instalatii energetice navale

UI 2: Instalaii energetice navale

55

Unitatea de nvare nr. 2

INSTALAII ENERGETICE NAVALE

Unitatea de studiu 2.1

Instalaii de for cu abur i gaze

Ritm de studiu recomandat: 100 min.

Cuprins

Instalaii energetice navale.

Instalaia energetic naval cu turbin cu abur.

Instalaia energetic naval cu turbin cu gaze.

Instalaii energetice utilizate pentru propulsia navei.

OBIECTIVELE UNITII DE STUDIU 2.1

- expunerea argumentat a caracteristicilor instalaiilor energetice navale;

- identificarea elementelor componente i a princiipiilor de funcionare ale instalaiei

energetice navale cu turbin cu abur;


energetice navale cu turbin cu gaze;


energetice navale utilizate pentru propulsia navei.

2.1.1 Instalaii energetice navale

n cadrul punctului 1.1 al acestei lucrri am identificat instalaiile energetice navale ca

sistemele care produc energia la bordul unei nave. ntr-o prim variant, instalaiile energetice

navale cu simpl conversie, prin arderea combustibilului obin energia mecanic transmis

apoi consumatorului (spre exemplu organul propulsor). ntr-o a doua variant, n instalaiile

energetice navale cu dubl conversie, n prima etap are loc transformarea energiei

combustibilului n energie termic, dup care urmeaz transformarea acesteia (la bordul

navelor cel mai des ntlnite sunt instalaiile diesel-electrice, diesel-hidraulice, etc.).

Astfel instalaiile de propulsie sunt formate din sursa de energie, transmisia de la sursa

de energie la propulsor i propulsor. Energia produs servete la nvingerea rezistenei la

naintare i la deplasarea navei pe ruta dorit, cu viteza impus. n acelai context al abordrii

energetice instalaiile de producere a energiei electrice sunt formate din sursa de energie,

generatoarele electrice i instalaia electric de distribuie la consumatorii bordului. Pentru

nclzirea unor compartimente sau tancuri (mrfurile petroliere cu vscozitate ridicat) sau

pentru antrenarea unor maini utilizate n cadrul instalaiilor de bord, se utilizeaz instalaiile

de for cu abur i gaze. De multe ori la bordul navelor instalaiile de aer comprimat sunt cele

care produc i stocheaz aerul comprimat n vederea utilizrii energiei ncorporate pentru

acionri pneumatice sau n alte scopuri.

Analiza structurii instalaiilor energetice navale, conduce la identificarea subsistemelor

principale, care transform energia combustibilului (cazane de abur, camerele de ardere ale

turbinelor cu gaze sau reactoarele nucleare), a mainilor auxiliare, care transform energia

gazelor de ardere sau a aburului n energie mecanic (motoare cu ardere intern, maini

alternative, turbine etc.) i circuite auxiliare cu tubulaturi (ap, combustibil, ulei i gaze, etc.).


56

Tem pentru studiu 2.1.1: Pentru nelegerea aspectelor teoretice din cadrul acestei

uniti de nvare v recomandm s revedei noiunile de baz din termodinamic:

parametrii termodinamici, mrimi termodinamice, principiile termodinamicii, legile gazelor,

transformri termodinamice, cicluri termodinamice, etc.

2.1.2 Instalaia energetic naval cu turbin cu abur

n cazul generatoarelor de abur (cunoscute n domeniul naval sub termenul de cldri

navale) cldura, rezultat din arderea combustibilului (inclusiv din gazele de evacuare de la

maina principal de propulsie), dintr-o reacie nuclear sau ca urmare a efectului termic al

curentului electric este transferat apei. Apa se nclzete, se evapor, i se transform n abur

saturat iar dac procesul de nclzire continu, aburul obinut devine abur supra-

nclzit.Consumul de abur, necesar la bord, depinde de tipul i clasa navei. n principiu aburul

rezultat n cldarea naval este utilizat pentru acionarea mainilor termice cu abur (maini cu

piston sau turbine cu abur) n cadrul sistemului principal de propulsie sau n cadrul sistemelor

