Гражданские суда и корабли ВМФ – это одни из наиболее сложных инженерных сооружений, когда либо созданных человечеством. В зависимости от назначения судна оно предназначено для перевозки различных грузов. Кроме того к морской технике относятся морские инженерные сооружения, предназначенные для различных целей, например, для бурения скважин на шельфе и добычи нефти.
Морское судно – сложная техническая система, предназначенная для перевозки грузов и специальной техники. Судно – сложная техническая система – совокупность оборудования – большого количество разнообразных механизмов, оборудования, систем и комплексов, объединенная единой целью – взаимодействующих для решения задач, стоящих перед судном. На рис. 1 представлена структура подсистем сложной технической системы – судна.
На рис.1 представлены крупные энергетические комплексы в составе судна. Менее крупные рассмотрены ниже в разделах учебного пособия. Энергетические комплексы морской техники классифицируются по выполняемой ими функции. В первую очередь следует выделить комплексы обеспечивающие выработку различных видов энергии. Это – судовая силовая установка (ССУ), обеспечивающая выработку механической энергии для движения судна. Это судовая электростанция (СЭС), обеспечивающая выработку электрической энергии. Это вспомогательная котельная установка (ВКУ), обеспечивающая выработку тепловой энергии в виде энергии пара. Все прочие энергетические комплексы на судне являются потребителями энергии, вырабатываемой СЭС и ВКУ.
Корпус судна при своем движении преодолевает сопротивление движению за счет упора движителя. На рис. 2 приведена структурная схема пропульсивного комплекса (ПК) – энергетического комплекса обеспечивающего движение судна. В состав ПК входят: главные судовые двигатели, обеспечивающие преобразование энергии сжигаемого топлива в механическую энергию вращения вала двигателя;
передачи мощности, обеспечивающие преобразование вида энергии или частоты вращения;
валопроводы, обеспечивающие перенесение вращательного движения в пространстве и подводящие энергию к движителю;
движители, за счет формы лопастей преобразующие вращательную энергию в механическую энергию поступательного движения – упор винта.
Судовая электростанция обеспечивает выработку электрической энергии за счет энергии сжигаемого топлива. В ее состав входят вспомогательные двигатели, генераторы электрической энергии, главные распределительные устройства – главные щиты (ГРЩ). Последние суммируют электрическую энергию вырабатываемую несколькими источниками и распределяет ее по местным щитам и подводят к крупным механизмам, питающихся от ГРЩ.
Вспомогательная котельная установка (ВКУ) обеспечивает выработку тепловой энергии пара за счет использования различных первичных источников энергии. На рис.3 представлена структурная схема ВКУ.
Основной элемент вспомогательной котельной установки – различного рода котлы:
вспомогательные, использующие теплоту сжигаемого топлива;
утилизационные, вырабатывающие пар за счет теплоты выпускных газов главных двигателей;
инсенираторы, предназначенные в основном для уничтожения твердых бытовых и технических отходов и нефтесодержащих вод. Одновременно эти котлы могут вырабатывать определенное количество пара.
Все котлы вспомогательной котельной установки – циркуляционные – в них преобразуется в пар только часть поступающей воды – обычно не более 25%. Образующаяся пароводяная смесь направляется в сепараторы – емкости, в которых за счет сил гравитации происходит отделение воды, скапливающейся в нижней части сепаратора и снова поступающей к питательному насосу для подачи в котел. Пар собирается в верхней части сепаратора, откуда направляется к потребителям.
Все остальные энергетические комплексы на судне для своего функционирования потребляют электрическую или тепловую энергии или их одновременно. Эти энергетические комплексы в основном относятся к системам (СЭУ и общесудовым) и судовым устройствам.
Системы обеспечивают СЭУ и судовых потребителей рабочими телами – жидкостями и газам. Для всех систем характерен типовой состав: емкости для хранения рабочих тел (цистерны, диптанки, баллоны), гидравлические машины для подвода энергии к рабочим телам (насосы, вентиляторы, компрессоры), теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева или охлаждения рабочих тел (кожухотрубные, пластинчатые, смесительные), трубопроводы для перемещения рабочих тел в пространстве, арматура – для регулирования параметров рабочих тел, фильтры для очистки рабочих тел.
Отсутствие в составе системы тех или иных стандартных элементов подтверждает общее правило – их состав одинаковый. Например, система забора воздуха к малооборотным двигателям внутреннего сгорания не содержит ни одного из перечисленных элементов. Но это потому, что воздух забирается из машинного отделения (МКО), где и стоит двигатель. В МКО воздух поступает с вентиляцией, которая включает вентиляторы. В двигатель воздух поступает за счет работы нагнетательного турбокомпрессора, работающего на энергии выпускных газов и входящего в состав главного двигателя. На входе в компрессор стоит глушитель шума. Вследствие малого пути проходимого воздухом до поступления в компрессор трубопровод не нужен.
Состав отдельных систем СЭУ и общесудовых систем рассмотрен далее в разделах посвященном системам.
В состав судовых устройств также входит значительное количество энергетических комплексов. Судовые устройства – совокупность приспособлений для обеспечения эксплуатационных и навигационных свойств судна. Они делятся на общесудовые, находящее применение практически на всех судах, это: рулевые и подруливающие устройства, все палубные механизмы, включающие якорно-швартовные устройства, шпили, брашпили, грузоподъемные устройства, буксирные и спасательные. На специальных судах применяются специальные судовые устройства, связанные со спецификой судна или морского инженерного сооружения. На промысловых судах устанавливаются промысловые устройства, например, траловые лебедки, на буровых платформах – устройства для подводного бурения.
Однако не все судовые устройства являются энергетическими комплексами. Например, леерное устройство не относится к ЭКМТ. Это также относится по большей части к шлюпочным и буксирным устройствам. Однако, иногда, шлюпочные устройства включают грузоподъемные механизмы с электрическим приводом, а буксирные устройства могут включать буксирные лебедки.
Все судовые устройства, относящиеся к ЭКМТ, используют электрическую энергию, вырабатываемую судовой электростанцией.
В энергетических комплексах морской техники происходят процессы преобразования одних видов энергии в другие. На судне имеется запас энергии в виде химической энергии жидкого органического топлива (запас топлива) или внутриядерной энергии урана с атомной массой 235 а.е.(в виде загрузки ядерного реактора). На рис. 4 приведена схема преобразования энергии в пропульсивной установке на органическом топливе с двигателями внутреннего сгорания.
При сгорании органического топлива – продукта перегонки или крекинга нефти, химическая энергия топлива – энергия связей атомов в составе молекулы (в основном углерода и водорода) преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания – газов (смеси включающей в основном молекулы углекислого газа СО2, воды H2O, сернистых окислов SO2, азота N2 и кислорода О2). Тепловая энергия это энергия хаотического движения молекул указанных газов. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы и их кинетическая энергия выше. Вследствие повышения кинетической энергии молекул газов увеличивается давление газа на оболочку цилиндра вследствие ударов молекул газа об оболочку. Одна из стенок цилиндра – поршень может двигаться, и энергия давления газов преобразуется в энергию поступательного движения поршня – в механическую энергию как произведение силы давления газов на поршень и скорости движения поршня (кНм/с). При помощи кривошипно-шатунного механизма механическая энергия поступательного движения поршня преобразуется в механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя.
На морских судах чаще всего (до 95%) применяются малооборотные главные двигатели (МОД), работающие на винт без изменения частоты. В случае применения среднеоборотных двигателей (до 5% по числу судов) частота главных двигателей понижается в редукторе. Этот этап преобразования механической энергии с высокой частотой в энергию с низкой частотой, необходимой для винта, отмечен на рисунке штриховым контуром (его может и не быть в случае применения МОД). Выходной фланец главного двигателя (МОД) или редуктора соединен в валопроводом. В нем энергия не преобразуется – она переносится в пространстве от двигателя или редуктора к винту, расположенного за кормой судна. На винте механическая энергия вращательного движения преобразуется в упор винта, обеспечивающий движение судна. На корпусе механическая энергия движения за счет трения корпуса о воду и воздух, а также волнообразование преобразуется в тепловую энергию и рассеивается в окружающую среду.
Электрическая энергия в установках на органическом топливе производится в дизель-генераторах с приводом от СОД и ВОД и реже в валогенераторах, приводимых от главных двигателей. Если это МОД, то валогенератор приводится от носового фланца двигателя через мультипликатор. Передаточное отношение последнего определяется как отношение синхронной частоты генератора к частоте коленчатого вала двигателя на режиме длительной эксплуатационной мощности. Синхронная частота генератора определяется частотой тока и числом пар полюсов в составе генератора. В России принята стандартная частота тока равной 50 Гц с допуском на частоту 
2,5 Гц. Таким образом, синхронная частота равна: 50*60/Z, где Z – число пар полюсов в составе электрогенератора. Однополюсный генератор требует слишком большой частоты приводного двигателя – 3000 об/мин. Эта частота на верхнем пределе ВОД, обладающих малым моторесурсом. Для привода однополюсного валогенератора требуется двухступенчатый мультипликатор, поэтому однополюсные генераторы применяются крайне редко. Для получения электроэнергии используются трехполюсные или двухполюсные генераторы.
Схема преобразования энергии в дизель-генераторе повторяет позиции 1 – 5 рис.4 и завершается преобразованием механической энергии вращения вала приводного двигателя, обычно СОД, в электрическую энергию, отдаваемую в судовую сеть через главный распределительный щит.
