Судовой машинодвижительный комплекс (Богомолов В.С., Титов В.В. и Циулин В.А.) (УДК 621.313.322:629.12)

На рыбопромысловых судах в качестве движителя используется винт регулируемого шага (ВРШ), обеспечивающий высокую маневренность и хорошие тяговые характеристики главного двигателя (ГД). Требуемая скорость (тяга) судна может быть достигнута при определенном соотношении частоты вращения гребного вала и величины отношения шага винта. Это позволяет оптимизировать режим нагрузки машинодвижительного комплекса по расходу топлива.

Наряду с установкой ВРШ на гребной вал судна стали устанавливать синхронные валогенераторы (ВГ) для уменьшения мощности и количества вспомогательных дизель-генераторов и сохранения их моторесурса. Это привело к тому, что одновременное использование для оптимизации работы комплекса изменения частоты вращения вала и угла разворота ВРШ оказалось невозможным.

Для поддержания оптимального по расходу топлива соотношения шага винта и частоты вращения вала необходимо при наличии на судне ВРШ создать также и возможность изменения частоты вращения гребного вала, а валогенератор и его система управления при этом должны обеспечивать требуемое качество электроэнергии, в том числе и постоянство частоты тока.

Получение возможной экономии топлива при оптимизации судового машинодвижительного комплекса рассмотрим на примере РТМ-С типа "Прометей". На основании теоретических расчетов годовая экономия дизельного топлива для РТМ с учетом работы энергетической установки в долевых режимах может изменяться и составит в среднем 350-400 т на одно судно.

Регулятор напряжения ВГ обеспечивает высокую точность стабилизации напряжения в статических режимах, а также быстрое его восстановление в динамических режимах. При изменении частоты вращения вала стабилизация напряжения возможна в связи с работой валогенератора на ненасыщенном участке его характеристики холостого хода. Валогенератор судов типа РТМ-С имеет запас по напряжению более 30 %, что позволяет осуществлять глубокое регулирование напряжения при изменении числа оборотов гребного вала. От валогенератора получают электропитание технологические потребители. Главный двигатель имеет всережимный регулятор, предусмотренный для работы на различных оборотах.

Для экспериментальной проверки экономии топлива при оптимальном режиме работы судового машинодвижительного комплекса были проведены испытания в натурных условиях на РТМ-С "Орфей", "Призвание" и "Мамаев курган". Испытания проводились в промысловом районе Центрально-Восточной Атлантики и в Балтийском море при волнении до 6 баллов при встречном и попутном ветрах в ходовом и траловом режимах с выборкой трала. Масса рыбы в заполненном кутке трала достигала 20 т. Скорость судна измерялась с помощью судового лага. При этом учитывалась степень раскрытия пелагического трала. При испытаниях использовались измерительные приборы, установленные в центральном посту управления судном.

Частота вращения вала уменьшалась от номинальной величины 214 об/мин до 180 об/мин, т. е. на 16 %. При этом частота тока ВГ изменялась соответственно от 50 Гц до 42 Гц. Для главного двигателя применялось дизельное топливо и мазут. В качестве основных рассмотрим результаты испытаний на РТМ-С "Призвание" с учетом данных испытаний для всех упомянутых трех судов.

При уменьшении частоты вращения угол разворота ВРШ устанавливался с расчетом поддержания постоянной скорости движения судна при тралении - 4,8 уз. При необходимости увеличить скорость можно переходить на большие обороты с соответствующим изменением угла разворота ВРШ.

При сокращении частоты вращения гребного вала уменьшается среднее давление в цилиндрах двигателя, давление наддува. Температура коллектора ГД при этом снижается на 5 °С, температура в цилиндрах ГД - на 4 °С. Расход топлива уменьшается от 513 кг/ч до 412 кг/ч, т. е. на 20 %, масла - на 16 % при аналогичном сокращении частоты вращения вала. При уменьшении числа оборотов главный двигатель судна работает более ровно: при 180-185 об/мин вибрации не наблюдается. На рис. 1 приведен расход топлива главным дизелем на 1 милю пути при свободном движении судна.

Частота вращения вала не была ниже 180 об/мин, что связано с ограничением роста тока возбуждения выше номинального значения - 186 А. Ток возбуждения ВГ возрастает, но не превышает номинальной величины при указанном диапазоне изменения частоты вращения. Напряжение возбуждения возрастает, но не превышает номинального значения - 127 В. Напряжение валогенератора поддерживается стабильным 380 В с помощью регулятора напряжения. Для ограничения тока возбуждения ВГ целесообразно использовать схему защиты тиристоров блока управления ВГ, выполненную с применением реле с возвратом.

Ток нагрузки ВГ увеличивается, но не превышает номинальной величины, которая составляет 1780 А. Максимальное значение тока соответствует подъему кутка трала на борт судна. Коэффициент мощности изменяется в диапазоне 0,85-0,63 при уменьшении числа оборотов вала.

Из потребителей электроэнергии ВГ наиболее мощные - ваерные лебедки. Их ток нагрузки увеличивается до 510 А и не превышает номинальной величины. Токи нагрузки других потребителей электроэнергии ВГ, к которым относятся компрессор охлаждения рыбы, вентиляторы и др., также не превышали номинальной величины при уменьшении частоты вращения. Изменение параметров валогенератора и ваерных лебедок при тралении с незаполненным кутком показано на рис. 2. Производительность механизмов, питающихся от валогенератора, при уменьшении частоты вращения вала изменилась незначительно и практически не повлияла на нормальную работу технологического оборудования.

Рис. 1. Расход топлива главным дизелем на 1 милю пути при свободном движении судна с частотой вращения вала (в об/мин): 1 - 214; 2 - 200; 3 - 190; 4 - 180

Для повышения динамических свойств системы регулирования напряжения ВГ при уменьшении частоты вращения целесообразно использовать астатические интегрально-пропорциональные регуляторы напряжения, выполненные по принципу подчиненного управления. Эти регуляторы выполняются в виде корректирующих звеньев, состоящих из резисторов и конденсаторов, охватывающих действующие усилители в схеме управления ВГ. В соответствии с условиями технического оптимума производится настройка параметров корректирующих звеньев для достижения требуемых параметров качества переходного процесса. Реализация регуляторов подчиненного управления не требует значительной модернизации блока управления валогенератора и может быть проведена на судоремонтном заводе или даже силами судового экипажа.

Рис. 2. Изменение параметров валогенераторов (а - I_ВН=186 А; б - I_Н=1780 А;) и ваерной лебедки (в - I_Н=460 А) при тралении с незаполненным кутком

При большем диапазоне изменения частоты вращения вала возможен вариант ступенчатого уменьшения напряжения ВГ при одновременном уменьшении частоты вращения. Это целесообразно для сохранения постоянства магнитного потока электрических машин. Однако полное обеспечение требуемых параметров качества электроэнергии на судне при использовании синхронного валогенератора в оптимальном по расходу топлива режиме может быть достигнуто в результате применения тиристорных преобразователей частоты, устанавливаемых между валогенератором и судовой сетью, что возможно учитывать для строящихся судов.