Расчет и выбор основного оборудования судовой энергетической установки

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Волжская государственная  академия водного транспорта»

Астраханский филиал

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Эксплуатация  судовых энергетических установок»

На тему: «Расчет и выбор  основного оборудования судовой  энергетической установки»

 

                                                               студента 6 курса СМ 09 -2144

                                                               Малого С.В.

                                                               ____________________________

                                                               Руководитель:

                                                               доцент, к.т.н.  Храмов М.Ю. 

                                                               _____________________________

                                                               Курсовая работа защищена с  оценкой:

                                                               ______________________________

Н. контр.________________       дата: «____» _________________2012 г.

 

 

 

 

Астрахань

2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

      Введение                                                                                            стр. – 2

1. Расчетная часть. Выбор главных двигателей.                    стр. – 3
2. Теоретическая часть.                                                                стр. – 9

Список использованной литературы.                                         стр. – 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

     Одной из  основных задач ГДСУ является  обеспечение заданной скорости  судна или максимального упора  движителей при наиболее при наиболее эффективном использовании мощности главных дизелей. Эта задача решается путем обеспечения оптимального взаимодействия элементов пропульсивного комплекса (гребной винт, корпус судна, главный двигатель, валопровод).

     Основной целью данной курсовой работы является - закрепление и обобщение теоретических знаний полученных при изучении курса «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота», освоить практические навыки проектирования энергетической установки на стадии эскизного проекта для заданного типа судна в соответствии с исходными данными и заданием.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчетная часть. Выбор главных двигателей.

 

    Дано:

1. Тип судна – Пассажирское;
2. Класс Регистра – «О»;
3. Автономность плавания – 15 суток;
4. Главные размеры судна:

- длина (L) – 74 м.;

- ширина (B) – 10 м.;

- осадка кормой () – 1,4 м.;

5. Коэффициент полноты () – 0,75;
6. Количество гребных винтов (Х) – 2;
7. Скорость хода судна () – 22 км/ч.

 

     Решение:

 

    Гидродинамический  расчет и выбор главной энергетической  установки производится в следующей  последовательности:

    - определим сопротивление воды движению судна R, кН:

:

где: - безразмерный коэффициент сопротивления воды движению судна;

        - плотность воды, т/;

       s – площадь смоченной поверхности судна, ;

        V – скорость движения судна, м/с.

    Безразмерный  коэффициент сопротивления движения  воды  можно рассчитать используя данные судна-прототипа.

    Для расчетов  примем судно – прототип:

   - грузопассажирский теплоход проекта 305:

    - длина — 77,9 м;

    - ширина — 15,3 м;

    - осадка — 1,4 м;

    - водоизмещение — 800 тонн;

   - мощность главного двигателя — 2 * 400 л. с.;

   - частота вращения  главного двигателя (движителя)  – 500 об/мин

   - скорость — 20 км/час.

 

где: - эффективная мощность одного главного двигателя судна-прототипа,  кВт;

       - количество двигателей (движителей);

      - КПД передачи и валопровода.

       - смоченная поверхность судна прототипа.

 

где: L, B, – длина, ширина и осадка судна прототипа;

        - коэффициент водоизмещения.

   

        – примем равной 1, (непосредственная передача (валопровод));

        - 0,97

        = 1000 кг/ (пресная вода);

 

    Площадь смоченной  поверхности судна расчетного  задания равна:

 

 

 Н = 82,347 кН

    Определим расчетную  мощность  кВт, которую необходимо подвести к движителю судна для обеспечения движения с заданной скоростью:

 

где:   - упор каждого гребного винта, кН;

          – скорость поступательного перемещения винта, м/с;

         - расчетное КПД.

      

где: t – коэффициент засасывания:

для бортового винта

где: - коэффициент попутного потока:

для бортового винта 

 

  

 

 

где: - скорость хода судна, м/с

  м/с

Примем:

 

Определим поступь винта :

 

где: - диаметр винта, м;

        - частота вращения движителя, об/сек.

    Для дальнейших расчетов определим максимальное и минимальное значения диаметра гребного винта, м.

 

 

 

 

   Дополнительно для  построения графика зависимости  частоты вращения от мощности  и от диаметра гребного винта  примем промежуточные значения  диаметра гребного винта:

 и .

 

 

 

 

    Для выбранных  вариантов диаметра винта рассчитаем:

 – коэффициент упора диаметра,

 

 

 

 

 

- частота вращения, об/сек (об/мин)

 

 

 

 

 

- эффективная  мощность двигателя:

 

 

Полученные данные запишем  в таблицу:

	Единица измерения	Диаметр винта (м)
		0,7	0,8	0,9	0,98
Коэффициент упора диаметра		0,475	0,543	0,611	0,665
КПД		0,75
Относительная поступь		0,825	0,722	0,641	0,589
Частота вращения	об/мин (об/сек)	499,636 (8,327)	499,55 (8,325)	500,156 (8,336)	499,87 (8,331)
Мощность подведенная к винту	кВт	321,564
Эффективная мощность проектируемая	кВт	331,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Теоретическая  часть. 

2.7. Дайте понятие о «тяжелых» и «легких» гребных винтах, «утяжелении» винтовой характеристики.

