Обоснование режима работы судовой энергетической установки
Выполнение курсовой работы позволило в значительной мере приобрести практические навыки в расчете и рациональной эксплуатации пропульсивного комплекса судна, в построении поля рабочих режимов двигателя, паспортной диаграммы судна и использовании их при управлении режимами СЭУ. В качестве прототипа было выбрано судно сухогруз «АКАДЕМИК СТЕЧКИН», являющийся одновинтовым судном с кормовым… Читать ещё >
Обоснование режима работы судовой энергетической установки (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Раздел 1. Выбор судна и движителя
1.1 Выбор судна
1.2 Выбор движителя
Раздел 2. Расчет буксировочного сопротивления и мощности
Раздел 3. Оценка уровня дискомфортности главного двигателя (ГД), его эффективности и определение допустимых режимов ГД
3.1 Оценка уровня дискомфортности ГД
3.2 оценка эффективности ГД и его экономичности
3.3 Определение допустимых режимов работы ГД
Раздел 4. Расчет и построение паспортной диаграммы пропульсивного комплекса (ПК)
Раздел 5. Оценка качества пропульсивного комплекса
Заключение
Библиографический список
Введение
Основной задачей данной работы является выбор и обоснование оптимального режима работы СЭУ. Главной целью проектирования судна вообще и его пропульсивного комплекса в частности является обеспечение выполнения основной функции судна. Для транспортных судов таковой является доставка груза из одного места в другое с наименьшими эксплуатационными затратами времени и денег, обеспечивающая при этом необходимую безопасность человеческой жизни, судна, груза, и окружающей среды. Другими словами, необходимо обеспечить движение судна с заданной скоростью, и при этом необходимой маневренностью при наименьших массогабаритных характеристиках и высокой надежности. Для этого все элементы пропульсивного комплекса должны работать в оптимальных условиях с высокой эффективностью.
Раздел 1. Выбор судна и движителя
1.1 Выбор судна
В качестве прототипа было выбрано судно сухогруз «АКАДЕМИК СТЕЧКИН», являющийся одновинтовым судном с кормовым расположением МКО и предназначенный для перевозки различных крупнои мало габаритных грузов, в том числе контейнеров, оборудования и техники.
Ниже приводятся основные характеристики судна.
Таблица 1 — Основные характеристики судна
Характеристика | Значение | |
Длина наибольшая, м | 190,31 | |
Ширина, м | 28,65 | |
Осадка по летнюю грузовую марку, м | 9,20 | |
Водоизмещение наибольшее, т | ||
Валовая вместимость составляет, т | ||
Скорость полного хода, уз | 18,8 | |
Число винтов | ||
Количество лопастей винта | ||
Шаг винта, м | 3,2 | |
Диаметр винта, м | 4,8 | |
Отношение шага винта к его диаметру | 0,75 | |
Главный двигатель | 8ДКРН 68/150−2 | |
1.2 Выбор движителя
Пропульсивный комплекс — главный двигатель малооборотный, работающий на винт фиксированного шага и два дизель-генератора переменного тока.
Главный двигатель 8ДКРН, мощностью 8458 КВт при числе оборотов коленвала nном. = 120 об/мин представляет собой двух тактный восьмицилиндровый, крейцкопфно-реверсивныйс дизель, с диаметром цилиндра 68 см и ходом поршня 150 см.
Таблица 2 — Основные характеристики СЭУ
Характеристика | Значение | |
Тип ГД | 8ДКРН 68/150−2 | |
Эффективная мощность двигателя Ne, кВт | ||
Цилиндровая мощность двигателя, Neц, кВт | 1057,25 | |
Частота вращения коленвала, nном, об/мин | ||
Индикаторная мощность Ni, кВт | ||
Уд. эффективный расход топлива be, г/кВтч | ||
Уд. расход смазочного масла bm, г/кВтч | ||
Уд. эффективное давление Ре, МПа | 0,93 | |
Давление сгорания Рz, МПа | 6,5 | |
Степень сжатия ? | ||
Давление сжатия Рс, МПа | 1,7 | |
Давление наддува Рк, МПа | 0,24 | |
Главный двигатель, также как ВДГ, являются надежными, экономичными и соответствуют экологическим нормам.