auxiliare. O scurt trecere n revist a recomandrilor bibliografice existente la sfritul

acestei uniti de studiu relev o serie de criterii de clasificare a cldrilor navale. Avnd n

vedere specificul acestei lucrri reinem, n primul rnd, criteriul care clasific aceste sisteme

navale, dup modul n care se face schimbul de cldur. Astfel, deosebim cldrile

acvatubulare, la care apa circul prin interiorul tuburilor fierbtoare, iar gazele arse prin

exteriorul acestora i cldrile ignitubulare, la care circulaia are loc n sens invers. Dac

facem clasificarea dup destinaie, ntlnim cldri principale, care genereaz abur numai

pentru acionarea mainilor principale de propulsie i cldri auxiliare, la care aburul este

folosit pentru acionarea diferitelor mecanisme auxiliare, la bord sau ca abur de serviciu.

Fig. 2.1.1 Cldare naval acvatubular: PIA - prenclzitorul de aer; PIAA - prenclzitorul de ap; CS - colector superior; CI - colector inferior; SI - supranclzitor; TCN - eav cobortoare nenclzit; TVR - evi de vaporizare prin radiaie; FTU - fascicul de evi de urcare; FTC - fascicul de evi de coborre; FGA - focarul generatorului de abur; VGA - vatra generatorului de abur.


57

Cldri ignitubulare

Cldrile ignitubulare sau cldrile tubulare sunt caracterizate de faptul c au un

volum mare de ap n raport cu suprafaa de nclzire i astfel pot prelua variaiile brute de

sarcin de scurt durat.

La acest tip de cldri, gazele obinute n procesul de ardere sunt dirijate prin interiorul

tuburilor fierbtoare, n timp ce apa este vehiculat n exteriorul acestora. Dup forma

constructiv, cldrile ignitubulare pot fi de tipul cu flacr direct sau cu flacr ntoars.

Cldrile ignitubulare de tipul cu flacr ntoars datorit gabaritelor mici i a debitelor mari

de ap sunt cele mai utilizate n domeniul naval, ntruct ele asigur debite i presiuni

moderate ale aburului, utilizeaz ap de calitate medie i asigur debite i presiuni moderate

ale aburului, care este furnizat consumatorilor de la bord: maini de propulsie sau mecanisme

auxiliare, fig. 2.1.1.

Cldri acvatubulare

n cazul cldrilor acvatubulare apa circul prin interiorul tuburilor fierbtoare iar

gazele de ardere circul prin exteriorul acestora. Din punct de vedere constructiv cldrile

acvatubulare pot fi triunghiulare sau cilindrice, fig. 2.1.2.

Fig. 2.1.2 Cldare naval ignitubular: a - GAN ignitubular cu flacr ntoars; b - GAN ignitubular cu flacr

direct; AC- arztor de combustibil; TF - tubul de flacr; CF - cutia de foc; CE - coul de evacuare; SI -

supranclzitor; DAA - domul acumulator de abur; VGA - vatra generatorului de abur;T - tirani; PT - plci

tubulare.

Cldri auxiliare

Cldrile navale auxiliare au dimensiuni i debite reduse de abur saturat, care se obine

la parametri medii de presiune i temperatur. n practica naval, cldrile navale sunt numite

caldarine care, dup modul n care produc aburul, se mpart n dou categorii: caldarine cu

combustibil, care folosesc energia caloric produs prin arderea unei cantiti de combustibil

lichid i caldarine recuperatoare de cldur, care folosesc energia caloric acumulat de

gazele de evacuare de la motorul principal. n primul caz, caldarinele cu combustibil

funcioneaz numai cnd nava se afl n staionare, ntruct n timpul voiajului nava dispune

de o cantitate suficient de abur pentru alimentarea tuturor consumatorilor de la bord. n cazul

navelor, care nu au cldri principale, caldarinele funcioneaz continuu, deoarece aceste nave

nu dispun de alte surse generatoare de abur.


