Морская двигательная установка — это механизм или система, используемая для создания тяги для перемещения плавсредства по воде. Хотя на некоторых небольших лодках все еще используются весла и паруса , большинство современных кораблей приводятся в движение механическими системами, состоящими из электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания , приводящего в движение гребной винт или, реже, в водометных насосах , крыльчатку . Морская инженерия – это дисциплина, занимающаяся процессом инженерного проектирования морских двигательных установок .
Весла и весла, приводимые в движение человеком , а позже и паруса были первыми формами морского движения. Гребные галеры , некоторые из которых были оснащены парусами, сыграли важную роль в раннем мореплавании и войнах человечества . Первым усовершенствованным механическим средством морского движения был морской паровой двигатель , появившийся в начале 19 века. В течение 20-го века на более быстрых кораблях его заменили двухтактные или четырехтактные дизельные двигатели , подвесные моторы и газотурбинные двигатели . Морские ядерные реакторы , появившиеся в 1950-х годах, производят пар для приведения в движение военных кораблей и ледоколов ; коммерческое применение, предпринятое в конце того же десятилетия, не прижилось. Электродвигатели с аккумуляторными батареями использовались для движения на подводных лодках и электрических лодках и были предложены для энергоэффективного движения. [1]
Разработка двигателей, работающих на сжиженном природном газе (СПГ) , получает признание благодаря их низкому уровню выбросов и экономическим преимуществам. Двигатели Стирлинга , которые работают тише и плавнее, приводят в движение ряд небольших подводных лодок , чтобы работать как можно тише. Его конструкция не используется в гражданском морском применении из-за более низкого общего КПД, чем двигатели внутреннего сгорания или силовые турбины.
До применения угольного парового двигателя на кораблях в начале 19 века основными средствами движения плавсредств были весла или ветер . Торговые суда преимущественно использовали парус, но в периоды, когда морская война зависела от приближения кораблей для тарана или рукопашного боя, предпочтение отдавалось галерам из-за их маневренности и скорости. Греческий флот, участвовавший в Пелопоннесской войне, использовал триеры , как и римляне в битве при Акциуме . Развитие морской артиллерии , начиная с 16 века, поставило вес бортового залпа выше маневренности; это привело к доминированию парусных военных кораблей в течение следующих трех столетий.
В наше время человеческие двигатели используются в основном на небольших лодках или в качестве вспомогательных двигателей на парусных лодках. Движение человека включает в себя толкатель, греблю и педали.
Движение под парусом обычно состоит из паруса, поднятого на вертикальной мачте, поддерживаемого штангами и контролируемого веревочными тросами . Паруса были доминирующей формой коммерческого движения до конца девятнадцатого века и продолжали использоваться вплоть до двадцатого века на маршрутах, где ветер был обеспечен, а уголь был недоступен, например, при торговле селитрой в Южной Америке . Паруса в настоящее время обычно используются для отдыха и гонок, хотя инновационные варианты применения воздушных змеев / королевских парусов , турбопарусов , роторных парусов , крыльев , ветряных мельниц и собственной системы кайт-буев SkySails использовались на более крупных современных судах для экономии топлива.
Во второй половине 20-го века рост цен на топливо едва не привел к упадку паровой турбины. Большинство новых судов примерно с 1960 года строились с дизельными двигателями , как четырехтактными, так и двухтактными. Последним крупным пассажирским судном, построенным с паровыми турбинами, был Fairsky , спущенный на воду в 1984 году. Аналогичным образом, многие пароходы были модернизированы с целью повышения топливной эффективности . Одним из ярких примеров является построенный в 1968 году корабль «Королева Елизавета-2» , на котором в 1986 году паровые турбины были заменены дизель-электрической силовой установкой.
Большинство судов новой постройки с паровыми турбинами представляют собой специализированные суда, такие как суда с ядерной установкой и некоторые торговые суда (особенно суда, перевозящие сжиженный природный газ (СПГ) и уголь), грузы которых можно использовать в качестве бункерного топлива .
