Судовое энергетическое оборудование является одним из важнейших условий бесперебойной работы всего судна. Еще на этапе проектирования закладываются основные и самые главные параметры.
В этой статье приведен пример проектирования судовой энергетической установки и все необходимые исчисления.
Последовательность выполнения курсовой работы
Курсовой проект необходимо выполнять в следующей последовательности:
В первом разделе методички студент осуществляет расчет требуемой мощности и Главная энергетическая установка буксирного суднавыбор главного двигателя. При этом используется рекомендуемая литература и материалы Интернета. При описании каждого двигателя необходимо указывать источник информации – либо книга с указанием страниц, либо точный адрес интернет страницы. Выбор двигателя осуществляется на основании анализа технико-экономических показателей сравниваемых вариантов.
Во втором разделе осуществляется выбор способа передачи мощности от двигателя к движителю.
После выполнения двух разделов необходимо представить результаты расчетов и обоснование выбора главного двигателя преподавателю. Для этой цели студентом разрабатывается презентация и подготавливается доклад, в которых отражаются следующие аспекты курсового проекта:
- тип судна и его основные характеристики;
- расчетная мощность главных двигателей, необходимая для достижения цели, поставленной в задании на курсовое проектирование;
- основные технические характеристики двигателей, участвующих в сравнении;
- технико-экономическое обоснование выбора определенного двигателя.
Доклад осуществляется группами студентов, состоящих из 5 и более человек, при этом докладчик выступает перед аудиторией, демонстрируя на проекторе подготовленную презентацию, а остальные члены группы задают докладчику вопросы (как минимум один вопрос должен быть задан!).
После доклада, на основании представленной информации, преподаватель утверждает выбор двигателя либо указывает любой другой из представленных двигателей для продолжения проектных расчетов. Также на этом этапе студент получает задание на графическую часть курсового проекта – систему, которую необходимо изобразить на чертеже.
Последующие расчеты проводятся в соответствии с методическими указаниями, их результаты расчетов по каждому разделу приводятся в таблице (Приложения). Данные таблицы дублируют расчеты, а не заменяют их, представляя информацию в более структурированном виде.
После выполнения всех расчетов и чертежей дипломный проект сдается на проверку. При проверке контролируются правильность произведенных расчетов и соответствие оформления проекта требованиям. Проверенная работа допускается к защите или возвращается студенту на доработку. На защите студент должен ответит на вопросы по расчетной части проекта, обосновать выбор того или иного агрегата, продемонстрировать знание принципов работы рассчитываемых судовых систем и систем двигателя.
Требования к оформлению курсового проекта
Пояснительная записка к курсовому проекту выполняется на листах формата А4 (210×297 мм). Допускается приложения выполнять на листах формата больше А4, но кратных ему в соответствии с ГОСТ 2.101. Рамки и штампы по ЕСКД. Шифр работы – «180403КП-ХХ YY.00.00 ПЗ», где ХХ – год выполнения проекта, YY – номер варианта задания (например: 01). Титульный лист должен соответствовать образцу, утвержденному на кафедре. Пояснительная записка должна иметь плотную обложку.
При выполнении расчетов необходимо контролировать и указывать размерности числовых величин. Все размерности даются в соответствии с международной системой единиц физических величин СИ.
Рамка для текста 17,5×26 см. Нижнее поле около 2,5 см, верхнее – 1,5 см, правое – 1 см, левое – 2,5 см. Гарнитура Times New Roman для всех элементов пояснительной записки.
Основной текст записки – размер (кегль) 14, междустрочный интервал 1,5, абзацный отступ – 1,5 см, выравнивание по ширине.
Таблицы. Нумерационный заголовок и тематическое название (например: Таблица 1 – Статические характеристики мощности дизеля) – размер 12, строчными, светлыми, по центру, над таблицей. Текст таблицы – размер 12, междустрочный интервал 1, абзацный отступ – 0 см.
Подрисуночные надписи – размер 12, строчными, светлыми, по центру, под рисунком (пример: Рисунок 1 – Статические характеристики).
Формулы: Для написания формул допускается использовать редактор формул MS Equation для MS Word 2003 или встроенный редактор формул для MS Word 2007.
При использовании редактора формул MS Equation проводятся следующие настройки редактора:Стиль – Математический, Размеры:
- Обычный – 14 пт;
- Крупный индекс – 12 пт;
- Мелкий индекс – 10 пт;
- Крупный символ – 18 пт;
- Мелкий символ – 12 пт.
Формула – по центру. Номер формулы – размер 14, в правый край, в круглых скобках.
При использовании встроенного редактора для MS Word 2007 настройка не требуется, необходимо следить только за размером шрифта Cambria Math – 14 кегль.
Запрещается использовать нематематические знаки!
Не допускается располагать единицу величины в одной строке с формулой, а также подставлять числовые значения величин в формулу после знака равенства.
Список используемых источников. Название “СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ” – размер 14, прописными (заглавными), светлыми, по центру. Сам список источников – нумерованный, оформлен в соответствии с ГОСТ 7.1 – 2003.
Введение, заключение. Название “ВВЕДЕНИЕ“, “ЗАКЛЮЧЕНИЕ” – размер 14, прописными, светлыми, по центру. Текст – как и основной текст записки.
Содержание. Название “СОДЕРЖАНИЕ” – размер 14, прописными, светлыми, по центру. Рекомендуется использовать автоматически составляемое содержание.
Записка должна делиться на главы и разделы, посвященные конкретным рассматриваемым вопросам.
Название главы – размер 14, прописными, светлыми, по левому краю, нумерованы (пример: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДИЗЕЛЯ).
Название раздела – размер 14, строчными, светлыми, по левому краю, нумерованы (пример: Построение винтовой характеристики).
Для оформления работы рекомендуется использовать шаблон “Записка для всех” подготовленный на кафедре.
Графическая часть проекта должна быть оформлена в соответствии с ГОСТ. Рекомендации по оформлению графической части проекта содержатся в методических указаниях.
Качество оформления записки и изложения её материала учитывается при оценке курсового проекта.
Выбор главных двигателей
Расчет мощности главных двигателей
Если размерения проектируемого судна и судна прототипа не совпадают, то Индикаторная и эффективная мощность двигателямощность главного двигателя проектируемого судна определяют по формуле адмиралтейских коэффициентов:
где:
- Ne – мощность главного двигателя проектируемого судна, кВт;
- D – водоизмещение проектируемого судна;
- V – скорость проектируемого судна, км/ч;
- CA – адмиралтейский коэффициент, определяемый по формуле:
где:
- Ne пр – мощность главного двигателя судна-прототипа, кВт;
- Dпр – водоизмещение судна-прототипа, т;
- Vпр – скорость судна-прототипа, км/ч.
Если размерения судов совпадают, то мощность главного двигателя определяют по выражению:
Главная энергетическая установка буксирного суднаДля буксиров и толкачей мощность главного двигателя определяется по силе упора или тяги и скорости судна с составом по формулам:
или
где:
- P – сила упора (тяги), кН;
- Pуд – удельный упор (тяга), кН/кВт;
- ΣG – суммарная грузоподъемность состава, т;
- gyд – удельная нагрузки на единицу мощности, т/кВт.
Удельный упор (тяга) принимается по судну прототипу при заданной скорости состава. Если отсутствует надежный прототип, упор может быть взят по графику, предложенному И.В. Лычковской (Рисунок 1).
I – усредненная кривая,
II – верхний предел значений,
III – нижний предел значений
Удельная нагрузка принимается по опыту с учетом управляемости судна и скорости течения. Обычно принимают gyд = 5…7 т/кВт для извилистых рек со скоростью течения С > 4 км/ч и gyд = 7.11 т/кВт при скорости течения С ⩽ 4 км/ч.
После расчета мощности главного двигателя выбирают марку дизеля. Реверс дизельного двигателяДизель выбирают исходя из лучших технико-экономических показателей. При выборе двигателя в сравнении должно участвовать не менее 4 моделей.
После выбора главного двигателя делают перерасчет скорости проектируемого судна:
Технико-экономическое обоснование
Основной задачей технико-экономического обоснования типа энергетической установки судна является определение экономических показателей вариантов судовых двигателей для проектируемого судна, сравнение и выбор наилучшего из этих вариантов.
С ростом мощности повышается скорость и провозная способность судна. При этом возрастает расход топлива и смазки, что существенно влияет на затраты по содержанию судна в эксплуатации. В качестве критерия оптимальности принимается абсолютное значение приведенных затрат.
Предлагаемые решения эффективны, если выполняется условие:
где:
– приведенные затраты по двигателю, соответственно, по проектируемому варианту и по судну-прототипу, тыс.руб.
где:
- Эi – текущие расходы, связанных с содержанием двигателя, тыс.руб.;
- Кдв – капитальные затраты на энергетическую установку, тыс.руб.;
- Ен = 0.1 – норма дисконта, для восточных бассейнов.
Сумма текущих расходов складывается из следующих статей:
1 Расходы на топливо и смазку:
Расходы на топливо и ГСМ целесообразно рассчитывать в зависимости от режима работы главного и вспомогательного двигателя, распределения эксплуатационного периода на ходовое и стояночное время и от типа рассматриваемого судна:
где:
– удельные суточные расходы на топливо и смазку за сутки хода и стояки, руб./сут.:
где:
- N – суммарная мощность главных двигателей, кВт;
- gт, gсм – удельный эффективный расход топлива и смазки, г/(кВт⋅час);
- Цт, Цсм – цена топлива и смазки, руб./т.
Так как сравниваемые варианты двигателей используются в качестве главных, то во время стоянки судна эксплуатационные расходы не рассматриваются (tст = 0).
Предлагается к прочтению: Монтаж судовых воздушных компрессоров
Для сравнения расходов на ГСМ за время ходового режима необходимо принять для всех двигателей одинаковое время работы за навигацию, например 60 суток (tx = 60).
2 Амортизационные отчисления по данному типу двигателя:
где:
- Адв – норма амортизации по данному типу ДВС, %.
3 Расходы на текущий ремонт двигателя, определяются по «Единым ремонтным ведомостям» для конкретного дизеля или судна с таким дизелем. Для расчета этого вида расходов можно пользоваться данными заводов или использовать выражение:
где:
- Вдв – норматив отчислений на ремонт, ориентировочно для дизелей можно принять следующие нормативы (см. таблицу 1).
| Таблица 1. Нормативы отчислений в ремонтный фонд | |
|---|---|
| Частота вращения, об./мин. | Норматив отчислений на ремонт |
| до 500 | 2.5 · 10-2 |
| от 500 до 1 000 | (3.5….4.0) · 10-2 |
| более 1 000 | (7.0….8.0) · 10-2 |
4 Прочие расходы берутся в размере 10 % от суммы предыдущих статей затрат:
Если сравниваемые Монтаж судовых двигателей внутреннего сгораниядвигатели значительно различаются по величине моторесурса, то норму амортизации с большим моторесурсом корректируют:
где:
- t – моторесурс сравниваемых ДВС, ч.
Итоговые результаты расчетов по проектируемому двигателю в сопоставлении с двигателем судна-прототипа следует представить в таблице 2.
| Таблица 2. Технико-экономические показатели сравниваемых вариантов | |||
|---|---|---|---|
| Показатели | Значение показателя | ||
| судно-прототип | проектируемое судно 1 | проектируемое судно 2 | |
| Тип судна | |||
| Тип главных двигателей | |||
| Мощность главных двигателей | |||
| Количество главных двигателей, ед. | |||
| Наличие наддува, % | |||
| Вес главных двигателей, т | |||
| Удельный расход топлива, г./кВт·ч | |||
| Удельный расход смазки, г./кВт·ч | |||
| Техническая скорость судна (с грузом), км/ч | |||
| Грузоподъемность судна, т | |||
| Численность экипажа, чел | |||
| Род топлива | |||
| Род смазки | |||
| Приведенные затраты, тыс. руб. | |||
Выбор способа передачи мощности от главного двигателя к движителю
Механическая энергия, выработанная главным малооборотным двигателем, без трансформации ее вида передается к движителю с помощью валопровода. В случае применения СОД или ВОД в редукторе понижается частота, но не изменяется вид энергии. Этот способ передачи энергии, называемый механической передачей, отличается высокой эффективностью. В зависимости от расположения главного двигателя, длины валопровода, наличия и числа сальников и подшипников его КПД составляет 0,98-0,99. Именно поэтому такой способ передачи мощности применяется наиболее часто.
Наряду с несомненными преимуществами указанный способ передачи энергии обладает и очевидными недостатками: в жесткой системе передачи мощности свободно распространяются разнообразные колебания, вызванные пульсирующим крутящим моментом двигателя и реактивным моментом винта. Для подобной передачи характерны значительная Центровка и монтаж валопроводамасса валопровода и требование соосного его расположения с двигателем или выходным валом редуктора при определенных жестких допусках.
Альтернативный способ передачи мощности двигателя к винту – электропередача на постоянном или переменном токе. Преобразование механической энергии в электрическую позволяет сделать двигатель и движитель относительно независимыми, «развязать» их механическую связь, упрощает расположение двигателей на судне, уменьшает длину и массу валопровода, позволяет применять относительно легкие, быстроходные дизель-генераторы, трансформировать частоту пропульсивного комплекса и оперативно изменять ее за счет числа полюсов гребного электродвигателя, получать реверс гребного винта путем изменения полярности тока.
При таком множестве преимуществ электродвижения неизбежно велико и число недостатков, поэтому электропередача применяется не чаще, чем в 1 % случаев, на транспортных и несколько чаще на рыбопромысловых судах. Основная причина относительно редкого применения электропередачи – ее сравнительно низкая энергетическая эффективность. Передача на переменном токе имеет КПД около 0,92-0,93. В случае электропередачи на постоянном токе КПД не превышает 0,85-0,86. Потеря 8-15 % энергии не всегда оправдывает преимущества, получаемые от применения электропередачи.
Будет интересно: Расчет систем судовых энергетических установок
Для использования такого способа передачи мощности должны быть учтены дополнительные соображения. В качестве таких соображений могут выступать плавание судна в ледовых условиях и необходимость часто менять скорость, относительно частое реверсирование судна, применение электричества для технологических нужд, повышенные требования надежности пропульсивного комплекса.
Перечисленные условия определяют Специальные судатипы судов, перспективные для применения электродвижения. Это ледоколы, работающие набегами, разгоняющиеся в ледовом канале, выползающие на льдину, продавливающие ее и отходящие назад для нового разбега. Это транспортные суда, двигающиеся за ледоколами, но вместе с тем способные к самостоятельному плаванию в разводьях ледовых полей, что связано с частыми изменениями скорости и реверсом. Это приемно-транспортные рефрижераторы, использующие для ходовых режимов те же дизель-генераторы, что и на промысле при работе канатной дороги для передачи грузов и замораживании рыбы. Это пассажирские суда с их повышенными требованиями к надежности и живучести. В прочих случаях электродвижение на водном транспорте себя не оправдывает.
В последние годы начали применять пропульсивные комплексы с вертикальным расположением вала подвода мощности и двигателям, размещаемыми под кормой судна, – Azipod. При таком расположении пропульсивных комплексов появляется возможность перенести МКО на палубу или платформу, уменьшить его длину и пределах основного корпуса, увеличить объем грузовых трюмов и получить дополнительную прибыль.