Схема преобразования энергии в случае привода валогенератора от вала МОД повторяет позиции 1 – 6 рис. 4, но в качестве редуктора применяется мультипликатор – повышающий редуктор с передаточным отношением 12 – 15. Кроме этого в его состав входят паразитные шестерни, позволяющие присоединить валогенератор к носовому фланцу МОД, отнести валогенератор от оси двигателя и расположить его параллельно двигателю с поворотом в корму (для сокращения длины агрегата, см. рис.5).
На рис. 5 отмечены два элемента в составе установки, не упомянутые ранее. Это – СЧ – стабилизатор частоты и УГТ – утилизационная газовая турбина на выпускных газах двигателя. Стабилизатор частоты необходим для того, чтобы частота тока не выходила за допустимые пределы, указанные выше: 50 2,5 Гц. Возможность отклонения частоты от синхронной связана с изменением загрузки судна, а следовательно и изменением скорости. Скорость судна v и частота вращения винта n связаны следующей зависимостью: n = lp/v, где lp = lp opt – шаговое отношение винта, соответствующее максимуму КПД винта. Ток с частотой вне пределов допуска не пригоден для использования, например, снижение частоты тока, вырабатываемого генератором приводит к аналогичному снижению частоты электродвигателя, приводящего, например, насос. Падение частоты насоса приводит к снижению его подачи, что может привести к аварии смазываемых или охлаждаемых деталей. Применяются разные стабилизаторы частоты тока. Наиболее распространен гидро-механический стабилизатор с планетарным редуктором и гидромотором, подкручивающим эпицикл.
УГТ – утилизационная газовая турбина на части выпускных газов, не используемых для работы газотурбонагнетателя (ГТН). В выхлопную трубу, минуя ГТН, отводится до 30% газов выходящих из двигателя. Эти газы можно использовать в УГТ и получить дополнительно до 3% мощности двигателя.
Преобразование энергии во вспомогательной котельной установке представлено на рис. 6. Позиции 1 и 2 соответствуют аналогичным позициям на рис. 4: при сжигании жидкого органического топлива химическая энергия преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания. Далее эта тепловая энергия передается воде циркулирующей по трубам. Часть воды испаряется, при этом тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в тепловую энергию водяного пара. Потенциальная энергия давления пара возрастает при повышении температуры пара. Энергия давления пара используется в паровых турбинах, приводящих грузовые насосы на танкерах (достаточно редко). В основном используется тепловая энергия насыщенного пара для подогрева различных потребителей вследствие высоких значений коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к нагреваемым трубам.
Схема преобразования энергии в котлах-инсенираторах соответствует рис. 6.
В утилизационных котлах сохраняются только две позиции рис.6 – тепловая энергия выпускных газов передается воде, циркулирующей по трубам и преобразуется в тепловую энергии испарившейся воды. Последняя передается нагреваемым рабочим телам и помещениям.
На рис. 7 представлена схема преобразования энергии в ядерной установке с электропередачей мощности к азиподу – электродвигателю, расположенному в гондоле. На вале электродвигателя расположен гребной винт. В тепловыделяющих элементах ядерного реактора помещена загрузка ядерного топлива в виде таблеток двуокиси урана. В состав этого урана входит определенное количество (5 – 7%) U235. Остальная масса урана – распространенный изотоп U238, прямо не являющийся ядерным топливом. Внутриядерная энергия U235 заключена в связях нуклонов (протонов и нейтронов) в составе ядра этого элемента. При делении ядер U235 нейтроном возникают два осколка деления, 2 – 3 вторичных нейтрона и различные излучения – a – ядра гелия, b - электроны, g - жесткое электромагнитное излучение. Основная энергия выделяется в виде кинетической энергии осколков деления, которые разлетаются и тормозятся в окружающем веществе, нагревая его. Эта теплота снимается теплоносителем – водой, переносится в парогенератор и обеспечивает испарение воды второго контура.
Во второй контур включена паровая турбина – двигатель с двухкратным преобразованием энергии: сначала энергия давления пара в сопловых аппаратах преобразуется в кинетическую энергию струи пара, далее в рабочих колесах кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины. На валу закреплен электрогенератор, преобразующий механическую энергию вращения в электрическую энергию. Последняя по кабелям переносится в гондолу, закрепленную под кормой судна.
В корпусе гондолы установлен электродвигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую энергию вращения вала электродвигателя. На валу электродвигателя закреплен винт, преобразующий механическую энергию вращения в упор винта, движущий судно. Азипод способен поворачиваться вокруг своей вертикальной оси, чем обеспечивает маневренность судна.
Источники энергии на судах и схемы преобразования первичной энергии в механическую, электрическую и тепловую энергию.