Пар приводит в движение два типа двигателей: поршневые (с паровыми приводными поршнями, соединенными с коленчатым валом) и турбинные (с паровыми приводными лопастями, радиально прикрепленными к вращающемуся валу). Мощность на валу каждого из них может либо поступать непосредственно на гребной винт, водометный насос или другой механизм, либо через какую-либо трансмиссию; механический, электрический или гидравлический. В 1800-х годах пар был одним из основных источников энергии для морских двигателей. В 1869 году наблюдался большой приток паровых кораблей, поскольку за это время паровой двигатель претерпел значительные изменения.
Создание пароходов с поршневыми двигателями было сложным процессом. Первые пароходы питались древесиной, более поздние — углем или мазутом. Ранние корабли использовали кормовые или боковые лопастные колеса , которые уступили место винтовым гребным винтам .
Первый коммерческий успех пришел к пароходу Роберта Фултона на Северной реке (часто называемому «Клермон ») в США в 1807 году, за ним в Европе последовала 45-футовая (14-метровая) « Комета » 1812 года. Паровая тяга значительно прогрессировала в течение оставшейся части 19-го века. . Среди заметных разработок можно назвать поверхностный конденсатор пара , который исключил использование морской воды в корабельных котлах. Это, наряду с усовершенствованиями в технологии котлов, позволило повысить давление пара и, следовательно, использовать более эффективные двигатели многократного расширения (комбинированные). В качестве средства передачи мощности двигателя гребные колеса уступили место более эффективным гребным винтам.
Паровые машины многократного расширения получили широкое распространение в конце 19 века. Эти двигатели перекачивали пар из цилиндра высокого давления в цилиндр с более низким давлением, что значительно увеличивало эффективность. [2]
Паровые турбины работали на угле , а позднее на мазуте или атомной энергии . Морская паровая турбина , разработанная сэром Чарльзом Алджерноном Парсонсом [3], повысила удельную мощность . Он добился известности, неофициально продемонстрировав ее в 100-футовой (30-метровой) Турбинии на Spithead Naval Review в 1897 году. Это способствовало созданию высокоскоростных лайнеров в первой половине 20-го века и сделало поршневой паровой двигатель устаревшим. ; сначала на военных кораблях, а затем и на торговых судах.
В начале 20 века мазут получил более широкое распространение и начал заменять уголь в качестве топлива на пароходах. Его большими преимуществами были удобство, сокращение рабочей силы за счет устранения необходимости в триммерах и кочегарах, а также уменьшение места, необходимого для топливных бункеров.
В этих сосудах ядерный реактор нагревает воду, чтобы создать пар для привода турбин. На момент разработки очень низкие цены на дизельное топливо ограничивали коммерческую привлекательность ядерных силовых установок. Преимущества безопасности цен на топливо, большей безопасности и низкого уровня выбросов не смогли преодолеть более высокие первоначальные затраты на атомную электростанцию. В 2019 году ядерные силовые установки встречаются редко, за исключением некоторых ВМФ и специализированных судов, таких как ледоколы . На крупных авианосцах пространство, ранее использовавшееся для бункеровки корабля, вместо этого используется для бункеровки авиационного топлива. У подводных лодок способность двигаться под водой на высокой скорости и в относительной тишине в течение длительного времени имеет очевидные преимущества. Несколько военно-морских крейсеров также использовали ядерную энергию; по состоянию на 2006 год в строю остаются только российские самолеты класса «Киров» . Примером невоенного корабля с атомной морской силовой установкой является ледокол класса «Арктика» мощностью на валу 75 000 лошадиных сил (55 930 кВт ). Преимуществом ледокола является запас топлива и безопасность в сложных арктических условиях. Коммерческий эксперимент NS Savannah завершился до резкого повышения цен на топливо в 1970-х годах. «Саванна» также страдала от неэффективной конструкции: она предназначалась частично для пассажиров, а частично для груза.
