Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Особенности устройства и эксплуатации паровых котлов корабельных КТЭУ: Учебное пособие

Голосов: 17

В учебном пособии рассмотрены назначение, классификация и характеристики корабельных паровых котлов, их конструкция, принцип действия, особенности эксплуатации и технического обслуживания. Пособие предназначено для студентов, обучающихся на военно-морских кафедрах при государственных образовательных учреждениях высшего профессионального образования по военно-учетной специальности "Эксплуатация и ремонт паросиловых энергетических установок надводных кораблей".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                     Федеральное агентство по образованию
       Дальневосточный государственный технический университет
                     (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)




                          А. Б. Гусаров

          Особенности устройства и эксплуатации
           паровых котлов корабельных КТЭУ




     Допущено УМО ВУС ВМФ в качестве учебного пособия по военно-
специальным дисциплинам для студентов вузов, обучающихся на военных
кафедрах по программам подготовки офицеров запаса ВМФ в области
корабельной энергетики.




                            Владивосток
                               2006


УДК 621.18:623.85
Г 96
     Гусаров,А.Б. Особенности устройства и эксплуатации паровых котлов
корабельных КТЭУ: учеб. Пособие/ А.Б. Гусаров. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ,
2006. – 120с.
     ISBN

     В учебном пособии рассмотрены назначение, классификация и характеристики
корабельных паровых котлов, их конструкция, принцип действия, особенности
эксплуатации и технического обслуживания.
     Пособие предназначено для студентов, обучающихся на военно-морских
кафедрах    при    государственных   образовательных   учреждениях    высшего
профессионального образования по военно-учётной специальности « Эксплуатация и
ремонт паросиловых энергетических установок надводных кораблей».



     Рецензенты:
     А.Дудин, начальник военной кафедры №1 ФВО МГУ им. адмирала Г.И.
Невельского, капитан 1-го ранга, доцент;
     А.Р. Крукович, ст. преподаватель военной кафедры устройства и живучести
корабля ТОВМИ им. С.О. Макарова, к.т.н, доцент, капитан 2-ого ранга.




    Печатается с оригинал-макета, подготовленного автором




    ISBN        ©                                         А.Б. Гусаров, 2006
           ©                                              ДВГТУ, изд-во 2006


                         Принятые сокращения

БЗЖ – борьба за живучесть;
БЗК – быстрозапорный клапан;
БЗУ – быстрозапорное устройство;
ВНУ – воздухонаправляющее устройство;
ВСК – вспомогательный стопорный клапан;
ВУ – вязкость условная;
ВХЛ – водно-химическая лаборатория;
ГОУ – газоочистное устройство;
ГРДП – главный регулятор давления пара;
ГТЭУ – газотурбинная энергетическая установка;
ДДУ – датчик дистанционного управления;
ДУ – дистанционный указатель;
ДУУМ – дистанционный указатель уровня мембранный;
ДЭУ – дизельная энергетическая установка;
ИУ – измерительное устройство;
КВГ – котел высоконапорный главный;
КИП – контрольно-измерительные приборы;
КК – командир корабля;
КЛТМ – корабельная лаборатория анализа топлива и масла;
КПД – коэффициент полезного действия;
КТЭУ – котлотурбинная энергетическая установка;
КУ – Корабельный устав;
МКО – машинно-котельное отделение;
МКУ – машинно-котельная установка;
НК – надводный корабль;
ПДУ – пост дистанционного управления;
ПК – паровой котел;
ПКБТ – питательно-конденсатно-бустерный турбоагрегат;
ПМР – плавучая мастерская (котлоочистная) рейдовая;
ППО – планово-предупредительный осмотр;
ППР – планово-предупредительный ремонт;
ПЭКУ – Правила эксплуатации котельных установок;


                                    3


РБЖ – Руководство по борьбе за живучесть;
РБИТС – Руководство по боевому использованию технических средств
РГ – регулятор горения;
ТНА – турбонаддувочный агрегат;
ТЦ – топливная цистерна;
ЦГК – цистерна грязного конденсата;
ЭУ – энергетическая установка;
ЭМЧ – электромеханическая часть.




