Выбор, состав и размещение ЭУ сухогруза

1.3.1 Общие сведения о ЭУ в составе судов

Судовая энергетическая установка (СЭУ) предназначена для обеспечения движения судна и снабжения необходимой энергией всех судовых потребителей.

От СЭУ существенно зависят экономические показатели транспортного судна, уровень его строительной стоимости и текущих эксплуатационных затрат. Затраты на СЭУ составляют 20-35% общей строительной стоимости судна и 35-50% затрат на содержание судна на ходу. Кроме того, основные качества транспортных судов – безопасность плавания, мореходность и провозоспособность – в значительной мере обеспечиваются СЭУ. В связи с этим проектирование СЭУ является одним из важнейших этапов создания судна.

Основными направлениями развития СЭУ на ближайшее время являются: снижение затрат на топливо и затрат труда на обслуживание, увеличение экономичности СЭУ, повышение эффективности использования судов.

Механизмы, системы и оборудование СЭУ, предназначенные для обеспечения движения судна, составляют главную энергетическую установку (ГЭУ). Основными элементами ГЭУ являются главный двигатель, валопровод и движитель. Источники электроэнергии с первичными электродвигателями, преобразователями и передаточными трассами составляют электроэнергетическую установку (ЭЭУ).

Технические комплексы, обеспечивающие различные судовые нужды (опреснение воды, паровое отопление, кондиционирование воздуха, охлаждение продуктов и т.д.), составляют вспомогательную энергетическую установку (ВЭУ).

Функционирование ГЭУ, ВЭУ и ЭЭУ обеспечивается различными системами, включающими механизмы, аппараты, трубопроводы, арматуру и т.д.

Основными показателями, определяемыми, а также закладываемыми и оцениваемыми в процессе проектирования СЭУ, являются: мощностные и габаритные показатели, масса, надежность (долговечность, ремонтопригодность), маневренность и экономичность установки, шумность оборудования, а также величина судовых запасов.

Надежность: Для СЭУ основными показателями надежности являются долговечность и ремонтопригодность. Долговечность в значительной степени определяется ресурсными показателями основного оборудования и соблюдением правил технической эксплуатации и сроков профилактических работ и осмотров.

Под ремонтопригодностью установки следует понимать приспособленность к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и к устранению их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Показателями ремонтопригодности являются трудоемкость и стоимость технического обслуживания и ремонтов.

Маневренность: Маневренные свойства СЭУ характеризуются продолжительностью подготовки ее к пуску, временем развития полной мощности после пуска, продолжительностью реверса, числом возможных реверсов, мощностными характеристиками и развиваемым крутящим моментом.

Ориентировочные приделы агрегатной мощности паротурбинной установки 20000-40000 кВт, газотурбинной установки 5000-30000 кВт, дизельной установки 100-20000 кВт.

Время подготовки к пуску современных ПТУ составляет менее 4ч, прогрев перед пуском тяжелых ДВС – 2-2,5 ч. Пуск легких ДВС и газотурбинных двигателей (ГТД) может осуществляться без предварительного подогрева. Продолжительность подготовки к пуску в этом случае составляет 5-10 мин.

Время выхода в полную мощность 1,0-1,5 ч – для паротурбинных агрегатов и МОД транспортных судов, 30 мин – для СОД; 15-20 мин – для ВОД; 3-5 мин – для легких ГТД. Время реверса: 15 с – для ПТУ, 20-30 с – для СДУ с винтом регулируемого шага (ВРШ), 30-60 с – для СДУ с реверсивным двигателем.

Экономичность установки: При оценке экономичности установок важное значение имеют стоимости израсходованных топлива и масла.

Удельный расход тепла в современной судовой дизельной установке на номинальном режиме работы составляет 0,55-0,65 кДж/(Вт*ч), тогда в лучших газотурбинных установках удельный расход тепла 0,60-0,70 кДж/(Вт*ч). В зависимости от требований к весовым и габаритным характеристикам удельное потребление тепла паротурбинными установками находится в пределах 0,75-1,30 кДж/(Вт*ч).

Дизели обладают и высокой надежностью работы. Ресурс дизелей до основных ремонтно-профилактических работ доведен до 30-40-тыс. ч.

1.3.2 Требования к ЭУ сухогруза и выбор типа ЭУ

При проектировании судна следует руководствоваться следующими основными соображениями:

- Экономия времени и средств как во время плавания, так и при стоянке в порту.

- Возможность обеспечения одновременной работы максимального количества грузоподъемных, грузообслуживающих механизмов.

- Оптимальный расход топлива движительной установкой и силовым генератором.

