Повышение эффективности энергетической установки за счет применения гребных винтов с дискретным регулированием шага

Сегодня одной из основных проблем внутреннего водного транспорта России является проблема естественного сокращения флота на фоне его старения. На регистрационном учете Российского Речного Регистра (РРР) состоит около 30 тыс. судов, средний возраст которых составляет около 28 лет. Самый большой удельный вес в группе самоходного флота (36%) занимают суда старше 30 летв группе несамоходного флота — 33%. По данным РРР ежегодно количество поднадзорного ему флота из-за списания сокращается примерно на 1000 единиц, такое же количество судов по их техническому состоянию переводятся инспекциями Регистра в категорию «негодное» [9, 35, 39].

Так на примере наиболее успешного в бассейне рек Сибири и Дальнего Востока пароходства ОАО «Енисейское речное пароходство» можно увидеть следующую возрастную структуру флота, представленную в таблице 1.

Таблица 1 — Возрастная структура флота ОАО «ЕРП».

Виды флота Количество Возра ст (лет) флота до 10 11−20 21−30 более 30.

Самоходный флот, всего 300 — 54 115 131.

— пассажирский 27 — 10 8 9.

— грузовой сухогрузный 55 — — 15 40.

— грузовой наливной 21 — — 3 18.

— буксирный 146 — 24 71 51.

Несамоходный флот, всего 469 1 96 197 175.

— сухогрузный 347 1 56 140 150.

— наливной 73 — 30 28 15.

Итого 769 1 150 312 306.

Удельный вес, % 100 0,13 19,50 40,58 39,79.

Мероприятия по обновлению транспортного флота для данного предприятия основаны на идеологии максимального продления срока службы судов из рабочего ядра с использованием системы планово-предупредительного ремонта, нового судостроения, судостроения с ограниченным использованием элементов эксплуатируемых судов. Предполагается, что основным методом является перевозка грузов в толкаемых и буксируемых составах. В связи с этим первоочередное внимание обращено на несамоходный нефтеналивной и сухогрузный тоннаж и буксиры-толкачи [57].

Если рассматривать современные темпы судостроения в России, то они характеризуются постройкой (10−15) судов в год, поэтому в таких условиях замена устаревшего флота новым займет не одно десятилетие и потребует значительных финансовых и трудовых затрат, что могут позволить себе только крупнейшие судоходные компании. Вследствие этого на первый план выходят мероприятия связанные с модернизацией и реновацией флота. Реновация подразумевает восстановление технического состояния «возрастного» судна до уровня эквивалентного (в части безопасной и надежной эксплуатации) более молодому судну с выдачей соответствующих регистровых документов и возможностью его эксплуатации в течение планируемого судовладельцем срока [9, 35, 39].

На примере ОАО «ЕРП» можно наблюдать следующий график мероприятий на период с 2005 по 2015 годы, связанных со строительством, модернизацией и капитальным ремонтом судов, график представлен в таблице 2 [57].

Анализируя вышеуказанные данные можно прийти к следующим выводам: а) в ближайшие годы большинством судоходных компаний Западной и Восточной Сибири планируется проведение модернизации и капитальных ремонтов судов самоходного флота. б) в большинстве случаев модернизация самоходных судов будет затрагивать, в том числе, и судовую энергетическую установку.

Таблица 2 — График обновления флота ОАО «ЕРП», ед. [57].

Годы 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015.

Модернизация.

Нефтеналивные 2.

Нефтеналивные самоходные 2 2 1 •.

Буксиры-толкачи 10 10 8.

Пассажирские скоростные 2 2 2.

Итого 16 14 11 ;

Строительство.

Нефтеналивные — 3 3.

Сухогрузные несамоходные 3 3 3 3 л й 3 3 3 3 3.

Буксиры-толкачи — — 2 2 4 4 4 4 4 4.

Итого 3 3 5 5 7 7 7 7 10 10.

Капитальный ремонт.

Нефтеналивные 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.

Сухогрузные несамоходные 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4.

Сухогрузные самоходные — — 1 1 1 1 1 1 1 1.

Буксиры-толкачи 2 3 3 1 1 1 1 1 1 1.

Итого 7 8 9 7 7 7 7 7 7 7.

Судовые энергетические установки отечественных речных судов, спроектированных более тридцати лет назад, в настоящее время имеют большой потенциал по увеличению эффективности их работы. Проведя соответствующие исследования и разработав необходимые мероприятия, можно произвести их внедрение во время модернизации или капитального ремонта судов. Так как повышение эффективности работы судовой энергетической установки (СЭУ) напрямую влияет на снижение эксплуатационных затрат на содержание судна, что в современных условиях имеет особую актуальность, и как следствие проведение соответствующих исследований на сегодняшний день также крайне j актуально.