     При увеличении и шага, и диаметра винта выше оптимальных значений лопасти захватывают и отбрасывают назад слишком большое количество воды: упор при этом возрастает, но одновременно увеличивается и потребный крутящий момент на гребном валу. Это означает, что двигатель уже достиг предельного - максимального значения крутящего момента и не в состоянии проворачивать гребной винт с большой частотой вращения, т. е. не развивает номинальную частоту вращения и соответствующую ей номинальную мощность. Такой гребной винт называется гидродинамически тяжелым.

 

     Если шаг или диаметр винта малы, и упор и потребный крутящий момент будут меньше, двигатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленчатого вала, в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с опасно большим износом деталей. При этом поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт называется гидродинамически легким.

     

 

n₁ и N₁ – винт тяжелый для двигателя, винт перегружает двигатель. N₁<N₀, n₁<n₀.

n₂ и N₂ – винт легкий. N₂<Nе₀, n₂=n₀.

 

 

 

3.7. На каком  участке динамических характеристик  винт оказывается как бы парализованным? В чем заключается физический  смысл такого состояния? 

При страгивании с места (старте) судна ГСДУ должна преодолеть не только сопротивление воды и воздуха, но и инерцию массы судна. Поэтому движущее усилие на гребном винте при старте и разгоне должно превышать его величину при равномерно-поступательном движении судна. Для анализа взаимодействия элементов пропульсивного комплекса и выявления необходимых решений и действий при управлении ГСДУ в этой ситуации рассмотрим динамические характеристики (кривые действия) ВФШ. Они позволяют судить о работе гребного винта на различных режимах.

 

 

При старте судна его скорость равна нулю или близка к нему. Следовательно, относительная поступь  винта λ_р=V_p/(n_BD_B)=0. Безразмерный коэффициент момента К₂, являющийся функцией относительной поступи, имеет при этом максимальное значение. Вращающий момент на винте, рассчитываемый по выражению M_B=k₂ρn_B²D_B⁵, может быть изменен, как это видно из формулы, только путем изменения частоты вращения гребного винта (остальные величины, входящие в состав выражения, имеют постоянные значения). Во избежание чрезмерной механической напряженности деталей двигателя, передачи, валопровода из-за перегрузки их по вращающему моменту при страгивании судна с места необходимо поддерживать по возможности наименьшую частоту вращения.

Режим работы пропульсивного комплекса на старте судна соответствует самой тяжелой винтовой характеристике - швартовной. При этом нулевому значению относительной поступи λ_р (см. точку а на рис.) соответствуют: скольжение S=1, максимальные значения коэффициентов упора к₁ и момента к₂ и к.п.д. винта η_p=0.

Для процесса разгона ГСДУ и судна решающее значение имеют  величины приращения частоты вращения главных дизелей, момента вращения на гребном винте и скорости судна. Они не должны допускать ни тепловых, ни механических перегрузок элементов  пропульсивного комплекса.

Продолжительность разгона - это промежуток времени от момента  начала самостоятельной работы дизеля (от момента запуска его) до достижения заданного режима эксплуатации (например, номинального режима). Сокращение продолжительности  разгона ГСДУ ниже допустимого

предела вследствие малых  значений относительной поступи  λ_р и больших значений коэффициентов момента к₂ и упора к₁ как и при старте судна, приводит к «забросам» вращающего момента на гребном винте, что может вызвать как поломки на линиях валопровода, так и тепловую перегрузку дизелей. Если заданным является номинальный (расчетный) режим работы дизеля, то на кривых действиях винта концу района должна соответствовать точка b. При этом величины скольжения Л', относительной поступи λ_р, коэффициентов момента к₂ и упора к₁ близки к оптимальным значениям, при которых к.п.д. винта достигает максимума.

Время разгона зависит  от типа и мощности ГСДУ, водоизмещения  судна, конструктивных особенностей элементов  передачи и гребного винта. В значительной степени оно определяется тепловыми  деформациями деталей главных дизелей, ограничениями по среднему эффективному давлению р_тe и вращающему моменту дизелей М_е, а также некоторыми другими ограничениями по параметрам элементов ГСДУ. Кроме того, увеличивать время разгона приходится и по следующим причинам:

• из-за резкого возрастания сопротивления воды при слишком быстром увеличении частоты вращения дизеля;
• из-за необходимости значительного наращивания кинетической энергии судна при большом его водоизмещении;
• вследствие необходимости в ряде случаев значительного увеличения кинетической энергии больших вращающихся масс комплекса двигатель - валопровод - винт.

При анализе неустановившихся режимов работы ГСДУ, например, в  процессах реверсирования дизелей и торможения судна, важным является и учет условий работы винта на участках его динамических характеристик с отрицательным скольжением и при нулевом скольжении. Поэтому рассмотрим и характерные точки на кривых действия винта, соответствующие этим условиям.

 В точке С (см. рис.) винт работает с нулевым скольжением S=0 и относительной поступью, равной шаговому отношению: λ_р =H_B/D_B. При этом поступь винта h_p равна шагу нулевого упора - геометрическому шагу H_В (при S = 0, h_Р = Н_В и Р_Д = 0). Хотя коэффициент упора К₁ и упор винта Р_д в этой точке равны нулю, но коэффициент момента к₂ не равен нулю (к₂=0). Подводимый при этом к винту момент расходуется на преодоление профильного сопротивлении лопастей винта.