                                   4


                                  Введение
       Применение водяного пара для различных целей и устройств, облегчаю-
щих труд человека, осуществлялось очень давно, раньше, чем была изобретена
паровая машина. К таким устройствам можно отнести, например, шар Герона
Александрийского ( около 120 г. до н. э.) и паровую пушку Леонардо да Винчи
(XVв.). Агрегаты, генерирующие пар для использования с целью получения ме-
ханической работы, созданы несколько столетий спустя.
       Впервые паровой котел как генератор, производитель пара, был отделен
от исполнительного механизма в 1600 г. в установке Джамбатиста дела Порта
для подъема воды. Однако отсутствие в то время универсального парового дви-
гателя тормозило развитие паровых котлов.
       Практическое применение различных тепловых двигателей стало воз-
можным в результате развития учения о тепловой энергии. Особые заслуги в
этой области принадлежат гениальному русскому ученому М. В. Ломоносову,
который разработал атомно-молекулярную концепцию, нашедшую конкретное
воплощение в его кинетической теории теплоты и молекулярной теории ве-
ществ. Он впервые объяснил, что тепловые явления обусловлены механическим
движением материальных частиц. История развития теплотехники неразрывно
связана с разработкой и совершенствованием теплового двигателя, первым из
которых являлась паровая поршневая машина.
       Начало технической революции, в которую человечество вступило в 1700
г., послужило основой к резкому изменению демографических, экономических
и технологических путей развития мировой цивилизации.
       В 1763 г. талантливый русский теплотехник И. И. Ползунов разработал
первый проект универсального парового двигателя, а в 1766 г. по его второму
проекту была построена вся установка, которая состояла из поршневой машины
и парового котла. В последнем был применен предварительный подогрев пита-
тельной воды, а также автоматический регулятор питания, что по существу яв-
ляется прообразом регулирования современного котла. В дальнейшем установ-
ки для получения и использования пара все более совершенствовались. Анг-
лийский изобретатель Д. Уатт в 1784 г. запатентовал универсальный паровой
двигатель; это произошло на много лет позже испытания установки, построен-
ной по проекту И. И. Ползунова. Бурное развитие паротехники особенно на-
блюдалось в XIX в., что обусловливалось ростом промышленного капитала.
Успехи использования пара в промышленности оказали большое влияние на
развитие средств транспорта.
       Создание паровых судов относится к началу XIX в. В связи с ростом тор-
говли возникла необходимость в судах с паровыми двигателями. В 1803 г. на р.
Сене демонстрировал свое первое паровое судно изобретатель Р.Фултон. В
1807 г. им же построенный колесный пароход «Клермонт» с паровым двигате-
лем мощностью 20 л. с. и небольшим судовым котлом с дровяным отоплением
отправился в первый рейс по р. Гудзон от Нью-Йорка до Олбани.
       В России на Ижорском заводе в 1811 г. впервые был построен паровой дно-

                                      5


углубительный снаряд. 3 ноября 1815 г. первый русский пассажирский пароход
«Елизавета» совершил рейс от Санкт-Петербурга до Кронштадта. На пароходе
была установлена паровая машина небольшой мощности, судно имело скорость 5
уз. Избыточное давление пара в котле составляло 0,2 — 0,3 кгс/см2. К 1820 г. в
России было построено несколько таких пароходов. Семь лет спустя в мировом
флоте насчитывалось около тысячи судов с паровыми машинами. С этого времени
рост тоннажа паровых судов стал обгонять рост тоннажа парусного флота.
      В первой половине XIX в. в России на нескольких заводах были построены
паровые котлы в основном коробчатого типа, которые предшествовали появле-
нию пролетных и так называемых оборотных огнетрубных котлов. В это время
большую роль в развитии огнетрубных котлов сыграли отец и сын Черепановы,
создавшие в 1833— 1835 гг. первый в России паровоз, что предшествовало появ-
лению огнетрубных котлов на судах. Русский теплотехник С. В. Литвинов пред-
ложил применить перегрев пара в котле оригинальной конструкции. Однако эти
идеи смогли быть реализованы только в конце XIX в.
      Необходимость в котлах с большой паропроизводительностью способных
                                                                   ,
работать при повышенных давлениях пара и в то же время имеющих малые раз-
меры и массу, привела к созданию в 70-х годах XIX в. огнетрубных котлов, в ко-
торых большая часть поверхности нагрева образована трубками небольшого диа-
метра; снаружи трубки омываются водой, а внутри них проходят уходящие из
топки котла дымовые газы. К этому периоду относится применение в котлах уст-
ройств для получения перегретого пара, а несколько позже в котлах стали исполь-
зовать для горения топлива воздух, подогретый теплом уходящих газов. Приме-
нение цилиндрических огнетрубных котлов позволило поднять давление пара до
16 кгс/см2.
      По мере дальнейшего развития паровых турбин огнетрубные котлы не
могли удовлетворить потребности в паре высоких параметров, поэтому в конце
XIX в. начали создаваться водотрубные котлы. Поверхность нагрева водотруб-
ного котла образована трубками, внутри которых циркулирует вода, а снаружи
проходят дымовые газы.
      Одним из первых типов водотрубных котлов был так называемый секци-
онный котел, получивший свое название вследствие того, что водогрейные
трубки вставлялись в передние и задние камеры, образуя отдельные секции. В
России такие котлы начали строить с 1891 г. на Петербургском металлическом
заводе: использовались они как в судовых, так и стационарных установках.
Уменьшение размеров составных частей секционных котлов позволило увели-
чить давление пара. В настоящее время давление пара в секционных котлах
достигает 50 кгс/см2.
      Однако секционные котлы были сложными в изготовлении и недостаточно
надежными в работе из-за слишком большого количества лючков в камерах, по-
этому в конце прошлого века на судах начали применять барабанные водотруб-
ные котлы. Их поверхность нагрева образована двумя пучками кипятильных
трубок, концы которых присоединяются к двум нижним и одному верхнему ба-
рабанам. Топка размещается в пространстве между обоими пучками трубок. Ба-