На основе анализа литературных источников, а также опыта эксплуатации грузовых судов в бассейнах рек Сибири установлено, что имеются предпосылки для проведения исследования по повышению эффективности работы СЭУ данных судов. Большинство речных судов в настоящее время в качестве движителей оснащены гребными винтами (рабочими колесами водометного движителя) фиксированного шага, соответственно, при изменении режима работы судна, данные винты не могут обеспечить согласованность совместной работы с СЭУ, при этом существенно снижается эффективность использования последней.

В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.

Объектом исследования являются энергетические установки и движительный комплекс речных транспортных судов.

Предметом исследования являются гребные винты дискретно регулируемого шага (ГВДРШ), как средство повышения эффективности использования СЭУ.

Идея работы заключается в установлении особенностей работы СЭУ речных транспортных судов при различных режимах нагрузки судна, учитывая которые можно разработать средство повышения эффективности использования СЭУ.

Целью работы является повышение эффективности использования СЭУ речных транспортных судов путем применения в качестве движителя ГВДРШ.

В соответствии с идеей и целью работы ставились и решались следующие взаимоувязанные научно-технические задачи:

— показать возможность повышения эффективности работы СЭУ речных транспортных судов путем применения в качестве движителя гребного винта дискретно ре1улируемого шага.

— при этом найденное решение удовлетворяет следующим требованиям: а) при проведении исследования были учтены современные особенности эксплуатации речных самоходных транспортных судовб) материалы исследования могут быть использованы при проектировании и постройке новых судовв) материалы исследования могут быть использованы при проведении модернизации существующих судов, при этом изменения, вносимые в конструкцию и компоновку основных элементов судна минимальныг) материалы исследования применимы к различным типам самоходных судов, используемым в настоящее время судоходными компаниями;

— установить зависимость эффективности работы дизеля (в качестве судового главного двигателя) от параметров гребного винта.

— разработать конструкцию гребного винта с системой дискретного регулирования шага, при этом предложенная конструкция должна отвечать всем необходимым требованиям государственных стандартов.

Методы исследования. Проведены теоретические исследования вопросов оптимизации совместной работы движителей и энергетической установки судна. В соответствии с результатами исследования разработаны теоретические модели ГВДРШ для судов пр. 1741А и пр. Р96А. Для определения параметров работы главного двигателя судна пр. Р96А были смоделированы внешняя и частичные характеристики дизельного двигателя типа ЧН15/18. Разработана конструкция ГВДРШ для судна пр. Р96А и полный комплект необходимой для его изготовления документации. Проведены сравнительные испытания судна Р618 (пр. 1741 А), на основании результатов которых, проведен детальный анализ режимов эксплуатации и сделан расчёт экономической эффективности применения ГВДРШ.

Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов. Проведённые исследования базируются на традиционных методиках определения параметров работы дизельных двигателей и расчёта оптимальных гребных винтов. Исследования проводились на современной поверенной аппаратуре с применением компьютерных технологий.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1 Результаты исследования методов повышения эффективности судовой энергетической установки.

2 Результаты исследования методов повышения эффективности движительного комплекса судна.

3 Концепция гребных винтов дискретно регулируемого шага.

4 Результаты исследования влияния параметров гребного винта на эффективность работы главных двигателей;

5 Результаты теоретического исследования повышения эффективности судовой энергетической установки при применении гребных винтов дискретно регулируемого шага в качестве движителя речных судов.

6 Конструкция гребного винта с системой дискретного регулирования шага для судна пр. Р96А.

7 Оценка экономической эффективности внедрения результатов работы.

Научная новизна работы в рамках сформулированных научнотехнических задач характеризуется тем, что впервые:

— установлено, что применение гребных винтов с дискретным регулированием шага целесообразно для повышения эффективности пропульсивного комплекса речных судов;

— разработан алгоритм оптимизации совместной работы главных двигателей и гребных винтов, повышающий эффективность использования судовой энергетической установки на (6 — 11) %;

— доказана эффективность применения гребных винтов дискретно регулируемого на транспортных судах речного флота;

— разработана универсальная конструкция гребных винтов с дискретным регулированием шага для различных типов судов.

Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение её результатов в производство может дать значительный экономический эффект, за счёт повышения эффективности использования СЭУ, и как следствие снижение затрат на топливо или увеличение провозной способности судов.

Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения рекомендованы для внедрения в ОАО «Западно-Сибирское речное пароходство».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференциях профессорско-преподавательского состава НГАВТ 2004 — 2009 г. г. и были доложены на Новосибирской межвузовской научной конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» в 2005 г. Полученные результаты использованы в учебном процессе ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» на кафедре «Технологии металлов и судостроения».

Личный вклад. Постановка задач исследования, выбор способов их решения, экспериментальные исследования и основные научные результаты принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных трудов, в том числе 2 статьи в периодических изданиях по перечню ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников, включающего 78 наименований, и приложения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 45 рисунков и 69 таблиц.

2.4 Результаты исследования и выводы.

1 Режим работы дизеля на лёгкий гребной винт характеризуется недоиспользованием мощности двигателя, снижением среднего индикаторного давления и как следствие уменьшением механического КПД. Что в свою очередь вызывает снижение эффективного КПД и увеличение удельного расхода топлива. Работа двигателя в режиме повышенной частоты вращения коленчатого вала опасна возможностью «перекрута» дизеля, а также характеризуется уменьшение срока службы. Уменьшение срока службы является следствием увеличения рабочих циклов в единицу времени, что линейно повышает скорость износа компонентов дизеля.

2 Работа дизеля на тяжёлый гребной винт характеризуется опасностью теплового перегруза двигателя и поэтому ограничивается номинальной подачей топлива, соответственно эффективная мощность для этого режима ниже номинальной. Снижения эффективного КПД для данного режима не наблюдается, удельный расход топлива несколько снижается относительно номинального [согласно [44, 45, 52, 73, 78] минимальный удельный расход топлива наблюдается при п = (0,8 — 0,9) пиом]. Гребные винты фиксированного шага для речных судов в основном проектируются согласованными с СЭУ для наиболее тяжёлого режима [19, 20], следовательно, при работе в более лёгких условиях, винт будет лёгким для силовой установки, а значит, будет наблюдаться недоиспользование мощности двигателя (потеря в скорости судна), сниженный КПД работы дизеля и уменьшение его моторесурса. Особенно это актуально на судах имеющих несколько сильно отличающихся режимов работы, например бусиры — толкачи, грузовые суда, причем, чем больше разница в режимах нагрузки судна, тем больше негативное влияние неоптимальности ГВФШ на СЭУ и в частности дизельные двигатели [27, 30, 47, 59, 62, 64, 66].

3 Применение ГВДРШ позволяет обеспечить оптимальное шаговое отношение гребного винта для наиболее частых режимов нагрузки судна, и соответственно оптимальный режим работы СЭУ.

Применение данной системы позволяет дизельным двигателям работать в режиме близком к номинальному, предотвращая снижение КПД двигателей повышение удельного расхода топлива), опасность работы двигателей в неблагоприятных режимах и обеспечивая сохранение их моторесурса.

Теоретические исследования для судов 1741А и Р96А показали:

1 Оптимальный гребной винт обеспечивает судну самую высокую скорость для каждого из режимов.

2 Однако, учитывая особенность зависимости потребляемой мощности от скорости движения судна (кубическая зависимость) и принимая во внимание найденные значения расхода топлива g, можно придти к выводу, что режим движения судна с максимальной скоростью не является самым экономичным. Тяжёлые и лёгкие винты, потребляющие меньшую мощность, показывают более низкое значение расхода топлива на километр пути.

3 Наименьший удельный расход топлива (а следовательно более высокий КПД) обеспечивают «утяжелённые» винты (n ~ 0,9пном) — Разница по удельному эффективному расходу топлива между «лёгкими» и номинальными режимами составляет соответственно (0,5 — 1,5) %, между излишне «тяжёлыми» и номинальными режимами также (0,5 — 2) %. Отсюда уменьшение эффективного КПД дизеля на (0,5 — 2) %.

4 Применяя гребной винт фиксированного шага, оптимальный только для одного из режимов движения судна, судоводитель теряет от 1 до 13% скорости судна в других условиях движения. Следовательно, при использовании в качестве движителя судна ГВДРШ, спроектированный с глубоким анализом статистики эксплуатации судна, можно увеличить провозную способность судна за период навигации на (3 — 6) % и, соответственно, использовать СЭУ с большей эффективностью. Также применение ГВДРШ позволяет возможность специального утяжеления винта и, следовательно, работу судна в более экономичном режиме с большим КПД СЭУ.

Глава 3 Разработка конструкции гребного винта с системой ДРШ.

3.1 Исходные данные для проектирования.

Гребной винт дискретно регулируемого шага будет проектироваться с условием установки на судно пр. Р96А.

Судно — буксир-толкач пр. Р96А:

Длина расчётная L — 19,9 м;

Ширина расчётная В — 5,0 м;

Осадка расчётная Т — 0,55 м;

Коэффициент полноты водоизмещения 5 — 0,72.

Главный двигатель — ЗД12А:

Номинальная мощность Ps = 220 кВт;

Номинальная частота оборотов коленчатого вала п = 1500 об./мин;

Передаточное отношение редуктора i = 2,95.

Движитель — водомет с полуподводным выбросом струи:

Диаметр гребного винта водомета D = 0,846 м;

Число лопастей z = 4;

Диаметр ступицы dc — 220 мм;

Длина ступицы 1с — 300 мм.

Для предотвращения уменьшения КПД гребного винта исходные размеры ступицы сохраняются.

Согласно статистики эксплуатации данного судна в ОАО «Енисейское речное пароходство», его максимальная эффективная нагрузка — две баржи водоизмещением 200 т. каждая (пр. Р93). Отсюда определяются граничные условия для проектирования гребного винта:

1 Минимальная нагрузка — буксир-толкач без баржевой нагрузки;

2 Максимальная нагрузка — буксир—толкач + 2 баржи пр. Р93.

Данные условия соответствуют режимам нагрузки судна 1 и 3, которые были рассмотрены в п. 2.3.2.

Значения шага оптимального гребного винта, для каждого из граничных режимов, соответственно равны:

Режим 1−1,29 м;

Режим 3 — 1,19 м.

В качестве принципиальной компоновки для проектирования механизмов управления и поворота лопастей принимается схема, представленная на рисунке 36.

1 — ступица гребного винта. 2 — выдвижной стержень привода. 3 — герметичная направляющая труба. 4 — поворотный винт привода. 5 — ручной привод выдвижного стержня. 6 — поворотная лопасть гребного винта.

Рисунок 36 — Схема дистанционного привода изменения шага гребного винта.

3.2 Определение углов поворота лопастей ГВДРШ.

Для определения необходимых углов поворота лопастей ГВДРШ сначала определяются шаговые ан углы цилиндрических сечений лопастей [17, 18, 19, 20]. н ан = arctg—, 2т' где:

Ншаг гребного винтаг — радиус цилиндрического сечения. Результаты расчёта представлены в таблице 64. Таблица 65 — Расчёт шаговых углов г, м 0,127 (0.3R) 0,212 (0,5R) 0,296 (0,7R) 0,381 (0,9R) 0,423 ® ань° 58,26 44,08 34,75 28,32 25,89 из, ° 56,16 41,78 32,61 26,43 24,12.

Из таблицы 65 видно, что с увеличением радиуса сечения шаговый угол уменьшается, также уменьшается и разность между шаговыми углами, это связано с геометрическими свойствами винтовых линий, формирующих лопасть гребного винта.

Значение разности шаговых углов Аа представлено в таблице 66, за начальное положение принимаются шаговые углы для режима 3.

Заключение

.

Выполненные исследования позволяют сформулировать следующее:

1 Показана возможность повышения эффективности работы судовой энергетической установки речных транспортных судов путём применения в качестве движителя гребного винта дискретно регулируемого шага.

При этом найденное решение удовлетворяет следующим требованиям: а) при проведении исследования были учтены современные особенности эксплуатации речных самоходных транспортных судовб) материалы исследования могут быть использованы при проектировании и постройке новых судовв) материалы исследования могут быть использованы при проведении модернизации существующих судов, при этом изменения, вносимые в конструкцию и компоновку основных элементов судна минимальныг) материалы исследования применимы к различным типам самоходных судов, используемым в настоящее время судоходными компаниями;

2 Установлены зависимости эффективности работы дизеля (в качестве судового главного двигателя) от параметров гребного винта.

3 Доказано, что при использовании в качестве движителя судна гребного винта дискретно регулируемого шага, спроектированного с глубоким анализом статистики эксплуатации судна, можно увеличить провозную способность судна за период навигации на (3 — 6) % и соответственно использовать судовую энергетическую установку с большей эффективностью. Также применение гребного винта дискретно регулируемого шага позволяет обеспечить возможность работы судна в наиболее экономичном режиме.

4 Разработана конструкция гребного винта с системой дискретного регулирования шага для судна пр. Р96А, при этом предложенная конструкция отвечает всем необходимым требованиям государственных стандартов.

5 Зарегистрирована конструкция механизма поворота лопастей гребного винта дискретно регулируемого шага в Патентном ведомстве РФ (Роспатент).

6 Установлено [при помощи сравнительных испытаний судна РТ 618 (пр. 1741 А)], что использование в качестве движителя гребного винта дискретно регулируемого шага позволяет даже при работе судна в экономном режиме обеспечить дополнительную экономию топлива.

7 Установлено (на примере перевозки шлака судном пр. 1741А по маршруту Ташара — Нижневартовск), что использование гребного винта дискретно регулируемого шага позволяет сэкономить 47 тысяч рублей за один период эксплуатации. При этом, на сегодняшний день ориентировочная стоимость оборудования судна пр. 1741А гребными винтами дискретно регулируемого шага составляет порядка 200 тысяч рублей. Изготовление комплекта гребных винтов фиксированного шага для этого судна обойдется в 120 тысяч рублей. Соответственно, если приурочить оборудование судна гребными винтами дискретно регулируемого шага к плановой замене гребных винтов или модернизации судна (требующей замены гребных винтов), то дополнительные затраты на установку гребных винтов дискретно регулируемого шага окупятся меньше чем за два эксплуатационных периода.