7. Электрическая передача

В зависимости от типа главного двигателя различают дизель- и турбоэлектрические энергетические установки. В дизель-электрической энергетической установке генераторы приводятся в действие ДВС; в корме судна установлены электродвигатели, которые в большинстве случаев непосредственно соединены с судовыми движителями. Эти двигатели позволяют использовать нереверсивные судовые высоко- и среднеоборотные дизели и обеспечивают гибкую работу всего блока, так как дизели, генераторы и электродвигатели можно комбинировать любым образом. Кроме того, имеется возможность наиболее целесообразного размещения двигателей в средней и носовой части судна, а также достижения наиболее экономичной работы приводных двигателей при различных режимах движения. Дизель-электрические установки являются наиболее распространенными. Чаще всего их применяют на специальных судах, таких как ледоколы, рыболовные буксиры, противопожарные, плавучие краны, землечерпательные снаряды, паромы. На рисунке ниже показаны схемы дизель-электрических энергетических установок: ледокола с двумя и четырьмя пропульсивными электродвигателями в корме и для буксиров. Из рисунка видно, что передача мощности от первичного к пропульсивному двигателю иногда может осуществляться через механический редуктор.

Рис. 21. Схематическое изображение дизель-электрической энергетической установки: а — ледокола; b — рыболовного судна; с — с двухдвигательным приводом (с двигателями разной мощности); d — буксира. 1 — электродвигатель; 2 — дизель; 3 — генератор.

Р ис. 22. Схема турбоэлектрической энергетической установки. 1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — генератор; 4 — электродвигатель.

Д изель-электрические энергетические установки обычно применяют мощностью до 4000 кВт. Использование двигателей большей мощности характерно только для ледоколов. Так, например, американский ледокол «Глэсье» имеет два гребных винта, которые приводятся во вращение двумя электродвигателями по 6200 кВт каждый. Наибольшую общую мощность дизель-электрической энергетической установки имеет ледокол «Москва». На нем установлено четыре электродвигателя по 4000 кВт каждый. Изображенные на нижнем рисунке турбоэлектрические энергетические установки встречаются намного реже.

8. Атомная энергетическая установка

Рис. 23. Конструкция и принцип действия ядерного реактора.

Атомную энергетическую установку, которая в основном является модификацией паротурбинной, начали применять на судах в конце 50-х гг. XX в. К энергетической установке судна с атомным двигателем относятся реактор, парогенератор и турбинная установка, приводящая в движение судовой движитель. Реактор - это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую. В ядерном реакторе созданы такие условия, что число расщеплений ядра за единицу времени является величиной постоянной, т. е. цепная реакция происходит постоянно.

Ядерное топливо содержит делящийся материал, как правило, уран или плутоний. При расщеплении ядер атомов, которые распадаются на так называемые фрагменты - или на свободные нейтроны высоких энергий, освобождается очень много энергии. Для уменьшения высокой энергии нейтронов служит замедлитель: графит, бериллий или вода. Для того чтобы свести к минимуму возможность потери нейтронов, устанавливают отражатель. Он состоит в основном из бериллия или графита.

1 — стальной корпус;

2 — замедлитель;

3 — отражатель;

4 — защита;

5 — тепловыделяющие элементы;

6 — вход теплоносителя;

7 — выход теплоносителя;

8 — регулирующие стержни.

Во избежание слишком сильного потока нейтронов в реакторе на соответствующей глубине устанавливают регулирующие стержни из поглощающих нейтроны материалов (кадмия, бора, индия). Энергообмен в реакторе происходит с помощью теплоносителей, воды, органических жидкостей, сплавов из легкоплавких металлов и т. д. В настоящее время на судах применяют, как правило, реакторы, охлаждаемые водой под давлением. Схема машинного отделения судна с реактором такого типа дана на рис. 24.

Рис. 24. Схема атомной энергетической установки с реактором, охлаждаемым водой под давлением. 1 — реактор; 2 — первичная биологическая защита; 3 — вторичная биологическая защита; 4 — парогенератор; 5 — нагревательный змеевик первого контура; 6 — циркуляционный насос первого контура; 7 — турбина высокого давления; 8 — турбина низкого давления; 9 — редуктор; 10 — конденсатор; 11 — насос вторичного контура; 12 — вход морской воды; 13 — выход морской воды

Эта установка имеет два контура циркуляции. Первый контур - циркуляция воды под высоким давлением. Вода первого контура служит одновременно теплоносителем ядерного реактора и имеет давление приблизительно от 5,8 до 9,8 МПа. Она протекает через реактор и нагревается, например на судах «Отто Хан» (ФРГ) и «Мутсу» (Япония), до 278°С. При этом давление воды противодействует испарению. Горячая вода первого контура, протекая через нагревательный змеевик, отдает свое тепло парогенератору, затем она снова возвращается к реактору. К парогенератору из второго контура низкого давления подается конденсат. Нагреваемая в парогенераторе вода испаряется. Этот пар с относительно низким давлением (например, на американском судне «Саванна» оно составляет 3,14 МПа) служит для питания турбин, которые через редуктор приводят во вращение гребной винт. Ядерный реактор изолирован от окружающей среды защитным экраном, не пропускающим вредные радиоактивные лучи. Обычно применяются двойные экраны.

Первый (первичный) экран окружает реактор и изготовляется из свинцовых пластин с полиэтиленовым покрытием и из бетона. Вторичный экран окружает парогенератор и заключает внутри себя весь первый контур высокого давления. Этот экран в основном изготовляют из бетона толщиной от 500 мм («Отто Хан») до 1095 мм («Мутсу»), а также из свинцовых пластин толщиной 200 мал и полиэтилена толщиной 100 мм. Оба экрана требуют много места и имеют очень большую массу. Например, первичный экран на судне «Саванна» весит 665 т, а вторичный — 2400 т. Наличие таких экранов является большим недостатком атомных энергетических установок.

Рис. 25. Атомная энергетическая установка на морском судне. 1 — машинное отделение; 2 — контейнер с реактором; 3 — отсек вспомогательных механизмов; 4 — хранилище отработавших ТВЭЛ.

Другим, еще более существенным недостатком, является, несмотря на все защитные меры, опасность заражения окружающей среды как во время нормального функционирования энергетической установки вследствие отходов использованного топлива, выпуска трюмной воды из реакторного отсека и т. д., так и во время случайных аварий судна и атомной энергетической установки. К неоспоримым преимуществам относятся очень низкий расход топлива и практически неограниченная дальность плавания. Например, судно «Отто Хан» (ФРГ) за три года не израсходовало даже 20 кг урана, в то время как расход топлива обычной паротурбинной энергетической установкой на судне таких размеров составил 40 тыс. т. Дальность плавания японского судна «Мутсу» составляет 145 тыс. миль. Несмотря на эти преимущества, атомные энергетические установки широко применяются только на боевых кораблях. Особенно выгодно их использовать на крупных подводных лодках, которые долгое время могут находиться под водой, так как для получения тепловой энергии в реакторе воздуха не требуется. Кроме того, атомными энергетическими установками оснащаются мощные ледоколы, используемые в северных широтах земного шара.