В последнее время возобновился интерес к коммерческим ядерным перевозкам. Цены на мазут сейчас намного выше. Грузовые суда с ядерной установкой могут снизить затраты, связанные с выбросами углекислого газа, и путешествовать с более высокими крейсерскими скоростями, чем обычные суда с дизельным двигателем. [4]
Большинство современных судов используют поршневой дизельный двигатель в качестве первичного двигателя из-за его простоты управления, надежности и экономии топлива по сравнению с большинством других механизмов первичного двигателя. Вращающийся коленчатый вал может быть напрямую соединен с гребным винтом на тихоходных двигателях, через редуктор для средне- и высокооборотных двигателей или через генератор и электродвигатель на дизель-электрических судах. Вращение коленчатого вала связано с распределительным валом или гидронасосом на интеллектуальном дизеле .
Поршневой морской дизельный двигатель впервые был использован в 1903 году, когда компания Branobel ввела в эксплуатацию дизель-электрический речной танкер Vandal . Дизельные двигатели вскоре стали более эффективными, чем паровая турбина, но в течение многих лет имели худшее соотношение мощности и пространства. Однако появление турбонаддува ускорило их внедрение, позволив повысить удельную мощность.
Дизельные двигатели сегодня широко классифицируются по
На большинстве современных крупных торговых судов используются либо тихоходные двухтактные крейцкопфные двигатели, либо среднескоростные четырехтактные магистральные двигатели. Некоторые суда меньшего размера могут использовать высокооборотные дизельные двигатели.
Размер различных типов двигателей является важным фактором при выборе того, что будет установлено на новом корабле. Низкоскоростные двухтактные двигатели намного выше, но требуемая занимаемая площадь меньше, чем необходимая для четырехтактных среднеоборотных дизельных двигателей аналогичной мощности. Поскольку пространство над ватерлинией на пассажирских судах и паромах (особенно с автомобильной палубой) имеет большое значение, на этих судах, как правило, используются несколько среднеоборотных двигателей, что приводит к более длинному и низкому машинному отделению, чем необходимо для двухтактных дизельных двигателей. Установка с несколькими двигателями также обеспечивает резервирование в случае механического отказа одного или нескольких двигателей, а также возможность повышения эффективности в более широком диапазоне условий эксплуатации.
Поскольку гребные винты современных кораблей наиболее эффективны на рабочей скорости большинства тихоходных дизельных двигателей, судам с этими двигателями обычно не требуются коробки передач. Обычно такие двигательные установки состоят из одного или двух гребных валов, каждый со своим двигателем с прямым приводом. Суда, приводимые в движение средне- или высокоскоростными дизельными двигателями, 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 на одном валу установлено более одного двигателя, каждый двигатель, скорее всего, будет приводиться в движение через сцепление, что позволяет отсоединить неиспользуемые двигатели от коробки передач, в то время как другие продолжают работать. Такое расположение позволяет проводить техническое обслуживание прямо на ходу, даже вдали от порта.
Многие военные корабли, построенные с 1960-х годов, использовали газовые турбины в качестве двигательной установки, как и несколько пассажирских кораблей, таких как реактивные крылья . Газовые турбины обычно используются в сочетании с другими типами двигателей. Совсем недавно на RMS Queen Mary 2 помимо дизельных двигателей были установлены газовые турбины . Из-за их низкого теплового КПД при низкой мощности (крейсерской) мощности корабли, использующие их, обычно имеют дизельные двигатели для крейсерского хода, а газовые турбины зарезервированы для случаев, когда необходимы более высокие скорости. Однако в случае пассажирских судов основная причина установки газовых турбин заключалась в том, чтобы обеспечить сокращение выбросов в чувствительных экологических зонах или во время нахождения в порту. [5] Некоторые военные корабли и несколько современных круизных лайнеров также использовали паровые турбины для повышения эффективности своих газовых турбин в комбинированном цикле , где отходящее тепло выхлопов газовой турбины используется для кипячения воды и создания пара для приведения в движение пара. турбина. В таких комбинированных циклах тепловой КПД может быть таким же или немного выше, чем у одних только дизельных двигателей; однако сорт топлива, необходимый для этих газовых турбин, намного дороже, чем для дизельных двигателей, поэтому эксплуатационные расходы все еще выше.
