.

Расчет систем судовых энергетических установок

Судовой энергетической установкой называется комплекс технических средств для обеспечения движения судна с необходимой скоростью, выработки механической, тепловой, электрической энергии, и обеспечения этими видами энергии всех потребителей для безопасного и эффективного функционирования судна в соответствии с его типом и назначением.

Расчет топливной системы

Топливные системы предназначены для приема, хранения, перекачивания, очистки, подогрева и подачи топлива для сжигания к парогенераторам, газовым турбинам и двигателям внутреннего сгорания, а также для передачи топлива на берег или на другие суда.

Расчет системы легкого топлива

Объем расходной цистерны подсчитывается из расчета обеспечения работы главного двигателя на номинальном режиме в течение 8 часов

Vр=8·Кт·gе·Zгл·Nв·103ρт,м3,          Форм. 1

где:

  • KТ = 1.1 – коэффициент, учитывающий мертвый запас топлива;
  • gе – удельный Удельные расходы топливарасход топлива, кг/кВтч;
  • Nе – номинальная мощность двигателя, кВт;
  • Zгл – число главных двигателей;
  • ρТ – плотность топлива, 0.83 т/м3.

Объем сточной цистерны грязного топлива составляет 50 – 100 л на каждые 1 000 кВт мощности главного двигателя

Vст=(0.05...0.1)·Nе·Zгл1 000,м3.          Форм. 2

Емкость запасных цистерн

Vзап=Kт·Gтρт,м3,          Форм. 3

где:

  • GТ – запас топлива, т.

Объем расходных цистерн вспомогательного двигателя берется из расчета обеспечения их работы не менее 4 часов

Vрвсп=4·Kт·gввсп·Zвсп·Nввсп·103ρт,м3,          Форм. 4

где:

  • Zвсп  – число вспомогательных двигателей;
  • Nввсп

    – номинальная мощность вспомогательного двигателя, кВт;

  • gввсп

    – удельный расход топлива, кг/кВтч.

Объем расходной цистерны автономного котла

Vркот=4·Kт·Bв·Zкот·1010ρт,м3,          Форм. 5

где:

  • Zкот  – количество автономных котлов;
  • Bе – расход топлива котла, кг/ч.

Нарушения работоспособности топливной аппаратурыПроизводительность топливоподкачивающего насоса (дежурного) выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 20.. .30 мин

Qтн=60·Vр(20...30)=(2...3)Vр,м3/ч.          Форм. 6

Производительность резервного ручного насоса выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 1 ч

QРН=Vрt=Vр,м3/ч.          Форм. 7

Производительность сепаратора определяется из условия суточной потребности топлива на 8 ч

QТС=24·gв·ZГЛ·Nв·1038,м3/ч.          Форм. 8

Мощность насоса

NНАС=QТН·P3.6·η,кВт,          Форм. 9

где:

  • η – к.п.д. насоса;
  • ΔP – напор в магистрали, МПа.

К.П.Д. насоса и напор топлива в магистрали выбирается по Таблица 1.

Таблица 1. К.П.Д. насоса и напор в магистрали
Тип насосаΔP, МПа.η
шестеренный0.2 …0.50.5 …0.7
винтовой0.5 …1.00.75 …0.85

 

Расчет системы тяжелого топлива

Объем расходной цистерны подсчитывается из расчета обеспечения работы главного двигателя на номинальном режиме в течение 12 ч

Vр=12·KТ·gв·ZГЛ·Nв·103ρ,м3          Форм. 10

где:

  • Kт = 1.1 – коэффициент, учитывающий мертвый запас топлива;
  • gе – удельный расход топлива, кг/кВт ч;
  • Nе – номинальная мощность двигателя, кВт;
  • Zгл – число главных двигателей;
  • ρт  – плотность топлива, т/м3.

Расходные цистерны должны иметь хорошую теплоизоляцию и нагревательный элемент для подогрева тяжелого топлива до 45…50 °С. Подогреватели тяжелого топлива устанавливаются в нижней части цистерны вблизи приемных патрубков. Они представляют собой змеевики, по которым проходит горячая вода или пар давлением не более 0.5 МПа.

В запасных цистернах топливо подогревается до 30….40 °С, а в расходных до 40….50 °С, при этом температура должна быть не менее чем на 10 °С ниже температуры вспышки топливных паров.

Предлагается к прочтению: Ремонт двигателей внутреннего сгорания

Расход теплоты на подогрев тяжелого топлива в запасных или расходных цистернах определяется по формулам теплопередачи

QΣ=Qп+Qст,кВт,          Форм. 11

где:

  • Qп – расход теплоты, идущей непосредственно на подогрев топлива до соответствующей температуры, кВт;
  • Qст – расход теплоты на передачу ее от стенок цистерны воздуху, кВт.

Qп=Cт·тт·(Т2Т1)3 600,кВт,          Форм. 12

где:

  • Cт = 1.88 – удельная теплоемкость моторного топлива, кДж/(кгK);
  • Tт – масса топлива в запасных или расходных цистернах, кг;
  • T1 – температура топлива, подаваемого в цистерну, K;
  • T2 – температура, до которой необходимо нагреть топливо в соответствующей цистерне, K.

Qст=α·(T4T3)·S,кВт,          Форм. 13

где

  • a = 10 – коэффициент теплоотдачи от стенок цистерны воздуху, Вт/(м2K);
  • S – суммарная площадь поверхности расходной цистерны, м2;
  • T3 = 288 – температура воздуха в машинном помещении, K;
  • T4 = 303 – температура внешней поверхности изоляции цистерны, K.

Объем сточной цистерны грязного топлива составляет 50 – 100 л на каждые 1 000 кВт мощности главного двигателя

VСТ=(0.05...0.1)·Nв·Zгл1 000,м3,          Форм. 14

Емкость запасных цистерн

Vзап=Kт·Gтρт,м3,          Форм. 15

где:

  • Gт – запас топлива, т.

Объем расходных цистерн вспомогательного двигателя берется из расчета обеспечения их работы не менее 4 ч

Vрвсп=4·Kт·gввсп·Zвсп·Nввсп·103ρт,м3,          Форм. 16

где:

  • Zвсп  – число вспомогательных двигателей;
  • Nввсп

    – номинальная мощность вспомогательного двигателя, кВт;

  • gввсп

    – удельный расход топлива, кг/кВтч.

Объем расходной цистерны автономного котла

Vркот=4·KТ·Bв·Zкот·103ρТ,м3,          Форм. 17

где:

  • Zкот – количество автономных котлов;
  • Bе – расход топлива котла, кг/ч.

Скоростные характеристики топливной аппаратуры судового двигателяПроизводительность топливоподкачивающего насоса (дежурного) выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 20.. .30 мин

QТН=60·Vр(20...30)=(2...3)·Vр,м3/ч.          Форм. 18

Производительность резервного ручного насоса выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 1 ч

QРН=Vрt=Vр,м3/ч.          Форм. 19

Производительность сепаратора определяется из условия суточной потребности топлива на 12 ч

QТС=24·gв·ZГЛ·Nв·10312,м3/ч.          Форм. 20

Мощность насоса

NНАС=QТН·P3.6·η,кВт,          Форм. 21

где:

  • η – к.п.д. насоса;
  • ΔP – напор в магистрали, МПа.

К.П.Д. насоса и напор топлива в магистрали выбирается по Таблица 1.

Расчет масляной системы

Масляная система предназначена для приема, хранения и подачи масла потребителям. Масляные системы дизельных установок во многих случаях состоят из следующих, по существу, независимых систем:

  • смазочной и охлаждения трущихся деталей главных и вспомогательных двигателей;
  • смазочной редукторных передач;
  • гидравлической реверс-редукторных, гидродинамических и объемных гидравлических передач;
  • масляной органов управления и автоматического регулирования.

При проектировании масляной системы необходимо учитывать расход масла во всех перечисленных системах.

Производительность нагнетательного масляного насоса

Qмн=Kм·Qм·103Cм·ρм·(t2мt1м),м3/ч,          Форм. 22

где:

  • Kм = 1.2….1.5 – коэффициент запаса подачи;
  • Qм – количество теплоты, отбираемое маслом от трущихся пар двигателя, кДж/ч;
  • Cм = 2.02 кДж/(кг °С) – теплоемкость масла;
  • ρм = 0.89…0.91 – плотность масла;
  • t – температура масла за двигателем;
  • t = 45….70 °С – МОД, СОД;
  • t = 90 °С – ВОД;
  • t – температура масла перед двигателем, °С.

Qм=αм·gв·Nв·Qнр,кДж/ч,          Форм. 23

где:

  • αм = 0.05….0.1 – доля тепла, отводимая маслом от всего количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя;
  • Qнр

    – удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг;

  • Qнр

    = 41 000….43 000 кДж/кг – дизельное топливо;

  • Qнр

    = 39 500….40 000 кДж/кг – моторное и газотурбинное топливо;

  • gе – удельный расход топлива, кг/(кВтч);
  • Nе – номинальная Индикаторная и эффективная мощность двигателямощность двигателя, кВт.

Для уменьшения температурных напряжений в деталях двигателя t – t ≤ 15 °С и обычно составляет t – t = 6….12 °С.

Производительность откачивающего насоса должна быть на 25…30% больше подачи нагнетательного насоса для осушения картера двигателя

Qмо=(1.25...1.3)·Qмн,м3/ч,          Форм. 24

Емкость маслосборной цистерны

Vмс=K·Qмоz,м3,          Форм. 25

где:

  • Kс = 1.2….1.3 – коэффициент, учитывающий мертвый запаса масла и увеличение объема масла при его нагреве;
  • z – кратность циркуляции масла;
  • z = 10….30 – МОД, СОД;
  • z = 40….60 – ВОД.

Объем сточной цистерны отработавшего масла

Vстм=0.6·Vмс·n, м3,          Форм. 26

где:

  • n = 1.0 – число смен масла за период автономного плавания.

Объем расходной цистерны

Vрм=(1.1...1.5)·Vмс,м3,          Форм. 27

Объем запасной цистерны

Vзм=1.1·Gмρм,м3,          Форм. 28

  • Gм – запас масла

Gм=(0.02...0.06)·Gт,т,          Форм. 29

  • Gт – запас топлива, т.

Поверхность охлаждения масляного холодильника

Fмх=Qм3.6·K·tср,м2,          Форм. 30

где:

  • К = 290….460 – коэффициент теплопередачи от масла к стенкам трубок холодильника, Вт/(м2·°С)

tср=t1м+t2м2t1з+t2з2,          Форм. 31

  • Δtср – средняя температура масла и воды, °С*****

где:

  • t – температура забортной воды перед холодильником. Принимается в зависимости от бассейна плавания (Таблица 2);
  • t = 40….45 °С – температура забортной воды за холодильником.
Таблица 2. Температура забортной воды
Район плаванияТемпература t, ºС
Обь – Иртыш21
Енисей – Лена19
Без ограничения бассейна24
Суда смешанного плавания27

 
Судовые системы и трубопроводыПроизводительность насоса забортной воды для прокачки масляного холодильника

Qнз=Kз·Qм·103Cв·ρв·(t2зt1з),м3/ч,          Форм. 32

где:

  • Kз = 1.3….1.5 – коэффициент запаса подачи воды;
  • Cв = 4.19 – теплоемкость пресной речной воды, кДж/(кг · °С);
  • Cв = 3.98 – теплоемкость морской воды, кДж/(кг · °С);
  • ρв = 1.02 – плотность морской воды, т/м3;
  • ρв = 1.0 – плотность речной воды, т/м3.

Производительность масляного сепаратора

Qмс=m·ΣVмсtс,м3/ч,          Форм. 33

где:

  • m = 1.5….3.5 – кратность очистки масла;
  • tс = 8….12 – время работы сепаратора в сутки, час.

Расчет системы охлаждения

Система водяного охлаждения дизельных установок, как правило, двухконтурная. Она состоит из замкнутой системы внутреннего контура, вода которой охлаждает Реверс дизельного двигателядизель, и открытой системы внешнего контура, в которой через холодильник циркулирует забортная вода. В настоящее время насосы внутреннего и внешнего контуров, как правило, входят в комплект поставки дизельной установки. Если насосы не входят в комплект поставки необходимо рассчитать их параметры.

Подача насоса внутреннего контура определяется по формуле

Qнв=Kз·Q·103Cв·ρв·tв,м3/ч,          Форм. 34

где:

  • Kз = 1.2….1.3 – коэффициент запаса подачи воды;
  • Δtв  = 10….12 – разность температур воды на выходе из дизеля и на входе в него, °С;
  • Qв – количество теплоты, отбираемое водой внутреннего контура от охлаждаемых деталей двигателя, кДж/ч

Qв=αв·gв·Nв·Qнр,кДж/ч,          Форм. 35

где:

  • αв – доля тепла, отводимая водой от всего количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя;
  • αв = 0.2….0.25 – для дизелей без наддува;
  • αв = 0.12….0.17 – для дизелей с наддувом;

Подача насоса забортной воды, прокачиваемой через холодильник для охлаждения воды внутреннего контура, определяется по аналогичному выражению, что и подача насоса внутреннего контура

Qнз=Kз·Qв·103Cв·ρв·(t2зt1з),м3/ч,          Форм. 36

где:

  • Kз = 1.2….1.3 – коэффициент запаса подачи воды;
  • Cв = 4.19 – теплоемкость пресной речной воды, кДж/(кг · °С);
  • Cв = 3.98 – теплоемкость морской воды, кДж/(кг · °С);
  • ρв  = 1.0 – плотность речной воды, т/м3;
  • ρв = 1.02 – плотность морской воды, т/м3.

Часто для прокачки забортной водой масляного и водяного холодильников используют один насос, тогда его подача определяется по формуле

Qнз=Kз·(Qв+Qм)·103Cв·ρв·(t2зt1з),м3/ч.          Форм. 37

Внутренний контур не может быть герметически замкнутым. Для компенсации изменения объема воды при изменении ее температуры, а также для возмещения потерь вследствие испарения или утечек служит расширительный бак, соединенный с всасывающей магистралью циркуляционного насоса.

Емкость расширительного бака по опытным данным составляет 100…150 л на каждые 1 000 кВт мощности

Vрб=(0.1...0.15)·Nв1 000,м3.          Форм. 38

Расчет системы сжатого воздуха

Сжатый воздух используется на судне для пуска главных и вспомогательных двигателей, подачи звукового сигнала (тифона), подпитки пневмоцистерн (гидрофоров) и других хозяйственных и технологических нужд.

Читайте также: Конструкция и расчет бортовых перекрытий

Общий запас воздуха на судне, необходимый для обеспечения определенного количества пусков и реверсов главных двигателей, регламентируемых Правилами Регистра, определяется по формуле

Vв=(Vхп+(m1)·Vг)·Vц·z,м3,          Форм. 39

где:

  • Vхп = 8….10 – удельный расход свободного воздуха для пуска холодных
    двигателей, приходящийся на 1 м3 объема цилиндра, м33;
  • Vг = 4….6 – удельный расход свободного воздуха для пуска горячего двигателя, м33;
  • m – число пусков и реверсов,
    • m = 12 – реверсивные двигателя,
    • m = 6 – нереверсивные двигателя.
  • ΣVц – суммарный объем цилиндров двигателя, м3;
  • Z – число двигателей.

Суммарный объем пусковых баллонов

Vб=Vв·P0P1P2,м3,          Форм. 40

  • P0 = 0.1 – давление атмосферного воздуха, МПа;
  • P1 = 3….6 – начальное пусковое давление воздуха (до 15 для ВОД), МПа;
  • P2 = 0.8….1.5 – минимальное пусковое давление воздуха, МПа.

По величине ΣVб  выбирают необходимое количество стандартных баллонов, общая вместимость которых должна быть больше расчетной, т.е.

Стандартные баллоны рассчитаны на 40, 80, 200, 400 л.

Производительность компрессора

Qк=Vб·(P1P2)P0·tб,м3/ч,          Форм. 41

где:

  • tб = 1 – время заполнения баллонов, ч.

Объем тифонного баллона определяется из условия подачи сигналов в течение 10 мин без его подкачки

Vтф=Kнас·Vт·tсиг·P0P3P4,м3,          Форм. 42

где:

  • Kнас = 0.128 – коэффициент насыщения сигналами (отношение продолжительности сигнала ко времени между сигналами);
  • tсиг = 10 время сигнала, мин;
  • P3 = 1.5….3 – начальное давление воздуха в баллоне, МПа;
  • P4 = 0.5….0.8 – конечное давление воздуха в баллоне, при котором возможна Пиротехнические средства связи и сигнализацииподача сигнала, МПа;
  • Vт – расход свободного воздуха тифоном (Таблица 3).
Таблица 3. Расход свободного воздуха тифоном
Условный проход тифона, ммТон звукаVт, м3/мин
10альт1
15тенор3
25баритон6
32бас7

 

Расчет газовыпускной системы

Система газовыпуска предназначена для отвода в атмосферу выпускных газов от главных и вспомогательных дизелей, котлов и камбуза.

Площадь сечения газовыпускного трубопровода определяется в зависимости от секундного расхода и допустимой скорости движения газов: для дизелей

Fт.д=gв·Nв·(λ2·L0+1)·R·T3 600·Cr·P2,м2;          Форм. 43

для автономных котлов

Fт.к=Bак·λ2·R·T3 600·Cr·P2,м2,          Форм. 44

где:

  • λ2 – суммарный коэффициент избытка воздуха при горении:
    • МОД – 1.8…2.1;
    • ВОД – 1.3…1.7;
    • автономные котлы – 1,2…1,3;
  • L0 = 14.3 – количество воздуха теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива, кг/кг;
  • R = 0.287 – газовая постоянная, кДж/кг °K;
  • T – температура выпускных газов:
    • за дизелем – 573….773 °K;
    • за утилизационным котлом – 453….473 °K;
    • в дымоходах автономных котлов – 423….573 °K;
  • Cr – допустимая скорость движения газов в трубопроводе, м/с:
    • 4-х тактный дизель – 30….45;
    • 2-х тактный дизель – 25….30;
    • автономный котел – 20….25;
  • Bак – часовой расход топлива автономным котлом, кг/ч;
  • P2 = (0.03….0.04) 10 – допустимое давление в трубопроводе, кПа.
Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Январь, 14, 2021 82 0
Читайте также