, что попытки решить транспортные задачи, руководствуясь лишь интересами сегодняшнего дня, без учета тех поправок, которые должны внести грядущие десятилетия, чреваты серьезными просчетами для развития всей отрасли в целом.

В кораблях будущего, несомненно, отразятся сдвиги в материальной, социальной, политической и духовной сферах, вызванные, в свою очередь, свершениями научно-технической революции, которая началась во второй половине XX века. Однако это нисколько не умаляет значения прогноза, не уменьшает необходимости заглянуть в будущее науки о судах и судовождении. Так же как для понимания прошлого необходимы серьезные исторические исследования, так и для проникновения в будущее, бесспорно, нужны серьезные прогностические исследования.

Давайте познакомимся с некоторыми прогнозами в развитии морского транспорта.

Скорость нынешных самолетов и автомобилей несравненно больше, чем любых обитателей неба и суши. И лишь в воде самыми быстрыми остаются рыбы. Максимальная скорость хода современного сухогруза равна примерно 40, а подводной лодки — 16 километров в час. Росту скорости судна мешает большое сопротивление, которое испытывает корпус при погружении в воду. Увеличить ее путем повышения мощности двигателя нельзя: он занял бы весь корабль, вытеснив с него и грузы, и сам экипаж. Однако киты свободно плавают со скоростью 40 километров в час, тунец — в два раза быстрее, рыба-меч без видимого усилия достигает 130 километров в час.

Человек с давних пор завидовал умению рыб быстро плавать. Ответ на многие вопросы судостроители, вероятно, найдут в природе. Форма головы кита более приспособлена для передвижения в воде, чем конфигурация носовой части современных судов. Испытания показали, что мощность двигателей корабля с носовой частью, сходной по очертаниям с головой кита, на 25 процентов меньше, а скорость и грузоподъемность такие же.

Силуэт корпуса американской подводной лодки «Скипджек» повторяет форму тела тунца. Конструкторам удалось достигнуть высокой обтекаемости корпуса и значительно повысить ее скорость и маневренность.

В прошлом рыбу изучали в основном как биологический или кулинарный объект. Лишь сравнительно недавно этот взгляд претерпел коренные изменения — на нее взглянули как на аппарат, приспособленный для плавания в воде. Цель этих исследований — создание новых кораблей.

Инженеров-кораблестроителей интересуют и кальмары. Они могут плавать со скоростью около 100 километров в час, нередко пролетая над волнами более 50 метров на высоте 7-10 метров. Наибольший интерес представляет «двигатель» кальмаров. Это — совершенная биологическая ракета, не имеющая себе равных в животном мире. Изучая строение обитателей морей, их движение и другие особенности, можно собрать немало ценных све­дений, которые будут представлять большой интерес для судостроения. Для быстрых рыб природа создала эллипсоидальный силуэт, без резко выступающих частей. С каждым годом все больше ценных качеств, присущих обитателям морей и океанов, будет браться на вооружение корабелами.

…И вот мы в порту недалекого будущего. У причалов стоят громадные океанские лайнеры. Они очень похожи своей формой на обтекаемые тела дельфинов, которые резвятся неподалеку в открытом море. Следует упомянуть проекты создания танкера и атомного судна для перевозки массовых грузов, водоизмещением соответственно 1 млн. и 215 тыс. тонн (скорость второго — около 100 км/час), грузового судна на воздушной подушке, способного пересечь Атлантический океан за 48 часов… Эти и ряд других работ направлены на то, чтобы заметно повысить конкурентноспособность морского судоходства, внести существенный вклад в удовлетворение быстрорастущего спроса на перевозки грузов.

Каким же типам судов отдается предпочтение в своде международных прогнозов?

Во-первых, танкерам. Во-вторых, судам для перевозки массовых грузов, их размеры в большей степени зависят от тех морских коммуникаций, на которых они будут эксплуатироваться: в отличие от танкеров они могут загружаться или разгружаться только в портах. Совершенствование техники и технологии погрузки-выгрузки позволит устранить этот недостаток. Один из путей — транспортировка руд в полужидком, илообразном состоянии.

Если этот путь окажется экономически выгодным, то не возникнет никаких проблем в строительстве рудовозов водоизмещением 250 тыс. тонн. Недалек тот момент, когда в транспортировке массовых грузов доминирующее положение займут суда, водоизмещение которых составит 80 — 100 тыс. тонн… Широкое использование нового типа грузовых судов (контейнерных или лихтерных) открывает новую страницу в истории морского судоходства. Эксплуатация судов для перевозки лихтеров не связывается с обязательным заходом их в океанские порты. Они могут разгружаться в открытом море: к месту назначения лихтеры идут своим ходом.

Новые материалы, которые придут в судостроение, новые машины, приборы и оборудование, увеличение мощности силовых установок позволят увеличить скорость необычных кораблей. Скоростные грузовые, грузо-пассажирские и пассажирские линии протянутся с Тихого океана и с Балтики, с Баренцова и Черного морей к портам различных континентов.

За последние десятилетия в мире сделано больше научных открытий, чем за всю историю человечества. Масштабы современных научно-технических достижений, направленных на благо человека, поистине грандиозны. Уже в ближайшие годы исследования и эксперименты, которые проводятся сейчас в научных лабораториях и институтах, раздвинут границы применения морского транспорта, сделают доступными глубины Мирового океана, позволят использовать в качестве самого дешевого вида топлива энергию, заключенную в морской воде. То, что вчера еще казалось фантазией, входит в повседневную жизнь. И, быть может, то, что мы относим к фантастике, завтра станет достоянием наших дней.