- Оптимальные обводы корпуса.

- Расчетный срок эксплуатации (30 лет).

- Защита груза от загрязнения.

- Простота в эксплуатации и при проведении инспекций.

Учитывая требования к ЭУ сухогруза, а как-то: надежность, большой срок службы, экономичность, а также опыт постройки и эксплуатации судов данного типа, наиболее целесообразным является применение энергетической установки дизельного типа.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (дизели) относятся к тому классу тепловых двигателей, у которых химическая энергия топлива преобразуется в тепловую непосредственно внутри рабочего цилиндра.

Значительный температурный перепад между наибольшей температурой газов при сгорании и наименьшей их температурой в конце процесса расширения (около 800 ¸ 1000 К) обуславливает получение высокого коэффициента полезного действия рабочего цикла.

Применяемый в этих двигателях способ использования химической энергии топлива является одним из наиболее рациональных, так как позволяет обойтись при осуществлении рабочего цикла без промежуточного рабочего тела (например, пара).

Несмотря на наличие ряда тепловых потерь (в основном с отработавшими газами и в охлаждающую цилиндр среду), современные двигатели внутреннего сгорания, и в особенности дизели, являются наиболее экономичными среди других видов тепловых двигателей, а следовательно, и наиболее совершенными.

Судовые дизельные установки (СДУ) по сравнению с другими видами энергетических установок обладают рядом технико-экономических и эксплуатационных показателей:

- постоянной готовностью к действию благодаря минимальному времени, необходимому для подготовки дизеля к пуску;

- высокой степени использования теплоты топлива: эффективный КПД лежит в пределах от 40 до 45 %, что соответствует удельному расходу топлива от 160 до 140 ;

- возможностью длительной работы без пополнения запасов топлива на судне;

- пожаро- и взрывобезопасностью;

- относительно низким температурным уровнем, создаваемым в машинном отделении, что создает хорошие условия для работы обслуживающего персонала;

- простотой осуществления дистанционного автоматического управления;

- широким диапазоном мощности, частоты вращения, габаритов и массы двигателей, позволяющим создавать высокоэффективные установки для судов самого различного назначения и тоннажа.

1.3.3 Определение мощности ДУ сухогруза и выбор типа дизеля

При выборе типа главного двигателя (дизеля) судна необходимо руководствоваться величиной буксировочной мощности.

Буксировочная мощность – это мощность, которую необходимо затратить на преодоление сил сопротивления.

Ориентировочно значение эффективной мощности (Nе) можно получить при помощи обратного адмиралтейского коэффициента:

где D_B - водоизмещение судна, т.

Значение Ne, можно определить при помощи коэффициента энергонасыщенности:

Примерные значения коэффициента энергонасыщенности для сухогруза равны: 0,3¸0,9.

Выбираем для нашего типа судна:

Находим эффективную мощность по формуле:

Сравниваем полученное значение Ne, со значением оценочной эффективной мощности по формуле:

Ne=0.5(N_e₁+N_e₂)=2472 кВт.

Опираясь на вышеприведенный расчет, а именно на полученные данные по мощности главного двигателя, выбираем для судна один двигатель внутреннего сгорания – дизель четырехтактный с V-образным расположением цилиндров и струйным распыливанием топлива. За прототип целесообразно принять двигатель 16ЧН 26/26 (12ЧН 26/26). Реверс в СЭУ будет осуществляться за счет применения реверс-редуктора, что упростит конструкцию дизеля.

Одна из основных задач проектирования - правильный выбор типа главного двигателя. Исходными данными для этого служит тип и назначение судна, районы плавания, режимы работы установок, условия размещения двигателей, требования к массогабаритным показаниям установки, а также требования Регистра.

Малооборотные ДВС (МОД), как правило, используются в установках с прямой передачей. Они обладают высокой цилиндровой мощностью (до 3000 кВт) и большим ресурсом (до 100000 час), однако значительно уступают другим типам ДВС по массогабаритным показателям.

Тяжелое топливо, стоимость которого по отношению к легкому дизельному топливу ниже в среднем в 2 раза, применяется в МОД и СОД.

Использование среднеоборотного дизеля (СОД) вместо МОД такой же мощности обеспечивает уменьшение массы установки в 1,5¸2 раза и сокращение занимаемого ею объема в 1,4¸1,7 раза.

Быстроходные ДВС (ВОД) устанавливают главным образом на судах на подводных крыльях и воздушной подушке.

Мощность дизеля:

По агрегатной мощности Ne дизель относится к дизелям высокой мощности (Ne=2000 ÷20000л.с.)

