1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА БАЛКЕРА
1.1. Общие характеристики судна:
Судно предназначено:
— для перевозки твёрдых, навалочных, и тарно-штучных грузов, в том числе контейнеров и жидких грузов в таре.
Имеет неограниченный район плавания
Автономность плавания – 60 суток.
Судно спроектировано и построено компанией «Nanjing Dongze Shipyard Co Ltd»
Судно дедвейтом 37349 т;
Длина судна наибольшая – 180 м;
Ширина – 30 м;
Высота борта – 14,7 м.
Скорость полного хода – 15 узлов, экономичного – 12 узлов.
Экипаж – 19 человек.
Рис 1.1. Схема судна.
1.2. Энергетическая установка судна:
Главная энергетическая установка судна состоит из одного 4-х тактного двигателя фирмы WARTSILA.
Ниже представлена характеристика двигателя:
WARTSILA RT-flex50-D
Мощность двигателя – 6350 кВт
Частота вращения – 720 об/мин
Вида топлива – HFO, DFO
Главный двигатель оборудован электронной системой удаленного управления и мониторинга.
Система управления электрического-пневматического типа. Она
спроектирована для управления с поста двигателя и дистанционного управления с ЦПУ и мостика. Система состоит из трёх подсистем:
- Системы регулирования; - Системы реверсирования; - Системы защиты.
Посредством системы регулирования можно запускать и останавливать двигатель и управлять им. Функции Пуска и Остановки производятся пневматически.
Во время дистанционного управления регулирование частоты вращения осуществляется рукояткой с пульта управления, которая посылает электрический/пневматический сигнал регулятору. Частота вращения ГД зависит от величины сигнала. Регулятор будет поддерживать эту частоту вращения независимо от нагрузки ГД.
При управлении с местного поста управления двигателя регулятор отсоединён от топливных насосов, и регулирование частоты вращения осуществляется рукояткой регулирования.
В системе реверсирования имеются два пневматических клапана (Вперёд
и назад). Эти клапаны управляют цилиндром реверса воздухораспределителя и пневмоцилиндрами для реверсирования роликов толкателей топливных насосов.
Система защиты снабжается воздухом отдельно и управляется системой контроля двигателя. В случае остановки система защиты подаёт пневмосигнал к перепускному клапану на каждом топливном насосе, таким образом, прекращая подачу топлива высокого давления, после чего ГД останавливается.
Система защиты включена во время всех режимов управления ГД. Система пускового воздуха состоит из главного пускового клапана, воздухораспределителя и пускового клапана.
Главный пусковой клапан встроен в магистраль пускового воздуха и состоит из большого шарового клапана и меньшего шарового клапана, который служит в качестве байпасного для большого клапана. Оба клапана управляются исполнительными пневматическими механизмами.
Воздухораспределитель установлен в кормовой части двигателя и приводится непосредственно от кормового конца распредвала. Он управляет пусковыми клапанами.
Пусковой клапан (подпружиненный) установлен на крышке цилиндра. Он управляется управляющим воздухом от воздухораспределителя.
Топливо подаётся через трубопровод на передней стороне корпуса ТНВД от циркуляционного насоса с электроприводом. Давление топлива поддерживается постоянным посредством байпасного клапана. ТНВД и форсунки спроектированы для циркуляции подогретого топлива, обеспечивая тем самым их обогрев во время стоянки и в периоды между впрысками топлива.
Топливный насос приводится в действие кулаком распредвала. Движение передаётся через толкатель плунжеру во втулке корпуса насоса, который через трубки высокого давления соединяется с форсунками на крышке цилиндра.
Все трубки системы высокого давления имеют гибкие шланги,
армированные стальной проволокой или внешнюю защитную трубу. Пространство между трубкой и защитным шлангом соединяется с дренажным отверстием в верхней крышке насоса.
Каждый топливный насос присоединён, через дренажные трубы, к общей сливной цистерне с реле уровня. Сливная цистерна оборудована перепускной трубой, которая имеет небольшое спускное отверстия внизу. Через которые небольшие протечки топлива могут быть слиты в выходную трубу, без включения реле уровня.
В случае трещин трубки или больших протечек в системе вышеупомянутое отверстие будет недостаточным, чтобы пропустить увеличенное количество топлива, и уровень топлива в сливной цистерне поднимется до уровня перепускной трубы. Повышение уровня топлива вызовет включение реле уровня.
В двигатель подаётся продувочный воздух от турбонагнетателя, расположенного на стороне выпуска. Выпускной газ ГД приводит в действие турбину турбонагнетателя, а через общий вал турбина приводит компрессор. Компрессор забирает воздух из машинного отделения через воздушные фильтры. Из компрессора воздух проходит через трубу наддувочного воздуха в охладитель наддувочного воздуха, где воздух охлаждается. Воздухоохладитель сконструирован так, что он отделяет конденсат от воздуха.
Воздух нагнетается в ресивер продувочного воздуха через блок клапанов, установленный внизу ресивера. Далее воздух поступает в цилиндры через продувочные окна, когда поршень находится в нижнем положении. Когда выпускные клапаны открыты, выпускной газ нагнетается в общий коллектор выпускных газов, откуда газ поступает к турбине турбонагнетателя при постоянном давлении.
Насос принимает масло из сточной цистерны и нагнетает его через маслоохладитель, фильтр в двигатель, где оно разделяется на две ветви.
Основная часть масла через трубу телескопии направляется в
трубопровод охлаждения поршня, где оно распределяется на охлаждение поршня и смазку подшипников. От крейцкопфных подшипников масло поступает через сверления в шатунах на мотылёвые подшипники.
Остальное масло направляется на смазку рамовых подшипников, цепного привода и упорного подшипника.
Относительное количество масла, направляемое в трубопровод охлаждения поршня и к рамовым подшипникам, регулируется дроссельным клапаном или калиброваной шайбой.
Забортная вода принимается из кингстона насосом забортной воды. Подаваемый насосом поток воды разделяется на четыре отдельные ветви через: а) регулируемый клапан прямо на ОХНВ (охладитель наддувочного воздуха) главного двигателя.
б) регулируемый клапан к охладителю масла распредвала.
в) маслоохладитель и охладитель пресной воды охлаждения цилиндров, которые установлены последовательно.
г) невозвратный клапан на вспомогательные двигатели.
Забортная вода из упомянутых четырёх ветвей в дальнейшем вновь смешивается и затем поступает к терморегулятору с трёхходовым клапаном и на клапан слива воды за борт.
Терморегулятор управляется датчиком температуры, установленном в приёмной трубе забортной воды. Терморегулятор отрегулирован таким образом, чтобы вода в приёмном патрубке насоса поддерживалась на уровне выше 10°С в целях предотвращения загустевания смазочного масла на холодных поверхностях охлаждения.
Если температура забортной воды на входе падает ниже установленного уровня, терморегулятор осуществляет рециркуляцию воды к всасывающему трубопроводу насоса забортной воды.
Пресная охлаждающая вода прокачивается через охладитель и цилиндры
главного двигателя насосом пресной воды охлаждения цилиндров.
Терморегулятор на выходе из охладителя смешивает охлаждённую и не
охлаждённую пресную воду в таком соотношении, чтобы температура пресной воды на выходе из главного двигателя поддерживалась примерно 800С.
Клапан терморегулятора управляется термодатчиком, установленным на выходе пресной воды из двигателя.
Встроенный контур на вспомогательных двигателях обеспечивает постоянную температуру 80°С на выходе из вспомогательных двигателей.
Для предотвращения скапливания воздуха в системе охлаждения на выходном трубопроводе предусмотрен деаэрационный бачок. Расширительный бак компенсирует разницу в объёме воды при изменении температуры.
На случай чрезмерного скопления пара или воздуха в системе предусмотрена аварийно-предупредительная сигнализация.
В целях предотвращения повышенного износа втулок цилиндров очень важно поддерживать температуру охлаждающей воды на выходе в пределах 80-85°С. Более низкая температура может вызвать конденсацию серной кислоты на втулках цилиндров.
В центральной системе водяного охлаждения насос охлаждающей воды прокачивает пресную воду низкотемпературного контура по контуру охлаждения: параллельно через ОХНВ, маслоохладитель распредвала, а также маслоохладитель и охладитель пресной воды, охлаждающие цилиндры, причём два последние установлены последовательно.