58

Dup aceast scurt trecere n revist subliniem c, indiferent de tipul navei, aceste

sisteme navale, cldrile navale auxiliare (caldarinele), sunt ntlnite att la navele dotate cu

sisteme de propulsie cu instalaii de for cu abur, ct i la navele dotate cu sisteme de

propulsie cu instalaii de for cu motoare cu ardere intern. Aburul obinut de la

generatoarele auxiliare poate fi utilizat la bord n cadrul: instalaiilor de nclzire cu abur;

instalatiile de nclzire cu ap; instalaiilor de stins incendiu cu abur; instalaiilor de nclzire

a tancurilor de combustibil; instalaiilor care asigur funcionarea buctriilor; instalaiilor

curire chimic a cldrilor; instalaiilor care deservesc sistemul sanitar (bi, duuri, etc.);

acionarea n unele cazuri a instalaiilor de punte (bigi, macarale, vinciuri, cabestane, etc.).

Fig. 2.1.3 Cldrile navale auxiliare: 1 - caldarin recuperatoare; 2 - cldare auxiliar de tip La Mont; 3 gaze

de evacuare de la motorul principal; 4 - co de evacuare; 5 - alimentare cu ap; 6 - tubulatura comun de abur; 7

- arztor.

n schema din fig 2.1.3 caldarin recuperatoare 1 funcioneaz n tandem cu cldare

auxiliar de tip La Mont 2 furniznd cantitatea de abur necesar la bord.

Turbina cu abur

Turbina cu abur este o main termic rotativ motoare, care transform energia

aburului n energie mecanic, fig 2.1.4. Aburul, cu presiune i temperatur ridicat se destinde

n paletele statorului (ajutaje), unde energia acestuia este transformat n energie cinetic.

Fig. 2.1.4 Turbina cu abur : a - turbina monoetajat ; b - sistem de propulsie naval cu turbin cu abur : 1 - camera de

admisie abur ; 2 - ajutaje, 3 - paletele rotorului ; 4 - disc ; 5 - arbore.


59

Aburul cu o vitez mare i se schimb direcia de curgere cu ajutorul unor palete,

rezultnd o for care acioneaz asupra acestora, for care creeaz un moment asupra

rotorului, care se rotete cu o vitez unghiular, livrnd la arborele motor putere mecanic.

Dup principiul termodinamic de funcionare turbinele cu abur se ncadreaz n dou

categorii: cu aciune i cu reaciune, fig. 2.1.5.

Fig. 2.1.5 Analiza comparativ a curgerii prin paletajul unei trepte a unei turbine cu abur: 1 - rotor; 2 -

stator, 3 - palete mobile; 4 - ajutaje fixe; 5 - ajutaje mobile.

La turbina cu aciune, cderea de entalpie a aburului, disponibil pe turbin este

transformat n energie cinetic numai n paletele statorului, paletele rotorului avnd doar

rolul de a transforma energia cinetic a aburului n energie mecanic. n cazul turbinei cu

reaciune, cderea de entalpie este transformat n energie cinetic parial n paletele

statorului, numite i palete directoare, iar restul n paletele rotorului. Deoarece aburul se

destinde i n paletele rotorului, fora tangenial care acioneaz asupra acestora provine att

din devierea jetului de abur, ct i din fora reactiv datorate accelerrii jetului.

Fig. 2.1.6 Schema unui sistem de propulsie naval cu turbin cu abur: 1 - generator de abur, 2 - turbin cu

abur; 3 - reductor de turaie; 4 - propulsor (elice); 5 - condensator; 6 - pomp de condensat; 7 - sisteme de

nclzire de joas presiune, 8 - pompa de alimentare, 9 - sistem de nclzire de nalt presiune.


60

La turbinele cu abur combinate, ntlnim att trepte cu aciune (de obicei n partea de

nalt presiune), ct i trepte cu reaciune (n partea de joas presiune). Integrarea unei turbine

cu abur ntr-un sistem de propulsie naval presupune existent mai multor elemente auxiliare, a

caror functionare contribuie la exploatarea la parametrii de performanta doriti, fig. 2.1.6.