                                      6


рабанные котлы проще по устройству и легче секционных, они надежнее в экс-
плуатации и превосходят секционные котлы по технико-экономическим показа-
телям. Барабанные водотрубные котлы применяются в настоящее время на судах
как морского, так и речного флота. Их паропроизводительность может достигать
100 т/ч, давление до 100 кгс/см2, температура перегретого пара свыше 500°С.
      К началу XX в. были разработаны и нашли широкое применение более
прогрессивные водотрубные котлы с угольным отоплением. Для военных ко-
раблей использовались два типа таких котлов – горизонтального и вертикаль-
ного исполнения. Наиболее распространенной конструкцией первого типа были
котлы Бельвиля. Компоновочная схема вертикальных котлов предусматривала
паровой и два водяных коллектора, соединенных трубами (котлы треугольного
типа). Вертикальные водотрубные котлы имели значительно меньшую массу и
обеспечивали более высокую маневренность установки. Впервые такие котлы
были установлены в 1890 г. на эскадренном миноносце “Роченсальм”. Рабочее
давление пара в котлах этого корабля было 13 кгс/см2.
      В качестве двигателя использовались паровые машины, конструкцию ко-
торых определяли условия их размещения на судах. Первые двигатели были ба-
лансирного типа, подобно стационарным прототипам. На смену им пришли го-
ризонтальные машины, а в дальнейшем вертикально-опрокинутого типа. Разви-
тие паровых поршневых машин шло по пути увеличения степени расширения
пара, что привело к созданию двухцилиндровых двойного расширения компа-
унд-машин, а затем и трехцилиндровых машин тройного расширения. Возмож-
ности увеличения мощности паровых машин были ограничены диаметром ци-
линдра низкого давления, который не мог превышать 2-2,5 м по конструктивным
и технологическим причинам. Предельная мощность судовой паровой машины
составляла не более 20 000 л.с.
      Период строительства военных кораблей с 1907 г. до первой мировой войны
характеризуется значительным увеличением их водоизмещения и скорости, для
чего потребовались паровые котлы большой паропроизводительности с сущест-
венно меньшей удельной массой. Этим требованиям могли удовлетворять только
вертикально-водотрубные котлы, но их совершенствование сдерживало угольное
отопление. Каменный уголь - топливо с низкой калорийностью, ручная подача его
в топку требует большого физического труда, вследствие этого паровые котлы с
угольным отоплением не могли обеспечить паропроизводительность более 15 т/ч
и к тому же были недостаточно маневренными. Кроме того, несовершенство про-
цесса горения приводило к большой дымности, а следовательно, демаскировало
боевой корабль. Немаловажными факторами являлись значительная трудоемкость
погрузочных работ и неудобство хранения каменного угля.
      Для крупных военных кораблей требовались и более мощные паровые
двигатели. Предшествующее развитие техники и научных исследований, в част-
ности в области теории истечения газов и паров, позволило в конце XIX в. соз-
дать новый тип двигателя - паровую турбину. Идея использования паровой ( а
также газовой) турбины в качестве главного судового двигателя принадлежит
талантливому русскому изобретателю П. Д. Кузьминскому.

                                     7


      На смену паровым поршневым машинам пришли паровые турбины, кото-
рые имели более высокий КПД и меньшие массогабаритные характеристики. Для
применения паровых турбин на кораблях потребовалось выполнить большой объ-
ем теоретических и экспериментальных исследований термодинамических про-
цессов преобразования тепловой энергии пара в механическую работу, а также
построить опытные машины и испытывать их. Впервые паровые прямодействую-
щие турбины реактивного типа были установлены на линейных кораблях типа
“Севастополь”, работу которых обеспечивали 25 водотрубных котлов треугольно-
го типа со смешанным угольно-нефтяным отоплением. Давление пара в котлах
составляло 17 кгс/см2. В энергетической установке этих кораблей был осуществ-
лен замкнутый цикл « пар-конденсат» с генерацией тепла отработавшего пара в
водоподогревателях Несмотря на то, что созданная установка соответствовала
                   .
уровню развития науки и техники того времени, она все же имела недостаток.
Смешанное отопление паровых котлов ограничивало возможность увеличения их
паропроизводительности т.к. при сжигании угля и нефти в топке одновременно
                        ,
требовались различные способы подачи воздуха в топку. Этот недостаток был
устранен в 1910 г. внедрением нефтяного отопления котлов на эскадренных ми-
ноносцах типа “Новик”.
      Таким образом, к 1910        г. были реализованы основные научно-
технические решения, обеспечивающие значительное увеличение паропроизво-
дительности котлов, что позволило наращивать мощность установки с паровы-
ми турбинами при одновременном снижении ее массы и габаритов.
      Вместе с тем паросиловые установки по своим тепловым процессам оста-
вались еще далеко не совершенными. Они имели низкую экономичность и
большие массогабаритные характеристики. Недостаточны были и маневренные
характеристики, такие как время приготовления к действию и время реверса.
Установки обладали низкой живучестью из-за линейного расположения глав-
ных механизмов.
      Очередной этап развития отечественных котлотурбинных установок на-
чался в середине 20- х годов. Было принято целесообразным создавать котло-
турбинные энергетические установки с паровыми котлами с нефтяным отопле-
нием и рабочим давлением пара 20 кгс/см2, температурой 313°С, а также с вы-
сокооборотными турбинами с зубчатой передачей.
     Советскими учеными была разработана теория, служащая для создания
прямоточных котлов. Их основными преимуществами являются малые габари-
ты и масса, простота конструкции и невысокая стоимость изготовления. Осу-
ществить оригинальную конструкцию прямоточного котла удалось в 1932—
1934 гг. профессору Л. К. Рамзину.
      В области развития конструкций паровых котлов большое значение име-
ли работы В.И. Калашникова – создателя водотрубного котла и нефтяной фор-
сунки, В.Г. Шухова – создателя ряда конструкций паровых котлов и форсунок,
В.Я. Долголенко и др. Котлы Долголенко были установлены на многих боевых
кораблях русского флота, в том числе на крейсере “Аврора”.


                                     8


      В соответствии с этой концепцией до 1941 г. в нашей стране были разра-
ботаны и созданы паровые котлы и главные турбозубчатые агрегаты для боль-
шинства проектов кораблей.
      Направление по созданию корабельных паровых котлов последовательно
возглавляли Э.Э. Папмель, М.И. Шулинский, Г.А. Гасанов. Ими был спроекти-
рован паровой котел для сторожевого корабля “Ураган” проекта 39. В процессе
его создания был развернут комплекс научно-исследовательских и эксперимен-
тальных работ по теории горения и внутрикотловых процессов. В январе 1930
г. после стендовых испытаний нескольких вариантов комиссией был принят к
серийному производству паровой котел для этого корабля. В этом же году на
Северной судостроительной верфи во главе с В.А. Бжезинским было организо-
вано ЦКБС-1, в состав которого входили и турбинисты, возглавляемые Б.С.
Фрумкиным. Коллективом турбинистов был создан первый отечественный тур-
бозубчатый агрегат, состоящий из высокооборотных турбин высокого и низко-
го давления и зубчатого редуктора ( максимальная частота вращения гребного
вала составляла 630 об/мин).
      С учетом опыта проектирования и эксплуатации в течение 30-х годов оте-
чественной промышленностью были спроектированы и построены несколько
котлотурбинных энергетически установок большой мощности для лидеров эс-
кадренных миноносцев. В ряде случаев при испытаниях, а также в период экс-
плуатации выявились отдельные недостатки и просчеты при проектировании.
Особенно много их было обнаружено у энергетической установки для лидера эс-
кадренных миноносцев “ Ленинград” проекта 1. Так, уже на стенде выявились
неполадки с циркуляцией воды в главном котле, которые приводили к разрыву
трубок. Кроме того, были отмечены серьезные неисправности в работе редукто-
ров, турбин высокого давления, главных конденсаторов и отдельных вспомога-
тельных механизмов. Проектирование и поставка оборудования энергетических
установок для некоторых проектов надводных кораблей велись при участии ино-
странных фирм (“Ансальдо”, “Метрополитен-Виккерс”, “Парсонс” и др.).
      В конце 30- х годов по мере накопления опыта проектирования, заверше-
ния теоретических экспериментальных работ и совершенствования технологии
изготовления корабельного оборудования отечественная судостроительная
промышленность самостоятельно приступила к постройке энергетических ус-
тановок легких крейсеров типа “ Чапаев” проекта 68 и тяжелого крейсера
“Кронштадт” проекта 69.
      Опыт Второй мировой войны показал, что котлотурбинные энергетические
установки большинства классов кораблей имеют недостаточную топливную эко-
номичность, маневренность, долговечность котельных трубок, а также большие
массогабаритные показатели. Для решения этих проблем необходимо было вос-
становить специализированные предприятия и конструкторские бюро. Так, в 1946
г. было создано специальное КБ котлостроения, которое возглавил Г.А. Гасанов. В
1946-1952 гг. на Северной судостроительной верфи было организовано СКБТ, ко-
торое возглавил опытный инженер Г.А. Оглобин.