Цилиндровая мощность изменяется в широких пределах в зависимости от D, s, n и р_е:

где i – число цилиндров,

i = 12 – принимаем для судового четырехтактного двигателя;

Частота вращения и средняя скорость поршня:

При непосредственном соединении дизеля с винтом задаётся частота вращения n_B винта. Частота вращения дизелей, работающих через редукторную передачу, может быть выбрана повышенной, поэтому при непосредственном соединении с винтом обычно применяют МОД, а при редукторной передаче СОД и ВОД.

Принимаем среднеоборотный дизель, работающий через редукторную передачу, который при необходимой развиваемой мощности (2472л.с.) имеет оптимальные массогабаритные показатели по сравнению с малооборотными дизелями.

Главным критерием дизеля является ход поршня:

Зная агрегатную и цилиндровую мощность, число оборотов, принимают диаметр цилиндра D.

Выбранные значения D и S, их отношение и средняя скорость поршня С_m должны соответствовать классу проектируемого двигателя:

Для СОД – n=300¸750 об/мин;

S/D=1,0¸1,8;

Сm=6,5¸10 м/с.

Принимаем для СОД при частоте оборотов n = 750 об/мин:

s = 260 мм, D = 260 мм, s/D = 1,0.

Число цилиндров:

В прототипе 16ЧН 26/26 16 цилиндров, принимаем количество цилиндров 12, так как необходимая мощность меньше мощности прототипа

Габариты ДВС:

Определяющим габаритом для ДВС является его длина. В первом приближении длина двигателя на фундаментальной раме равна:

где: а - расстояние между осями, выраженное в количестве диаметров цилиндра, D: Для четырехтактных СОД а= от 1,2 до 1,4

Принимаем а = 1,2.

Ширина двигателя на фундаментальной раме:

где b - коэффициент, равный 5,2-6 для СОД и ВОД со сложным расположением цилиндров,

принимаем b = 5,9.

Высота двигателя от оси коленчатого вала до крайней верхней точки:

где b₁ - коэффициент, равный для тронковых ДВС 4,6¸5,0,

принимаем b₁ = 5.

Расстояние по высоте от оси коленчатого вала до нижней точки:

где b₂ - коэффициент, равный 1,25¸2, принимаем b₂ = 2.

Общая высота двигателя:

Массу двигателя можно определить через удельную массу g_Д:

Величина g=10¸20 кг/кВт для двух- и четырехтактных СОД. Принимаем g_Д = 10.

Зная массу двигателя G_Д, можно определить и массу установки:

После принятия решения о размере двигателя следует оценить ожидаемое значение среднего эффективного давления Р_е (МПа) по формуле:

где z=0.5 – коэффициент тактности.

Характеристики прототипа (2-2Д49) двигателя приведены (табл.1.1):

Таблица 1.1

Параметр	Ед.изм.	Значение параметра
Количество цилиндров	-
Диаметр цилиндра	мм
Ход поршня	мм
Выходная мощность	кВт
Частота вращения	об/мин
Среднее эффективное давление	бар	20,12
Средняя скорость поршня	м/с	5,7
Чистая масса двигателя	т	15,17
Охлаждающая среда:
Рубашка цилиндра	-	пресная вода
Воздухоохладитель системы очистки	-	пресная вода
Поршень	-	смазочное масло
Система пуска	-	сжатый воздух (максимальное давление 30 бар)

Используемые масла М10Г2ЦС М14Г2ЦС М16Г2ЦС(ГОСТ 12337-84)

Дизельное топливо летнее/зимнее ГОСТ 305–82

Внешний вид дизеля сухогруза представлен на рис.1.2

Рис.1.2 Внешний вид дизеля сухогруза

Сборочный чертеж дизеля – поперечный разрез 12 ЧН 26/26 представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Главный двигатель

Двигатель устанавливается фундаментной рамой на двойное дно, усиленное в районе установки. С боков и кормы двигатель закреплен с помощью упоров. Рама двигателя устанавливается на прокладки. Компенсаторы вибрации устанавливаются в верхней части двигателя.

Главная энергетическая установка сухогруза состоит из одновальной дизельной установки. Главный двигатель судна - среднеоборотный дизель. Крутящий момент от двигателей передается на вал, редуктор и далее на гребной винт.

В кормовой части машинного отделения располагаются насосы воды, масла, компрессоры (2 шт), баллоны с воздухом. В носовой части - цистерны масла, топлива, дизель-генераторы (2 шт), главный распределительный щит, паровой котел.

Чертеж расположения пропульсивной установки сухогруза и компоновки машинного отделения представлен на рис.1.4.