Раздел 2. Судовые энергетические установки (сэу)

2.1. Назначение и типы сэу

СЭУ – это комплекс технических средств (машин, механизмов, систем, приборов, оборудования, различных устройств и т. д.), предназначенных для автономного обеспечения судна всеми видами энергии, необходимой для производственной деятельности судна , жизни экипажа и пассажиров.

Если корпус судна по аналогии с человеческим организмом часто сравнивают со «скелетом» человека, то судовую энергетическую установку – с «сердцем».

Первоначальная стоимость и эксплуатационные расходы на СЭУ составляет около 45-50% первоначальной стоимости судна и его эксплуатационных расходов.

В состав современных СЭУ входит:

- главный двигатель – вырабатывает механическую энергию (составляет 80-90% всей вырабатываемой энергии) и, которая передается движителю (обычно гребному винту), который в свою очередь обеспечивает судну требуемую скорость движения. (Комплекс: «Главный двигатель - Судовой валопровод – Движитель» называют пропульсивной установкой);

- судовая электростанция – вырабатывает электрическую энергию;

- паровой, водогрейный или термомаслянный котел (термобойлер) – которые вырабатывают соответственно водяной пар , горячую воду или горячий органический теплоноситель;

- вспомогательные механизмы и вспомогательные устройства ( палубные механизмы, холодильные и опреснительные установки, устройства и установки предотвращающие загрязнение окружающей среды и др.).

Первые суда на флоте, которые пришли на смену парусному флоту, были пароходы – суда c главным двигателем паровой машиной. Пароходы имели широкое распространение по всему миру во второй половине XIX и XX веках. Изначально на них были также укреплены мачты с парусами. Это делалось для того, чтобы в ветреную погоду экономить уголь. Позже паруса были убраны из конструкции пароходов, и остался только паровой двигатель. Позднее гребные колёса на пароходах были заменены на гребной винт. Винт оказался намного эффективнее и придавал большую скорость, чем колесо, особенно при волнении. В настоящее время пароходы не строятся ввиду малой экономичности паровых машин.

Турбоход — судно, которое использует для движения газовую или паровую турбину. Первый турбоход «Турбиния» был создан ещё в 1896 году; на нём использовалась паровая турбина. Позже стали применять газовую турбину.

Суда с паротурбинной установкой (паротурбоходы) не получили широкого применения в морском флоте и до недавнего времени встречались только на танкерах старой постройки (около 2% судов мирового флота), но с начала 2000-х годов со стапелей Южной Кореи стали сходить танкера для перевозки сжиженного природного газа (СПГ), оборудованные паротурбинными установками по причине их высокой надежности, а также возможности использовать перевозимый газ в качестве топлива.

Газовые турбины в составе СЭУ применяются в основном в качестве главных двигателей на военных кораблях, на транспортных судах на подводных крыльях и на судах на воздушной подушке из-за малых габаритов и веса, а также возможности агрегатного метода ремонта (демонтаж неисправного двигателя и установки вместо него нового или заранее отремонтированного) Такие суда называются газотурбоходы. Недостатком их является большой расход органического топлива, высокая тепловая напряженность и быстрый износ ее конструктивных элементов и следовательно – малый срок службы. Кроме того, в связи с высокой скоростью вращения ротора газотурбинного двигателя (ГТД), его мощность не может быть передана на судовой валопровод непосредственно и поэтому необходимо применять промежуточные передачи мощности (зубчатые, гидравлические или комбинированные передачи) с понижением числа оборотов. (более подробно устройство и основные типы судовых паровых и газовых турбин рассмотрено в разделе 3.2. и 3. 3)

Суда с электродвижением (электроходы), где главный двигатель электродвигатель постоянного или переменного тока применяются на пассажирских судах, ледоколах, буксирах, судах-спасателях, паромах или рыбопромысловых судах, где необходимо иметь повышенную маневренность. В зависимости от первичного двигателя генератора электроходы подразделяются на дизель-электроходы и турбоэлектроходы.

Электродвижение имеет ряд достоинств:

- повышенная маневренность (возможность быстрого изменения направления и частоты вращения гребного вала);

- генераторы тока работают с постоянной частотой вращения, что дает возможность применять для их привода быстроходные нереверсивные дизели, что в конечном итоге повышает срок службы всей СЭУ.

Большую перспективу имеют движительные комплексы «Азипод» («Azipod») ( азимутальные приводы в обтекателе) – это электрические движительные установки в обтекателе. Высокомоментный электродвигатель расположен в установке в отдельном корпусе— поде. Тяговый винт установлен непосредственно на валу электро-двигателя, коробка передач в этом случае не требуется, за счет этого достигается большая эффективность системы. Установка закреплена вне корпуса судна с помощью шарнирного механизма и может вращаться вокруг вертикальной оси на 360°, что позволяет получить лучшую маневренность по сравнению с обычными передачами. .

Атомоход — судно с ядерной силовой установкой, которая приводит в движение гребной винт. Атомные суда бывают надводными и подводными. Первым транспортным судном с атомной силовой установкой было грузовое судно «Саванна» (США). В 1959 году в СССР был построен и успешно эксплуатировался атомный ледокол «Ленин». В настоящее время ядерная установка больше применяется на военных судах, в частности на подводных лодках и авианосцах.

Существует отдельный атомный флот, который является совокупностью кораблей различных типов, имеющих ядерную силовую установку. Более развит подводный атомный флот (в основном, в США и России), начало которому было положено в 1960-х годах. Корабли атомного флота обладают неограниченной дальностью плавания, манёвренностью, хорошей автономностью и могут длительное время плыть с большой скоростью. Атомная силовая установка имеет некоторые преимущества перед другими двигателями: неограниченная автономность плавания, длительное использование высокой скорости хода, большая мощность на валу.

Атомоходы не нашли применения на гражданском флоте из-за больших габаритов и веса установки, а также из-за высоких требований к безопасному обслуживанию установки, что увеличивает первоначальную стоимость установки. Возникают и юридические проблемы захода атомоходов в иностранные порты.

В настоящее время атомные СЭУ устанавливают на ледоколах, к которым предъявляют специальные требования: высокая мощность и большой срок автономного плавания. Единственными коммерческими судами с атомной энергетической установкой были грузопассажирские суда «Savanna» построенное в 1964 году, «Otto Hahn» - 1968 году, «Mutsu Japan» - 1970 году и лихтеровоз «Севморпуть» - 1988 году.

Перспектива полного израсходования в ближайшие десятилетия невосполнимых запасов органического топлива служит причиной поиска иных источников энергии, к числу которых относится солнечная энергия. Компания Nippon Yusen K.K., являющаяся лидером в области кораблестроительства Японии, построила на своих верфях грузовой торговое судно с установленными на борту 328 солнечными панелями. На этом судне может уместиться 6400 автомобилей , а стоимость судна составляет $1,68 миллиона долларов. Сейчас судно займется перевозкой автомобилей. В этом ему будет помогать Солнце, снабжающее судно электроэнергией. Мощность станции составляет около 40 киловатт - и это всего 0,2 процента от мощности, требуемой силовыми установками судна. Для того чтобы громадное судно генерировало достаточное количество электроэнергии, которая приводит в действие винты, оно оснащено 320 крупными солнечными панелями суммарной стоимостью 150 млн. йен или $1,7 млн. Разработчики говорят, что строительство началось как нельзя более вовремя, потому что с верфи судно сошло как раз перед кризисом. Первым коммерческим клиентом, зафрахтовавшим корабль, стала Toyota Motor, отмечает ITNews. Водоизмещение составляет 60213 тонн, длина ровно 200 метров. Помимо мощной системы солнечной генерации, которая производит около 40 киловатт электроэнергии, судно оснащено мощной аккумуляторной системой, работающей в моменты простоя. В Nippon Yusen отмечают, что по нынешним данным, морской транспорт сейчас генерирует около 4% всех мировых выбросов парниковых газов, однако это судно является первым промышленным грузовым судном с нулевой эмиссией углекислого газа,

С 2001 года швейцарское пароходство Navigation Lac de Bienne/Bielersee Schifffahrt эксплуатирует на Нёвшательском озере пассажирский катамаран MobiCat, получающий энергию от солнечных батарей.

В качестве главного двигателя в настоящее время на морском транспорте в основном применяют двигатели внутреннего сгорания. Такие суда называются теплоходами. (около 96-98% мирового флота – теплоходы). Если в качестве ГД используются тихоходные малооборотные дизели (МОД частота вращения 80-250 об/мин), то на судне применяется прямая передача на винт через упорный подшипник и валопровод. Если же ГД служат среднеоборотные дизели (СОД – частота вращения порядка 250-750об/мин) или высокооборотные (частота вращения 750-2500 oб/мин), то для снижения числа оборотов устанавливают зубчатые редукторы.

Широкое применение на морских судах дизельных установок объясняется их более высокой экономичностью (на 20-30%) по сравнению с энергетическими установками других типов и возможностью обеспечить практически любую потребность в мощности главного или вспомогательного двигателя – от нескольких десятков до 90000 тыс. КВт в агрегате.

Таким образом, на выбор типа СЭУ влияют следующие показатели:

- экономичность работы двигателя (затраты на топливо, смазку, техническую пресную воду);

- габариты и вес установки;

- затраты на обслуживание и ремонт;

- моторесурс и надежность работы СЭУ.

СЭУ размещается в машинном отделении (МО) представляющее отсек, образованный водонепроницаемыми переборками. Главные двигатели размещают на специальных фундаментных рамах в нижней части МО. Палубу в нем образуют листы рифленой стали, укрепленные на специальном каркасе (пайолы). В пространстве между пайолами и вторым дном проложены трубопроводы различных судовых систем.

Вспомогательные механизмы и устройства расположены как на уровне ГД, так и на специальных платформах. Там же размещены механические и электромеханические мастерские, кладовые и др. помещения. В МО предусмотрена мощная принудительная вентиляция. Над МО имеется шахта, которая через все палубы выходит на самую верхнюю и заканчивается световым люком.