Температура в системе регулируется терморегулятором. Его регулирующий клапан настроен таким образом, чтобы минимальная температура на входе в ОХНВ и в оба маслоохладителя была выше 10°С.
Поскольку избыточный расход охлаждающей воды через относительно малый маслоохладитель распредвала может вызвать коррозию, клапан на входе охлаждающей воды следует задросселировать так, чтобы выдержать повышение температуры воды в охладителе приблизительно на 10°С.
1.3. Автоматический регулятор напряжения “STAMFORD MX341”
Рис. 1.2. Схема установки и эксплуатации
1. Подключите выводы АРН к клеммам с идентичной маркировкой. Отрежьте и изолируйте вывод P1, если он установлен.
2. Выберите правильную частоту сети (50 Гц или 60 Гц), (4 или 6) полюсные машины.
3. Выберите правильное подключение на фазы A, B, C. для генератора. 4. Перемычки будут подключены, как показано на АРН
5. НЕ ОТСОЕДИНЯЙТЕ ПЕРЕМЫЧКИ K1-K2 на клеммах АРН.
Общее описание
MX341 представляет собой трехфазный автоматический регулятор напряжения (АРН) и является частью системы возбуждения для бесщеточного генератора.
В дополнение к регулированию напряжения генератора схема АРН включает защитные функции, обеспечивающие безопасное и надежное управление генератором. Возбуждение поступает от генератора с постоянными магнитами, чтобы гарантировать низкие радиочастотные помехи и защиту от нагрузок тиристорного типа.
АРН связан с основными обмотками статора и контролирует мощность, подаваемую на обмотку возбуждения и, следовательно, на ротор, чтобы поддерживать выходное напряжение машины в указанных пределах, компенсация нагрузки, скорости, температуры и коэффициента мощности генератора.
Схема плавного пуска включена для обеспечения плавного контролируемого наращивания выходного напряжения генератора
Цепь измерения частоты постоянно контролирует частоту вращения вала генератора и обеспечивает защиту системы возбуждения от пониженной скорости, уменьшая выходное напряжение генератора пропорционально скорости ниже предварительно установленного порога. Еще одним усовершенствованием этой функции является регулируемый наклон
В/ Гц, чтобы улучшить время восстановления частоты на двигателях с турбонаддувом.
Конструктивные элементы
Рис. 1.3. Конструктивные элементы регулятора напряжения
Основные элементами AVR:
Sensing Resistors берут часть выходного напряжения генератора и ослабляют его. Эта входная цепь резисторов включает в себя потенциометр и ручной триммер, которые регулируют выходное напряжение. Изолирующий трансформатор включен для подключения к обмоткам различной полярности и фазы. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный для дальнейшей обработки.
Quadrature droop circuit преобразует входной ток в напряжение, смешанное по фазе с измеряемым напряжением. Результатом является чистое увеличение выходной мощности чувствительной сети по мере отставания коэффициента мощности, что приводит к снижению возбуждения, необходимого для распределения реактивной нагрузки параллельных генераторов.
Offset Control обеспечивает связь между АРН и аксессуарами.
Компоненты Power supply состоят из стабилитронов и сглаживающих
резисторов для обеспечения требуемого напряжения на интегральных схемах. Точность опорного напряжения является высокой стабильностью температурной компенсации стабилитрона для сравнения постоянного тока. Soft Start circuit перекрывает источник опорного напряжения при пуске, чтобы обеспечить линейный рост напряжения.
Main comparator / amplifier сравнивает напряжение считывания с опорным напряжением и усиливает разницу (погрешность), чтобы обеспечить управляющий сигнал для силового устройства.
Stability circuit обеспечивает регулируемую отрицательную обратную связь по переменному току для обеспечения стабильного состояния и переходных характеристик системы управления.
Power control driver контролирует период проводимости устройства вывода. Power control devices and rectifier изменяют величину тока поля возбудителя в ответ на сигналы ошибки, генерируемые главным компаратором. Synchronizing circuit выдает короткий импульс вблизи нулевой точки одной из
фаз на PMG и используется для синхронизации цепей пониженного напряжения и цепей управления мощностью с периодом цикла генератора.
UEBQ схема измеряет период каждого электрического цикла и уменьшает опорное напряжение линейно со скоростью ниже преднастраиваемого порога.
