Гребные электрические установки. Схемы применяемых гребных установок Назначение и типы ГЭУ

Виды и типы гребных установок

ТЕМА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Судовые энергетические установки состоят из источника энергии, расположенного на судне, механизма передачи и механического движителя, преобразующего механическую энергию вращения в энергию поступательного движения судна.

Источники энергии на судах – в основном тепловые двигатели – дизели и паровые или газовые турбины. В них энергия топлива или тепловая энергия преобразуется в механическую.

Передача энергии от тепловых двигателей к судовым движителям может быть механической, гидравлической или электрической.

Установки с электрической передачей энергии к гребным винтам называются гребными электрическими установками – ГЭУ.

Надежными и экономичными гребными установками являются установки, которые включают тихоходные (низкооборотные) дизели 1, (рис.1.1) соединяемые непосредственно с гребными валами, на которых находятся гребные винты. Сила упора, развиваемая гребным винтом 3, передается корпусу судна через упорный подшипник 2.

Рис.1.1. Дизельная гребная установка

На судах с энергоустановками большой мощности и на быстроходных пассажирских лайнерах гребные винты 3 приводятся во вращение паровыми турбинами 1 с зубчатыми редукторами 4 (рис.1.2). Их называют турбозубчатыми агрегатами (ТЗА).

Рис.1.2. Гребная установка с паровой турбиной

На судах с атомными энергетическими установками тепловая энергия из атомных реакторов, преобразуется в механическую энергию также при помощи тепловых двигателей – паровых или газовых турбин. Атомные энергетические силовые установки (АЭСУ) значительно сложнее других установок, имеют высокую степень автоматизации, требуют большего числа квалифицированного обслуживающего персонала. Применение АЭСУ оправданно для крупнотоннажных танкеров и ледоколов, т.к. при этом увеличивается полезный объем, автономность плавания и сокращаются простои, необходимые для пополнения топливом.

Гребные электрические установки (ГЭУ) состоят из тепловых двигателей 1 (рис.1.3), которые работают на генераторы 2, постоянного или переменного тока 2, электроэнергия генераторов подается на гребные электродвигатели 3, через щит управления 4.

Рис.1.3. Схема гребной электрической установки

Гребные электродвигатели соединены с движителями (чаще всего с гребными винтами).

Также в схеме ГЭУ имеется система возбуждения 5. Пост управления ГЭУ 6 предназначен для управления схемой ГЭУ через системы ручного или автоматизированного управления 7.

ГЭУ позволяют уменьшить шумы, позволяют часто менять скорость и направление движения, а энергетическая установка может использоваться также и для питания других судовых механизмов.

1.3. Требования к ГЭУ. Достоинства и недостатки ГЭУ.

ГЭУ, как и все судовое оборудование должны обладать высокой надёжностью и безотказностью, а также иметь простое устройство и быть безопасными для обслуживания. ГЭУ не должны полностью выходить из строя и вызывать остановку судна в случае повреждения одного теплового двигателя, генератора, электродвигателя или системы управления ими.

Достоинства ГЭУ по сравнению с другими видами передачи:

Для ГЭУ используются тепловые двигатели с высокой частотой вращения, что уменьшает массу.

Отсутствие непосредственного соединения вала теплового двигателя с гребным валом позволяет оптимизировать режим работы и размеры судового движителя и уменьшить длину соединительных валов.

Есть возможность переключения генераторов и гребных электродвигателей (ГЭД) в аварийных ситуациях для сохранения хода судна.

Простота управления по сравнению с другими видами передачи;

Высокая экономичность на малом и среднем ходе;

В дизель - электрических ГЭУ можно применять агрегатный метод ремонта (каждый узел ремонтируют свои специалисты одновременно).

Применения ГЭУ устраняет передачу вибрации гребного винта и ударов тепловым двигателям

Наряду с достоинствами ГЭУ имеют и недостатки:

1.- При электрической передачи в генераторах и ГЭД появляются дополнительные потери, снижающие к.п.д.- 5-8%

2.- Применение ГЭУ без автоматического управления требует увеличения обслуживающего персонала.

3.- ГЭУ имеют повышенные эксплуатационные расходы, но это часто компенсируется увеличением полезного груза.

Гребная электрическая установка – это главная силовая энергетическая установка судна, которая приводит гребной винт во вращение с помощью электродвигателя, питаемого током, вырабатываемого генератором. Установки такого типа используются, в основном, на ледоколах, судах специального назначения, подводных лодках.

Крупнейшим судном, использующим гребную электрическую установку, в настоящее время можно считать океанский лайнер RMS Queen Mary 2, оснащённый четырьмя подвижными электродвигателями типа "Azipod" мощностью по 215 мВт.

Электрическая передача позволяет обеспечить сохранение постоянства мощности главного двигателя при изменениях момента на гребном винте.

Гребные электрические установки (ГЭУ) могут быть классифицированы по следующим признакам:

1. По роду тока – переменного, постоянного и переменно-постоянного (двойного рода тока);

2. По типу первичного двигателя – дизель-электрические, турбо– электрические и газо-турбо-электрические;

3. По системе управления – с ручным и автоматическим управлением;

4. По способу соединения гребного электродвигателя с винтом – с прямым соединением и с редукторным соединением.

В гребных электрических установках постоянного тока в качестве главных генераторов применяются генераторы с независимым возбуждением, а в качестве гребных электродвигателей – двигатели с независимым возбуждением.

В гребных электрических установках переменного тока в качестве главных генераторов применяются синхронные машины, а в качестве гребных электродвигателей – синхронные или асинхронные электродвигатели.

Использование мощных управляемых полупроводниковых выпрямителей позволило создать ГЭУ двойного рода тока.

Преимуществами ГЭУ этого типа являются:

– высокая надёжность и экономичность синхронных генераторов;

– плавное и экономичное регулирование частоты вращения гребного электродвигателя, управляемого выпрямителем;

– возможность питания всех судовых потребителей от главных генераторов, т.е. от единой судовой электростанции переменного тока.

ГЭУ постоянного тока используются в установках малой и средней мощности с высокой маневренностью. Ограничение мощности этого типа ГЭУ определяется сложностью создания электрических машин большой мощности на постоянном токе по сравнению с машинами на переменном токе.

Такие установки отличаются простотой, удобством и плавностью регулирования частоты вращения гребных винтов в широком диапазоне их моментов и нагрузок.

ГЭУ переменного тока устанавливаются на судах с относительно редким изменением режима движения.

Для них характерно использование повышенных напряжений: при мощности ГЭУ до 10 МВт – 3000 В, при больших мощностях – до 6000 В. Номинальная частота тока обычно составляет 50 Гц.

В ГЭУ переменного тока при малых и средних мощностях (до 15 МВт) в качестве первичного двигателя обычно используются дизеля, а при больших мощностях – турбины.

Регулирование частоты вращения гребных электродвигателей в ГЭУ переменного тока с винтами фиксированного шага обеспечивается изменением частоты напряжения генераторов при изменении частоты вращения первичных двигателей, либо путём использования в качестве гребных электродвигателей асинхронных машин с фазным ротором. Частотное управление угловой скоростью гребных электродвигателей переменного тока оказывается энергетически выгодным, так как при этом достигается минимизация их электрических потерь. Изменение направления вращения гребных электродвигателей достигается переключением фаз в главной цепи, число которых, как правило, равно трём.

Способом регулирования режима работы ГЭУ переменного тока, позволяющим избежать трудностей регулирования частоты вращения двигателей переменного тока, является использование винтов регулируемого шага (ВРШ).

ГЭУ двойного рода тока называются установки, в которых в качестве источников электроэнергии используются синхронные генераторы переменного тока, а в качестве гребных электродвигателей – электродвигатели постоянного тока.

Разработка мощных выпрямителей позволила объединить высокие маневренные качества ГЭУ постоянного тока, с достоинствами ГЭУ переменного тока, заключающиеся в использовании высокооборотных первичных двигателей и малых массогабаритных показателях.

Применяются полупроводниковые выпрямители двух типов:

– неуправляемые, выходное напряжение которых не регулируется;

– управляемые – с регулируемым выходным напряжением;

ГЭУ двойного рода тока с выпрямителями обеспечивают:

– высокую маневренность за счёт широкого диапазона регулирования частоты гребного электродвигателя;

– возможность создания турбогенераторных агрегатов без редукторов и удобство их компоновки в машинном отделении;

– снижение шумности и вибрации элементов ГЭУ;

– повышение общего к.п.д. установки;

– наибольшую простоту исполнения и надёжность гребных электродвигателей.

Применение ВРШ для ГЭУ двойного рода тока вносит дополнительные преимущества:

– постоянство частоты вращения двигателей генераторов;

– постоянство частоты вращения гребного электродвигателя и гребного винта.

Постоянство частоты вращения первичных двигателей ГЭУ позволяет производить отбор мощности от шин системы электродвижения для общесудовых потребителей и более рационально использовать установленную мощность судовой электростанции.

ГЭУ двойного рода тока превосходят по своим характеристикам ГЭУ как постоянного, так и переменного тока.

Основная задача при эксплуатации ГЭУ – обеспечить её безотказную и безаварийную работу, постоянную готовность к действию.

Решение такой задачи достигается при выполнении следующих условий:

– обеспечение квалифицированного обслуживания;

– своевременно пополнение сменно-запасными частями и материалами;

– правильно определение сроков и объёмов профилактических и ремонтных работ, выполняемых судовым экипажем;

– проведение расширенных испытаний и организация наладки ГЭУ в соответствии с целевым назначением судна;

– постоянный контроль степени загрязнения изоляционных поверхностей в электрических машинах ГЭУ;

– проверка состояния кабелей и заделка их оконцеваний.

Таким образом, комплекс мероприятий технической эксплуатации охватывает обслуживание, уход и ремонт ГЭУ и её элементов.

Список литературы

1. Акимов В.П. Судовые автоматизированные энергетические установки, «Транспорт», 1980.

2. Справочник судового механика (в двух томах). Изд. 2-е, перераб. и доп. Под общей редакцией канд. техн. наук Л.Л.Грицая. М., «Транспорт», 1974 г.

3. Завиша В.В., Декин Б.Г. Судовые вспомогательные механизмы., М., «Транспорт», 1974 г., 392 с.

4. Кіріс О.В., Лісін В.В. Термодинаміка та теплотехніка. Навчальний посібник. У 2 ч. Ч. 1.: Термодинаміка. – Одеса: ОНМА, 2005. – 96 с.

5. Овсяніков М.К., Петухов В.А. Суднові автоматизовані енергетичні установки. «Транспорт», 1989.

6. Тейлор Д.А. Основи суднової техніки. «Транспорт», 1987.

7. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Суднові енергетичні установки та електрообладнання суден». Одеса: ОНМА, 2012.

8. Верескун В.И., Сафонов А.С. Электротехника и электрооборудование судов: Учебник. – Л.: Судостроение, 1987. – 280 с., ил.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине «Гребные электрические установки»,

для направления: 140400 ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА (бакалавриат)

для профилей:

Новочеркасск 2011 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

________________________________________

«Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по ОД

(должность, фамилия, инициалы)

«___» ___________________ 2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(Б 3.2.8) Гребные электрические установки

(наименование дисциплины)

Направление подготовки: 140400 «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Профили подготовки:

№14. «Электрооборудование и автоматика судов».

Факультет электромеханический

Кафедра « Электропривод и автоматика »

Курс _3__________________________________________________________

Семестр _7 ________________________________________________________

Энергетические установки, в которых мощность от главных двигателей передается к гребным винтам с помощью электропередачи, принято называть гребными электрическими установками (ГЭУ).

Электрическая передача позволяет обеспечить выполнение одного из основных требований, предъявляемых к энергетической установке ледокола,- сохранения постоянства мощности главного двигателя при изменениях момента на гребном винте.

Наибольшее распространение получили следующие схемы ГЭУ:

1. С регулированием магнитного потока гребного электродвигателя (ГЭД) при постоянном магнитном потоке генератора.

2. С регулированием магнитного потока главного генератора при постоянном магнитном потоке ГЭД.

3. С регулированием магнитных потоков как генератора, так и ГЭД.

Примером схем первого типа, с автоматическим регулированием магнитного потока ГЭД, является схема, примененная на ледоколах типа Уинд (рис. 118), с использованием быстродействующего регулятора типа «Сильверстат». Магнитопровод этого регулятора имеет две обмотки. Одна из них {ОН) подключена к зажимам якоря Д ГЭД, и ее ток пропорционален напряжению на якоре. Вторая обмотка {ОТ) подключена на падение напряжения в добавочных полюсах ДП ГЭД, и ее ток пропорционален току главной цепи. Ампер-витки обмотки ОТ создают магнитный поток, противоположно направленный потоку, создаваемому ампер-витками обмотки ОН. Суммарный магнитный поток обеих обмоток воздействует на якорь регулятора Р, который при перемещении замыкает или размыкает пластинчатые пружинящие контакты, подключенные к секциям реостата Гр. При номинальных значениях тока и напряжения ГЭД якорь регулятора занимает положение, обеспечивающее протекание номинальной силы тока в обмотке возбуждения электродвигателя ОВД и, следовательно, номинальную величину вращающего момента.

При внезапном возрастании момента сопротивления на гребном винте, в первый период обороты гребного вала и напряжениегенератора остаются постоянными, а ток в главной цепи резко возрастает. Пропорционально увеличению тока главной цепи увеличивается и ток в токовой обмотке регулятора ОТ. При этом уменьшается магнитный поток в магнитопроводе, а следовательно, и сила притяжения якоря регулятора. В результате якорь отклоняется и замыкает некоторую чй^ть пружинящих контактов, шунтируя тем самым отдельные секции реостата. Это вызывает увеличение тока возбуждения ГЭД и соответственно снижение скорости его вращения. Мощность, потребляемая ГЭД, останется при этом примерно постоянной, так как на-

Рис. 118. Схема электродвижения Рис. 119. Схема электродвиже-ледокола типа Уинд ния леяокола Капитан Белоусов

Пряжение генератора почти не изменяется. Регулятор будет усиливать возбуждение до тех пор, пока ток главной цепи не достигнет номинального значения.

При уменьшении момента сопротивления, приложенного к винту, ток главной цепи уменьшается. При этом размагничивающее действие токовой обмотки от регулятора уменьшится и якорь разомкнет некоторую часть пружинящих контактов. Сопротивление реостата в цепи возбуждения ГЭД увеличится, ток возбуждения уменьшится, а скорость вращения возрастет. Мощность, потребляемая ГЭД, вновь сравняется с номинальной. Таким образом, применение регулятора позволяет полностью использовать номинальную мощность установки на всех режимах плавания без перегрузки первичных двигателей.

Примером схем второго типа, с автоматическим регулированием магнитного потока главного генератора, может служить схема, примененная на ледоколе Капитан Белоусов. Здесь применена система возбуждения и регулирования с использованием быстродействующих регуляторов (рис. 119).

Для питания обмоток возбуждения главных генераторов ОВГ применены двухобмоточные возбудители ВТ. Одна из обмоток, противокомпаундная (ПКО), включена на падение напряжения в дополнительных полюсах ДП и ГЭД. Другая - обмотка управления ОУ получает питание от поста управления ПУ через быстродействующий регулятор Гр. Быстродействующий регулятор и обмотка ПКО предназначены для ограничения тока в главной цепи при изменяющемся моменте сопротивления. При увеличении тока в главной цепи выше номинального усиливается действие обмотки ПКО, включенной навстречу обмотке управления. В результате снижается напряжение на главном генераторе Г, а следовательно уменьшается скорость вращения ГЭД, что предохраняет первичные двигатели от перегрузки. Быстродействующий регулятор начинает действовать при токе, большем номинального. Пружина регулятора стремится повернуть подвижный контакт Гр в положение, при котором возбуждение генератора будет наибольшим. Обмотка регулятора включена на падение напряжения в дополнительных полюсах ГЭД, и поэтому она обтекается током, пропорциональным току главной цепи. При наличии тока в главной цепи на якорь регулятора Яр действует вращающий момент, которому противодействует момент пружины. Когда ток главной цепи достигнет величины, на которую настроен регулятор, момент, создаваемый токовой катушкой, превзойдет момент пружины, вследствие чего подвижные контакты начнут перемещаться, вводя дополнительное сопротивление в обмотку ОУ. Ток в обмотке ОУ будет уменьшаться; напряжение генератора тоже уменьшится. Процесс этот прекратится, как только падение напряжения на дополнительных полюсах гребного электродвигателя достигнет величины, соответствующей номинальному току нагрузки.

Недостаток регуляторов - малая скорость реагирования, не обеспечивающая поддержание стабильности тока главной цепи при ударах льдин о лопасти винта, реверсах и т. д.

Примером схем третьего типа, с автоматическим регулированием магнитного потока главных генераторов и гребного электродвигателя, может служить схема, примененная на ледоколе Мурманск. Рассмотрим бортовой контур ГЭУ этого ледокола (рис. 120), уделив внимание системе управления и регулирования ГЭУ.

Бортовой контур (рис. 120, а) состоит из двух главных генераторов Г, ГЭД-Д, возбудителей генераторов ВТ и двигателя ВД. Возбуждение агрегатов ВТ и ВД обеспечивается при помощи управляемых (тиристорных) и неуправляемых (диодных) выпрямителей, в свою очередь выпрямители получают питание от вспомогательной трехфазной судовой сети. Необходимо отметить, что противокомпаундная обмотка ПКО действует только в аварийном режиме, когда выходит из строя тиристорное воз буждение генераторов. При этом обмотки ОВВГ^ ^ и ОВВГ выполняют функции обмотки управления ОУ и шунтовой din соответственно.

Рис. 120. Схема электродвижеиия ледокола Мурманск: а - принципиальная схема ГЭУ; б - блок-схема регулирования

Возбуждение ГЭД осуществляется следующим образом: от вспомогательной сети переменного тока через выпрямитель // (рис. 120, б) получает питание основная обмотка возбуждения возбудителя ОВВД^^^. Возбудитель двигателя ВД возбуждается и подает питание на обмотку возбуждения двигателя ОВД.

Другая обмотка ВД - дополнительная ОВВД^^^^ - подготовлена к действию и работает только в динамических режимах. При перекладке рукоятки поста управления ПУ получает питание обмотка возбуждения возбудителей главных генераторов ОВВГа. X или ОВВГ^^ х- Эти обмотки получают питание от вспомогательной сети переменного тока через тиристорные выпрямители 5а и 56. Возбуждается возбудитель генератора ВГ и подает питание на обмотки возбуждения генератора ОВГ.

Схема предусматривает регулирование по постоянству мощности и по постоянству скорости. Эти режимы обеспечиваются воздействием обратных связей (по току и напряжению главной цепи, по скорости вращения ГЭД, по напряжению возбуждения генераторов и току возбуждения двигателя) на возбуждение ВГ и ВД. Например, при реверсе система регулирования работает следующим образом. Рукоятка поста управления перекладывается из положения «полный вперед» в положение «полный назад». При этом на выходе поворотного трансформатора, жестко связанного с постом управления, знак задающего сигнала изменяется на противоположный. Этот сигнал проходит через регулирующие блоки 1а-~1в или 16-1в (первый случай - для режима постоянства скорости, второй - для режима постоянства мощности) на блоки управления 4а и 46 тиристорными выпрямителями 5а и 56. Блоки 4а и 46 воздействуют таким образом, что тиристорный выпрямитель 5а, питающий обмотку возбуждения переднего хода ОВВГ^.у, закрывается, а открывается выпрямитель 56. Такое переключение осуществляется при помощи знакоинвертора 3. Генераторы возбуждаются в обратном направлении, и происходит реверс ГЭД. При этом основные параметры ГЭУ (скорость, ток, напряжение) резко изменяются. Ток главной цепи меняет знак и, достигнув максимальной величины, остается примерно на этом уровне значительное время. Несмотря на сравнительно большой ток главной цепи, дополнительная обмотка ГЭД почти до полной остановки винта не работает, т. е. реверс происходит при постоянном потоке ГЭД. Объясняется это тем, что в схеме предусмотрена корректировка работы дополнительной обмотки ОВВДдоп в зависимости от обратной мощности.

В момент рекуперации логическое устройство обратной мощности 12 подает сигнал на блок регулирования 1г, который, воздействуя на схему управления тиристорного выпрямителя 5в, запирает его. Когда заканчивается рекуперативный период, вступает в действие дополнительная обмотка ОВВД^^„, ток возбуждения ГЭД увеличивается, ток главной цепи уменьшается, и вскоре основные параметры ГЭУ приближаются к нормальным.

Более подробные сведения по гребным электрическим установкам можно найти в .

к числу других типов передачи мощности от первичного двигателя к гребному винту следует отнести гидр авличе-ские передачи. В судовых энергетических установках используются передачи двух типов: гидравлические муфты и гидротрансформаторы. Для энергетических установок ледоколов представляют интерес в основном гидротрансформаторы и гидравлические преобразователи крутящего момента.

Гидротрансформаторы обладают способностью плавно изменять передаточное отношение в зависимости от момента на ведомом валу при практически постоянной скорости вращения первичного двигателя, т. е. обладают саморегулируемостью, обеспечивая при этом удовлетворительные тяговые характеристики энергетической установки.

По сравнению с ГЭУ гидротрансформаторы имеют следующие преимущества: меньшие вес и габариты, меньшую строительную стоимость, меньший штат Ъбс л ужинающего персонала.

Однако гидротрансформаторы обладают и весьма существенными недостатками: малой гибкостью схемы установки (так как при гидропередаче каждый главный двигатель соединяется только с одним гребным валом), сравнительно невысокой мощностью на заднем ходе (на 20-30% ниже, чем на переднем). Кроме того, на парциальных нагрузках крутящий момент гидротрансформатора при попадании льда под лопасти винта может оказаться недостаточным, в результате чего возможна остановка гребного винта и даже его поломка. Отсутствие практического опыта работы судов с гидротрансформаторами в ледовых условиях не позволяет дать исчерпывающего ответа о целесообразности их установки на ледоколах.