Tem pentru studiu 2.1.2: Pornind de la schema din fig. 5.1.6 elaborai schema de

acionare a pompelor de marf la o nav petrolier.

2.1.3 Instalaia energetic naval cu turbin cu gaze

Turbina cu gaze este maina termic rotativ motoare, care utilizeaz cderea de

entalpie a unui amestec de gaze pentru a produce, prin intermediul unor palete, care se rotesc

n jurul unui ax, energie mecanic, fig. 2.1.7. Aerul este aspirat de compresorul axial 1 prin

intermediul unui filtru de aer, care are rolul de a opri eventualele impuriti mecanice, care ar

conduce la degradarea paletajului compresorului. Dup compresie, aerul ptrunde n camera

de ardere 3 unde se amestec cu combustibilul, primit de la injectorul 2. Energia necesar

compresiei este furnizat de turbina cu gaze (compresorul i turbina cu gaze fiind dispus pe

aceeai linie de arbori). Produsele de ardere ies din camera de ardere 3 i se destind n turbina

cu gaze 5 producnd lucru mecanic. O parte din lucrul mecanic produs este utilizat pentru

antrenarea compresorului, iar cealalt parte este transmis ctre consummator (propulsor,

generator electric, pompa de marf, etc.).

Fig. 2.1.7 Turbina cu gaze: 1 - compresor axial; 2 - injector; 3 - camera de ardere; 4 - compresorul TG; 5 -

turbin; 6 - transmisie; 7, 8 - intrarea- ieirea aerului n/din compresorul 1; 9, 10 - sistemul de evacuare a gazelor.

Gazele de ardere sunt evacuate n atmosfer prin intermediul unui amortizor de

zgomot, care are rolul de a reduce poluarea fonic. Pentru a proteja turbina cu gaze contra

fenomenului de eroziune, gazele de ardere provenite din camera de ardere ndeplinesc o serie

de condiii referitoare la coninutul de pulberi.


61

Tem pentru studiu 2.1.3: Precizai modul de funcionare al instalaiei energetice

navale cu turbin cu gaze din fig. 5.1.7.

2.1.4 Instalaii energetice navale utilizate pentru propulsia navei

Componena unei instalaii de propulsie depinde de tipul fluidului motor i de modul

n care are loc transmisia energiei. Pentru oricare tip de instalaie sau sistem naval de

propulsie, elementele componente pot fi grupate astfel: transformatoare principale de energie;

transformatoare auxiliare de energie, agregatele i subsistemele lor.

Prima grup a componentelor principale cuprinde acele pri componente ale

sistemului de propulsie, prin care se realizeaz deplasarea navei cu o anumit vitez i care

particip direct la transformrile energetice prin care se realizeaz propulsia navei. n grupa a

doua sunt elementele sistemului de propulsie care, prin funcionarea lor, creeaz condiiile

necesare pentru producerea n mod corespunztor, a transformrilor energetice prin care se

realizeaz propulsia navei i care particip indirect la transformrile energetice prin care se

realizeaz propulsia navei (numite componente auxiliare ale sistemului de propulsie). n

exploatare mecanismele i subsistemele de bord i punte primesc energie (electric, termic,

hidro-pneumatic sau mecanic) n general de la transformatoarele din grupa a doua.

Instalaii de propulsie cu transmisie electric

La aceste instalaii, energia mecanic dezvoltat de mainile termice (motoare cu

ardere intern, turbine cu abur, etc.) este transformat n energie electric de generatoare

electrice, cuplate direct cu mainile termice. Prin tabloul de comand, energia electric este

distribuit electromotoarelor reversibile, cuplate cu arborele sau arborii port-elice, fig. 2.1.8.

n general, aceste sisteme sunt destinate numai pentru navele care funcioneaz timp

ndelungat la diferite regimuri de vitez (remorchere, traulere, sprgtoare de ghea sau alte

tipuri de nave).

Fig. 2.1.8 Plan general de amenajri pentru instalaia de propulsie cu transmisie electric i turbin cu

abur: a - amenajarea instalaiei de propulsie; 1 - generator de abur; 2 - turbina cu abur; 3 - generator electric; 4 -

motor electric; 5 - propulsor.

n cazul utilizrii propulsiei electrice, centrala electric de bord are o putere mai mare,

cea mai mare parte din aceasta fiind utilizat pentru alimentarea motoarelor de propulsie n


62

cazul propulsiei electrice motorul electric de acionare este instalat n apropierea elicei cu care

este cuplat mecanic sau electric iar alimentarea cu energie electric a motorului de propulsie

se face prin liniile de legtur de la centrala electric naval. Spre deosebire de sistemul de

propulsie cu transmisie direct, fig. 2.1.9 a, n cazul propulsiei electrice ntre motorul, care

furnizeaz energia mecanic (motor Diesel sau turbin) i motorul electric de propulsie se

interpune generatorul electric din central i cablurile de legatur. n acest sens se observ c

sistemul de propulsie electric implic transformarea succesiv a energiei: mecanic-electric-

mecanic, care n final conduce la o micorare a randamentului instalaiei fa de cazul

propulsiei directe. n cazul propulsiei electrice se pot utiliza motoare principale diesel rapide

care au gabarite, greuti i costuri mai mici dect motoarele diesel lente i semirapide.

Flexibilitatea i disponibilitatea sistemului, att n exploatare ct i n timpul perioadelor de

ntreinere i reparaii, l recomand pentru diverse tipuri de nave: pasagere, cargouri, nave

tehnice (macarale plutitoare, drgi, etc.), remorchere, sprgtoare de ghea.

Fig. 2.1.9 Conversia sistemului de propulsie convenional n sistem de propulsie Diesel - electric: 1 - motor

Diesel principal; 2 - tablou de distribuie; 3 - generator electric; 4 - consumatori la bord; 5 - central electric; 6

motoare electrice de propulsie; 7 - elice cu pas reglabil.

Instalaii de propulsie cu energie nuclear

Sistemul de propulsie, fig. 2.1.10, este asemntor cu cel cu turbin cu abur. De

aceast dat energia necesar pentru obinerea aburului provine de la un reactor nuclear, care

transform energia nuclear n cldura necesar pentru obinerea aburului saturat, care se

destinde iar lucrul mecanic obinut la axul turbinei asigura fora de mpingere la propulsor.

Fig. 2.1.10 Instalaii de propulsie cu cu energie nuclear: 1 - reactorul nuclear; 2, 3 - bariere izolatoare anti-

radiante; 4 - generator de abur; 5- circuit primar de nclzire; 6 - pompa de circulaie a circuitului primar de

nclzire; 7 - turbin de nalt presiune; 8 - turbin de joas presiune; 9 - reductor de turaie; 10 - condensator; 11

- pompa circuitului secundar de nclzire; 12 - intrare ap de mare; 13 - ieire ap de mare.


63

Sistemul de propulsie Voith-Schneider

Sistemul are un dublu rol, att pentru guvernare ct i pentru propulsie (subiectul a

mai fost abordat i n cadrul sistemului de guvernare). Astfel pentru o nav dotat cu dou

propulsoare montate simetric, nava poate gira pe loc. Un dezavantaj important e dat de faptul

c datorit gabaritului propriu, sistemul depete n partea imers, sub chil, gabaritul navei.

Fig. 2.1.11 Propulsor Voith-Schneider: a- principiul de funcionare; b - propulsorul Voith-Schneider (vedere

lateral); c - propulsorul Voith-Schneider (vedere de sus); 1- Stop; 2 - nainte; 3 - napoi; 4 - ntoarcere la stnga;

5 - Revenire la poziia iniial; 6 - ntoarcere spre tribord; 7 - mecanism de control; 8 - unitatea de propulsie; 9 -

profil hidrodinamic; 10 sistemul de distribuie i de traciune.

Sistemul, a crui putere nu depete 2000-2500 kW este utilizat pentru remorcherele

portuare sau pentru alte nave destinate serviciilor portuare.