Рассчитаем отношение хода поршня к диаметру цилиндра:
Определим среднюю скорость поршня:
м/с
Дополнительной характеристикой двигателя являются:
— Удельное значение литровой мощности:
кВт/л
где? — число тактов.
— Значение поршневой мощности:
кВт/дм2
Раздел 2. Расчет буксировочного сопротивления и мощности
Результаты расчета в зависимости от исходных данных сведены в следующую таблицу.
Таблица 3. Расчет буксировочного сопротивления и мощности
Исходные данные: | ||||||||
Величина | Обозначение | Значение | ||||||
Длина корпуса судна, м | L | 184,21 | ||||||
Ширина корпуса, м | B | 26,76 | ||||||
Осадка корпуса, м | d | 9,40 | ||||||
Коэффициент полноты корпуса | 0,7 | |||||||
Отн.абсцисса центра величины | Xc | — 0.8 | ||||||
Площадь смоченной поверхности, м2 | ||||||||
Плотность воды, кг/м3 | ||||||||
Кинематическая вязкость воды, м2/с | 1,61E-06 | |||||||
Результаты расчета: | ||||||||
Величина | Обозначение, формула | Численные значения | ||||||
Скорость судна, узлы | VS | 17,5 | 18,5 | |||||
Скорость судна, м/с | V | 4,63 | 6,7 | 8,2 | 9,5 | |||
Число Фруда | Fr | 0.169 | 0.182 | 0.194 | 0.206 | 0.218 | ||
Коэф. остаточного сопротивления без учета поправок | CR(?) (с Рис.2) | 0.720 | 0.810 | 0.880 | 0.960 | 1.055 | ||
Коэффициент влияния на остаточное сопротивление | kXc (с Рис.6) | 1.000 | 1.015 | 1.021 | 1.026 | 1.038 | ||
Коэффициент влияния на остаточное сопротивление | k?=a?/a?? (с Рис.4) | 0.956 | 0.980 | 1.010 | 0.930 | 1.250 | ||
Коэффициент влияния на остаточное сопротивление | kB/d aB/d (с Рис.5) | 0.9486 | 0.9776 | 0.9875 | 0.9975 | 1.0015 | ||
Коэффициент остаточного сопротивления | CR 103=CR(?) kXc k??kB/d aB/d | 0.653 | 0.788 | 0.896 | 0.914 | 1.371 | ||
Число Рейнольдса | Re 10-8= (VL / ?) 10-8 | 8.266 | 8.857 | 9.447 | 10.037 | 10.628 | ||
Коэффициент сопротивления трения | CF0 103 (с Рис.3) | 1.980 | 1.680 | 1.850 | 1.750 | 1.710 | ||
Надбавка на шероховатость (корреляц.) | CA 103 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | ||
Коэффициент сопротивления выступающих частей | CAP 103 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | ||
Суммарный коэффициент сопротивления | C 103=CR103+CF0103+CA103+CAP103 | 3.033 | 2.868 | 3.146 | 3.064 | 3.381 | ||
Буксировочное сопротивление, кН | R = (??/ 2) ??V2C | 211,259 | 418,279 | 687,372 | 806,349 | 991,448 | ||
Буксировочная мощность, кВт | Pe=V R | 978,1 | 2802,5 | 5636,4 | 7257,1 | 9418,8 | ||
Далее приведены графические зависимости буксировочного сопротивления и мощности от скорости судна.
Рис. 1 Зависимость буксировочного сопротивления от скорости судна
Рис. 2 Зависимость буксировочной мощности от скорости судна
Раздел 3. Оценка уровня дискомфортности ГД, его эффективности и определение допустимых режимов ГД
3.1 Оценка уровня дискомфортности ГД
Работа энергетической установки всегда сопровождается упругими механическими колебаниями, являющимися источником шума и вибрации. Это понижает уровень комфортабельности МКО, а также снижает обитаемость соседних помещений, создавая продолжительное отрицательное воздействие на организм человека. Поэтому важно контролировать уровень создаваемых двигателем шума и вибрации.
Уровень шума определяется по формуле:
дБ
Уровень вибрации определяется из выражения:
дБ
Вывод: для рассматриваемого судна уровень шума и вибрации не превышает установленных норм.
3.2 Оценка эффективности ГД и его экономичности
Главным критерием оценки эффективности ПК является показатель удельного расхода топлива на милю. Соответственно, с уменьшением этого показателя увеличивается эффективность работы СЭУ в целом.
В хорошей морской практике принято оценивать и корректировать эффективную мощность и удельный эффективный расход топлива по отклонению параметров среды от нормальных условий.
Рассчитаем поправку к удельному эффективному расходу топлива для номинального режима работы при? Р0=-10 мм.рт.ст., ?Т0=+200С, ??=+10%
??beн=+1,4+4,0−0,8=4,6%
Произведем расчет эксплуатационной эффективности пропульсивного комплекса и занесем данные в таблицу 4.
Таблица 4. Расчет эксплуатационной эффективности ПК.
№ | Величина, размерность | Расчетная формула | Режимы работы ПК | |||||
max ход | ПХ | ЭХ | СХ | МХ | ||||
Ne, кВт | ||||||||
n, мин-1 | nH, ВФШ | |||||||
be, г/кВт ч | Задано по прототипу | |||||||
?be, г/кВт ч | По табл. приведения к норм. условиям | 10,2 | 9,7 | 9,5 | 10,4 | |||
be* | be+?be | 233,2 | 221,7 | 215,5 | 237,4 | |||
Вгд, кг/ч | Nebe* | 2157.1 | 1983,8 | 1648.6 | 1509.4 | 871.3 | ||
be**, кг/миль | Вгд/ V | 116.6 | 113,4 | 109.1 | 96.8 | |||
V, узлы | Задано ПХ | 18.5 | 17.5 | |||||
be**/ Bгд | 0,054 | 0,057 | 0,062 | 0,077 | 0,125 | |||
Ввк/ Вгд | 0.095 | 0.09 | 0.11 | 0.20 | 0.67 | |||
bM, кг/миль | bе**(1+?+ ?) | 129.3 | 141.4 | |||||
Все расчеты были произведены для нормальных условий:
Р0=760 мм рт. ст. (0,103 МПа); Т0=TW= 300 К=270С; ?0=60% (в море 70%);
Из расчетов, приведенных в таблице 4 видно, что наименьший расход топлива приходится на экономичный режим (be = 206 г/кВт ч). Практика показывает, что около 80% всего ходового времени двигатель работает в экономичном режиме, а затраты на топливо составляют большую часть затрат судовладельца, поэтому их следует максимально снижать (например за счет экономии топлива при работе двигателя в экономичном режиме). Однако не стоит забывать, что при этом режиме работы СЭУ увеличивается ходовое время, что, в свою очередь, не всегда допустимо. Поэтому выбор оптимального режима работы СЭУ является неоднозначной и, несомненно, трудной задачей. В то же время от успешного её решения зависит коммерческий успех судовладельца и морских грузоперевозок.
Ниже приведены графические зависимости мощности ГД от числа его оборотов и удельные расходы топлива в час и на милю от скорости судна.
Рис. 3 Зависимость мощности ГД от числа его оборотов
Рис. 4 Зависимость удельного расхода топлива в час от скорости судна
Рис. 5 Зависимость удельного расхода топлива на милю от скорости судна
3.3 Определение допустимых режимов работы ГД
1. Режим холостого хода — режим работы двигателя без нагрузки. Мощность расходуется на преодоление сопротивления трения.
;
2. Запас на потерю мощности по мере старения ГД
3. Режим малого хода — определяется минимальной маневренной скоростью движения судна
;
4. Режим среднего хода
;
Экономичный режим — определяется минимальным удельным расходом топлива
;
5. Режим полного хода
;
6. Режим максимальной мощности
7. Режим предела дымления — разрешенный режим кратковременной работы дизеля в особых случаях, с максимальной перегрузкой по мощности 10% и по частоте вращения коленвала — 3%.
Рассчитаем эффективную мощность и число оборотов ГД для режимов холостого хода, максимальной мощности и предела дымления.
1. кВт
об/мин
2. кВт
3. кВт
об/мин
4. кВт
об/мин
Внешняя характеристика двигателя может быть построена по нескольким точкам, полученным из условия постоянства крутящих моментов, задаваясь различным числом оборотов коленвала n в диапазоне минимально-устойчивых (холостой ход) и максимально допустимых (перегрузка) выбранного двигателя.
Поле рабочих режимов в координатах мощность-число оборотов представляет собой неправильный четырехугольник, верхней стороной которого является внешняя характеристика двигателя, нижней — характеристика холостого хода.
По полученным данным строим график допустимых режимов работы ГД. (см. Приложение Б)
На графике площадь 1−2-3−4 — область допустимых режимов работы ГД без ограничений.
Площадь 3−5-6−4-область режимов работы ГД, ограниченных по времени (1 ч)
Площадь 5−6-8−7 — область режимов работы, разрешенная в исключительных случаях
Линия 1−2 — линия устойчивых оборотов
Линия 3−6 — ограничительная характеристика работы ГД (регуляторная линия)
Раздел 4. Расчет и построение паспортной диаграммы ПК
судно буксировочный двигатель
Паспортная диаграмма представляет собой совокупность взаимно согласованных характеристик корпуса, двигателя и гребного винта, построенных в зависимости от скорости судна.
Исходные данные для расчета:
— оптимальный диаметр гребного винта D, м — 4.4;
— номинальная частота вращении гребного винта n, об/мин — 120;
— КПД валопровода — 0,95;
— коэффициент попутного потока W — 0,3;
— коэффициент засасывания t — 0,18;
— шаговое отношение H/D — 0,75;
— коэффициент упора — 0,2? 0,5;
— коэффициент крутящего момента — 0,2? 0,9;
— коэффициенты влияния неравномерности потока на упор i1 и на момент i2 равны 1;
— коэффициент относительной поступи ;
— плотность морской воды ?, кг/м — 1025;
Тяга гребного винта рассчитывается по формуле:
Мощность, потребляемая гребным винтом с учетом потерь при перекладке руля, рассчитывается по формуле:
Скорость хода, соответствующая найденной тяге и мощности гребного винта, рассчитывается по формуле:
Расчет паспортной диаграммы для ряда постоянных значений чисел оборотов занесем в таблицу 5.
Таблица 5. Расчет паспортной диаграммы
№ | Параметры расчета | Расчетные величины | Число оборотов | ||||||
0,83 | 1,17 | 1,5 | 1,83 | 1,92 | |||||
0,5 0,9 | узл | ; | |||||||
кН | 172,3 | ||||||||
кВт | |||||||||
0,2 0,47 0,8 | узл | ; | 2,5 | 2.7 | 4,5 | 5,6 | 6,5 | ||
кН | 157,5 | ||||||||
кВт | |||||||||
0,4 0,42 0,6 | узл | ; | 4,4 | 5,5 | 6,7 | 7,4 | |||
кН | |||||||||
кВт | |||||||||
0,6 0,33 0,5 | узл | ; | 5,4 | 6,2 | 7,2 | 8,5 | 9,3 | ||
кН | |||||||||
кВт | |||||||||
0,8 0,27 0,4 | узл | ; | 7,6 | 8,7 | 9,5 | 11,8 | 14,4 | ||
кН | |||||||||
кВт | |||||||||
Занесем необходимые данные для построения паспортной диаграммы в таблицу 6. Паспортная диаграмма ПК приведена в Приложении В.
На диаграмме в верхней ее части по данным таблицы 6 построены кривые полезной тяги Ре(Vs, n). В нижней части диаграммы построены кривые мощности Ne (Vs, n). На диаграмму нанесена кривая буксировочного сопротивления R (Vs), полученная ранее в разделе 2 (Таблица 3). Точки пересечения R (Vs) с кривой Ре(Vs, n) снесены на нижние кривые Ne (Vs, n) и по полученным точкам построена кривая мощности Ne (Vs), необходимой для преодоления сопротивления движению судна. На нижней части диаграммы вычерчена внешняя характеристика двигателя Ne(n) (См. 3.2). Точки пересечения внешней характеристики двигателя с кривыми Ne (Vs, n) снесены на верхнюю часть диаграммы до пересечения с кривыми Ре(Vs, n) и по полученным точкам построена кривая полезной тяги Ре(n), ордината которой дают максимальные значения тяги, достижимой при данном винте и двигателе.
Таким образом, точка пересечения кривой необходимой мощности Ne (Vs) с внешней характеристикой двигателя Ne(n) лежит на кривой номинального числа оборотов.
Точка пересечения буксировочного сопротивления R (Vs) с кривой полезной тяги Ре(n) имеет абсциссу, соответствующую наибольшей скорости судна.
Пересечение кривой R (Vs) с перпендикуляром из заданной скорости дает номинальное число оборотов гребного винта.
Таблица 6. Данные для построения паспортной диаграммы
Частота вращения гребного винта, n об/мин | Скорость хода, Vs узлы | Тяга гребного винта, Pe кН | Мощность, потребляемая гребным винтом, Ne кВт | |
172,3 | ||||
2,5 | 157,5 | |||
6,2 | ||||
7,7 | 98,5 | |||
2.7 | ||||
4.4 | ||||
6,2 | ||||
8,7 | ||||
10,5 | ||||
4,5 | ||||
5,5 | ||||
7,2 | ||||
9,5 | ||||
13,7 | ||||
5,6 | ||||
6,7 | ||||
8,5 | ||||
11,8 | ||||
15,5 | ||||
6,5 | ||||
7,4 | ||||
9,3 | ||||
14,4 | ||||
17,5 | ||||
Раздел 5. Оценка качества пропульсивного комплекса
КПД пропульсивного комплекса определяется произведением КПД следующих его составляющих:
Где — КПД пропульсивного комплекса;
— эффективный КПД (произведение индикаторного КПД (тепловых потерь) и КПД механических потерь)
— КПД валопровода;
— КПД корпуса судна;
— КПД гребного винта;
=
Таким образом, КПД пропульсивного комплекса =33,2% показывает, что выбранный режим работы СЭУ является рациональным как по экономическим показателям, так и по эксплуатационной скорости движения судна.
Боковой вид ГД — валопровод — движитель представлен в Приложении Г.
Заключение
Выполнение курсовой работы позволило в значительной мере приобрести практические навыки в расчете и рациональной эксплуатации пропульсивного комплекса судна, в построении поля рабочих режимов двигателя, паспортной диаграммы судна и использовании их при управлении режимами СЭУ.
Без сомнения при оценке эффективности пропульсивного комплекса особое внимание уделяется удельному расходу топлива на милю. Уменьшение расходов топлива снижает эксплуатационные расходы при работе судна, тем самым повышая его рентабельность. Затраты на топливо составляют наибольшую статью расходов судовладельца и задача состоит в минимизации расходов. Однако переход судна на экономичный режим повышает ходовое время, что не всегда сопоставимо с задачами, которые ставит перед собой судовладелец. Вопрос выбора оптимального режима работы СЭУ является довольно сложным и требующим рационального подхода.
Библиографический список
1. Методические указания для выполнения курсовой работы по учебной дисциплине «Управление режимами СЭУ». В. В. Капустин, И. И. Рыбалов. Севастополь, СевНТУ, 2005 г.
2. «Судовые энергетические установки». Г. А. Артемов, В. П. Волошин. Л.-, 1997
3. «Системы судовых энергетических установок». А. Я Шквар, В. П. Шостак. Л.- 1999
4. «Судовые дизели»: Учеб. пособие. Гогин А. Ф., Кивалкин Е. Ф. — М.: Транспорт, 1998
5. «Судовые энергетические установки»: Учеб. пособие. Козлов В. И. — Л.: Судостроение, 1995.