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Кроме механической передачи энергии от главного двигателя к гребному винту, на судах применяется электрическая передача. В этом случае главный двигатель вращает установленный на одном валу с ним электрический генератор. Вырабатываемая им электрическая энергия передается по кабельным сетям к гребному электродвигателю, который соединен непосредственно с гребным винтом. Основной особенностью электропривода гребных винтов является отсутствие жесткой связи между главным двигателем, вращающим генератор, и движителем (винтом), приводимым в движение гребным электродвигателем.
Механическая независимость главного двигателя и движителя создает ряд преимуществ строительного и эксплуатационного характера гребных электрических установок (ГЭУ) по сравнению с механической передачей.
Преимущества ГЭУ строительного характера:

  • возможность применения быстроходных главных двигателей (дизелей, паровых и газовых турбин), меньших по массе и габаритным размерам;
  • более удобное размещение главных агрегатов и гребных электродвигателей на судне;
  • возможность выбора числа и мощности главных двигателей с генераторами электрической энергии независимо от числа гребных электродвигателей, что повышает маневренность, надежность и экономичность судна;
  • меньшие размеры машинного отделения для судовых энергетических установок с быстроходными главными двигателями; кроме экономии площади, достигается и уменьшение высоты машинного отделения, это особенно важно для речных судов с малой осадкой;
  • возможность установки более дешевых и легких нереверсивных главных двигателей, короткого гребного вала, не занимающего своим тоннелем трюмных помещений;
  • возможность выбора оптимальных параметров гребных винтов в целях уменьшения их радиальных размеров, это имеет большое значение для речных судов с малой осадкой;
  • применение двухъякорных гребных электродвигателей, имеющих в одном корпусе два якоря и две магнитные системы, что приводит к уменьшению радиальных размеров двигателя и увеличивает его надежность, так как при аварии одного из якорей можно работать на втором;
  • возможность использования одного главного двигателя для вращения двух или нескольких генераторов, что позволяет питать электрической энергией, кроме гребной установки, электроприводы вспомогательных механизмов и освещение во время хода судна.

Преимущества ГЭУ эксплуатационного характера:

  • возможность работы гребной установки при неполном числе главных генераторов, но при наиболее выгодных технико-экономических показателях, что особенно важно при движении судна с пониженной скоростью и использовании полной мощности отдельных генераторов при всех режимах работы гребных винтов;
  • применение гребных электродвигателей с мягкими механическими характеристиками, развивающих максимальный вращающий момент на гребном валу при минимальной частоте вращения двигателя, что увеличивает маневренность судна (это преимущество особенно ценно для паромов, рейдовых буксиров-толкачей и ледоколов);
  • высокая надежность ГЭУ, так как при повреждении одного из генераторных агрегатов возможна работа всех гребных электродвигателей от остальных;
  • значительная перегрузочная способность электрических двигателей по моменту, что имеет большое значение для безопасности плавания;
  • меньший износ гребного вала и главных двигателей вследствие уменьшения числа реверсов и значительного снижения вибрации корпуса судна;
  • уменьшение расходов на топливо и смазочные материалы при одновременном питании от двух генераторов, вращаемых одним главным двигателем, всех приемников электроэнергии судна;
  • возможность использования главных агрегатов судна на стоянках для питания перегрузочных механизмов и для нужд береговых судоремонтных предприятий.

Существенные недостатки ГЭУ:

  • увеличение обслуживающего персонала, а следовательно, и увеличение эксплуатационных расходов;
  • низкий коэффициент полезного действия установки в целом, что вызвано двойным преобразованием энергии механической в электрическую в генераторе и электрической в механическую в двигателе, а также потерей энергии в соединительных проводах и кабелях; большие масса, габаритные размеры и стоимость ГЭУ.
  • К. п. д. гребной электрической установки, включая все ее звенья от главного двигателя до движителя на 12—18 % ниже, чем при механической передаче.

Однако возможность использования главных двигателей в наиболее экономичном для них режиме при любой скорости хода судна, а также применение нереверсивных двигателей повышают эксплуатационную экономичность судна и до некоторой степени компенсируют низкий к. п. д. гребной установки. Это свойство ГЭУ особенно ярко проявляется у судов, которым по условиям плавания приходится часто изменять режим работы гребных винтов (реверсивность, изменять частоту вращения), поэтому ГЭУ целесообразно применять на рейдовых судах, паромах, ледоколах.
Основные показатели ГЭУ
Основными показателями ГЭУ являются мощность, род тока, напряжение, тип главного двигателя, типы генератора и гребного электродвигателя. В соответствии с этими показателями гребные электрические установки могут быть условно подразделены:

  • по роду тока — переменного, постоянного и переменно-постоянного тока;
  • по типу первичного двигателя — дизель-электрические, турбо- электрические и газотурбоэлектрические;
  • по системе управления — с ручным и с автоматическим управлением;
  • по способу соединения гребного электродвигателя с винтом — на установки с прямым Соединением и установки с зубчатым соединением.