                                      9


      В своей работе конструкторы использовали результаты исследований уче-
ных Н.Н. Семенова, Я.Б. Зельдовича, Д.А. Франк-Каменецкого, Г.Ф. Кнорре, Л.А.
Вулиса, Г.А. Абагянца, Н.М. Кузнецова. Велись научные работы, которые решали
одну из важнейших проблем по организации смесеобразовательных процессов
подогрева и испарения капель топлива, совершенствованию аэродинамической
основы организации процессов в топке. К выполнению ряда работ были подклю-
чены специалисты Военно-морской академии и военно-морских училищ. Работы
были направлены главным образом на создание высокоэкономичных автоматизи-
рованных паровых котлов с КПД 85—86% и подачей воздуха в топку.
      Проведение новых исследований совпало с началом проектирования кот-
лотурбинных энергетических установок для ряда кораблей: СКР “ Горностай”
проекта 50, ЭМ “Неустрашимый” проекта 41, ЭМ “Веский” проекта 56.
      Для СКР “Горностай” проекта 50 был создан не имеющий аналогов тур-
бозубчатый агрегат ТВ-9, состоящий из однокорпусной высокооборотной тур-
бины реактивного типа, двухступенчатого редуктора с раздвоением мощности
и конденсатора с самопроточной циркуляцией. Для повышения экономичности
установки, начиная с ЭМ “Неустрашимый” проекта 41, в главных котлах КВ-76
были увеличены начальные параметры пара до давления 64 кгс/см2 и темпера-
туры перегрева – до 470° С. С целью увеличения теплонапряжения топочного
объема в котлах были применены подача воздуха в топку с давлением 900-1100
мм.в.ст. и двухфронтовое отопление. Для этих кораблей также разработан вы-
сокооборотный двухкорпусный агрегат ТВ-8, большой мощности, с гибкими
связями подвижных концов турбин с фундаментом. Для этих установок был
создан и принципиально новый автоматизированный насосный турбоагрегат,
включающий три насоса – питательный, конденсатный и бустерный – с единым
высокооборотным турборедукторным приводом. Впервые были использованы
подшипники на водяной смазке.
      В результате комплекса этих работ была разработана новая методология
компоновки энергетического оборудования, позволяющая разместить в одном
энергетическом отсеке паровые котлы и турбозубчатый агрегат с обслуживаю-
щим их оборудованием, что упростило конденсатно-питательную систему, по-
высило экономичность и улучшило массогабаритные характеристики установ-
ки. Без существенных изменений эта установка применялась на большой серии
ЭМ “Веский” проекта 56 и БПК “Гремящий” проекта 57.
      При постройке кораблей в период 60-70- х годов потребовалось создание
более экономичной и компактной котлотурбинной установки большой мощно-
сти. Выполненные в СКБК, ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова, 1-м ЦНИИ МО
исследования показали возможность улучшения характеристик котельной уста-
новки на основе компрессорного наддува воздуха в топку котла с использовани-
ем тепла уходящих газов в турбонаддувочном агрегате. Одновременно коллекти-
вом Кировского завода под руководством главного конструктора В.Э. Берга был
разработан турбозубчатый агрегат ТВ-12 мощностью 45 000 л.с., который стал
основной базовой моделью для надводных кораблей. Используя накопленный
опыт проектирования и достижения науки 50-60-х годов, конструкторам удалось

                                     10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика