Определение потребной мощности судна

Где: G=T – центр тяжести,

R – сопротивление движению судна Н,

,

- площадь смоченной поверхности.

При движении судна на него действует дифферентующий момент:

М_д=Ra+Pb=Td

R_x – буксировочное сопротивление, R_x=P

N_R – буксировочная мощность, кВт

.

На рисунке представлены буксировочные кривые представляющие собой зависимость сопротивления воды и буксировочной мощности от скорости. В интервале «ОА» и «ОА^/» они представляют квадратичные и кубические параболы соответственно для водоизмещения судна.

где: z – тяга на гаке,

x – число движителей

,

- удельная нагрузка на винт,

,

N_у – мощность установки,

k_н – коэффициент запаса мощности, увеличивает мощность на величину возрастания сопротивления в процессе эксплуатации,

k_н = 1,15…1,2 – для дизельных установок.

k_н = 1 – для турбинных установок.

При отсутствии теоретического чертежа:

- одновальная установка

- двувальные суда

- туннельные обводы

- винт в насадке

T_К – осадка кормой

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАЛОПРОВОДА

1) Определение координат оси валопровода.

- зазор.

- принимается равным: -для речных судов (винт в ДП)

(винт в борту)

-для морских судов

. Если , то сказывается взаимное влияние винтов друг на друга, следовательно, КПД снижается.

не должно быть меньше 0.

- расстояние от лопасти винта до ахтерштевня. Определяется экспериментально при испытаниях модели в бассейне.

устанавливается из условия досмотра фундаментной рамы двигателя.

Меньшие зазоры , , , вызывают сильную вибрацию кормовой оконечности судна.

Обычно выбирают направление движения винтов от ДП к бортам. При этом плавающие предметы отбрасываются к бортам в сторону.

- уклон валовой линии.

- угол верности.

Лучше, когда .

- пересечение осей валовых линий.

зависит от положения центра тяжести (либо в корму, либо в нос).

Положение точки предпочтительнее из условия лучшей манёвренности (при работе винтов “враздрай” появляется крутящий момент).

2) Составление конструктивной схемы валопровода.

1 – гребной винт,

2 – кронштейн,

3 – предохранительная труба,

4 – гребной вал,

5 – дейдвудное устройство,

6 – водонепроницаемая переборка,

7 – сальниковое уплотнение,

8 – соединительные муфты,

9 – промежуточный вал,

10 – опорный подшипник, в который уложен промежуточный вал,

11 – тормоз,

12 – упорно – опорный подшипник,

13 – упорный вал,

14 – вал – проставыш (коротыш, технологический вал),

15 – технологический подшипник,

16 – редуктор или эластичная муфта,

17 – главный двигатель.

3) Определение минимальных диаметров валов.

Из Морского Регистра:

1. расчёт ведётся с определением диаметров промежуточного вала:

, мм,

где - коэффициент, зависящий от типа установки. Он принимается:

- для установок с ДВС, оборудованных гидравлическими и электромагнитными муфтами;

- для установок с ДВС и механической передачей;

- расчётная мощность на промежуточном валу, кВт;

- расчётная частота вращения промежуточного вала, об/мин.

2. расчётный диаметр гребного вала:

, мм,

100 – коэффициент, учитывающий тип установки;

- коэффициент, принимаемый в зависимости от конструкции гребного вала:

- бесшпоночное соединение гребного вала и винта,

- если соединение шпоночное.

Дополнительные условия:

Диаметр вала, изготовленного из стали с МПа:

-

уменьшенный по сравнению с расчётным диаметром.

Во всех случаях временное сопротивление должно приниматься не более 800 МПа для промежуточного и упорного вала, и не более 600 МПа – для гребного вала. Если в валу выполнено осевое отверстие, то его диаметр не должен превышать:

Из Речного Регистра:

1. , мм,

- постоянный коэффициент,

для валов судов класса М и О,

для валов судов класса Р и Л;

- номинальная мощность, передаваемая промежуточным валом, кВт;

- частота вращения вала, об/с;

- коэффициент, который:

- для установок с ротативными двигателями (турбинными двигателями),

- для установок с ДВС,

,

- момент инерции гребного винта, ,

- суммарный момент инерции,

- без редуктора,

- с редуктором.

Если момент инерции отсутствует, то:

- для установок с двухтактными ДВС,

- для установок с четырёхтактными ДВС.

принимается по таблице:

Число цилиндров
четырёхтактные	двухтактные
	6.4	3.8
	2.8	2.2
		1.2
	1.4	1.05

Диаметр упорного вала в районе упорного гребня должен превосходить принятый диаметр промежуточного вала не менее, чем на 5%.

При контакте воды с валом мы должны поставить облицовку, чаще всего бронзовую. Для предотвращения коррозии вала необходимо исключить прямой контакт материала вала с водой.

Толщина облицовки:

, мм,

- диаметр принятого вала (округлённый до целого числа).

Облицовка может быть выполнена из частей.

Расчётные диаметры валов обычно увеличиваются:

1. на ремонтную обточку,

2. на ледовое усиление.

4) Расчёт на прочность (определение опорных реакций и построение эпюр перерезывающих сил).

- расчёт Сен-Венана на расчётно-статическую прочность,

МПа.

Не допускаются нулевые реакции.

5) Расчёт вала на выносливость.

Ведётся по формуле:

,

,

МПа,

- увеличение момента, связанное с неравномерностью работы двигателя,

- предел выносливости материала вала стандартного образца на изгиб при симметричном цикле нагружения,

- амплитуда касательных напряжений от крутящего момента,

- момент сопротивления.

Недостатки этой формулы:

не учитывает наличие концентраторов напряжения и масштабный эффект.

6) Расчёт вала на поперечные колебания.

Причиной появления поперечных колебаний является несовпадение действия оси вала и оси вращения.

, кол/с,

- длина пролёта,

- распределённая нагрузка.

Данная формула применяется для катеров и быстроходный судов.

Для водоизмещающих судов:

,

- упор винта,

- критическая сила при расчёте на продольную устойчивость. Отрицательна, если происходит сжатие вала (при движении судна вперёд).

7) Расчёт на крутильные колебания.

Они вызваны неравномерностью вращения вала.

, МПа.

Как видно из формулы, допускаемые напряжения зависят от частоты вращения коленчатого вала, и чем меньше частота, тем напряжения меньше.

КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВАЛОПРОВОДА

ГРЕБНОЙ ВАЛ

Назначение: передача крутящего момента от двигателя к движителю.

- длина кормовой шейки.

Бывает, что облицовка может выполняться только в районе шеек.

КОНСТРУКЦИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ВАЛА

Промежуточный вал размещается между гребным валом и двигателем, он соединяет гребной вал с упорным валом. Эти валы работают в более благоприятных условиях, чем гребной; эти валы не соприкасаются с водой и не требуют антикоррозионной защиты. Их количество зависит от расположения машинного отделения. У танкеров и сухогрузных судов с кормовым расположением машинного отделения эти валы могут отсутствовать, так же как у судов с гидравлическими передачами.

УПОРНЫЙ ВАЛ

Предназначен для передачи упора, создаваемого движителем (винтом), на корпус судна.

Схема упорного вала применительно к подшипникам Митчеля:

Накатка делается для предотвращения протекания масла из корпуса подшипника.

Упорный подшипник (или вспомогательный подшипник) стараются расположить как можно ближе в нос сразу за промежуточным валом. Если главный упорный подшипник рассчитывается на упор, развиваемый винтом, то вспомогательный подшипник рассчитывается на передачу, составляющую 25 % от упора.

ДЕЙДВУДНОЕ УСТРОЙСТВО

Если винт выступает далеко из корпуса, то в состав гребного вала включают ещё дейдвудный вал.

Назначение дейдвудного устройства:

Обеспечить выход вала из корпуса судна наружу, а также обеспечить уплотнение по гребному валу (предотвратить попадание воды из – за борта в корпус судна)

Состав:

Дейдвудное устройство состоит из дейдвудной трубы, дейдвудных подшипников, уплотнения, а также систем смазки и охлаждения.

Классифицируется:

1. по числу – с двумя подшипниками, с двумя дейдвудными и одним выносным подшипником,

2. по месту расположения,

3. по типу подшипника.

Дейдвудные подшипники выполняют по принципу скольжения.

Дейдвудная труба выполняется цельно – литой или сварной.

По способу крепления к корпусу втулки могут быть приварными или вкладными.

Крепление осуществляется с помощью шпилек.

Дейдвудные подшипники выполняются с водяной или масляной смазкой. Если диаметр вала до 250 мм, то возможно применение подшипника качения.

Подшипники скольжения представляют собой металлическую втулку, внутренняя поверхность которой покрыта антифрикционным материалом.

При водяной смазке втулки выполняют из бронзы или латуни, при масляной – из чугуна.

Материал облицовок:

1) Бакаут – дерево хвойных пород (имеет малую плотность, выдерживает большие ударные нагрузки, малую набухаемость);

2) Древесно-смолистый пластик;

3) Текстолит

и др.

В последнее время стали применять резиново – металлические подшипники с масляной смазкой.

Недостаток:

резина стареет, она трескается при низких температурах.

При водяной смазке уплотнение предусматривается с внутренней стороны дейдвудной трубы и выполняется в виде сальника с просаленной пеньковой набивкой.

При масляной смазке уплотнять трубу необходимо с обоих концов.

Опорные подшипники располагаются таким образом, чтобы их фундаменты опирались на жёсткие узлы корпуса, так как в этом случае местные деформации корпуса будут вызывать наименьшее смещение опор.

Количество подшипников выбирают таким образом, чтоб промежуточный вал опирался на один или два подшипника.

- расстояние между опорами,

- диаметр промежуточного (или любого другого) вала, м;

при частоте вращения об/мин,

при частоте вращения до 500 об/мин.

Опоры по длине размещаются так, чтоб прогиб и поворот консольных концов был минимальным:

Соединение валов:

Соединение валов производится с помощью соединительных муфт. Все соединительные муфты делятся на два вида:

1) жёсткие муфты (вертикально-свертные и горизонтально-свертные)

2) эластичные муфты (пальчиковые муфты, шинопневматические муфты, шинокорные муфты, гидравлические и электромагнитные муфты).

ЖЁСТКИЕ МУФТЫ

Соединение фланца должно быть плотным. Часть соединительных болтов выполняется призонными. Фланцы выполняются или цельнокованые, или в виде насадных муфт.

Недостаток:

Большие диаметры муфт.

Центровка валов:

Пробивка оси валовой линии.

Теоретическую ось можно пробить: 1) с помощью струны, 2) световым лучом (ставится источник света, устанавливаются мишени).

С помощью светового луча или струны устанавливаем положение подшипников и начинаем заводить валы. Проверяется смещение осей с помощью микрометра.

Оценка качества центровки:

1. излом и смещение,

2. рассчитываем реакции (нагрузка на подшипники).

ПАЛЬЧИКОВАЯ МУФТА

ШИНОПНЕВМАТИЧЕСКАЯ МУФТА

Это быстроразъёмная муфта.

ШИНОКОРНАЯ МУФТА

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МУФТА

ТОРМОЗ

Служит для остановки вала при проведении ремонтных работ на ходу судна.

Чаще всего тормоз выполняется бугельного типа.

ПЕРЕДАЧА

На судах все судовые передачи подразделяются на главные и вспомогательные. Главные передачи предназначены для передачи крутящего момента от двигателя к движителю. Вспомогательные передачи предназначены для передачи энергии от вспомогательных двигателей к вспомогательным механизмам (компрессор, насосы и т. д. ).

Особенности:

1) Передача крутящего момента с изменением и без изменения величины крутящего момента.

2) Передача, которая может изменять частоту вращения, не изменяя крутящий момент.

3) Передача, которая может изменять и то, и другое одновременно.

Показатели, оценивающие особенности

Возможность изменения крутящего момента оценивается коэффициентом трансформации:

.

Передаточное число:

,

где - частота вращения ведущего вала,

- частота вращения ведомого вала.

- передаточное отношение.

Для редукторов .

- КПД передачи.

- мощность, подводимая к ступице винта.

В зависимости от изменения этих параметров, различают:

а) передачи, обеспечивающие при всех условиях работы пропульсивного комплекса постоянство и .

, .

К ним относятся односкоростные механические передачи (зубчатые редукторы, фрикционные и кулачковые муфты, шинопневматические и шинокорневые муфты).

Наиболее простой случай – прямая передача. Для неё: ,

б) передачи, обеспечивающие на всех режимах работы постоянство коэффициента трансформации и переменное (электромагнитные и гидравлические муфты): и .

в) передачи, обеспечивающие переменные коэффициенты и (гидротрансформаторы, многоступенчатые зубчатые передачи, электропередачи): , .

В гидротрансформаторах и электропередачах и меняются плавно, в многоскоростных зубчатых – ступенчато.

Прямые передачи

Достоинства:

1) конструктивная простота и высокая надёжность;

2) возможность использования относительно дешёвого топлива;

3) высокий ресурс двигателя, высокий КПД передачи;

4) небольшой расход масла из – за применения малооборотных двигателей.

Недостатки:

1) отклонение частоты вращения от номинального снижает пропульсивный КПД. Снижение по отношению к номинальному на 20 об/мин снижает на 5 – 8 % пропульсивный КПД;

2) применение малооборотных двигателей при наличии прямой передачи связано с ухудшением массогабаритных показателей СЭУ;

3) сложность привода вспомогательных механизмов.

Зубчатые передачи

Достоинства:

1) приемлемые массогабаритные характеристики (среднеоборотные дизеля СОД и высокооборотные дизеля ВОД, турбины);

2) высокая надёжность;

Недостатки:

1) меньший ресурс главных двигателей;

2) сложность получения необходимых передаточных чисел в первой ступени.

Основными элементами зубчатой передачи являются зубчатые колёса трёх видов: с внешним зацеплением – переборные редуктора; цилиндрические с внутренним зацеплением – планетарные передачи; конические в составе угловых передач.

Электропередачи

Достоинства:

1) возможность использования только нереверсивных двигателей. Устройство реверса усложняет двигатель. Использование нереверсивных двигателей упрощает конструкцию и повышает надёжность передачи;

2) полная независимость числа первичных двигателей от числа винтов;

3) высокие маневренные качества;

4) отсутствие жёсткой связи между двигателем и движителем;

5) бесшумность передачи.

Гидравлические передачи

Представляют совокупность гидравлических механизмов, с помощью которых энергия ведущего вала передаётся ведомому валу (передача энергии движителю).

В зависимости от принципа работы различают гидростатические и гидродинамические передачи.

В первых случаях используется энергия давления (потенциальная энергия). В гидродинамических передачах используется энергия скоростного напора (кинетическая энергия).

- мощность гидравлического механизма,

- подача,

- напор,

- плотность.

1) Если большие подачи, то при постоянной мощности должны быть малые напоры – это гидродинамические передачи.

2) Если подача малая, а напор большой – это гидростатические передачи.

Когда подача увеличивается, напор уменьшается, то применяются центробежные насосы.

Если подача уменьшается, напор увеличивается, то применяются поршневые насосы, объёмные насосы в целом.

Гидродинамическая передача.

Состоит из центробежного насоса, направляющего аппарата и гидротурбины.

В зависимости от конструкции подразделяется на:

- гидромуфты;

- гидротрансформаторы.

Гидромуфты: предназначены для передачи крутящего момента без изменения его величины и знака.

.

для гидромуфты.

В гидромуфтах отсутствует направляющий аппарат, КПД их низкий ( ).

Достоинства:

1) гибкое соединение главного двигателя с движителем;

2) повышается надёжность и маневренность СЭУ с главным двигателем, работающими на один вал;

3) улучшаются условия пуска двигателя.

Недостатки:

1) повышенная масса СЭУ в случае совместного использования гидромуфты с зубчатой передачей;

2) низкий общий КПД;

3) необходимость в дополнительной системе заполнения гидромуфт рабочей средой.

Гидротрансформатор: предназначен для передачи крутящего момента при изменении его величины и знака на выходном валу (при наличии гидротрансформатора заднего хода).

.

Изменение величины момента и частоты вращения производится двумя способами:

1) количественный;

2) качественный.

Отличие гидротрансформатора от гидромуфты состоит в повышении или понижении момента. В гидротрансформаторах установлен неподвижный направляющий аппарат (иногда два). За счёт профилирования лопаток направляющего аппарата можно изменить момент количества движения рабочей среды, а в итоге – момент, развиваемый турбиной.

Достоинства:

1) редуцирование частоты вращения ( );

2) автоматическое изменение передаточного числа происходит при постоянной частоте вращения главного двигателя;

3) высокие тяговые характеристики.

Недостаток:

сложность заполнения системы рабочей средой.

Характеристики гидротрансформатора:

1) ;

2) в гидротрансформаторах имеет место скольжение;

- скольжение гидротрансформатора.

Скольжение меняется в зависимости от нагрузки.

При полном заполнении гидротрансформатора скольжение составляет 2 – 3 %. Максимального значения скольжение достигает в момент пуска.

3) гидравлический КПД определяется соотношением:

.

При КПД:

.

Общее значение .

При работе гидротрансформатора или гидромуфты часть энергии теряется, она идёт на нагрев рабочей среды.

Мощность потерь:

,

- мощность потерь в полости,

- скольжение,

- мощность насоса.

, кДж/ч, - количество теплоты, отводимое от рабочей среды.

Возникает необходимость создания собственной мощности теплообменника.

Регулирование момента и частоты вращения:

1) количественное. Связано с изменением количества рабочего тела в гидротрансформаторе.

.

1 – внешняя характеристика гидротрансформатора при полном заполнении полости рабочим телом,

2 – расчётная винтовая характеристика,

А – расчётная точка.

Изменить частоту вращения можно изменением подачи рабочей среды в гидротрансформатор. Опыт эксплуатации установок показывает, что при таком способе регулирования передачи работают устойчиво при . КПД при этом меняется незначительно: .

2) качественный способ регулирования:

Качественный способ регулирования менее экономичен, чем количественный способ регулирования, но количественный более приемлем, т. к. у него меньше расход топлива.

Гидростатическая передача.

Использует потенциальную энергию. Она состоит из насоса объёмного типа, преобразующую механическую энергию двигателя в потенциальную энергию рабочего тела, и гидромотора, преобразующего потенциальную энергию в механическую энергию, соединённых между собой трубопроводом.

Особенности:

гидронасос имеет переменную подачу, а гидромотор – постоянный расход. Здесь происходит изменение подачи насоса путём изменения угла наклона блока поршней.

Подача насоса меняется путём изменения наклона блока поршней. Изменение подачи характеризуется параметром :

,

- текущее значение угла наклона,

- максимальный угол наклона люльки.

За счёт изменения угла наклона в противоположную сторону изменяется направление потока рабочей жидкости.

Объёмные гидропередачи характеризуются:

1) расчётное передаточное число:

,

- максимальная подача насоса,

- максимальный расход гидромотора.

2) КПД передачи:

,

, - КПД, учитывающий объёмные потери (перетечки) и механические потери в подшипниках соответственно,

- кинематическое передаточное отношение гидропередачи. Оно изменяется от 0 до .

3) момент на выходном валу:

.

Характеристики гидрообъёмных передач:

1 – швартовная характеристика,

2 – утяжелённая характеристика,

3 – расчётная характеристика,

4 – облегчённая характеристика,

5 – характеристика гребного гидромотора,

6 – характеристика гидромотора.

,

,

.

Для того, чтобы обеспечить режим работы, соответствующей точке Б, необходимо произвести уменьшение подачи и увеличить напор.

Работа в точке В недопустима по ограничению крутящего момента:

.

Ограничение происходит ещё из – за условия прочности трубопроводов.

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАПАСЫ

Под судовыми энергетическими запасами понимаются запасы топлива, масла и технической воды, необходимые для обеспечения заданной автономности судна.

- общая масса СЭЗ, т.

- время автономности.

- часовой расход энергетических запасов в - ом режиме плавания, т/ч,

- продолжительность - го режима, ч.

Основными расчётными режимами обычно являются ходовой и стояночный режимы.

Масса СЭЗ зависит от типа установки и назначения судна. Если судно морское, то масса СЭЗ может быть соразмерима, а иногда и превосходит массу собственно сухой энергетической установки. Исключение составляет АЭУ.

Более точная расчётная зависимость:

, т,

- удельный расход топлива на СЭУ для расчётного режима, ,

- суммарная мощность главных двигателей, кВт,

- дальность плавания, км,

- скорость, км/ч,

- коэффициент, учитывающий запасы масла и технической воды, ,

- коэффициент, учитывающий расходы топлива на стоянках и т.д., .

Если на судне используется двухтопливная СЭУ, то расчёт по расходу топлива надо вести по сортам топлива:

, ,

- часовой расход топлива главными двигателями,

- для двухтопливной системы,

, - расходы тяжёлого и лёгкого топлива соответственно,

- часовой расход топлива на агрегаты СЭЗ,

- часовой расход топлива вспомогательными автономными котлами.

Расчёт спецификационного запаса:

, т,

- коэффициент, учитывающий потери топлива при его очистке, а также уменьшение КПД двигателя в эксплуатационных условиях,

,

- коэффициент эксплуатационного запаса,

,

- коэффициент, учитывающий ввод и вывод установки в действие,

.

Большие значения коэффициентов следует принимать для судов с меньшей дальностью плавания.

, м³ – ёмкость цистерн для хранения СЭЗ,

- вид запаса (топливо, масло, пресная вода),

- запасы - го вида СЭЗ,

- плотность топлива, масла и воды,

- коэффициент “мёртвого” запаса, т.е. то, что нельзя откачать обычными средствами,

,

- коэффициент недолива,

,

- коэффициент, учитывающий объём, занимаемый набором,

,

- коэффициент, учитывающий тепловое расширение. Принимается для топливных цистерн:

.

Спецификационный запас не включает остатки топлива в запасных цистернах.

Расход масла имеет место в процессе эксплуатации. Он вызывается следующими причинами:

1) угар и утечки в циркуляционных системах (утечки через неплотности),

2) старение циркуляционного масла, которое вызывает необходимость замены масла.

Запасы масла на угар:

,

- суммарная мощность главных агрегатов,

- количество равных по мощность главных агрегатов,

- удельный расход циркуляционного масла,

гр.

- количество главных агрегатов, работающих в - ом режиме,

- продолжительность - го режима,

- удельное количество масла в системе циркуляционной смазки, кг/кВт,

кг/кВт,

кг/кВт – для ПТУ,

кг/кВт – для ДВС,

- необходимое количество смен масла.

и те же, что и в предыдущем расчёте

Запасы технической воды рассчитываются из 200 литров на человека в сутки – пассажирские и рыболовные суда.

Для вспомогательных котлов расход воды составляет 5 – 10% от паропроизводительности.

Для ПТУ потери воды в цикле от 0.5 до 1% от расхода пара.

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