В гребных электрических установках переменного и переменно-постоянного тока в качестве главных генераторов применяют синхронные машины, а в качестве гребных электродвигателей — синхронные, асинхронные или постоянного тока. Из-за сложности и неэкономичности регулирования частоты вращения гребных электродвигателей ГЭУ переменного тока применяется редко, в основном на крупных морских судах с большой мощностью установки.
На речных судах наиболее целесообразно применять ГЭУ постоянного или переменно-постоянного тока, у которых значительно проще и экономичнее регулирование частоты вращения электродвигателя.
Преимуществами ГЭУ переменно-постоянного тока по сравнению с ГЭУ постоянного тока являются: высокая надежность и экономичность синхронных генераторов; плавное и экономичное регулирование частоты вращения гребного электродвигателя, управляемого выпрямителем, или изменением напряжения генератора при неуправляемом выпрямителе; возможность питания электроэнергией всех судовых приемников электроэнергии от главных генераторов (единая электростанция переменного тока).
Род тока. Опыт эксплуатации судов с электрическим приводом движителя показал, что при мощности до 5000 кВт целесообразно проектировать ГЭУ с гребными электродвигателями постоянного тока, используя их преимущества: широкий диапазон и экономичность регулирования частоты вращения по сравнению с двигателями переменного тока.
Постоянный ток, необходимый для питания цепей возбуждения электрических машин и цепей управления ГУЭ, получают при этом от специальных генераторов постоянного тока (возбудителей) или путем преобразования переменного тока в постоянный (двигатель-генератор- ные агрегаты, статические полупроводниковые выпрямители).
Напряжение. При выборе напряжения генераторов и электродвигателей ГЭУ исходят из того, что ток в электрических машинах не должен быть слишком большим (обычно не более 1200—1500 А). Однако очень высокие напряжения также опасны для обслуживающего персонала, поэтому правилами Речного Регистра РСФСР установлены следующие предельные значения напряжений для ГЭУ:

  • в силовых цепях: для постоянного тока — 1200 В, для трехфазной системы токов — 7500 В;
  • в цепях управления и сигнализации: для постоянного тока — 220 В, для трехфазной системы токов — 380 В.

Частота. Обычно частоту переменного тока выбирают стандартной — 50 Гц. Однако в некоторых случаях можно применять повышенную частоту. Повышение частоты переменного тока имеет следующие преимущества и недостатки;

  • для синхронных машин — уменьшение габаритных размеров, массы и стоимости, повышение устойчивости параллельной работы, увеличение магнитных потерь, снижение к. п. д.;
  • для асинхронных двигателей — уменьшение габаритных размеров, массы и стоимости, увеличение числа ступеней частоты вращения, возможность повышения ее верхнего предела выше 3000 об/мин, увеличение потерь в стали, существенное ухудшение коэффициента, мощности, уменьшение пускового и максимального моментов.

Первичные двигатели. Использование турбин оправдывается только в энергетических установках большой мощности свыше 5000 кВт. При таких мощностях паровые турбины отличаются высокой частотой вращения, и для привода генераторов необходимы механические редукторы.
На речных судах с ограниченными мощностями силовых установок гурбоэлектрические гребные установки применения не получили.
Применяемые в качестве главных двигателей ГЭУ речных судов дизели снабжают предельными регуляторами, срабатывающими при достижении частоты вращения, равной 112% номинальной, и всережимными регуляторами, позволяющими произвольно изменять ее в пределах 30—105 % номинальной, а также имеют неравномерность вращения, не превышающую 1/125, для возможности устойчивой параллельной работы генераторов.
В ГЭУ используются двухтактные и четырехтактные двигатели внутреннего сгорания с частотой вращения до 1000 об/мин, обычно она составляет 500—750 об/мин.
Число дизельных агрегатов в судовых гребных установках колеблется в пределах от двух до шести. Мощность отдельных двигателей достигает 1500 кВт. Чаще используются двигатели мощностью 500— 1000 кВт.
Электрические машины. Электрические генераторы и двигатели гребных установок ввиду специфических условий их работы должны удовлетворять следующим требованиям:

  • нижняя часть электрической машины, находящаяся под настилом, должна быть водозащищенной; если нижняя часть электрической машины находится в специальном сухом отсеке или защищена от попадания воды водонепроницаемым фундаментом, она может быть каплезащищенной. Во всех случаях следует предусмотреть устройство сигнализации о повышении уровня воды в отсеке;
  • главные двигатели и генераторы нужно устанавливать на общей фундаментной раме или судовом наборе, оси их располагают параллельно диаметральной плоскости судна;
  • при стартерном пуске главных двигателей допускается использование главных генераторов или возбудителей, находящихся на общем валу с дизелями, в качестве электродвигателей;
  • электрические машины должны иметь хорошую вентиляцию.

Вентиляция гребных электродвигателей в связи с их тихоходностью должна быть принудительной. Воздухопровод на выходе из машины снабжают термометром для замера температуры,отходящего воздуха. При повышении температуры электрических машин сверх допустимой следует включать автоматическую звуковую и световую сигнализацию.
Во избежание отсыревания обмоток электрических машин во время их бездействия необходимо иметь подогреватели для поддержания температуры внутри машины на 2—3° выше температуры окружающей среды; для исключения блуждающих токов в корпусах электрических машин один из подшипников изолируют от фундамента.
При последовательном соединении нескольких генераторов, применяемом в гребных электрических установках, общее напряжение установки, равное сумме напряжений отдельных агрегатов, может достичь недопустимого Правилами Речного Регистра РСФСР значения. В таких случаях для уменьшения напряжения при соединении электрических машин выполняют чередование генераторов и двигателей.
Генераторы постоянного тока, работающие в ГЭУ по системе Г—Д, имеют независимое возбуждение и последовательную размагничивающую обмотку для ограничения токов перегрузок и короткого замыкания. При значительных мощностях гребных установок размагничивающие обмотки выполняют на возбудителях главных генераторов.

В гребных установках переменного тока применяют тр’ехфазные синхронные генераторы.
Число электродвигателей в гребной установке зависит от числа движителей: мощность электродвигателей постоянного тока речных судов достигает 1200 кВт. Гребные электродвигатели постоянного тока имеют в большинстве случаев независимое возбуждение. Частота вращения гребных электродвигателей зависит от параметров движителей и колеблется в пределах от 50 (гребное колесо) до 500 об/мин (гребные винты).
Иногда в гребных установках с целью уменьшения габаритных размеров электродвигателя применяют редукторы. Включение редуктора понижает к. п. д. гребной установки на 3—5 %.
В гребных установках переменного тока применяют электродвигатели следующих типов: синхронные с асинхронным пуском; асинхронные с фазным ротором; асинхронные с короткозамкнутым ротором и переключением числа пар полюсов. Синхронные электродвигатели должны легко входить в синхронизм, допускать форсирование возбуждения в периоды пуска и реверса и работу в асинхронном режиме без перегрева при кратковременных перегрузках. Мощность отдельных электродвигателей гребных установок переменного тока составляет 1500—30 000 кВт, частота вращения 250—500 об/мин. Асинхронные электродвигатели применяются редко из-за пониженного к. п. д. Обмотки возбуждения генераторов и электродвигателей в ГЭУ переменного тока получают питание от вращающихся или статических возбудителей.
Цепи возбуждения главных генераторов и гребных электродвигателей переменного тока должны получать питание от разных источников, что связано с необходимостью форсирования возбуждения главных генераторов при пусках и реверсах гребных электродвигателей.
В гребных установках постоянного тока допускается применение возбудителей, насаженных на один вал с главным генератором, так как частота вращения последнего при работе гребной установки во всех режимах остается неизменной. В качестве возбудителей в судовых гребных установках часто используют электромашинные усилители, с помощью которых можно получить желаемые механические характеристики гребных электродвигателей.
Регулирование частоты вращения и торможение гребных электродвигателей в установках постоянного тока осуществляется по системе Г—Д, т. е. изменением тока независимой обмотки возбуждения главного генератора. Эта система обеспечивает плавное регулирование частоты вращения гребного электродвигателя в широких пределах без изменения направления и частоты вращения дизель-генератора, а также динамическое торможение его (при снятом возбуждении генератора).
Гребной электродвигатель реверсируется изменением направления тока в независимой обмотке возбуждения главного генератора.
Частота вращения гребных электродвигателей переменного тока регулируется изменением частоты вращения главных двигателей. Для этого последние снабжают всережимными регуляторами, дающими возможность устанавливать желаемую частоту вращения в пределах 30—100 % номинальной. Серводвигателями регуляторов управляют дистанционно из ходовой рубки. При применении многоскоростных асинхронных электродвигателей используют также способ регулирования частоты вращения изменением числа пар полюсов. Регулирование асинхронных гребных электродвигателей с помощью реостатов не применяют ввиду малой экономичности этого способа.
Процесс реверсирования синхронных гребных электродвигателей состоит из следующих этапов: снижают частоту вращения гребного электродвигателя до минимально возможного значения в результате уменьшения частоты вращения главного двигателя; снимают возбуждение с главного генератора, при этом происходит динамическое торможение возбужденного электродвигателя; электродвигатель переключают на обратное направление вращения, а затем пускают асинхронно в обратную сторону при форсированном возбуждении генератора; после синхронизации гребного электродвигателя снимают форсировку возбуждения генератора; увеличивают частоту вращения гребного двигателя до номинальной, повышая частоту вращения главного двигателя.
Защита главных генераторов и гребных электродвигателей должна обеспечивать своевременное получение звукового и светового сигнала, предупреждающего о нарушении режима работы установки. Автоматическое отключение должно происходить лишь в крайне необходимых аварийных случаях. Поэтому генераторы и электродвигатели ГЭУ защищают от перегрузок и токов короткого замыкания при помощи реле, воздействующих на возбуждение главных генераторов, без размыкания силовой цепи. Устанавливают реле перегрузки и реле короткого замыкания. Применение плавких предохранителей в силовых цепях н цепях возбуждения в качестве защиты не допускается.
Реле перегрузки при срабатывании включает в цепь возбуждения генератора (возбудителя генератора) добавочный резистор, ограничивая тем самым ток в силовой цепи. После прекращения перегрузки реле автоматически шунтирует его, восстанавливая первоначальный ток возбуждения. Реле настраивают на срабатывание при 10%-ной перегрузке.
Реле короткого замыкания разрывает цепь возбуждения генератора при коротком замыкании и перегрузке в 100 %. Возврат реле короткого замыкания выполняют при помощи кнопок, установленных на каждом посту управления.
Если главные генераторы снабжены размагничивающими обмотками, то они, размагничивая генераторы, служат достаточной защитой от перегрузок. В этом случае реле перегрузки и реле короткого замыкания не ставят.

8.2.2. ГРЕБНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ (СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ)

История развития гребных электрических установок (ГЭУ) тесно связана как с развитием судов различных типов и назначений, так и с техническим развитием машиностроения, электротехники и электроники .

В зависимости от применения на судах тех или иных генераторов, ГЭД и преобразователей развитие ГЭУ шло по следующим направлениям:

ГЭУ постоянного тока;

ГЭУ переменно-постоянного тока;

ГЭУ переменного тока;

единые электрические системы с ГЭУ переменно-постоянного или переменного тока.

Исторической родиной ГЭУ является Россия. В 1911 г. при проектировании на Балтийском заводе линейных кораблей типа «Севастополь» был предложен вариант совместного использования ДГ и ГЭД для обеспечения экономического хода корабля.

В начале проектирования механизмов специалисты столкнулись с рядом нерешенных вопросов, основным из которых было обеспечение надежности применения электродвижения. 2 апреля 1911 г. состоялось заседание Морского технического комитета (МТК) по этому вопросу. В его работе приняли участие известные кораблестроители А.Н. Крылов и И.Г Бубнов, которые подчеркнули экономичность электродвижения. У присутствующих вызывала сомнение возможность обеспечения надежности вариантов компоновки турбины, ГЭД и гребного вала. Сомнение мог рассеять только эксперимент, поэтому принятие решения отложили до проведения опытов на учебном судне «Рында», и в дальнейшем электродвигатели применения не нашли.

В 30-е годы проводились работы по освоению Северного морского пути, в связи с чем руководство Главсевморпути рассчитывало на пополнение ледокольного флота за счет создания проверенных типов ледоколов и новых ледоколов с дизель-электрическими установками (ДЭУ) мощностью 6–10 МВт.

Спроектированный институтом «Судопроект» ледокол водоизмещением 12 000 т с ДЭУ мощностью 8,8 МВт был предпочтительнее парового из-за большей дальности плавания и лучшей маневренности. В 1934 г. было принято решение о параллельной постройке паровых и дизель-электрических ледоколов, но к строительству последних так и не приступили.

В 1938–1940 гг. по заказу СССР в Амстердаме (Нидерланды) были построены два товаро-пассажирских турбоэлектрохода каждый с двумя ТГ и двумя ГЭД общей мощностью на валах 8,68 МВт.

Таким образом, до Великой Отечественной войны и в послевоенные годы в СССР эксплуатировалось лишь несколько турбоэлектроходов зарубежной постройки. В 1947 г. было принято решение о постройке серии мощных ледоколов для Арктики, предусматривалось также создание транспортных судов ледового плавания, которые могли бы следовать за мощными ледоколами.

В том же году организовывается специальное бюро по проектированию ледоколов и судов ледового плавания — ЦКБ-15 (позднее ЦКБ «Айсберг»), первой работой которого стал проект ледокола с турбоэлектрической установкой на постоянном токе мощностью 22 МВт.

В процессе проектирования этого ледокола специалисты ЦКБ-15 выполнили большой объем опытных работ и исследований, результаты которых были использованы в последующие годы при проектировании первого в мире атомного ледокола «Ленин» и атомных ледоколов второго поколения типа «Арктика» (главные конструкторы по электрооборудованию Г.А. Агафонов, Б.А. Горбунов).

Первым дизель-электроходом отечественной постройки стал танкер «Генерал Ази-Асланов», вступивший в эксплуатацию в 1950 г. На нем впервые применили тепловозные высокооборотные ДГ с дизелем Д50 и специально спроектированное и изготовленное электрооборудование. Дизели Д50 показали себя надежными в эксплуатации, и было решено оборудовать ими крупную серию проектировавшихся китобойных судов, отличающихся от судов транспортного флота более тяжелыми режимами эксплуатации.

Китобойное судно имело один вал с двухъякорным ГЭД постоянного тока мощностью 2×1400 кВт напряжением 920 В на каждом якоре и частотой вращения 180/200 об/мин, использовалось четыре главных ДГ типа 5Д50, каждый из которых состоял из дизеля Д50 и одноякорного генератора постоянного тока мощностью 760 кВт напряжением 460 В при частоте вращения 740 об/мин. Цепь главного тока одноконтурная с попеременно-последовательным соединением генераторов и якорей ГЭД. Машинные возбудители генераторов и ГЭД обеспечивали постоянство мощности дизелей во всех режимах работы ГЭУ. Головное китобойное судно серии «Мирный» вступило в строй в конце 1956 г. (всего за период с 1956 по 1964 г. было построено 90 судов, которые входили в состав всех советских китобойных флотилий).

Высокая скорость (17 узлов), хорошие маневренные качества и экономичность показали их преимущества перед аналогичными судами с другими энергетическими установками при эксплуатации в Арктике и на Дальнем Востоке. При проектировании в ЦКБ «Балтсудопроект» (главные конструкторы по электрооборудованию А.В. Черников, Е.И. Трапер) рефрижераторного судна типа «Актюбинск» и сухогруза типа

«Днепрогэс» в ГЭУ этих судов были применены созданные к этому времени транспортные двигатели-дизели типа Д100.

В состав ГЭУ этих судов входили четыре ДГ типа ЗД100, каждый из которых состоял из одноякорного генератора постоянного тока мощностью 1375 кВт напряжением 500 В; один двухъякорный ГЭД постоянного тока мощностью 2×2580 кВт напряжением на якоре 1000 В и частотой вращения 115/140 об/мин; щиты, преобразователи, посты управления.

Цепь главного тока была одноконтурная, как и на китобойном судне «Мирный», с попеременно-последовательным соединением генераторов и ГЭД.

В 1960 г. вступил в строй головной рефрижератор типа «Сибирь» (всего было построено 60 судов), который являлся улучшенным проектом рефрижератора типа «Актюбинск» (ЦКБ-32 и ЦКБ-53).

При таком же составе ГЭУ, как и на судах «Актюбинск» и «Днепрогэс», рефрижераторы типа «Сибирь» имели следующие отличия: цепь главного тока обеспечивала 33 сочетания (из 35 возможных) включения генераторов и якорей ГЭД вместо семи; при потере вращающего момента одним из последовательно включенных ДГ цепь обеспечивала при мощности оставшихся генераторов ход судна и реверс ГЭД в течение 5 мин, что повышало безопасность судна при плаваниях в узких местах и при его швартовке.

50-е годы характеризовались началом массового строительства отечественных судов с ГЭУ. Электротехническая промышленность осваивает новые типы электрических машин, щитов, аппаратуры, устройств и других элементов ГЭУ. Накапливался опыт проектирования, строительства и эксплуатации электроходов.

Решению задач восстановления отечественного флота в относительно короткие сроки способствовало создание ряда ДЭУ на основе дизелей общего применения типа Д50 и Д100 для китобойных судов, производственных рефрижераторов промыслового флота, грузопассажирских, сухогрузных, ледокольно-транспортных судов и др. Эти ДЭУ отличались относительно малой удельной массой, большой надежностью благодаря нескольким главным агрегатам, наличием изолированного центрального поста управления (ЦПУ) в машинном отделении с дистанционным управлением ГЭУ, а также дистанционным управлением всей энергетической установкой из рулевой рубки.

В 1959 г. вступил в строй первый в мире атомный ледокол «Ленин», спроектированный ЦКБ «Айсберг» (ЦКБ-15). В состав ГЭУ входило следующее основное оборудование: четыре главных ТГ, состоящих каждый из турбины с редуктором, от которого приводились два двухъякорных генератора постоянного тока мощностью 2×1920 кВт напряжением 2×600 В при частоте вращения 595 об/мин; на каждой турбине у одного из двух генераторов оба якоря были электрически соединены для параллельной работы и имели уравнительные обмотки и общую коробку выводов; три двухъякорных ГЭД постоянного тока; средний ГЭД мощностью 2×7200 кВт напряжением 2×1200 В при частоте вращения 150/195 об/мин; два бортовых ГЭД мощностью 2×3600 кВт напряжением 2×1200 В при частоте вращения 150/215 об/мин; возбудители, щиты, пульт управления, дистанционный пост управления и другое оборудование.

Многолетняя эксплуатация атомного ледокола «Ленин» подтвердила перспективность использования АЭУ на ледоколах. Был накоплен ценный опыт и определены пути дальнейшего развития ледокольного флота. Для растущих грузоперевозок Северным морским путем необходимо было пополнить флот ледоколами с более мощными атомными установками.

ЦКБ «Айсберг» выполнило проектирование атомных ледоколов второго поколения с АЭУ мощностью 55,2 МВт, превосходящих ледокол «Ленин» по мощности в 1,7 раза, по энерговооруженности и удельной тяге в 1,5 раза. На ледоколах нового поколения принято иное распределение мощности между гребными винтами, существенно изменены состав и компоновка энергетического оборудования.

Трехвальная ГЭУ переменно-постоянного тока стала первой отечественной установкой, выполненной по схеме генератор переменного тока — кремниевый выпрямитель — ГЭД. Такое построение ГЭУ обеспечило создание двухтурбинной установки с уменьшенными массогабаритными характеристиками и повышенными технико-экономическими показателями по сравнению с установками на постоянном токе. Применение генераторов переменного тока позволило создать паровую турбину с оптимальными энергетическими показателями, соединить генераторы с турбиной непосредственно, без редуктора, разместить два турбогенераторных агрегата в одном машинном отделении.

В состав ГЭУ входит следующее основное электрооборудование: два ТГ мощностью по 27 570 кВт при частоте вращения 3500 об/мин; шесть выпрямительных установок; три двухъякорных ГЭД постоянного тока мощностью по 2×8800 кВт; шесть нереверсивных тиристорных возбудителей ГЭД; три щита электродвижения, пульт электродвижения и три дистанционных поста управления.

Каждый ТГ состоит из турбины и соединенных с ней по одной оси трех синхронных генераторов мощностью по 9 МВт напряжением 780 В частотой 116,7 Гц. Генератор имеет одну обмотку возбуждения и две статорные обмотки.

Цепи главного тока всех трех ГЭД одинаковые и состоят из двух электрически не связанных между собой контуров. Носовые якоря ГЭД получают питание от правого турбогенератора, а кормовые от левого. Такое построение схемы обеспечивает работу каждой главной турбины одновременно на все три ГЭД. В случае выхода из строя одной турбины все три гребных винта будут иметь вращающий момент, что особенно важно в ледовых условиях для обеспечения сохранности лопастей винтов.

Передача электроэнергии от генераторов к ГЭД осуществлена при помощи шинопроводов. Применение шинопровода постоянного тока протяженностью 550 м осуществлено в проекте отечественного судостроения впервые.

Регулирование мощности и ограничения тока главной цепи в различных режимах производится воздействием на возбуждение генераторов и ГЭД с помощью обратных связей по току и напряжению.

Ледокол «Арктика» вступил в строй в 1974 г. и в автономном плавании достиг Северного полюса.

В 1985 и 1989 гг. закончилось строительство еще двух ледоколов по модернизированному проекту — «Россия» и «Советский Союз».

На судах зарубежной постройки ГЭУ начали развиваться с 1911 г. К концу второй мировой войны флот зарубежных стран насчитывал сотни судов с турбо- и дизель-электрическими установками. В основном в этот период суда строились с ГЭУ постоянного тока, в которых генераторы и ГЭД, как правило, соединялись по схеме генератор — двигатель.

Применялось в основном попеременно-последовательное соединение якорей генераторов и ГЭД. При нескольких ГЭД на судне в цепи главного тока использовались контуры по числу ГЭД или их якорей. На судах американской и канадской постройки традиционно применяется параллельное включение генераторов, причем при нескольких ГЭД на судне параллельно соединялись группы генераторов для каждого ГЭД. Например, трехвальная паротурбоэлектрическая ГЭУ канадского ледокола («Lous St. Laurent» 1969 г.) включает три ГЭД и три паровые турбины, каждая из которых через редуктор приводит во вращение три двухъякорных генератора (мощностью 3×2,2 МВт каждый). В схеме применено параллельное соединение каждых трех генераторов разных турбин, работающих на один ГЭД. При работе в средних и легких льдах используются два агрегата, в свободной воде — один, при этом обеспечиваются скорости судна 17 и 14,5 узла соответственно.

Особенностью ГЭУ ледокола финской постройки типа «Ермак» является применение среднеоборотных дизелей (СОД). ГЭУ состоит из девяти синхронных дизель-генераторов мощностью по 3,4 МВт напряжением 800 В с частотой вращения 380 об/мин и трех ГЭД напряжением 1,2 кВ с частотой вращения 105/180 об/мин.

Цепь главного тока обеспечивает включение любого из трех ДГ контура среднего ГЭД в контуры бортовых ГЭД; ДГ контуров бортовых ГЭД могут быть включены только в контур среднего.

В ГЭУ переменно-постоянного тока вместо генераторов постоянного тока применяют генераторы переменного тока в сочетании с неуправляемыми выпрямителями.

Первая установка была применена в 1965 г. на буксирах-толкачах типа («Clermont») (США), предназначенных для транспортировки барж с ракетами в системе каналов на р. Миссисипи. ГЭУ состоит из газовой турбины, приводящей во вращение два синхронных генератора мощностью по 334 кВт напряжением 445 В частотой 60 Гц; два ГЭД (работающих через понижающие редукторы с передаточным отношением 5,15:1, каждый на свой винт) мощностью 315 кВт напряжением 600 В частотой вращения 1200 об/мин; два неуправляемых выпрямителя.

Для ГЭД постоянного тока предельное значение напряжения на якорь всеми странами принято 1200 В. По данным фирм «Siemens» (ФРГ), «Stromberg») (Финляндия) максимальная мощность электродвигателя постоянного тока при указанном напряжении равна 10–15 МВт. В связи с ограниченной мощностью ГЭД постоянного тока и ростом мощности ГЭУ дальнейшее развитие происходило путем замены ГЭД постоянного тока на ГЭД переменного тока и выпрямителей на преобразователи частоты.

В ГЭУ переменного тока при больших мощностях нашли применение наряду с дизелями паровые и газовые турбины. В большинстве случаев применяются синхронные ГЭД. Однако в процессе развития указанных ГЭУ в качестве

ГЭД применялись практически все типы электрических машин переменного тока (кроме коллекторных).

Получили большое распространение ГЭУ с использованием преобразователей частоты и (или) винта регулируемого шага (ВРШ). На всех ГЭУ большинства судов применены синхронные ГЭД. Например, на канадском судне «Canberra» ГЭУ состоит из шести ТГ переменного тока мощностью по 22 МВт, напряжение синхронных генераторов 3 кВ при частоте 60 Гц и три двухъякорных синхронных ГЭД , 110 об/мин. Оборудование преобразователя частоты для ГЭУ этого судна, если его выстроить в один ряд, займет до 90 м.

Синхронные ГЭД могут работать во всем диапазоне нагрузок с cos? = 1,0, что позволяет наилучшим образом использовать генераторы и преобразователи. Они также имеют значительный воздушный зазор между ротором и статором и, несмотря на необходимость установки специальных возбудителей, в большей степени отвечают жестким условиям работы судового привода.

С целью более эффективного использования оборудования ГЭУ, упрощения его обслуживания, повышения экономии топлива и увеличения грузовместимости судна развитие ГЭУ и ЭЭС пошло по пути объединения источников питания ГЭУ и общесудовых потребителей в единые ЭЭС (ЕЭЭС).

Построение ЕЭЭС выполнено при использовании преобразователей энергии различного типа:

механических (ВРШ);

электрических (преобразователи частоты и управляемые выпрямители);

комбинации механических и электрических преобразователей.

Как пример из большого числа построенных в 70-х годах судов с ЕЭЭС и ГЭД постоянного тока можно привести паром «Deutshland», построенный в ФРГ в 1972 г. В состав ЕЭЭС судна входят девять бесщеточных синхронных ДГ мощностью по 2100 кВ?А (часовая мощность 2400 кВ?А); четыре силовых блока управляемых выпрямителей мощностью по 5300 кВ?А, 1000 В переменного тока, 4400 А выпрямленного тока; два двухъякорных ГЭД постоянного тока мощностью по 2×3860 кВт (1200 В; 195/210 об/мин); два носовых асинхронных двигателя с фазным ротором подруливающих устройств мощностью по 750 кВт, 980 об/мин; два трансформатора по 2000 кВ?А. Питание тиристорных выпрямителей осуществляется от двойной системы сборных шин, соединяемых выключателями, а двух якорей одного ГЭД — от разных секций шин. Питание шин общесудовых потребителей осуществляется от двух трансформаторов 1000/380 В.

При повреждении шин питания судовых потребителей 380 В производится автоматический запуск аварийного ДГ мощностью 570 кВ?А, обеспечивающего питание секции ответственных потребителей.

Примером ЕЭЭС с ГЭУ переменного тока может быть канадский ледокол «Henry Larsen», построенный в 1987 г. Его ЕЭЭС состоит из трех генераторов мощностью 5 МВт (4,16 кВ, 720 об/мин) с дизельным приводом. Генераторы включены на шины ЕЭЭС, от которых через понижающие трансформаторы и преобразователь частоты получают питание два ГЭД. Мощность трансформаторов 2×4 MB?А, выходное напряжение 1,2 кВ, мощность синхронных ГЭД 6 МВт при частоте вращения 145/180 об/мин. Система векторного регулирования ГЭД с прямым цифровым управлением отпиранием тиристоров и оптической потенциальной развязкой силовых цепей и управления выполнена на базе четырех быстродействующих 16-разрядных микропроцессоров.

Система преобразователь частоты — синхронный ГЭД имеет механические характеристики, аналогичные характеристикам ГЭУ постоянного тока, но обладает повышенными надежностью, КПД и быстродействием.

Системы с ВРШ появились в начале 60-х годов в ФРГ, Италии, а затем в Японии и США. ГЭД в таких установках работает при постоянной частоте вращения в одном направлении. В ГЭУ с ВРШ нашли широкое применение высокооборотные дизель- и газотурбогенераторы. Как правило, в ГЭУ с ВРШ при мощностях на винте более 2 МВт применяются синхронные ГЭД, позволяющие повысить КПД и коэффициент мощности системы в целом. Такими ЕЭЭС оборудованы многие рыбопромысловые суда, паромы, земснаряды, буровые суда и платформы. Недостатком системы является сложный пуск синхронных ГЭД, производимый при пониженной частоте аналогично системам с частотным управлением. В ЕЭЭС с ГЭД мощностью менее 2 МВт применялись высокооборотные асинхронные короткозамкнутые ГЭД, включаемые обычно по два на ВРШ через редукторную передачу. Пуск их производится поочередно: сначала переключением со звезды на треугольник запускается один электродвигатель ГЭД, а затем прямым включением второй. Провал напряжения при пуске ГЭД не превышает 15%. Подобными системами оборудовано большинство рыбопромысловых судов Италии, Испании, ФРГ, Японии.

Недостатком асинхронных ГЭД является значительное потребление ими реактивной мощности и малый воздушный зазор, создающий трудности при монтаже и эксплуатации в ледовых условиях, поэтому они не получили распространения на ледоколах.

Освоение природных ресурсов Мирового океана привело к созданию судов специального назначения с потребителями электроэнергии большой мощности. В 80-е годы Финляндией, Японией, Швецией, Великобританией, США, Италией, Нидерландами, Норвегией и Францией построено большое количество полупогружных добывающих буровых установок и специальных многоцелевых платформ; добычных и крановых судов; ледоколов; судов снабжения; судов обслуживания и обеспечения подводно-технических работ и др. Многие из этих судов и установок оборудованы электроприводами технологических механизмов и систем позиционирования судна. Наиболее характерный диапазон мощностей ЕЭЭС до 50 МВт, номинальное напряжение от 3,3 до 10,5 кВ, частота 50 или 60 Гц. Непосредственно от шин ГРЩ высокого напряжения получают питание электроприводы движения и позиционирования, а также судовые потребители большой мощности (приводы технических комплексов, пожарные насосы и др.). Для питания общесудовых потребителей низкого напряжения установлены понижающие трансформаторы и (или) электромашинные преобразователи.

За короткий срок (немногим более 100 лет) развитие ЭЭС и ГЭУ прошло путь от применения на кораблях генераторов постоянного тока мощностью 1–3 кВт до автоматизированных высоковольтных ЕЭЭС переменного тока на судах мощностью в несколько десятков мегаватт.

Перспективы дальнейшего развития ЭЭС можно прогнозировать по следующим основным направлениям:

применение высокого напряжения;

внедрение сверхпроводниковых электрических машин;

увеличение единой мощности генераторов и нагрузки;

совершенствование структур ЭЭС и электрооборудования;

применение регулируемых электроприводов различных типов;

широкое применение вычислительных комплексов автоматизированного управления ЭЭС и ГЭУ, технического диагностирования, защиты и контроля.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >