Морская силовая установка - Marine propulsion

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Морская силовая установка»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Декабрь 2009 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Два дизельных двигателя V12 в машинном отделении корабля

Морская силовая установка механизм или система, используемые для создания толкать переместить корабль или же лодка по воде. Пока весла и паруса все еще используются на некоторых небольших лодках, большинство современных судов приводится в движение механическими системами, состоящими из электродвигателя или двигателя, вращающего пропеллер, или реже, в насос-форсунки, крыльчатка. Морская техника дисциплина, связанная с процесс инженерного проектирования морских двигательные установки.

Рабочие силы в виде лопастей и паруса были первыми формами морского движения. Гребной галеры, некоторые из которых были оснащены парусами, также сыграли важную роль в раннем возрасте. Первым усовершенствованным механическим средством морской тяги был морской паровой двигатель, введенный в начале 19 века. В течение 20 века его заменили на двухтактный или же четырехтактные дизельные двигатели, подвесные моторы и газотурбинные двигатели на более быстрых кораблях. Морские ядерные реакторы, появившиеся в 1950-х годах, производят пар для приведения в движение военные корабли и ледоколы; коммерческое применение, которое было предпринято в конце того десятилетия, не прижилось. Электродвигатели с использованием аккумуляторных батарей использовались для движения на подводные лодки и электрические лодки и были предложены для энергоэффективной силовой установки.^[1]

Развитие в сжиженный природный газ (СПГ) двигатели на топливе завоевывают признание благодаря низкому уровню выбросов и экономическим преимуществам. Двигатели Стирлинга, которые тише, плавнее, продвигают ряд малые подводные лодки чтобы бежать как можно тише. Его конструкция не используется в гражданских морских приложениях из-за более низкого общего КПД, чем у двигателей внутреннего сгорания или силовых турбин.

Источники питания

Предварительная механизация

Рыболовное судно с ветровым двигателем в Мозамбик

До применения угольного паровой двигатель на корабли в начале 19 века, весла или ветер были основным средством движения гидроциклов. Торговые суда преимущественно использовали паруса, но в периоды, когда морская война зависел от кораблей, приближающихся к баран или сражаться в рукопашной, камбуз предпочитались за их маневренность и скорость. В Греческий флоты, которые сражались в Пелопоннесская война использовал триеры, как и Римляне на Битва при Акциуме. Развитие морская артиллерия с 16 века и далее сводчатый бортовой вес опережает маневренность; это привело к доминированию парусных военных кораблей в течение следующих трех столетий.

В наше время движущая сила человека используется в основном на небольших лодках или в качестве вспомогательной силовой установки на парусных лодках. Человеческое движение включает толкатель, греблю и педали.

Движение парусом обычно состоит из паруса, поднятого на прямую мачту, поддерживаемого остается и контролируется линии сделано из веревка. Паруса были доминирующей формой коммерческой тяги до конца девятнадцатого века и продолжали использоваться вплоть до двадцатого века на маршрутах, где ветер был гарантирован, а уголь был недоступен, например, в Южной Америке. торговля нитратами. В настоящее время паруса обычно используются для отдыха и гонок, хотя новаторские применения воздушные змеи /члены королевской семьи, турбопаруса, винтовые пару, крылья, ветряные мельницы и SkySails Собственная система кайт-буев использовалась на более крупных современных судах для экономии топлива.

Поршневые паровые двигатели

SSУккопекка использует тройное расширение паровой двигатель

Как работает паровой двигатель тройного расширения

Развитие с поршневым двигателем пароходы были сложным процессом. Первые пароходы питались дровами, более поздние - углем или мазутом. Ранние корабли использовали корму или борт гребные колеса, который уступил место винту пропеллеры.

Первый коммерческий успех достался Роберт Фултон с Пароход North River Steamboat (часто называют Клермон) в США в 1807 г., затем в Европа на 45 футов (14 м) Комета 1812 года. Паровые двигатели значительно продвинулись вперед в остальной части 19 века. Известные разработки включают Steam поверхностный конденсатор, что исключило использование морской воды в судовых котлах. Это, наряду с усовершенствованием технологии котлов, позволило повысить давление пара и, следовательно, использовать более высокий КПД. многократное расширение (составные) двигатели. В качестве средства передачи мощности двигателя лопаточные колеса уступили место более эффективным гребным винтам.

В конце 19 века широкое распространение получили паровые машины с многократным расширением. Эти двигатели выпускали пар из цилиндра высокого давления в цилиндр более низкого давления, что значительно увеличивало эффективность.^[2]

Паровые турбины

Паровые турбины работали на каменный уголь или позже, горючее или же атомная энергия. Морской паровая турбина разработано сэром Чарльз Алджернон Парсонс^[3] повысили удельную мощность. Он добился известности, продемонстрировав это неофициально на дистанции 100 футов (30 м). Турбиния на Spithead Военно-морской обзор в 1897 году. Это способствовало появлению в первой половине 20 века высокоскоростных лайнеров и сделало поршневой паровой двигатель устаревшим; сначала на военных кораблях, а затем на торговых судах.

В начале 20 века мазут стал более широко использоваться и начал заменять уголь в качестве топлива для пароходов. Его большими преимуществами было удобство, сокращение рабочей силы за счет устранения необходимости триммеры и кочегаров, а также уменьшенное пространство, необходимое для топливных бункеров.

Танкеры СПГ

Новый танкеры для сжиженного природного газа (СПГ) продолжают строиться с паровыми турбинами. Природный газ хранится в жидком состоянии в криогенный судов на борту этих судов, и необходимо постоянно отводить небольшое количество «испаренного» газа, чтобы поддерживать давление и температуру внутри судов в рабочих пределах. Отходящий газ является топливом для судовых котлов, которые дополнительно обеспечивают паром турбины, что является наиболее простым способом борьбы с избыточным отходящим газом. Однако технологии для работы двигатель внутреннего сгорания (модифицированные судовые двухтактные дизельные двигатели) на этом газе, и такие двигатели начинают появляться на танкерах-газовозах.

Кроме того, постоянное совершенствование конструкции резервуаров позволяет достичь большей тепловой эффективности, поэтому естественным образом происходит меньшее испарение. Также были внесены изменения в процесс повторного сжижения отходящего газа, что позволяет возвращать его в криогенные резервуары в виде жидкости. Финансовая отдача от СПГ потенциально превышает стоимость судового мазута, сжигаемого в обычных дизельных двигателях, поэтому процесс повторного сжижения начинает использоваться на танкерах СПГ с дизельными двигателями. Еще одним фактором, способствующим переходу от турбин к дизельным двигателям для газовозов-газовозов, является нехватка квалифицированных морских инженеров по паровым турбинам. Из-за нехватки судов с турбинными двигателями в других секторах судоходства и быстрого увеличения мирового флота СПГ было недостаточно обучено для удовлетворения спроса. Возможно, дни для судовых паровых турбинных силовых установок сочтены, хотя все заказы на новые танкеры для перевозки СПГ в конце 2004 года, за исключением шестнадцати, приходились на суда с паровыми турбинами.^[4]

NSСаванна был первым ядерный грузовое судно

Паровые турбины атомные

В этих судах ядерный реактор нагревает воду, чтобы создать пар для вращения турбин. На момент разработки очень низкие цены на дизельное топливо ограничивали коммерческую привлекательность ядерной силовой установки. Преимущества его безопасности цен на топливо, большей безопасности и низких выбросов не смогли преодолеть более высокие начальные затраты на атомную электростанцию. В 2019 году ядерные двигательные установки встречаются редко, за исключением некоторых военно-морской и специальные суда, такие как ледоколы. В целом авианосцы, пространство, ранее использовавшееся для бункеровки судов, используется вместо бункеровки авиационного топлива. В подводные лодки способность работать под водой на высокой скорости и в относительной тишине в течение длительного времени имеет очевидные преимущества. Несколько военно-морских крейсеры также использовали ядерную энергию; по состоянию на 2006 год в строю остались только русский Киров учебный класс. Пример невоенного корабля с ядерная морская двигательная установка это Арктикаледокол с 75 000 мощность на валу (55,930 кВт ). Преимущество ледокола - безопасность топлива и безопасность в сложных арктических условиях. Коммерческий эксперимент NSСаванна закончилась до резкого роста цен на топливо 1970-х годов. «Саванна» также страдала от неэффективной конструкции, предназначенной частично для пассажиров, а частично для грузов.

В последнее время наблюдается возобновление интереса к коммерческим ядерным перевозкам. Цены на мазут сейчас намного выше. Грузовые суда с ядерными двигателями могут снизить затраты, связанные с выбросами углекислого газа, и путешествовать с более высокой крейсерской скоростью, чем обычные суда с дизельными двигателями.^[5]

Турбо-электрическая трансмиссия

Турбо-электрическая трансмиссия использует электрические генераторы для преобразования механической энергии турбины (пара или газа) в электрическую энергию и электродвигатели для преобразования ее обратно в механическую энергию для питания приводных валов. Преимущество турбоэлектрической трансмиссии состоит в том, что она позволяет адаптировать высокоскоростные турбины к медленно вращающимся гребным винтам или колесам без тяжелой и сложной коробки передач. Его преимущество состоит в том, что он может обеспечивать электричеством другие электрические системы корабля или поезда, такие как освещение, компьютеры, радар и оборудование связи.

Линкор USSНью-Мексико, запущен в 1917 г., был первым в мире турбо-электрическим линкором.

Дизель

Во второй половине 20-го века рост цен на топливо почти привел к упадку паровой турбины. Большинство новых кораблей с 1960 года были построены с дизельные двигатели, как четырехтактные, так и двухтактные. Последнее крупное пассажирское судно, построенное с паровыми турбинами, было Fairsky, спущенный на воду в 1984 году. Точно так же многие пароходы были модернизированы для улучшения эффективность топлива. Одним из ярких примеров стал построенный в 1968 г. Королева Елизавета 2 который заменил ее паровые турбины на дизель-электрический двигательная установка в 1986 году.

Большинство судов новой постройки с паровыми турбинами - это специализированные суда, такие как суда с ядерными двигателями, и некоторые торговые суда (особенно Сжиженный природный газ (СПГ) и угольные танкеры), где груз может использоваться в качестве бункерное топливо.

Поршневые дизельные двигатели

Современный дизель на борту грузового корабля

Впускной и выпускной поток в двухтактном сверхмощномдизель

Большинство современных кораблей используют возвратно-поступательное движение. дизель в качестве первичного двигателя, благодаря простоте управления, надежности и экономии топлива по сравнению с большинством других механизмов первичного двигателя. Вращающийся коленчатый вал может быть напрямую соединен с гребным винтом с тихоходными двигателями, через редуктор для средне- и высокоскоростных двигателей или через генератор переменного тока и электродвигатель на дизель-электрических судах. Вращение коленчатого вала связано с распределительным валом или гидронасосом на умный дизель.

Поршневой судовой дизельный двигатель впервые начал применяться в 1903 году, когда дизель-электрический ривертанкер Вандал был введен в эксплуатацию Бранобель. Дизельные двигатели вскоре стали более эффективными, чем паровые турбины, но в течение многих лет имели более низкое соотношение мощности и площади. Однако появление турбонаддува ускорило их внедрение, поскольку позволило увеличить удельную мощность.

Сегодня дизельные двигатели широко классифицируются по

• Их рабочий цикл: двухтактный двигатель или же четырехтактный двигатель
• Их конструкция: крейцкопф, хобот, или же оппозитный поршень
• Их скорость
  • Низкая частота вращения: любой двигатель с максимальной рабочей частотой вращения до 300число оборотов в минуту (об / мин), хотя большинство больших двухтактных тихоходных дизельных двигателей работают ниже 120 об / мин. Некоторые очень длинноходные двигатели развивают максимальную скорость около 80 об / мин. Самые большие и мощные двигатели в мире - это тихоходные двухтактные крейцкопфные дизели.
  • Средняя скорость: любой двигатель с максимальной рабочей скоростью в диапазоне 300–1000 об / мин. Многие современные четырехтактные среднеоборотные дизельные двигатели имеют максимальную рабочую скорость около 500 об / мин.
  • Высокая скорость: любой двигатель с максимальной рабочей скоростью выше 1000 об / мин.

4-тактный судовой дизельный двигатель

Большинство современных крупных торговых судов используют либо тихоходные двухтактные крейцкопфные двигатели, либо среднескоростные четырехтактные магистральные двигатели. Некоторые небольшие суда могут использовать высокоскоростные дизельные двигатели.

Размер различных типов двигателей является важным фактором при выборе того, что будет установлено на новом корабле. Двухтактные двигатели с низкой скоростью вращения намного выше, но занимаемая площадь меньше, чем требуется для четырехтактных среднеоборотных дизельных двигателей с такой же номинальной мощностью. Поскольку на пассажирских судах и паромах (особенно с автомобильной палубой) пространство над ватерлинией ограничено, эти суда, как правило, используют несколько среднеоборотных двигателей, что приводит к более длинному и более низкому машинному отделению, чем требуется для двухтактных дизельных двигателей. Установки с несколькими двигателями также обеспечивают резервирование в случае механического отказа одного или нескольких двигателей и возможность повышения эффективности в более широком диапазоне рабочих условий.

Поскольку гребные винты современных судов наиболее эффективны при рабочей скорости большинства тихоходных дизельных двигателей, судам с такими двигателями обычно не требуются редукторы. Обычно такие силовые установки состоят из одного или двух гребных валов, каждый со своим двигателем с прямым приводом. Суда, приводимые в движение дизельными двигателями средней или высокой скорости, могут иметь один или два (иногда более) гребных винта, обычно с одним или несколькими двигателями, приводящими в движение каждый гребной вал через коробку передач. Если к одному валу подключено несколько двигателей, каждый двигатель, скорее всего, будет работать через муфту, что позволяет отключать неиспользуемые двигатели от коробки передач, в то время как другие продолжают работать. Такое расположение позволяет проводить техническое обслуживание на ходу даже вдали от порта.

Двигатели СПГ

Судоходные компании обязаны соблюдать Международная морская организация (ИМО) и Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов правила выбросов. Двухтопливные двигатели работают на дизельном топливе судового качества, мазуте или сжиженном природном газе (СПГ). А Судовой двигатель СПГ имеет несколько вариантов топлива, что позволяет судам перемещаться, не полагаясь на один вид топлива. Исследования показывают, что СПГ является наиболее эффективным топливом, хотя ограниченный доступ к заправочным станциям СПГ ограничивает производство таких двигателей. Суда, предоставляющие услуги в отрасли СПГ, были модернизированы двухтопливными двигателями и оказались чрезвычайно эффективными. Преимущества двухтопливных двигателей включают топливную и эксплуатационную гибкость, высокую эффективность, низкий уровень выбросов и преимущества в эксплуатационных расходах.

Двигатели на сжиженном природном газе предлагают морской транспортной отрасли экологически чистую альтернативу для обеспечения энергией судов. В 2010 году STX Finland и Viking Line подписали соглашение о начале строительства крупнейшего экологически чистого круизного парома. Строительство NB 1376 будет завершено в 2013 году. По данным Viking Line, судно NB 1376 в основном будет работать на сжиженном природном газе. Выбросы оксидов азота с судна NB 1376 будут практически нулевыми, а выбросы оксидов серы будут как минимум на 80% ниже стандартов Международной морской организации (IMO).

Прибыль компании от снижения налогов и снижения эксплуатационных расходов привели к постепенному росту использования СПГ в двигателях.^[6]

Газовые турбины

Многие военные корабли, построенные с 1960-х годов, использовали газовые турбины для движения, как и несколько пассажирских судов, таких как судно на подводных крыльях. Газовые турбины обычно используются в сочетании с другими типами двигателей. Совсем недавно, RMSКоролева Мэри 2 были установлены газовые турбины в дополнение к дизельные двигатели. Из-за их низкого теплового КПД при малой мощности (крейсерской) на судах, как правило, используются дизельные двигатели для плавания, а газовые турбины зарезервированы для случаев, когда требуются более высокие скорости. Однако в случае пассажирских судов основной причиной установки газовых турбин было снижение выбросов в чувствительных экологических зонах или в порту.^[7] Некоторые военные корабли и несколько современных круизных лайнеров также использовали паровые турбины для повышения эффективности своих газовых турбин. комбинированный цикл, куда отходящее тепло из выхлопа газовой турбины используется для кипячения воды и создания пара для привода паровой турбины. В таких комбинированных циклах тепловой КПД может быть таким же или немного большим, чем у дизельных двигателей; однако топливо, необходимое для этих газовых турбин, намного дороже, чем топливо, необходимое для дизельных двигателей, поэтому эксплуатационные расходы все еще выше.

Двигатели Стирлинга

С конца 1980-х годов шведский судостроитель Kockums построил ряд успешных подводных лодок с двигателями Стирлинга.^[8][9] Подводные лодки хранят сжатый кислород, чтобы обеспечить более эффективное и чистое внешнее сгорание топлива при погружении в воду, обеспечивая тепло для работы двигателя Стирлинга. В настоящее время двигатели используются на подводных лодках Готланд и Södermanland классы. и японцы Сурю-учебный класс подводная лодка.^[10] Это первые подводные лодки с изображением Стирлинга. воздушно-независимая силовая установка (AIP), который продлевает подводную выносливость с нескольких дней до нескольких недель.^[9]

Радиатор двигателя Стирлинга обычно соответствует температуре окружающего воздуха. В случае двигателей Стирлинга средней и большой мощности радиатор обычно требуется для передачи тепла от двигателя в окружающий воздух. Судовые двигатели Стирлинга имеют преимущество в использовании воды с температурой окружающей среды. Размещение секции радиатора охлаждения в морской воде, а не в окружающем воздухе, позволяет уменьшить размер радиатора. Охлаждающая вода двигателя может прямо или косвенно использоваться для обогрева и охлаждения судна. Двигатель Стирлинга потенциально может использоваться в качестве силовой установки для надводных кораблей, поскольку большие физические размеры двигателя не вызывают беспокойства.

Электрический

Аккумуляторно-электрическая силовая установка впервые появилась во второй половине 19-го века на небольших озерных лодках. Они полностью полагались на свинцово-кислотные батареи для электрического тока для питания их пропеллеров. Elco (Electric Launch Company) превратилась в лидера отрасли, позже расширившись до других форм судов, включая культовую Вторую мировую войну. Катер PT.

В начале 20 века электрические двигатели были адаптированы для использования в подводные лодки. Поскольку подводное движение, приводимое исключительно в действие тяжелыми батареями, было медленным и имело ограниченный диапазон и временные рамки, были разработаны аккумуляторные батареи. Подводные лодки в основном оснащались комбинированными дизель-электрический системы на поверхности, которые были намного быстрее и позволяли значительно расширить диапазон, заряжая свои аккумуляторные системы по мере необходимости для все еще ограниченных подземных действий и продолжительности. Экспериментальный Голландия V подводная лодка привела к принятию этой системы на вооружение ВМС США, за которым следует Британский Королевский флот.

Для расширения дальности и продолжительности действия подводной лодки во время Второй мировой войны немецкая Кригсмарине разработал трубка Система, которая позволяла использовать дизель-электрическую систему, когда подводная лодка была почти полностью погружена. Наконец, в 1952 г. USS Наутилус была спущена на воду первая в мире атомная подводная лодка, которая устранила ограничения как на дизельное топливо, так и на аккумуляторную двигательную установку с ограниченным сроком службы.

Несколько судов ближнего действия построены (или переоборудованы) в чисто электрические суда.. Сюда входят некоторые с питанием от батарей, которые заряжаются с берега, а некоторые береговой к электрические кабели, либо накладные расходы или же затопленный (без батареек).

12 ноября 2017 г. Международная верфь Гуанчжоу (GSI) запустила то, что может стать первым в мире внутренним угольным транспортом, работающим на полностью электрической энергии и работающем от батарей. Судно дедвейтом 2000 тонн будет перевозить насыпные грузы на расстояние до 40 морских миль на одном заряде. Корабль несет литий-ионные батареи мощностью 2400 киловатт-часов, примерно столько же, сколько 30 Тесла Модель S электрические седаны.^[11][12]

Типы движителей

Со временем было разработано множество типов движителей. К ним относятся:

Пропеллер

Морские пропеллеры также известны как «винты». Существует множество вариантов судовых винтовых систем, включая сдвоенные винты, винты встречного вращения, регулируемые винты и винты типа сопла. В то время как небольшие суда, как правило, имеют единственный винт, даже очень большие суда, такие как танкеры, контейнеровозы и балкеры, могут иметь одиночные винты из соображений экономии топлива. Другие сосуды могут иметь двойные, тройные или четверные винты. Мощность передается от двигателя к винту через карданный вал, который может быть соединен с коробкой передач.

Лопастное колесо

Слева: оригинальное лопаточное колесо от парохода.
Справа: деталь парохода.

Лопастное колесо - это большое колесо, обычно построенное из стальной каркас, на внешнем краю которого установлены многочисленные лопасти весла (называемые поплавки или же ведра). Примерно нижняя четверть колеса перемещается под водой. Вращение лопастного колеса производит толкать, вперед или назад по мере необходимости. Более совершенные конструкции лопастных колес представлены оперение методы, при которых каждое лезвие лопасти ориентировано ближе к вертикали, пока оно находится в воде; это увеличивает эффективность. Верхняя часть гребного колеса обычно закрывается в лопаточной коробке, чтобы минимизировать разбрызгивание.

Лопаточные колеса были заменены винтами, которые являются гораздо более эффективной формой движения. Тем не менее, гребные колеса имеют два преимущества перед винтами, что делает их пригодными для судов, плавающих на мелководных реках и в стесненных водах: во-первых, они с меньшей вероятностью забиваются препятствиями и мусором; и, во-вторых, при вращении в противоположных направлениях они позволяют судну вращаться вокруг собственной вертикальной оси. Некоторые суда имели один винт в дополнение к двум гребным колесам, чтобы получить преимущества обоих типов движителей.

Насосная струя

А насос-форсунка, гидроструйный двигатель, струя воды, или же водометный двигатель использует воздушный винт (осевой насос ), центробежный насос, или насос смешанного потока для создания струи воды для приведения в движение.

Они включают в себя заборник для исходной воды и сопло для направления ее потока, генерирования импульса и, в большинстве случаев, с использованием вектора тяги для управления кораблем.^[13]

Насосы-форсунки находятся на гидроцикл, мелкосидящие речные катера и торпеды.

Плыть

Цель паруса использовать ветер энергия продвигать судно, санки, доска, средство передвижения или же ротор.

Велосипедный ротор Voith-Schneider

Voith Schneider Пропеллер

А Voith Schneider Пропеллер (ВСП) - это практический велосипедный двигатель что обеспечивает мгновенный толчок в любом направлении. Нет необходимости поворачивать движитель. Большинству судов с ВСП не нужен руль направления и он не имеет его. ВСП часто используются на буксирах, буровых судах и других плавсредствах, требующих необычайно хорошей маневренности. Приводы Voith-Schneider, впервые представленные в 1930-х годах, отличаются надежностью и доступны в больших размерах.^[14]

Гусеница

Двигательная установка водной гусеничной лодки (Популярная наука Ежемесячно, декабрь 1918 г.)

Одним из первых необычных средств движения лодок была водяная гусеница. Это перемещало серию лопастей на цепях вдоль дна лодки, чтобы продвигать ее по воде, и предшествовало развитию гусеничная техника.^[15] Первая водяная гусеница была разработана Жозеф-Филибер Деблан в 1782 году и приводился в движение паровой машиной. В США первая водяная гусеница была запатентована в 1839 году Уильямом Ливенвортом из Нью-Йорка.^{[нужна цитата ]}

Плавучесть

Подводные планеры преобразовать плавучесть в тягу, используя крылья или, в последнее время, форму корпуса (планер SeaExplorer). Плавучесть попеременно отрицательная и положительная, образуя профили зубчатой ​​пилы.

Смотрите также

Рекомендации