 |
Классификация паровых машин
|
|
|
|
Вводная часть
Обзор мирового судостроения
Несмотря на периодически происходящие кризисные явления и, связанное с этим снижение активности грузоперевозок, в течение последних пятидесяти лет наблюдается явная тенденция к увеличению объема морских и речных перевозок. Увеличение грузоперевозок требует роста тоннажа и строительства новых судов.
До конца 60-х годов двадцатого века основную роль в мировом судостроении по числу построенных судов и по уровню применяемых технологий играла Западная Европа. В начале 70-х годов на первое место по объёму судостроения вышла Япония, обновившая свои верфи и построив 16 сухих доков для строительства судов дедвейтом более 200 тыс. т.
В начале 80-х годов страны Западной Европы потеснила Южная Корея, которая стремительно наращивала объемы судостроения, доведя в 1998 году свою долю в мире до 30%. В 1994 году на третье место, после Японии и Южной Кореи, вышел Китай.
Пик объёмов судостроения в 20 веке падает на первую половину семидесятых годов, что, несомненно, связано с нефтяным кризисом. Десятилетие – с 1980 по 1990 год – наблюдался спад спроса на судостроительную продукцию. Произошло трёхкратное сокращение объемов в Западной Европе и почти двукратное – в Японии.
Во второй половине 90-х годов вновь наблюдается увеличение строительства морских судов, но производителями их становятся вышеназванные страны Юго-Восточной Азии. С 1975 по 1996 год численность европейских судостроительных компаний сократилась с 462 тысяч до 113 тысяч человек. В это же время численность судостроителей в Японии возросла. Ежегодно портфель заказов Японии составляет более 330 судов большой грузоподъемности. В судостроительной отрасли Японии в 2000 году трудилось чуть больше 100000 человек, из них непосредственно на верфях – около 40000 человек. Учитывая огромный объем работ в связи с выполнением портфеля заказов, следует отметить высокую производительность труда в судостроении этой страны.
|
|
|
Предполагается, что в первом десятилетии нового века 35-40% судов будет строиться в Японии, 27-32% - в Южной Корее, 15-16% - в западной Европе и 17-18% - в остальных странах. В 2003 году в десятку стран-судостроителей кроме вышеназванных входят также Германия, Польша, Голландия, Финляндия и Испания. По морским грузоперевозкам Россия занимает привычные места от 13 до 20.
Заработная плата в себестоимости продукции составляет 20-25% из-за высокой почасовой оплаты судостроителей. В Японии она достигает 34,5 дол/ч, в Германии и Франции – около 30 дол/ч, в Южной Корее – 17 дол/ч. Конкурентоспособность китайского судостроения в значительной мере связано с низкими отчислениями на зарплату, которая составляет 2 дол/ч.
Продолжительность строительства судов от закладки киля до сдачи судна заказчику практически не зависит от их размеров и в Японии и Южной Корее составляет 5-7 месяцев. Для строительства самых сложных судов по контрактам отводится не более двух лет.
Наиболее слабым звеном среди факторов конкурентоспособности продукции отечественного гражданского судостроения являются сроки проектирования и строительства судов, которые в 3-4 раза большее, чем за рубежом.
Отставание в проектировании связано с медленным внедрением в процесс систем автоматизированного проектирования, за которыми, несомненно, будущее. Проектировщик должен быть освобожден от рутинной однообразной расчётной и чертёжной работы, с тем, чтобы заниматься решением принципиальных вопросов и поиском оптимальных решений. Однако внедрение САПР требует денежных затрат на компьютерное оборудование и разработку или приобретение программных продуктов. Без этого у нашей страны нет будущего в судостроении
|
|
|
В 2003 году в мире было построено 1034 новых судна общей вместимостью в 36 млн.рег.т. Около 32% судов построено в Южной Корее, 31% - в Японии и немного больше 11% - в Китае. На долю Германии приходится всего 4,1%, а на всю остальную Европу – того меньше. Из построенных судов 22,6% - танкеры, 20,3% - контейнеровозы. Большой заказ России по строительству танкеров размещен в Корее.
Удельная стоимость строящихся морских судов составляет: 1,5…2,1 тысяч долларов за 1 тонну дедвейта для сухогрузов, 0,3…1,0 – для танкеров и навалочников.
В 1991 году морской флот Советского Союза состоял из 7519 дизельных судов, 540 дизель-электроходов, 7 атомных ледоколов, 7 сухогрузов с газотурбинными установками, 48 пароходов с поршневыми машинами и 11 нефтеналивных судов с паротурбинными установками.
В 1990 году Балтийское морское пароходство имело около 180 судов, и в нём работало более 15000 человек. В 1996 году в пароходстве осталось 62 судна, из которых 22 находились под арестом и в дальнейшем были проданы за долги.
В 90-е годы 20-го столетия из-за государственного кризиса и реформ речной флот России был фактически уничтожен, сократившись в некоторых бассейнах более чем в 10 раз. Даже крупные пароходства с устойчивой экономикой и клиентурой сократились в несколько раз. Так, в Ленском объединенном речном пароходстве, имевшем более 2300 судов, осталось около 300. Примерно до такой же суммы сократилось количество судов в Волжском речном пароходстве. Жалкое существование влачит Западно-Сибирское пароходство, практически потерявшее флот и ремонтную базу.
Рентабельными оказались лишь суда смешанного плавания, но они были проданы или отданы во фрахт, и для пароходств России принесли мало пользы.
Возрождение экономики страны несомненно потребует увеличить грузоперевозки, особенно на реках Сибири. Поэтому должно произойти возрождение речного флота в ближайшие годы.
Важно, чтобы новый флот отвечал всем современным требованиям по экономическим и экологическим параметрам.
Типы главных СЭУ
Дизельные установки
В речном, морском и рыбопромысловом флотах главные дизельные установки составляют более 95%. К достоинствам этих двигателей следует отнести:
|
|
|
- высокую экономичность (удельный эффективный расход топлива около 180-220 г/(кВт ч);
- мобильность - быстрый запуск, прогрев, реверсирование;
- высокую степень автоматизации;
- большой срок службы (20000 и более часов работы).
На судах речного флота применяются в основном четырёхтактные дизели с газотурбинным наддувом и частотой вращения от 275 до 1850 оборотов в минуту. Максимальная агрегатная мощность дизелей, установленных на речных судах – 2200 кВт.
В морском флоте основу парка главных двигателей составляют двухтактные крейцкопфные дизели простого действия с частотой вращения коленчатого вала 100-175 оборотов в минуту. В 80-е годы прошлого века на их долю приходилось до 75%. Агрегатная мощность таких дизелей иногда превышает 50000 кВт. В последние десятилетия эти двигатели постепенно вытесняются четырехтактными форсированными дизелями.
На небольших промысловых судах предпочтение отдаётся двигателям, которые применяются на речном флоте, а на крупных перерабатывающих и транспортных судах рыбопромыслового профиля используются также двухтактные дизели.
По мере совершенствования ДВС в будущем следует ожидать широкого применения на судах высокофорсированных дизелей с высокой степенью автоматизации и приемлемыми экологическими показателями. Предполагается, что среднее эффективное давление у этих дизелей составит 20-25 бар, а удельный расход топлива – менее 180 г/(кВт ч).
Недостатки дизелей следующие:
- относительно большая их удельная масса и значительные габариты, особенно у двухтактных двигателей;
- неуравновешенность механической системы кривошипно-шатунного механизма, приводящая к вибрации дизеля и корпуса судна;
- сложность устройства и обслуживания систем, обеспечивающих работу дизелей.
Газотурбинные двигатели
Газотурбинные двигатели применяются преимущественно на неводоизмещающих судах - с подводными крыльями (СПК) или на воздушной подушке (СВП). В морском флоте успешно эксплуатируются пассажирские и сухогрузные теплоходы с главными газотурбинными установками. Основной недостаток этих тепловых двигателей – низкий эффективный кпд и большой расход топлива компенсируется высокой степенью утилизации теплоты отходящих газов для подогрева воды во внутренних плавательных бассейнах, для кондиционирования воздуха в жилых помещениях и других бытовых и технологических нужд.
|
|
|
К достоинствам ГТД относится:
- малый удельный вес и габариты;
- уравновешенность механической системы двигателя;
- оперативность запуска, маневрирования и остановки;
- высокая надёжность.
Кроме низкой экономичности, обусловленной термодинамическими особенностями осуществляемого в ГТД теплового цикла, эти двигатели обладают ещё одним пороком – при работе они создают повышенный звук в области наиболее вредных высокочастотных колебаний.
Рис. 1.1 Схема простейшей ГТУ
На судах чаще всего используются либо ГТД с простейшей тепловой схемой, либо установки с пропульсивными турбинами и регенеративными теплообменниками. Первая схема показана на Рис. 1.1, а вторая – на Рис. 1.2. Авиационные конвертированные двигатели, работающие по простой схеме, состоят из компрессора КМ, камер сгорания КС, газовой турбины ГТ, находящейся на одном валу с компрессором, и редукторной передачи мощности на гребной винт РП.
Рис. 1.2 Схема ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов
Во второй схеме после сжатия воздуха в компрессоре КМ и сгорания топлива в камере КС газ последовательно расширяется в двух, не связанных между собой механической передачей, турбинах: компрессорной КТ, предназначенной для привода компрессора, и пропульсивной ПТ, служащей для вращения гребного винта. Отработавшие в турбинах газы перед выпуском в атмосферу направляются в регенератор РГ, где передают теплоту сжатому в компрессоре воздуху, тем самым сокращая расход топлива и повышая эффективный кпд установки.
Паровые машины
На речном флоте до 50-х годов 20-го века в качестве главных двигателей применялись в основном паросиловые установки с поршневыми машинами. В то время и на морских судах было достаточно много поршневых машин. Обычно это были горизонтальные или вертикальные двухцилиндровые или трёхцилиндровые машины мощностью до 5000 л.с. Сейчас судов с такими машинами осталось очень мало.
Классификация паровых машин
Паровые машины разделяются:
1. по назначению
a. стационарные
b. нестационарные (передвижные и транспортные)
2. по используемому пару
a. низкого давления (до 12 кг/см²)
b. среднего давления (до 60 кг/см²)
c. высокого давления (свыше 60 кг/см²)
|
|
|
3. по числу оборотов вала
a. тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)
b. быстроходные
4. по давлению выпускаемого пара
a. на конденсационные (давление в конденсаторе 0,1—0,2 ата)
b. выхлопные (с давлением 1,1—1,2 ата)
c. теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин давлением от 1,2 ата до 60 ата в зависимости от назначения отбора (отопление, регенерация, технологические процессы, срабатывание высоких перепадов в предвключённых паровых турбинах).
5. по расположению цилиндров
a. горизонтальные
b. наклонные
c. вертикальные
6. по числу цилиндров
a. одноцилиндровые
b. многоцилиндровые
c. сдвоенные, строенные и т. д., в которых каждый цилиндр питается свежим паром
d. паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через т. н. ресиверы (коллекторы).
По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины и компаунд-машины. Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.
Вакуумные машины
Ранние паровые машины назывались вначале "огневыми машинами", а также "атмосферными" или "конденсирующими" двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как "вакуумные двигатели". Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.
Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса),приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Еще одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть "атмосферной", и ее мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.
Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.
Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить ее к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.
|
|
|