1.4. Электроэнергетическая система
Рис. 1.4. Электроэнергетическая система судна
Электроэнергетическая система (ЭЭС) состоит из 3-х дизельных генераторов фирмы DAIHATSU и одного валогенератора фирмы Stamford Главные дизель – генераторы:
Ниже приведены их описания:
DAIHATSU 6DC-17
Мощность P = 530 кВт
Напряжение U = 3х440 / 60 Гц
Частота вращения – 1500 об/мин
Топливо – Gas oil ISO 8217
Система охлаждения – воздушная, принудительная.
Нормальное работоспособное состояние генератора характеризуется:
сопротивлениями изоляции статорной обмотки при температуре близкой к рабочей, - не менее 0,7 МОм до 110 В и больше 1 МОм при напряжении более 110 В; рабочей температурой – не более 95°С для подшипников качения и не более 80°С для подшипников скольжения; температурой перегрева статорной обмотки с изоляцией класса Н – до 125°С ; вибрацией корпуса – не более 0,15 мм при частоте вращения до 1000 об/мин. и не более 0,1 мм при частоте вращения 1000-1500 об/мин. и т.д.
При работе генератора контролируют его напряжения, токи, активную мощность, частоту, температуры подшипников, и охлаждающего воздуха на выходе, систем принудительной смазки, охлаждения и вентиляции, шумы и вибрации. При обнаружении неисправностей немедленно докладывают вахтенному механику, запускают другой генератор, переводят на него нагрузку, а неисправный генератор останавливают.
Для остановки генератора его разгружают, отключают от шин ГРЩ, после чего дают разрешение не остановку приводного двигателя, выключают системы охлаждения, независимой вентиляции и принудительной смазки (при их наличии). Запуск генератора производится в обратном порядке.
Перед запуском дизель-генератора навесной маслопрокачивающий насос должен работать и создавать давление до 0,3 кг/см2. После старта, при повышении давления до 0,7 кг/см2 он отключается и в работу вступает насос, создающий давление 4-5 кг/см2, приводимый от зубчатой передачи коленвала. Это масло поступает на охлаждение поршней, на смазку мотылёвых и рамовых подшипников, а также на смазку подшипников турбины и на охлаждение форсунок и смазку коромысел клапанов.
Запуск дизеля производится посредством открытия воздушного клапана на воздушном стартере, который раскручивает маховик и сам дизель до 250 об/мин.
Водяная система охлаждения дизелей идёт от низкотемпературного
контура и охлаждает газотурбонагнетатель и верхнюю часть втулок цилиндров вместе с крышками клапанов. На каждом двигателе есть свои масляные и воздушные холодильники, через которые охлаждаются масло и воздух путём прокачивания через холодильники пресной воды низкотемпературного контура.
Особенностью работы этих дизелей является их станция топливоподготовки. При низкой или высокой вязкости тяжёлого топлива дизель автоматически переходит на дизельное топливо, посредством срабатывания трёхходовых клапанов. Дизель также может перейти на дизельное топливо при низком давлении топлива в микс-танке или после подкачивающего насоса.
Контролируемые параметры дизелей: - температура и давление масла;
- температура и давление охлаждающей воды; - температура выхлопных газов;
- температура топлива;
- давления воздуха управления и воздуха безопасности;
- температура уходящих газов после газотурбонагнетателя. Периодичность контроля параметров не менее 1 раза в час.
Аварийный дизель-генератор оборудован системой автоматического пуска, который происходит через 45 секунд после обесточивания.
Аварийный Дизель – генератор:
HDC-CCFJ100Y-W
Мощность – 100 кВт
Напряжение U – 440 В
Частота – 60 Гц
Мощность АДГ обеспечивает одновременное питание следующих потребителей:
- Аварийного освещения;
- Авральную сигнализацию;
- Щит сигнально-отличительных огней;
- Устройства дистанционного пуска средств объемного пожаротушения; - Пожарного аварийного насоса;
- Рулевого электропривода;
- Компрессора №2 - Радиостанцию;
- Гирокомпас.
Всё оборудование аварийной электроэнергетической установки размещается в одном помещении, расположенном выше палубы переборок, с непосредственным выходом на открытую палубу. АРЩ связан с ГРЩ, но при этом применяется автоматическая блокировка, которая допускает подачу питания с ГРЩ на АРЩ, но исключает подачу питания наоборот.
Генераторы СЭЭС могут оказаться в ненормальных режимах работы, вызванных нагрузкой, внешними или внутренним к.з., переходом в двигательный режим, большим снижением напряжения или частоты.
Защита генераторов от перегрузки и внешних к.з. осуществляется автоматическим воздушным выключателем (АВВ), имеющим соответствующие времятоковые характеристики. Указанные АВВ фирмы Stamford защищают генераторы в зоне токов к.з., отключая их за время 0,63 секунды. При значениях тока перегрузки равном двум номинальным, АВВ обеспечивает отключение за несколько минут.
В зависимости от изменения нагрузки на электростанции автоматически изменяется количество параллельно работающих генераторов (при автоматическом режиме работы системы PMS 2100 (Power Management System). При нагрузке генератора равной 80 % от номинальной (можно изменять) автоматически включается в работу резервный ДГ, после включения
которого, нагрузка распределяется автоматически и составляет примерно 0,5-0,7
номинальной. Тем самым предотвращается возможность перегрузки генераторов. Кроме того, система PMS 2100 отключает резервный ДГ при снижении нагрузки ниже заданной (0,3 номинальной).
А также осуществляет отключение работающего ДГ и пуск резервного при длительном снижении напряжения (0,8 Uн) или его исчезновении. Внутренние к.з. в судовых генераторах наблюдаются очень редко. Поэтому специальных защит от подобных режимов работы генераторов мощностью менее 1000 кВт не предусматривают.
2. РАСЧЁТ ХОДКОСТИ СУДНА И ВЫБОР ГРЕБНОГО ВИНТА
2.1. Расчет полного сопротивления движению судна и буксировочной мощности.
Основные характеристики судна:
Таблица 2.1.1
Характеристики корпуса судна:
Таблиц2.1.2.
Объемное водоизмещение V = D/? , м^3 = 15642
Коэффициент общей полноты ?= V/LBT = 0,74
Отношение L/B = 6
Отношение В/Т = 2,19
Коэффициент ?= L/V^(1/3) = 5,19
Число Фруда R_f= (v_s 0,514)/vgL = 0,219
Число Рейнольдса R_e= (?(v?_s 0,514)L)/V = 6*108
Физические величины:
Таблица 2.1.3
Плотность морской воды, ??,т/м3 = 1.025
Кинетическая вязкость, ??,м2/с = 1.61 ? 10?6
Плотность воздуха, т/м3 = 1.226
Расчет полного сопротивления и буксировочной мощности будем вести в табличной форме.[11]
Смоченная поверхность корпуса судна без выступающих частей определяется по приближенным формулам. Для традиционных транспортных
судов можно использовать формулу: ?_ГК =LT[2,0+1,37(?-0,274)B/T],
где ?= V/LBT = 16034/(180•30•8,6)=0,74-коэффициент общей полноты;
V= D/p = 16034/1025 *1000=15642 м^3
Для определения полной смоченной поверхности корпуса судна с выступающими частями необходимо рассчитать смоченную поверхность выступающих частей ?ВЧ, которая может составлять от 2 до 7 % от площади поверхности “голого корпуса”.
Для одновальных судов ?ВЧ = (0,025?0,03)?ГК = 0,03?3799 =114м2
Полная смоченная поверхность корпуса судна определяется, как сумма площадей поверхностей “голого корпуса” и выступающих частей:
?=?ГК +?ВЧ =3799+114 =3913 м2 .
Расчет полного сопротивления и буксировочной мощности будем вести в табличной форме.
Пример расчета одного столбца: 1. US =15 узлов;
2. U =0,514?15 =7,71 м/с ;
3. U2 =(7,71)2 =59,44 м2 /с2 ;
4. Fr= U/vgL = 3434/vtrr = 0,219 – число Фруда
5. Re? 10-8 = UL/V = (7,71•180)/(1,16•10^(-8) )=6,216 – число Рейнольдса.
где (v = 1,61?10?6 м2 /с) - коэффициент кинематической вязкости воды;
6. Коэффициент сопротивления трения эквивалентной технически гладкой пластины ?_f0 определяется по формуле Прандтля-Шлихтинга:
?_f0= 0,455/?(lgRe)?^2,58 = 1,68
7. Коэффициент остаточного сопротивления или коэффициент волнового сопротивления ?_r , рекомендуется определять по диаграммам, построенным по результатам испытаний в опытовом бассейне моделей систематических серий. Выбор наиболее пригодной систематической серии и соответствующих диаграмм определяется типом судна и его основными геометрическими параметрами, в первую очередь коэффициентом общей полноты корпуса судна ?.
В соответствии главных размерений и коэф-ов полноты (L/B = 180/30 = 6; B/T = 30/23 = 2; L/V^(1\3) = 211/3123^(1\3) = 5,19; ?=0,79)
Подбираю наиболее близкий расчетный вариант – серию моделей среднескоростных судов с умеренной полнотой обводов.
Определяю: ?_r = f(?)= 1.68. (При L/B = 6, Fr = 0,216)
8. Коэффициент K_?, учитывающий влияние относительной длины судна ? = (5,19), вычисляют как отношение значений коэффициента ?_?=(1,28),
снимаемых с диаграммы для расчетного (заданного) значения относительной длины ? и стандартного значения ??0 (?)=(1.25),
определяемого по формуле K_? = ?_?\?_?0
K_? = ?_?\?_0= 1,28/1,25 = 1,024
9. Коэффициенты КB\T и ?B\T, произведение которых учитывает влияние отличия раcчетного значения B/T от принятого за основу в серии B/T = 2,5, определяют по графику на рис.18. B/T = 30/8,6 = 3,2
KB\T=0,98
?_(B\T)= 1
KB\T*?_(B\T)=0,98
10. Коэффициент остаточного сопротивления судна рассчитывается по формуле: ?_r =? ??_r(?) • KB\T• ?B\T• K_?, т.е. ?_r • 103= [7]•[8]•[9] = 1,68•1,024•0,98=1,68
11. Корреляционный коэффициент ?_n , часто называемый “надбавкой на шероховатость”, определяется в зависимости от длины судна и его полноты по таблице 1, т.к. длина судна 180 м ?_n ?103 = 0,6.
12. Коэффициент сопротивления выступающих частей ?_a , учитывающий сопротивление крупных конструкций выступающих за теоретические обводы корпуса, определяется по таблице 3, в зависимости от числа гребных винтов (Число винтов 1, кол-во рулей 1) ?_a ?103 =0,15.
13. Коэффициент полного сопротивления:
?·103=[6]+[10]+[11]+[12]= 1,68+1,68+0,6+0,15= 4,11
14. Полное сопротивление движению судна:
R= (?•?)/2·[3]·[13]·10^(-3)= (1025•3913)/2· 59,44· 4,11·10-3 =454852,9H = 455кН
15. Буксировочная мощность:
EPS =[14]•[2]=454852.9?7,71=3506916Вт= 3506 кВт
Все расчеты сведены в таблицу:
Таблица 2.1.4.
Далее строим графики зависимости буксировочной мощности и сопротивления на тихой воде от скорости хода судна.
Рис 2.1.1. Зависимость буксировочной мощности от скорости хода
Рис 2.1.2. Зависимость сопротивления на тихой воде от скорости судна
2.2. Предварительный выбор конструктивного типа и диаметра
гребного винта, ориентировочных значений мощности, частоты вращения двигателя
Основным вариантом проектировочного расчета гребного винта, как правило, является такой, когда заданному судну требуется обеспечить заданную скорость. А поскольку речь идет о гребном винте оптимальном, указанное требование в принципе означает определение минимальной мощности главной судовой энергетической установки Ps.
Исходная информация в этом случае – расчетное сопротивление движению судная (R) при заданной скорости (Vs).
При указанном типе задания классическая схема расчета оптимального гребного винта, рекомендованная в известных учебниках, предполагает два этапа. На первом из них рассчитывается оптимальный гребной винт, обеспечивающий заданному судну заданную скорость. Определяются при этом геометрические характеристики гребного винта и режим его работы, а также и необходимые значения мощности Ps главного двигателя и частоты n его вращения. Второй этап в настоящей работе не рассматривается т.к. он применяется в тех случаях, когда не удается подобрать двигатель на первом этапе.
