ГЛАВА VII
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
§ 24 Выбор типа энергетической установки
Плавание во льдах предъявляет особые требования к энергетической установке ледокола. От правильного выбора элементов установки в значительной степени зависит экономичная и безаварийная работа ледокола.
Одно из основных требований, предъявляемых к энергетическим установкам ледокола,— необходимость автоматического поддержания постоянства мощности гребной установки во всем диапазоне изменения режимов работы двигателя — от швартовного до хода на свободной воде (рис. 113). Такое требование вытекает из условий работы гребной установки во льдах, когда сопротивление движению ледокола даже за сравнительно небольшой отрезок времени меняется в широком диапазоне, что, в свою очередь, приводит к изменению скорости движения ледокола и к изменению момента сопротивления вращению гребного винта.
Как известно, момент сопротивления вращению гребного винта на свободной воде определяется как
В свою очередь, относительная поступь винта является функцией скорости поступательного движения винта относительно воды Vр. Таким образом, характеристика гребного винта (т. е. зависимость момента сопротивления вращению винта от скорости его вращения) меняется с изменением поступательной скорости ледокола.
На рис. 113 приведена реверсивная характеристика, помещенная для удобства рассмотрения целиком в одном квадранте. На участке ABC происходит торможение винта, а на участке CD — разгон в направлении, соответствующем заднему ходу.
Для эффективного преодоления сопротивления тяжелого льда гребная установка ледокола должна развивать полную мощность при работе гребного винта с характеристикой, близкой к швартовной. С другой стороны, для достижения максимальной скорости при ходе на свободной воде и в легких ледовых условиях гребная установка должна также развивать длительно полную мощность при работе гребного винта с характеристикой хода в свободной воде. Поэтому для эффективного использования мощности главных двигателей и увеличения средней скорости движения ледокола необходимо поддерживать постоянной заданную мощность гребной установки. Ручная регулировка при этом практически неосуществима, так как невозможно непрерывно следить за изменением скорости судна и момента сопротивления вращению винта. Выполнение этого требования должно осуществляться автоматически, с помощью системы регулирования гребной установки.
Как отмечалось выше, при работе в тяжелых льдах особенно в сплоченных и торосистых, ледоколы сравнительно часто заклиниваются. Обеспечение максимального упора, создаваемого движителем при работе гребной установки на задний ход, в этом случае играет большую роль. Поэтому гребная установка должна развивать полную мощность и упор как на переднем, так и на заднем ходу.
Условия эксплуатации во льдах требуют от ледокола высокой маневренности. Особенно важно, чтобы ледокол мог быстро изменять направление движения. Работа гребных установок ледоколов характеризуется частыми изменениями режимов и направления вращения гребных винтов (реверсами). Так, в арктическую навигацию 1966 г. при вскрытии припайного льда Енисейского залива, производившемся ледоколом Киев набегами, его гребная установка более трех суток непрерывно работала полной мощностью в переходных режимах. При этом про-
должительность каждого цикла (разгон — продвижение во льду — отход назад) составляла около 4,5 — 5 мин, а среднее количество реверсов в час — 24—27.
Маневренность ледокола в значительной степени зависит от времени реверса его гребной установки. Реверс судна принято подразделять на этапы: 1) реверс гребного винта, 2) процесс торможения судна и 3) процесс разгона судна в обратном направлении.
Время реверса гребного винта на свободной воде мало по сравнению с временем торможения судна, особенно при большой начальной скорости. Гребной винт изменяет направление вращения и набирает полные обороты заднего хода за время, в течение которого судно успевает лишь незначительно снизить поступательную скорость своего движения. Время торможения судна при реверсах на свободной воде обычно в несколько десятков раз больше времени переходного процесса в гребной установке, а работа гребного привода на реверсивных характеристиках может считаться установившимся режимом с медленно меняющейся по мере снижения скорости судна характеристикой гребного винта.
Во время работы в тяжелых льдах скорость поступательного движения сравнительно мала, а сопротивление движению очень велико. Время останова ледокола при реверсе в этом случае соизмеримо со временем переходного процесса в гребной установке (см. § 8). Так, при реверсе гребной установки ледокола Киев, продвигающегося непрерывным ходом в сплошных льдах толщиной около 1,5 м, торможение гребного винта и останов ледокола происходили почти за одинаковое время (около 3 сек), а движение назад ледокол начинал через 5 сек после начала маневра.
Неустановившиеся режимы работы гребной установки ледокола при плавании во льдах надо рассматривать не как случайные, а как нормальные, часто повторяющиеся. Режим реверса является для гребной установки особенно тяжелым, так как при этом значительно возрастает момент сопротивления вращениюгребного винта (см. рис. 113; кривую III). Поэтому для ледоколов необходимо применять такие системы управления и регулирования гребных установок, при которых характер протекания переходных процессов оказывался бы оптимальным, а их регулировка — автоматической. Характер протекания переходных процессов во времени обусловливает в конечном итоге надежность работы гребной установки, от которой в значительной степени зависит экономическая эффективность работы ледокола. Таким образом, расчетное определение переходных процессов гребной установки ледокола имеет первостепенное значение.
Специфическим условием эксплуатации гребной установки ледокола является ее работа в режиме взаимодействия гребного
винта со льдом. Этот режим является наиболее тяжелым как для движительного комплекса, так и для энергетической установки в целом. Зачастую следствием его оказываются повреждения винтов и валов, выводящие суда из эксплуатации.
При плавании ледоколов во льдах часто возникают удары лопастей гребного винта о льдины. При этом момент сопротивления вращению винта резко возрастает, что влечет за собой быстрое изменение скорости вращения, а в отдельных случаях, несмотря на наличие значительного вращающего момента на гребном валу, — даже полную его остановку (так называемое заклинивание винта).
Исследованию процессов взаимодействия винта ледокола со льдом, выяснению их физической сущности и определению нагрузок, возникающих на лопастях винта, были посвящены многочисленные натурные испытания ледоколов. В процессе испытаний осциллографировались основные параметры гребной установки, измерялась скорость судна, производились фото- и киносъемка, зарисовка льдин, побывавших в контакте с гребным валом.
Основываясь на результатах этих исследований, можно предложить следующую условную классификацию процессов взаимодействия гребного винта со льдом.
1. При работе гребного винта в сплоченных мелкобитых и набивных льдах на его лопасти действует дополнительный момент сопротивления вращению, постепенно снижающий скорость вращения гребного двигателя. Уменьшение этой скорости зависит от способности двигателя изменять (или сохранять неизменным) вращающий момент, т. е. от вида статической характеристики двигателя и динамических свойств всей системы. В этом случае режим работы гребного винта уподобляется работе в жидкой среде повышенной плотности, а момент сопротивления его вращению оказывается пропорциональным квадрату скорости вращения [31].
2. При непрерывном движении ледокола в ровном сплошном льду наблюдаются периодические изменения угловой скорости вращения гребного винта (рис. 114), которые, как правило, имеют четвертый порядок (винты всех современных ледоколов четырехлопастные). Это свидетельствует о том, что каждая лопасть гребного винта в определенном положении приходит в контакт со льдом, разрушает его и, повернувшись на некоторый угол, выходит из контакта, продолжая вращение в свободной воде. В соответствии с этим момент сопротивления сильно возрастает во время контакта лопасти со льдом и уменьшается при ее вращении в свободной воде.
Если сила, необходимая для разрушения льда лопастью, вращающейся с заданной угловой скоростью, больше силы, необходимой для того, чтобы отбросить льдину, последняя
будет отброшена в сторону или притоплена без разрушения. Если величина и продолжительность действия момента сопротивления превысят некоторые критические значения, гребная установка окажется не в состоянии продолжительное время преодолевать дополнительную (ледовую) нагрузку и окажется заторможенной, несмотря на наличие вращающего момента на валу гребного двигателя. Гребной винт заклинится. Время заклинивания и угол поворота за этот период будут зависеть от статической характеристики гребного двигателя, динамических свойств системы двигатель — винт, запаса кинетической энергии вращающихся масс системы, величины дополнительного момента сопротивления и продолжительности его действия и т. п.
На многих осциллограммах отмечаются не столь резкие, как на приведенном рис 114, практически непрерывные в течение довольно продолжительного времени падения угловой скорости вращения. Они объясняются тем, что одновременно в контакте со льдиной оказывается не одна, а две или более лопастей, вследствие чего характер уменьшения угловой скорости вращения гребного винта оказывается более плавным.
3. При работе в сплоченных крупно-мелкобитых торосистых льдах (особенно при сжатии) общая картина взаимодействия гребного винта со льдом в целом подобна картине, имеющей место в ровных сплошных льдах. Однако в данном случае резко нарушается периодичность процесса взаимодействия гребного винта со льдом. Наблюдения за работой гребных электрических установок ледокола в таких ледовых условиях показали, что лопасти гребных винтов, как правило, прорезывают и фрезеруют попавшие под них льдины. Момент сопротивления вращению винта в этом случае возрастает до значительных пределов. Величина врезания лопастей в тело льдины (или соответствующий ей шаг фрезерования льда лопастью) зависит в основном от скорости продвижения ледокола, числа лопастей и скорости вращения гребного винта; она может быть выражена формулой
Как показали многочисленные наблюдения, максимальное врезание при фрезеровании льдин кормовыми винтами ледокола не превосходит 500—800 мм, что подтверждается также результатами доковых осмотров винтов, так как концы лопастей на расстоянии примерно 1/3—1/2 радиуса винта, считая от периферии, до блеска отшлифовываются льдом. На этих же участках часто отмечаются повреждения кромок лопастей в виде щербин и наклепа.
