Порівняльний аналіз корабельних енергетичних установок

Завдяки цілому ряду позитивних якостей ДЕУ одержали широке поширення на кораблях різних класів, а серед ЕУ транспортних суден займають провідне положення.

Корабельні ДЕУ мають наступні основні особливості:

1. Перетворення хімічної енергії палива в механічну роботу безпосередньо усередині робочих циліндрів дизелів забезпечує високу економічність корабельних ДЕУ, що перевищує економічність установок всіх інших типів.

2. Біль висока економічність ДЕУ забезпечується не тільки на номінальної, але і на часткових навантаженнях.

3. Економічність ДЕУ практично не залежить від агрегатної потужності двигунів.

4. Можливість створення потужністних рядів дизелів у широкому діапазоні (на базі стандартних типорозмірів циліндрів) дозволяє застосовувати ДЕУ на багатьох класах кораблів і суден.

5. Відносна простота пристрою ДЕУ та комплектувального устаткування забезпечує гарну пристосовність до автоматизації, агрегатуванню та уніфікації її елементів.

6. Високі маневрені якості установок і відносна простота реверсивних пристроїв.

7. Гарні масогабаритні показники ДЕУ, особливо з легкими високооборотними дизелями.

Порівняльні характеристики деяких середньооборотних дизелів для ПЧ наведені у таблиці 1.

Таблиця 1

Порівняльні характеристики дизелів для ПЧ

Оскільки в порівнянні з іншими тепловими двигунами дизель має найвищі ефективні показники (h_е = 0,36 ¸ 0,42), корабельні ДЕУ є найбільш економічними по витраті палива.

Важливо підкреслити, що ця перевага ДЕУ обумовлена не тільки найнижчою питомою ефективною витратою палива g_е на режимі повної потужності дизеля N_ДП (табл. 2), але і порівняно малою зміною g_е в широкому діапазоні експлуатаційних навантажень - від мінімальної до повної.

Таблиця 2

Порівняльна характеристика паливної економічності корабельних теплових двигунів різних типів (по питомої ефективної витраті палива g_е).

Ця обставина грає досить важливу роль, тому що експлуатація сучасних кораблів відрізняється багаторежимністю, пов'язаної зі зміною швидкостей ходу і відповідної їм навантажень ГД у широкому діапазоні. За статистичним даними, більшу частину (80 ÷ 90%) експлуатаційного часу кораблі мають швидкості ходу, не перевищуючі (0,5 ÷ 0,6) V_SП, що відповідає навантаженням ГЕУ в межах 10 ÷ 30% від повної.

Потрібно мати на увазі, що агрегатна потужність дизеля практично не відбивається на величині питомої витрати палива g_е, що може бути однаковим у двигунів будь-якої номінальної потужності. У той же час створення двигунів малої потужності інших типів (ГТД, ПТ) з високими ефективними показниками (по h_е, g_е), сполучено з більшими труднощами, а в ряді випадків і неможливо. Зі зменшенням агрегатної потужності економічність ГТД, і особливо ПТ, істотно знижується. Наприклад ПТ турбогенератора потужністю » 1000 кВт має g_е в 5 ÷ 6 разів більше, ніж дизель. Оскільки ДЕУ мають найкращі показники паливної економічності, вони є одними із самих кращих для кораблів, які по характері їхнього використання повинні мати більшу дальність плавання.

Розмаїтість конструкцій і типів дизелів, широкий діапазон їхніх агрегатних потужностей і експлуатаційних показників створюють можливості для оптимального вибору головних двигунів при проектуванні ЕУ кораблів і суден. У той же час не можна не враховувати відомі недоліки, властиві дизелям і дизельним ЕУ:

- відносно малу агрегатну потужність дизелів у порівнянні з іншими типами двигунів;

- високу чутливість до перевантажень і значні обмеження потужності двигуна при роботі з обмежувальної характеристики із частотою обертання колінчатого вала менше номінальної;

- високу вартість дизельного палива;

- відносно висока питома витрата масла на двигун, особливо у швидкохідних форсованих дизелях;

- меншу довговічність (ресурсу) корабельних ДЕУ в порівнянні ПТУ.

Поряд з розробкою мер по підвищенню агрегатної потужності дизелів широко практикується і такий шлях збільшення сумарної потужності ДЕУ, як об'єднання (агрегатування) декількох двигунів за допомогою підсумовуючої редукторної передачі для роботи на один гребний вал. Такі дизельні багатомашинні агрегати (БМА) у складі багатовальної установки дозволяють одержати сумарну потужність до 50 ÷ 60 тис. к. с., забезпечуючи високу економічність на всіх (особливо часткових) режимах роботи, надійність і уніфікацію устаткування.

Важливу роль у виборі типу ГЕУ відіграють масогабаритні показники. Деякі питомі маси ГД наведені у таблиці 3.

Таблиця 3

Питомі маси ГЕУ

* без урахування маси органічного палива для ЕУ.

** з урахуванням маси біологічного захисту.

Слід відзначити, що з урахуванням 7800 т органічного палива на АВ «Forrestal» СV 59 питома маса його ПТУ зростає до 43÷45 кГ/к.с. (59÷61 кГ/кВт) або у 1,5 рази більше, ніж у АВ т. «Nimitz» CVN 71.

Найбільш економічний у 80-х рр. ХХ сторіччя ГТД американського виробництва потужністю 32,5 тис. к.с. мав питому витрату палива 0,178 кГ/к.с.·год. Розрахунки доводять, що витрата палива КЕУ по схемі COGAS ( ГТУ з ТУК та паровою турбіною) на номінальному режимі може бути зниженим до 0,145 кГ/к.с.·год. Для ЕМ водотоннажністю 7 тис. т, КЕУ с ГТУ (4 ГТД LM 2500) потужністю 20 тис. к.с. по схемі COGAG перехід на COGAS дозволить заощадити 300 т водотоннажності за рахунок зниження витрати палива.

Висновки:

1. Дизельні енергетичні установки є найбільш економічними.

2. Паротурбінні установки найбільш довговічні.

3. Газотурбінні установки мають більші потужності при відносно малих масі і габаритах.