Centrala electric naval

n cazul navelor obinerea energiei electrice la bord se poate realiza fie n varianta cu central

diesel - electric, fig. 2.1.11 a sau cu generator pe ax, fig. 2.1.11 b.

Fig. 2.1.11 Centrala electric naval: a - varianta cu diesel-generator; b - varianta cu generator pe ax; 1 - motor

termic; 2 - generator pe ax; 3 - arbore port-elice; 4 - generator electric; 5 - tablou principal de distribuie.


64

Tem pentru studiu 2.1.4: Precizai modul de funcionare al instalaiei energetice din

fig. 5.1.9.

2.1.5 TESTE DE AUTOEVALUARE

1. n cazul cldrilor navale, afirmaia corect este:

a) aburul rezult n urma nclzirii apei pn la temperatura de fierbere; c) procesul de

vaporizare a apei este un proces adiabat; c) procesul de vaporizare a apei este un proces

izocor; d) procesul de vaporizare a apei este un proces izobar-izoterm.


a) sunt generatoare de abur, rezultat n urma nclzirii apei pn la temperatura de fierbere;

b) la cldrile ignitubulare gazele circul prin interiorul evilor iar apa pe la exteriorul

acestora;

c) la cldrile acvatubulare gazele circul prin interiorul evilor iar apa pe la exteriorul

acestora;

d) procesul de vaporizare a apei este un proces izocor;


a) sunt generatoare de abur, rezultat n urma nclzirii apei pn la temperatura de fierbere;

b) la cldrile ignitubulare gazele circul prin interiorul evilor iar apa pe la exteriorul

acestora;

c) la cldrile acvatubulare gazele circul prin exteriorul evilor iar apa prin interiorul

acestora;

d) procesul de vaporizare a apei este un proces izocor;

2.1.5 LUCRARE DE VERIFICARE

1. Realizai o analiz comparativ a variantelor de instalaii energetic cu turbin cu abur i

cu turbin cu gaze pentru aplicaiile din domeniul naval.

2. Precizai modul de funcionare al instalaiei energetice din fig. 5.1.8.

2.1.6 RSPUNSURI LA TESTELE DE AUTOEVALUARE

1. D; 2. B; 3. C.


65

2.1.7 BIBLIOGRAFIE

1. dnanes, A., K., 2003. Maritime Electrical Installations and Diesel Electric Propulsion.

ABB AS Marine.

2. Filip, G., 2011. Vademecum Roman-englez Pentru Cadeti Electromecanici (Romanian-

English Guide Book for Electromechanic Cadets). Ediie electronic aniversar, Trgu Mure,

2011, ISBN 9730119058, 9789730119053.

3. Hansen, J., F., 2001. Mathematical Modelling of Diesel-Electric Propulsion. Mathematical

and Computer Modelling of Dynamical Systems 1387-3954/01/0701-0001, 2001, Vol. 7, No.

1, pp. 1-33, Swets & Zeitlinger

4. McGeorge, H., D., 2002. Marine Auxilary Machinery. Elsevier Science, Linacre House,

Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041, ISBN 0 7506

4398 6.

5. Nicolae, F., 2003. Maini si instalaii navale. Volumul 1. Editura Ex Ponto, Constanta 2003

ISBN: 9736442616.

6. Taylor, D., A., 1996. Introduction to Marine Engineering. Elsevier Butterworth Heinemann

Linacre House, Jordan Hill, Oxford 0X2 80F 200 Wheeler Road, Burlington, MA 01803.

7. Trifan, A., Olaru, N., 2010. Instalaii navale de for cu turbine cu gaze. Tehnologii de

reducere a polurii mediului marin. Editura Dobrogea 2010.

8. Trifan, A., Olaru, N., 2010. Instalaii navale de for cu abur. Tehnologii de reducere a

polurii mediului marin. Editura Dobrogea 2010.

9. Uzunov, G., Pruiu, A., .a., 1997. Manualul ofierului mecanic maritim, vol.1, vol.2.

Editura Tehnic, Bucureti, 1997.

instalatii energetice navale

Documents