Электрооборудование судов - Гребные электрические установки

Глава XI ГРЕБНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
§ 74. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

История развития ГЭУ.

Из истории электротехники известно, что русский академик Борис Семенович Якоби свой первый в мире электродвигатель постоянного тока мощностью около 0,7 кВт установил для испытаний на лодку, которая с 14 пассажирами (тоже академиками) ходила по Неве 7 ч со скоростью (против ветра и течения) около 4,2 км/ч. Это было в 1839 г. Электродвигатель получал питание от 128 платино-цинковых элементов Грове.
Начиная с 1880 г. до конца XIX столетия в разных странах строились лодки с электродвижением. Самая быстроходная лодка того времени развивала скорость до 36,2 км/ч, а самая большая из них брала на борт до 50 пассажиров. Источником электроэнергии на лодках были гальванические элементы либо аккумуляторные батареи.
В 1903—1904 гг. в России были построены два дизельных судна — «Вандал» и «Сармат», на которых гребная электрическая установка играла вспомогательную роль. Дело в том, что к тому времени еще не был изобретен реверсивный дизель и на этих судах дизель непосредственно передавал вращение движителю только при переднем ходе судна, а при заднем ходе использовалась электрическая передача. Такая установка получила название системы Дель-Пропосто.
В 1907—1909 гг. по системе Дель-Пропосто в России были построены восемь канонерских лодок, а в 1907 г. был изобретен реверсивный дизель, и подобные суда больше не строились. Впрочем, в дальнейшем царское правительство не построило вообще ни одного надводного судна с электродвижением, хотя проекты таких электроходов разрабатывались. Был проект линкора «Севастополь» с ГЭУ мощностью около 30 тыс. кВт и проект океанского судна водоизмещением 10750 т для рейсов между портами Одесса и Владивосток с ГЭУ мощностью 2,2 тыс. кВт и скоростью 13 уз.
В США с 1916 по 1927 г. было построено 118 электроходов общей мощностью около 515 тыс. кВт, в том числе авианосец водоизмещением 35 тыс. т со скоростью 34,5 уз и с ГЭУ переменного тока мощностью 132,5 тыс. кВт. К 1932 г. в мире насчитывалось 250 электроходов общей мощностью 1,25 млн. кВт.
В 1935 г. во Франции был построен самый большой в мире пассажирский турбоэлектроход «Нормандия» водоизмещением 80 тыс. т с ГЭУ переменного тока мощностью 117,8 тыс. кВт, скоростью 32 уз.
В довоенные годы в крупных капиталистических странах существовала тенденция строительства крупных судов с турбоэлектрической гребной установкой (ТЭГУ) переменного тока.

К строительству отечественных электроходов наша страна смогла приступить только после Великой Отечественной войны.

Рис. 173. Структурная схема ГЭУ

В это время большое развитие получили дизельные суда среднего водоизмещения, а электродвижение использовали преимущественно на судах специального назначения (ледоколах, буксирах-спасателях, промысловых судах и т. д.) с дизель-электрическими гребными установками (ДЭГУ).
В 1956 г. в СССР насчитывалось 69 электроходов, а в 1959— 1960 гг. вступил в строй первый в мире атомный электроход —  ледокол «Ленин» мощностью 32,4 тыс. кВт. В 1961 г. в СССР уже было 80 электроходов отечественной и более 80 электроходов зарубежной постройки, а в 1971 г. — 468 электроходов, из которых только 101 судно построено за рубежом.
К концу 70-х годов отечественный флот в своем составе имел более 500 судов с электродвижением, среди которых наиболее совершенные в техническом отношении ледоколы «Ермак», «Красин», «Адмирал Макаров», атомоходы «Арктика» и «Сибирь».
В США в 1970 г. было 266 коммерческих электроходов, из которых около половины — относительно старые суда с ТЭГУ переменного тока. В военно-морском флоте США в это время насчитывалось 350 кораблей с ТЭГУ и 650 — с ДЭГУ. В последние годы много электроходов построено в ФРГ. В США, ФРГ, Англии, Исландии, Испании вступили в строй новые электроходы с ГЭУ двойного рода тока.
В 1974 г. вступил в строй головной танкер «Chevron Oregon» с газотурбинной электрической гребной установкой (ГТГЭУ), построенный в США. Вся серия насчитывает шесть судов. В Австралии строятся суда с горизонтальным способом погрузки (типа ро—ро) для Новой Зеландии также с ГТГЭУ.
Несмотря на увеличение числа коммерческих судов с ГЭУ, все же электроходы в мировом торговом флоте составляют только 2% общего числа судов.
Рассмотрим структурную схему ГЭУ судна (рис. 173). Механическая энергия, развиваемая первичным двигателем ПРД, преобразуется в электрическую энергию генератором Г, а затем в гребном электродвигателе ГЭД вновь преобразуется в механическую энергию и передается на винт. Пост управления ПУ воздействует на генератор и гребной электродвигатель через систему управления СУ, которая на современных электроходах обеспечивает автоматическое регулирование установки.
Особенности ГЭУ, от которых во многом зависят характеристики электроходов, заключаются, во-первых, в двухступенчатом преобразовании энергии и, во-вторых, в отсутствии жесткой связи между первичным двигателем и гребным винтом.
Гребные электрические установки электроходов отечественного транспортного и промыслового флота классифицируют по роду тока, типу первичных двигателей, назначению судна.
ГЭУ переменного тока имеют большие преимущества по сравнению с ГЭУ постоянного тока. Дело в том, что у электрических машин постоянного тока большой мощности трудно обеспечить удовлетворительную коммутацию на коллекторе. С этой целью приходится уменьшать частоту вращения машин или дробить их мощность, устанавливая сдвоенные генераторы и двигатели. Генератор постоянного тока мощностью 4000 кВт не может иметь частоту вращения более чем 1000 об/мин, даже теоретически. В этом смысле очень характерен пример атомохода «Ленин», ГЭУ которого работает на постоянном токе. Каждая из четырех турбин атомохода вращает через редуктор по два сдвоенных генератора, т. е. фактически по четыре генератора, каждый из которых имеет мощность 1920 кВт при частоте вращения 595 об/мин.
Мощность машин переменного, тока практически для ГЭУ не ограничена, а предельная частота вращения их ограничивается только частотой тока (при частоте 50 Гц составляет 3000 об/мин). Машины переменного тока большой мощности имеют несколько более высокий к. п. д. по сравнению с машинами постоянного тока. Несмотря на это, ГЭУ переменного тока до последнего времени применяли очень мало.
В СССР имеются только три пассажирских электрохода, работающие на переменном токе: «Россия», «Абхазия» и «Балтика». Построено рефрижераторное судно рыбопромыслового флота — дизель-электроход «Октябрьск» с ГЭУ, работающей на переменном токе и с ВРШ. Суда, подобные «Октябрьску», продолжают строить. Одновременно во Франции для СССР были построены промысловые суда типа «Наталья Ковшова» также с ГЭУ, работающей на переменном токе.
Ограниченное строительство судов с ГЭУ переменного тока, несмотря на их достоинства, объясняется тем, что эти машины по своим регулировочным свойствам уступают машинам постоянного тока, а следовательно, ГЭУ переменного тока не может обеспечить судну высокие маневренные качества — одно из важнейших преимуществ электрохода с ГЭУ постоянного тока.
Объединить в известной степени достоинства ГЭУ переменного и постоянного тока можно в ГЭУ переменно-постоянного тока, о чем пойдет речь далее. Серьезную конкуренцию ГЭУ постоянного тока могут составить ГЭУ переменного тока со статическими преобразователями частоты тока.
В зависимости от первичного двигателя ГЭУ делят на дизель- электрические, турбоэлектрические и газотурбоэлектрические.

ДЭГУ более широко распространены на судах по сравнению с турбоэлектрическими установками. Объясняется это прежде всего многими важными достоинствами дизеля перед паровой, турбиной: выше к. п. д. (в судовых условиях более высокая экономичность дизеля обусловливается еще и тем, что при его остановке прекращается расход топлива, а при временных остановках турбины нет); дизель практически всегда готов к пуску, а турбина зависит от работы котла.
Паровая турбина обладает большим моторесурсом, большей перегрузочной способностью, обеспечивает большую устойчивость параллельно работающих генераторов. Паровая турбина как судовой двигатель практически не имеет ограничений по мощности, в то время как предельная мощность дизеля ограничивается 15— 22 тыс. кВт.
Газовая турбина обладает многими достоинствами дизеля, но уступает ему по экономичности, использует топливо более высокого качества. ГЭУ с газовыми турбинами превосходят ДГЭУ и ТГЭУ по компактности.
Классификация ГЭУ по назначению судна весьма обширна. На современном флоте с электродвижением встречаются пассажирские и сухогрузные суда, танкеры и рефрижераторы, ледоколы и буксиры-спасатели, паромы, землечерпалки, рыбопромысловые базы. Однако ГЭУ, как отмечалось, широко распространены только на некоторых типах судов — ледоколах, буксирах-спасателях, судах активного ледового плавания. Электродвижение обеспечивает для этих судов высокую маневренность и некоторые другие качества.

Преимущества и недостатки ГЭУ.

Гребные электрические установки имеют немало преимуществ перед установками с непосредственной передачей на винт. Рассмотрим наиболее важные из них.

1. ГЭУ обеспечивает судну повышенные маневренные качества (это достоинство присуще ГЭУ постоянного тока, хотя в принципе при использовании, например, статических преобразователей частоты или машинно-вентильных каскадов ГЭУ переменного тока может обеспечить судну не менее высокие маневренные качества).

Повышенная маневренность электрохода достигается путем непосредственного управления гребными электродвигателями (ГЭД) с мостика, быстрого их реверсирования вследствие большого диапазона регулирования частоты вращения гребного винта и того, что гребной электродвигатель может работать в тормозном режиме, обеспечивая быструю остановку судна.

1. В ГЭУ можно автоматически поддерживать постоянную мощность при изменении момента сопротивления гребного винта.

Известно, что механический двигатель (дизель или турбина) развивает номинальную мощность только при номинальной частоте вращения. Его вращающий момент не зависит от частоты вращения и остается практически постоянным при соответствующем регулировании подачи топлива или пара. Следовательно, мощность двигателя пропорциональна его частоте вращения. Так, если главный двигатель теплохода при полной скорости судна на чистой воде развивает номинальную мощность, то при неподвижном судне, буксировке или ходе во льдах мощность его падает, так как снижается частота вращения из-за увеличения момента сопротивления гребного винта.

Иначе обстоит дело в ГЭУ. При увеличении момента сопротивления гребного винта (например, судно входит в лед) система автоматического управления изменяет возбуждение генераторов и гребного электродвигателя таким образом, что вращающий момент последнего увеличивается, а мощность, развиваемая ГЭУ, остается постоянной (рис. 174). Кривые — это механические характеристики гребного винта: на чистой воде при полном ходе судна — 1; при
буксировании воза — 2; при неподвижном судне (швартовная) — 3; при ходе судна в шуге (ледяной каше) — 4.
Механическая характеристика главного двигателя теплохода выражается приблизительно прямой 5, а механическая характеристика ГЭД — кривой 6, которая является гиперболой, отвечающей условию


Рис. 168. Тепловой извещатель с плавкой вставкой

Рис. 169. Структурная схема электрической пожарной сигнализации

где Р — мощность ГЭД, кВт; М — его вращающий момент, Н-м; п — частота вращения, об/мин.
Выполнение этого условия, как отмечалось, обеспечивается системой автоматического управления ГЭУ.
При полном ходе на чистой воде теплоход и электроход будут работать в точке а, развивая частоту вращения винта ηн и вращающий момент Мн. При буксировке воза теплоход будет работать в точке б, а электроход — в точке б'. Нетрудно видеть, что главный двигатель теплохода уже не может развивать номинальную мощность. Еще хуже обстоит дело при неподвижном судне (швартовная характеристика, точка в) и при ходе судна в ледяной шуге (точка г). В последнем случае гребной винт теплохода будет вращаться с частотой ηтх, а гребной винт электрохода — с частотой ηэх. При переходе судна с работы по характеристике 1 на работу по характеристике 4 мощность главного двигателя теплохода уменьшается на 30—40%, а мощность ГЭУ электрохода не изменяется. Это важнейшее свойство ГЭУ особенно необходимо для ледоколов, судов активного ледового плавания, буксиров-спасателей.

1. ГЭУ обеспечивает повышенную живучесть судна. Число генераторных агрегатов в ГЭУ обычно составляет 4, 6, 8 и реже.
2. Если, например, на электроходе с четырьмя генераторными агрегатами выйдет из строя один агрегат (25% Ргэу), то скорость судна с тремя работающими агрегатами составит около 90% υн, а с двумя агрегатами, — около 79% υн. Уместно упомянуть и о более спокойных условиях работы первичных двигателей в ГЭУ по сравнению с главными двигателями, работающими непосредственно на винт. Выход из строя главного двигателя одновальной установки судна приводит к полной потере скорости, что в сложных метеорологических условиях может вызвать его гибель.
3. В ГЭУ применяют нереверсивные дизели или отсутствуют турбины заднего хода. Реверсивные дизели имеют более сложную конструкцию. Режим реверсирования дизеля связан с возникновением дополнительных усилий и деформаций в его различных деталях, вызывающих преждевременный износ. На турбинных судах для получения заднего хода устанавливают дополнительную турбину мощностью 40—60% мощности турбин переднего хода.
4. ГЭУ обеспечивает высокую экономичность при работе на промежуточных ходах. Если судно по каким-либо причинам вынуждено идти с пониженной скоростью (прохождение узкостей, каналов, сильный туман или шторм, режим траления и т. д.), то главный двигатель теплохода работает с недогрузкой, а значит с пониженным к. п. д., что приводит к увеличению удельного расхода топлива.

На электроходе в этом случае оставляют в работе столько генераторных агрегатов, чтобы они были полностью загружены.

1. В ГЭУ можно повысить к. п. д. гребного винта. Наивысший к. п. д. находят подбором его оптимальной частоты вращения. На теплоходе такой подбор связан с изменением режима работы главного двигателя, а значит с ухудшением его параметров, на электроходе это особого труда не представляет.
2. Судно с электродвижением имеет больший эксплуатационный период в году вследствие применения агрегатного ремонта главных двигателей, который может осуществляться двумя способами. При первом способе двигатель снимают с судна (размеры и масса быстроходных дизелей позволяет это делать) и отправляют на завод. На его место ставят другой (из обменного фонда) или судно идет в рейс без одного генераторного агрегата. При втором способе в рейс идет ремонтная бригада, которая по очереди ремонтирует все главные двигатели. В практике пока применяют в основном второй способ. Для реализации первого способа нужна соответствующая береговая база. Понятно, что агрегатный ремонт главного двигателя на судне без электродвижения неприменим. Вместе с тем ремонт, например, главного двигателя теплохода длится около 2,5 мес.
3. На электроходе возможен отбор мощности от ГЭУ для вспомогательных нужд судна. Мощность генераторных агрегатов судовой электростанции для вспомогательных нужд обычно составляет 200—400 кВт. К. п. д. таких агрегатов значительно ниже, чем к. п. д. мощных генераторных агрегатов ГЭУ, поэтому отбор мощности от агрегатов ГЭУ экономически выгоден. Правда, техническое решение этой задачи в ГЭУ постоянного тока представляет немалые трудности.

В настоящее время возможность отбора мощности реализована на электроходах переменного тока с ВРШ и на электроходах переменно-постоянного тока с управляемым статическим преобразователем. Такие суда называются судами с единой электроэнергетической установкой.
Проблема отбора мощности на судах без электродвижения рассмотрена в § 29.

Наряду с положительными качествами главным энергетическим установкам присущи и серьезные недостатки.

1. Из-за двойного преобразования энергии возникают дополнительные потери в генераторах и гребных электродвигателях. Если учесть, что их к. п. д. составляет около 95%, то дополнительные потери в ГЭУ достигают 10%.
2. ГЭУ имеет повышенную первоначальную стоимость, которая может быть снижена путем более широкого использования унифицированного оборудования. Так, на электроходах отечественной постройки используют серийные тепловозные дизели Д50 и 3Д100.
3. ГЭУ имеет повышенные размеры и массу. Применение быстроходных дизелей позволяет значительно снизить эти показатели. Однако следует учитывать недостатки быстроходных дизелей — пониженный моторесурс и повышенную шумность.
4. Для обслуживания ГЭУ выделяют дополнительный штат. Если на теплоходе электрооборудование обслуживает один электромеханик с двумя-тремя электриками, то на электроходе электрогруппа состоит из четырех электромехаников и шести—девяти электриков.

Иногда в качестве недостатка ГЭУ выдвигают повышенную опасность поражения электрическим током вследствие большого напряжения. Однако в практике эксплуатации электроходов не зарегистрировано ни одного случая тяжелых электротравм. Объясняется это, по-видимому, более высокими, чем в обычных электроустановках, требованиями безопасности труда.