Некоторые частные яхты, такие как « Аламшар » Ага Хана , также оснащены газотурбинной силовой установкой (Pratt and Whitney ST40M), [6] которая обеспечивает максимальную скорость до 70 узлов, что уникально для 50-метровой яхты. [7]
Судоходные компании обязаны соблюдать правила Международной морской организации (ИМО) и Международной конвенции по предотвращению загрязнения выбросами с судов . Двухтопливные двигатели работают на судовом дизельном топливе, мазуте или сжиженном природном газе (СПГ). Морской двигатель СПГ имеет несколько вариантов топлива, что позволяет судам проходить транзитом, не полагаясь на один тип топлива. Исследования показывают, что СПГ является наиболее эффективным из видов топлива, хотя ограниченный доступ к заправочным станциям СПГ ограничивает производство таких двигателей. Суда, предоставляющие услуги в сфере СПГ, были модернизированы двухтопливными двигателями, которые доказали свою исключительную эффективность. Преимущества двухтопливных двигателей включают топливную и эксплуатационную гибкость, высокую эффективность, низкий уровень выбросов и преимущества в эксплуатационных расходах.
Двигатели, работающие на сжиженном природном газе, предлагают морской транспортной отрасли экологически чистую альтернативу для обеспечения судов энергией. В 2010 году STX Finland и Viking Line подписали соглашение о начале строительства крупнейшего экологически чистого круизного парома. Строительство NB 1376 завершится в 2013 году. По данным Viking Line, судно NB 1376 будет работать преимущественно на сжиженном природном газе. Выбросы оксидов азота 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 преимущества в эксплуатационных расходах привели к постепенному росту использования СПГ в двигателях. [8]
С конца 1980-х годов шведский кораблестроитель Kockums построил ряд успешных подводных лодок с двигателем Стирлинга. [9] [10] Подводные лодки хранят сжатый кислород, чтобы обеспечить более эффективное и чистое внешнее сгорание топлива при погружении, обеспечивая тепло для работы двигателя Стирлинга. В настоящее время двигатели используются на подводных лодках классов «Готланд » и «Сёдерманланд» , а также на японской подводной лодке класса «Сёрю» . [11] Это первые подводные лодки с воздухонезависимой двигательной установкой Стирлинга (AIP), которая продлевает подводную продолжительность плавания с нескольких дней до нескольких недель. [10]
Теплоотводом двигателя Стирлинга обычно является температура окружающего воздуха. В случае двигателей Стирлинга средней и высокой мощности обычно требуется радиатор для передачи тепла от двигателя в окружающий воздух. Преимущество судовых двигателей Стирлинга заключается в использовании воды температуры окружающей среды. Размещение секции радиатора охлаждения в морской воде, а не в окружающем воздухе, позволяет уменьшить размер радиатора. Охлаждающая вода двигателя может использоваться прямо или косвенно для обогрева и охлаждения корабля. Двигатель Стирлинга потенциально может использоваться в качестве силовой установки для надводных кораблей, поскольку больший физический размер двигателя не вызывает беспокойства.
Хотя в настоящее время водород обычно не используется в морской отрасли, водород в качестве альтернативы ископаемому топливу является областью, требующей значительных инвестиций. С 2018 года судоходная компания Maersk обязалась стать безуглеродной к 2050 году, и эту цель они планируют достичь частично за счет инвестиций в технологию водородного топлива. [12] Хотя водород и является многообещающим топливом, у него есть несколько недостатков. Водород гораздо более легковоспламеняем, чем другие виды топлива, такие как дизельное топливо, поэтому необходимо принять меры предосторожности. Он также не очень энергоемкий, поэтому его необходимо сильно сжать, чтобы увеличить его энергетическую плотность настолько, чтобы он стал практичным, подобно метану и СПГ. [12] Водород может быть извлечен либо с помощью системы топливных элементов, либо сожжен в двигателе внутреннего сгорания, подобно дизельным двигателям, которые в настоящее время используются в морской промышленности. [13]
Аккумуляторно-электрическая силовая установка впервые появилась во второй половине XIX века и использовалась для небольших озерных лодок. Они полностью полагались на свинцово-кислотные батареи для получения электрического тока для питания своих пропеллеров. Elco (компания Electric Launch) превратилась в лидера отрасли, а затем расширилась до других типов судов, включая культовый катер времен Второй мировой войны .