Максимальная глубина врезания в лед лопастей носовых винтов может быть принята равной длине лопасти.
Систематизация и анализ материалов, относящихся к ледовым повреждениям гребных винтов и валов ледоколов, позволили установить, что большинство из них произошло либо после остановки винта, либо в момент, когда направление вращения винта не соответствовало направлению движения ледокола (например, когда винт работал на передний ход, а судно по инерции двигалось назад, или наоборот). Остановка гребного винта при движении ледокола очень опасна, поскольку в этом случае лопасти буксируют встречные льдины, не разрушая и не отбрасывая их. Следует учитывать, что попавшая под лопасть крупная льдина может упираться в кромку канала. В этом случае силы, воспринимаемые лопастью, оказываются настолько большими, что часто вызывают повреждение винта или вала. Желательно поэтому так проектировать гребную установку, чтобы она обеспечивала вращающий момент на валу, превышающий момент, необходимый для разрушения льда, попадающего под лопасти гребного винта.
В технической литературе приводятся весьма противоречивые данные о скорости наброса момента сопротивления на гребной винт при взаимодействии его со льдом. Так, многие авторы время нарастания момента сопротивления от его номинального значения до максимального полагают равным 0,5—1,5 сек. Однако эти цифры не являются предельными.
При испытании гребной электрической установки ледокола Ленинград в арктическую навигацию 1964 г. отмечались значительно большие скорости наброса момента сопротивления на гребной винт [6].
На рис 115 приведена осциллограмма, характеризующая работу ГЭУ ледокола Ленинград при попадании льдины под лопасти винта. Из рисунка видно, что за время 0,05 сек момент увеличился приблизительно в 3,8 раза (от 0,8 до 3,03 номинального момента), т. е. скорость нарастания момента сопротивления при попадании льда под лопасти винта составляла Δmc/Δt = 43.
Есть основания полагать, что данный режим работы не является предельным. При эксплуатации ледоколов, вероятно, встречаются и большие скорости нарастания момента сопротивления. Поэтому при проектировании энергетических установок ледоколов наброс момента сопротивления, обусловленного взаимодействием гребного винта со льдом, следует представлять в виде возмущающего воздействия, изменение которого носит скачкообразный характер.
В табл. 23 и на рис. 116 показаны изменения основных параметров гребных электрических установок различных схем при разных видах взаимодействия гребного винта со льдом.
Из табл. 23 видно, что применение быстродействующих систем регулирования на атомоходе Ленин существенно снижает всплески тока в главной цепи даже при значительных моментах, обусловленных попаданием льда под лопасти винта.
Применение обычных двух-и трехобмоточных возбудителей не обеспечивает сохранения динамических всплесков тока главной цепи в допустимых пределах. Так, например, при испытаниях во льдах ледоколов типа Капитан Белоусов в 1956 г. максимальная защита только за двое суток сработала 92 раза, а в 1958 г. за трое суток — около 200 раз. При этом отмечено 18 полных заклиниваний гребного винта.
Таким образом, режим работы гребных установок ледокола при взаимодействии гребного винта со льдом следует рассматривать как один из основных при выборе оборудования гребных установок и особенно системы регулирования.
Паросиловые установки с поршневыми машинами находили широкое применение вплоть до сороковых годов нашего столетия. Паровые поршневые машины удовлетворяют ряду основных требований, предъявляемых к энергетическим установкам ледоколов. Так, они позволяют развивать полную мощность во всем диапазоне изменения режимов работы гребных винтов от плавания в свободной воде до швартовного режима, имеют удовлетворительные реверсивные характеристики, обеспечивают повышенный вращающий момент при попадании льда под лопасти винта, а также выдерживают нагрузки от ударов гребного винта о лед. Из рис. 117, на котором показаны характеристики гребного винта и судовых гребных двигателей различных типов, видно, что паровая поршневая машина развивает при неизменном положении органов управления практически постоянный вращающий момент (кривая V) и при повышении степени наполнения в значительной мере его увеличивает.
Тем не менее паровая поршневая машина имеет в современных энергетических установках весьма ограниченное применение из-за низкой экономичности и неблагоприятных весо-габаритных показателей. Даже если применить паровые поршневые машины прямоточного типа с водотрубными котлами на высокое давление пара (31 кгс/см2), при мощности около 15000 л. с. установка будет иметь средний удельный расход топлива на все судовые нужды 0,390 кгс/л. с.-ч против 0,226 кгс/л. с.-ч у дизель-электрической установки [34].
Последний крупный ледокол с паровыми поршневыми машинами Д'Ибервилль был построен в 1953 г. в Канаде. На ледоколе установлены две прямоточные поршневые шестицилиндровые машины мощностью по 5000 л. с. каждая и восемь огнетрубных котлов, работающих на жидком топливе при давлении пара 14,5 кгс/см2 и температуре 320° С Управление главными машинами — дистанционное, из ходовой рубки.
Турбинные установки имеют ряд важных преимуществ: практически неограниченную мощность, сконцентрированную в одном агрегате, большую перегрузочную способность и высокий срок службы. Из рис 117 видно, что с уменьшением скорости вращения турбины ее вращающий момент при неизменном положении органов регулирования возрастает. На ледоколах турбинные установки совмещают с электропередачей мощности к винтам. Крупным недостатком паротурбинной установки с электроприводом является сравнительно высокий удельный расход топлива.
Первые советские проекты турбоэлектрических установок для ледоколов были выполнены перед Великой Отечественной войной. Эти проработки использованы при проектировании и строительстве атомохода Ленин — первого в мире ледокола, оборудованного турбоэлектрической установкой.
В 1967 г. в Канаде построен ледокол Луи С. Сан-Лоран с паротурбинной энергетической установкой на обычном минеральном топливе мощностью 24 000 л. с. Энергетическая установка ледокола состоит из трех водотрубных котлов, работающих на жидком топливе, трех главных турбогенераторов и трех гребных электродвигателей. Современная паротурбинная установка может конкурировать с дизельной лишь при большой мощности ледокола, когда преимущества паровых турбин могут быть реализованы наиболее полно.
В настоящее время в СССР и за рубежом основным типом первичного двигателя ледоколов является дизель. Это объясняется тем, что дизельные установки обладают большей экономичностью и сравнительно небольшим удельным весом. При непосредственном соединении дизеля с винтом мощность дизеля изменяется в соответствии с характеристикой винта. Любое изменение момента сопротивления на гребном винте приводит к изменению режима работы дизеля. При снижении скорости вращения удельный расход топлива увеличивается, следовательно понижается к, п. д. дизеля.
При неизменном положении органов регулирования дизель имеет практически постоянный вращающий момент во всем рабочем диапазоне скорости вращения (это справедливо для нефорсированных двигателей, в то время как у дизелей, имеющих наддув, величина момента при уменьшении скорости вращения несколько снижается, из-за уменьшения коэффициента избытка воздуха). Даже при неизменном вращающем моменте дизель на швартовном режиме теряет до 40% располагаемой мощности (см. рис. 117). При остановке винта, заклиненного льдом, дизель останавливается, и пустить его в этом случае вряд ли возможно. Дизельная установка не обладает достаточно высокими реверсивными характеристиками, и, следовательно, использование на ледоколах прямой передачи мощности от дизеля на гребные винты не отвечает основным требованиям, предъявляемым к энергетической установке ледокола. Поэтому в современных энергетических установках ледоколов дизель применяется в сочетании с электрической передачей мощности на гребные винты.
Использование ядерного топлива для энергетической установки ледокола обусловлено рядом важных преимуществ, которыми обладает ледокол с атомной установкой по сравнению с ледоколом, оборудованным обычной энергетической установкой. Основное из этих преимуществ — высокая концентрация энергии в ядерном топливе, которая позволяет свести до минимума вес запаса топлива и за счет этого в значительной мере увеличить дальность и автономность плавания. Первым гражданским судном с атомной установкой является ледокол Ленин. Его автономность при работе энергетической установки полной мощностью достигает 12 месяцев.
Суда с атомными энергетическими установками по сравнению с обычными судами имеют ряд важных преимуществ: высокую концентрацию энергии в ядерном топливе, позволяющую исключить его запас и увеличить грузоподъемность судна; увеличенное время между буксировками (до 2—3 лет); каналы и механизмы подачи воздуха и каналы выхлопных газов могут быть упразднены, что упрощает герметизацию судов; возможность увеличения мощности двигателей без ощутимого сокращения объема судна.
Атомная энергетическая судовая установка требует мощной биологической защиты, что увеличивает ее вес и усложняет установку; она нуждается в обслуживающем персонале высокой квалификации, требует постройки специальных баз для перезарядки, обслуживания и ремонта. Однако совершенствование атомных установок приводит к постепенному устранению указанных недостатков. Удачный опыт эксплуатации атомохода Ленин позволяет уверенно рекомендовать атомную энергетическую установку для новых мощных ледоколов. Для средних и вспомогательных ледоколов предпочтение пока следует отдавать дизельным установкам с электрической передачей мощности к гребным винтам.