В начале 20 века электрическая двигательная установка была адаптирована для использования на подводных лодках . Поскольку подводное движение, приводимое исключительно в движение тяжелыми батареями, было медленным, имело ограниченный радиус действия и продолжительность действия, были разработаны аккумуляторные батареи. Подводные лодки в основном приводились в движение комбинированными дизель-электрическими системами на поверхности, которые были намного быстрее и позволяли значительно расширить дальность действия, заряжая свои аккумуляторные системы по мере необходимости для все еще ограниченных подземных действий и продолжительности действия. Экспериментальная подводная лодка Holland V привела к принятию этой системы на вооружение ВМС США , а затем и Британского Королевского флота .
Чтобы увеличить дальность и продолжительность действия подводной лодки во время Второй мировой войны, немецкая Кригсмарине разработала систему шноркеля , которая позволяла использовать дизель-электрическую систему, когда подводная лодка была практически полностью погружена в воду. Наконец, в 1952 году был спущен на воду USS Nautilus , первая в мире атомная подводная лодка, на которой были сняты ограничения как на дизельное топливо, так и на аккумуляторную двигательную установку ограниченного срока службы.
Несколько кораблей ближнего действия построены (или переоборудованы) как чисто электрические суда . Сюда входят некоторые из них, питающиеся от батарей, которые заряжаются с берега, а некоторые с береговым питанием от электрических кабелей , расположенных над головой или под водой (без батарей).
12 ноября 2017 года компания Guangzhou Shipyard International (GSI) спустила на воду, возможно, первый в мире полностью электрический речной угольный транспортер с батарейным питанием. Судно дедвейтом 2000 тонн будет перевозить навалочные грузы на расстояние до 40 морских миль за один заряд. Корабль оснащен литий-ионными батареями емкостью 2400 киловатт-часов, что примерно столько же, сколько у 30 электрических седанов Tesla Model S. [14] [15]
Дизель -электрическая передача мощности от двигателя к гребному винту обеспечивает гибкость в распределении оборудования внутри судна при более высоких первоначальных затратах, чем двигатель с прямым приводом. Это предпочтительное решение для судов, на которых используются гребные винты, установленные на гондоле, для точного позиционирования [16] или снижения общей вибрации за счет очень гибких соединений. [17] [18] Дизель-электрический двигатель обеспечивает гибкость в распределении выходной мощности для приложений на борту, кроме силовой установки. [19] Первым дизель-электроходом стал русский танкер «Вандал» , спущенный на воду в 1903 году. [20]
Турбоэлектрическая трансмиссия использует электрогенераторы для преобразования механической энергии турбины (пара или газа) в электрическую энергию, а электродвигатели — для преобразования ее обратно в механическую энергию для привода карданных валов. Преимущество турбоэлектрической трансмиссии в том, что она позволяет комбинировать высокоскоростные турбины с медленно вращающимися гребными винтами или колесами, не требуя тяжелой и сложной коробки передач. Его преимущество состоит в том, что он может обеспечивать электроэнергией другие электрические системы корабля или поезда, такие как освещение, компьютеры, радар и оборудование связи. [ нужна ссылка ] [21]
Для передачи вращательной силы вала в тягу на современных торговых судах чаще всего используются гребные винты. Развиваемая тяга от винта передается на корпус через подпятник.
С течением времени были разработаны многочисленные типы двигательных установок. К ним относятся:
Весла, одна из старейших форм морского движения, были обнаружены еще в 5000–4500 годах до нашей эры. [22] Весла используются в гребных видах спорта, таких как гребля, каякинг, каноэ. [23]
Морские гребные винты также известны как «винты». Существует множество разновидностей морских винтовых систем, в том числе сдвоенные винты, винты противоположного вращения, с регулируемым шагом и сопла. В то время как суда меньшего размера, как правило, имеют один винт, даже очень большие суда, такие как танкеры, контейнеровозы и сухогрузы, могут иметь один винт из соображений топливной эффективности. 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. Затем гребной винт перемещает судно, создавая тягу. Когда гребной винт вращается, давление перед гребным винтом ниже, чем давление за гребным винтом. Сила разницы давлений толкает гребной винт вперед. [24]
Гребное колесо представляет собой большое колесо, обычно построенное из стального каркаса , на внешнем крае которого установлены многочисленные лопасти (называемые поплавками или ковшами ). Нижняя четверть колеса или около того движется под водой. Вращение лопастного колеса создает тягу вперед или назад по мере необходимости. В более совершенных конструкциях гребных колес используются методы флюгирования , которые удерживают каждую лопасть лопасти ближе к вертикали, пока она находится в воде; это повышает эффективность. Верхняя часть гребного колеса обычно заключена в лопастной ящик, чтобы свести к минимуму разбрызгивание.
На смену гребным колесам пришли винты, которые являются гораздо более эффективной формой движения. Тем не менее гребные колеса имеют два преимущества перед винтами, что делает их пригодными для судов на мелководье и в стесненных водах: во-первых, они реже забиваются препятствиями и мусором; а во-вторых, при встречном вращении они позволяют судну вращаться вокруг собственной вертикальной оси. Некоторые суда имели один винт в дополнение к двум гребным колесам, чтобы получить преимущества обоих типов силовой установки.
В водометном , водометном , водометном или водометном приводе используется пропеллер с каналом ( осевой насос ), центробежный насос или насос смешанного потока для создания струи воды для движения.
Они включают в себя водозаборник для исходной воды и сопло для направления ее потока наружу, создания импульса и в большинстве случаев использования вектора тяги для управления кораблем. [25]
Водометы встречаются на личных плавсредствах , мелкосидящих речных лодках и торпедах.
Целью парусов является использование энергии ветра для приведения в движение судна , саней , доски , транспортного средства или ротора . В зависимости от угла вашего паруса будет разница в направлении движения вашей лодки и направления ветра. [26] Дакрон часто использовался в качестве материала для парусов из-за его прочности, долговечности и простоты в уходе. Однако, когда его вплетали в него, у него были недостатки. В настоящее время ламинированные паруса используются для предотвращения ослабления парусов при вплетении. [27]
Пропеллер Voith Schneider (VSP) — это практичный циклоротор , обеспечивающий мгновенную тягу в любом направлении. Нет необходимости поворачивать движитель. Большинству кораблей с ВСП руль направления не требуется или не имеется. ВСП часто используются на буксирах, буровых судах и других плавсредствах, требующих необычайно хорошей маневренности. Приводы Voith-Schneider, впервые внедренные в 1930-е годы, надежны и доступны в больших размерах. [28]
Первым необычным средством передвижения лодок была водная гусеница. Это привело к перемещению ряда лопастей на цепях по днищу лодки, чтобы передвигать ее по воде, и предшествовало развитию гусеничных транспортных средств . [29] Первая водная гусеница была разработана Жозефом-Филибером Дебланом в 1782 году и приводилась в движение паровым двигателем. В Соединенных Штатах первая водяная гусеница была запатентована в 1839 году Уильямом Ливенвортом из Нью-Йорка. [ нужна цитата ]
В 1997 году Грегори С. Кеттерман запатентовал метод движения с использованием колеблющихся закрылков, приводимых в движение педалями. [30] Компания Hobie позиционирует в своих каяках метод движения как «педальную двигательную систему MirageDrive». [31]
Подводные планеры преобразуют плавучесть в тягу, используя крылья или, в последнее время, форму корпуса (SeaExplorer Glider). Плавучесть делается поочередно отрицательной и положительной, создавая профили зубчатой пилы.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )