Выводы по расчету надежности системы

На основании произведённых расчетов показателей надежности циркуляционной системы можно сделать следующие выводы:

– к концу установленной наработки 384 часов без технического контроля и обслуживания система с вероятностью 15 % теряет работоспособность;

– при техническом обслуживании и ремонте система быстро восстанавливается (в среднем за часа);

3. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ПАСПОРТНОЙ ДИАГРАММЫ СУДНА

3.1 Ходовая характеристика судна Graceful Leader

Работа главных судовых двигателей осуществляется в различных условиях плавания судна и связана со значительными изменениями их показателей: мощности, экономичности, тепловой и механической напряженности и др. Совокупность значений этих показателей характеризует режим работы двигателя.

Главные судовые двигатели, предназначенные для вращения гребного винта, получают от него нагрузку. Если не предусмотрен дополнительный отбор мощности от главного двигателя (например, применение валогенератора), то для любого режима плавания судна мощность, отдаваемая двигателем, будет определяться мощностью, потребляемой гребным винтом, с учетом потерь в передаче и линии валопровода. Мощность, потребляемая гребным винтом, в свою очередь, зависит от скорости судна и сопротивления среды его движению, которое в зависимости от условий плавания судна может существенно изменяться (обрастание корпуса и гребного винта, изменение осадки, буксировка, влияние мелководья, штормовые условия плавания и др.).

Увязать взаимодействие пропульсивного комплекса (главного двигателя, гребного винта и корпуса судна) в разнообразных условиях плавания позволяет расчет и построение ходовой или паспортной диаграммы судна [2]. На паспортной диаграмме наносятся графические зависимости сопротивления воды движению судна R = f l (v 1, п 1) и полезной тяги Ре = f2 (v2, п2) от скорости судна v и частоты вращения гребного винта n 1.

При установившемся режиме хода судна уравнение равновесия сил, действующих на корпус судна, имеет следующий вид:

R + Q = Z в P (1 - t) = Z в Pe, (3.1)

где R – полное сопротивление воды движению судна, Н;

Q – тяга на гаке, Н;

Р – упор гребного винта, Н;

Zв– число работающих винтов;

t – коэффициент засасывания;

Ре – полезная тяга винта, Н.

Для определения величины полезной тяги воспользуемся уравнением из теории движителей: (3.2)

где k – безразмерный коэффициент упора, определяемый по кривым действия гребного винта для данного значения относительной поступи винта λ р;

п с – частота вращения гребного винта, с-1;

D в– диаметр винта, м;

р – плотность забортной воды, кг/м3.

Относительная поступь гребного винта определяется по следующей формуле:

где vр – расчетная скорость поступательного движения гребного винта, м/с.

Для определения расчетной скорости vр служит формула:

где v – скорость судна, м/с;

ω – коэффициент попутного потока.

Путем наложения графиков R = f1 (v1, пс) и Ре = f2 (v1, пс) получаются режимы совместного действия корпуса судна и гребного винта.

Пользуясь паспортной диаграммой, можно для каждых заданных значений скорости судна и частоты вращения гребного винта определить полезную тягу винта, тягу на гаке и оценить допустимость данного режима работы двигателя, не переходя за границы ограничительных характеристик двигателя по крутящему моменту Ме и частоте вращения вала пс.

Для определения (анализа) режима, совместной работы гребного винта с двигателем на паспортной диаграмме наносится графические зависимости изменения мощности главного двигателя от частоты вращения вала и скорости судна [2, 9].

Чтобы знать поле допустимых режимов работы главного двигателя совместно с гребным винтом, на паспортной диаграмме указываются границы этой области, для чего наносятся ограничительные характеристики по максимальным значениям величин крутящего момента и частоты вращения вала двигателя. Также на паспортной диаграмме могут быть показаны зависимости изменения и других величин, характеризующих режим работы главного двигателя (расход топлива, среднее эффективное давление, температура выпускных газов, пропульсивный КПД и др.).

Расчет и построение паспортной диаграммы связано с использованием значительного количества показателей и зависимостей, данные о которых могут быть получены опытным путем по результатам натурных испытаний судна и его энергетической установки или же с помощью расчетов на основании имеющихся величин, характеризующих элементы гребного винта, корпуса судна и главного двигателя.

3.2 Исходные данные

Исходные данные для расчета и построения паспортной диаграммы приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Исходные данные для расчета и построения паспортной диаграммы судна

3.3 Расчет паспортной диаграммы судна

3.3.1 Коэффициент полноты корпуса суднаопределяем по формуле:

,

где V – объемное водоизмещение судна в грузу, м3;

где ρ – плотность морской воды, ρ = 1025 кг/м3. Тогда

Принимаем за базовый номинальный режимработы пропульсивного комплекса по исходным паспортным данным. Определяем коэффициент попутного потока ω и засасывания по формулам:

;

.

Вычисляем величину относительной поступи гребного винта на принятом номинальном режиме:

Результаты расчетов приводим в табл. 3.2.

Задаемся несколькими значениями λр, при этом одно значение λрберем больше λрн, а два значения – меньше λрн:

λр1= 0,462; λр2= 0,520; λр3= 0,578; λр4=0,636.

По кривым действия гребного винта определяем безразмерный коэффициент упора k 1и момента k2 для каждой выбранной величины λр.

k 1-1 =0, 212; k 1-2 = 0,194; k 1-3 = 0,177; k 1-4 = 0,159;

k 2-1 = 0,043; k 2-2 = 0,039; k 2-3 = 0,0358; k 2-4 = 0,032.

Затем задаемся четырьмя значениями частоты вращения вала nc, начиная от nc= 0,7 ncн до величин nc полного хода ncnx = ncн,

nc 1 = 1,22; nc 2 = 1,40; nc 3 = 1,57; nc 4 = 1,75 с-1.

Для всех выбранных значений относительной поступи и частоты вращения гребного винта (главного двигателя) рассчитываем скорость судна v в узлах по формуле:

Учитывая, что величины D в и ω не меняются, можно эту формулу записать в виде:

где постоянная с 1равна:

Формулу для вычисления величины полезной тяги можно представить в виде:

где постоянная

для всех выбранных значений λр и nc.

Находим эффективную мощность главного двигателя Ne, учитывая потери мощности в валопроводе через КПД ηвп, который можно принять равным ηвп = 0,98:

Выделим в формуле постоянные величины: ρ, D ви ηвп

Обозначим через , тогда выражение примет вид:

Производим расчеты Ne для всех значений k 2и nc.

Вычисления v, Pe, Ne согласно методическим указаниям и формулам данного раздела сводим в табл. 3.2.

По результатам расчетов строим графики изменения эффективной мощностиглавного двигателя Ne = f 3(v, nc) и полезной тяги гребного винта Ре = f 2(v, nc) в зависимости от скорости судна v при выбранных постоянных частотах вращения гребного винта nc = const, (рис. 3.1).

На паспортной диаграмме Ne = f 3(v, nc) наносим положение ограничительных характеристик для работы главного двигателя по механической напряженности, а на графике Ре = f 2(v, nc) строим границу предельной тяги, достижимой при данных гребного винта, и ГД для соответствующей скорости хода судна.

Определяем допустимый номинальный крутящий момент:

Для построения ограничительной характеристики на диаграмме Ne = f 3(v, nc) требуется определить два значения Ne для разных пс при Ме н= const, т.к. зависимость Ne при Ме н= const прямая линия АВ.

Первую точку А берем для номинального режима Nе н= 26270 кВт и пс н = 1,73 с-1. Находим вторую точку В при пс 3=1,56 с-1, для чего вычисляем Nе при Ме н= const.

Таблица 3.2 – Расчёт построения паспортной диаграммы

Определяемый параметр	Способ определения	nc, c-1	Отн. поступь λ р
0,46	0,52	0,57	0,63
Безразмерный коэффициент упора k 1	По кривым действия гребного винта		0,084	0,077	0,07	0,063
Безразмерный коэффициент упора k 2	По кривым действия гребного винта		0,04	0,037	0,034	0,03
Cкорость судна v, узл.	с 1 = 19,97	1,22	11,3	12,7	14,1	15,5
1,40	12,9	15,5	16,1	17,7
1,57	14,5	16,3	18,2	19,9
1,73	16,1	18,1	20,2	22,2
Полезная тяга гребного винта Ре, кН	с 2 = 1426	1,22
1,40
1,57
1,75
Эффективная мощность главного двигателя Ne, кВт	с 3 = 82257	1,22
1,40
1,57
1,75

При работе двигателя в режиме так называемого «легкого» винта (например, при меньших осадках судна), когда λ р > λ рн ограничительной характеристикой служит зависимость изменения Ne при постоянной номинальной частоте вращения пс н= const (на диаграмме линия пс н= 1,75 с-1правее точки А).

С графика Ne = f 3(v, nc) положение ограничительных характеристик (тонки А и В) переносим на диаграмму изменения Ре = f 2(v, nc) получаем точки А ' и В ' соответственно, через которые проходит граница достижимой полезной тяги, а также границей служит линия изменения Ре при достижении пс н.

3.4 Расчет и построение номограммы для определения пропульсивного КПД и шкалы часового расхода топлива.

Проводим расчет для заполнения табл. 3, взяв два значения

Ре =250 кН и Ре =700 кН

Таблица 3.3 - Расчет N б= f (Pe) при v = const

По данным в табл. 3.2, строим в III квадранте диаграммы (рис. 3.1) график изменения N бв зависимости от Ре при разных значениях v.

Взяв два значения Ne 1=8000 кВт и Ne 2=32000 кВт и учитывая прямую передачу мощности от ГД к ГВ без редуктора, заполняем табл. 3.4.

По данным табл. 3.4 строим график изменения буксировочной мощности N бот Ne при разных значениях η (IV квадрант паспортной диаграммы, рис. 3.1).

Таблица 3.4 - Расчет N б= f (Ne) при η=const

	Ne 1	=	5000 кВт	Ne 2	=	16000 кВт
0,5	0,5	×		×	0,98	=		0,5	×		×	0,98	=
0,6	0,6	×		×	0,98	=		0,6	×		×	0,98	=
0,7	0,7	×		×	0,98	=		0,7	×		×	0,98	=
0,8	0,8	×		×	0,98	=		0,8	×		×	0,98	=

.

Взяв два значения Ne 1=8000 кВт и Ne 2=32000 кВт, заполняем табл. 3.5

Таблица 3.5 – Расчет часового расхода топлива

0,5
0,49
0,48

Режимная карта пропульсивной установки судна, построенная по результатам приведенных расчетов, представлена на рис. 3.1.

Рис3.1 Режимная карта пропульсивной установки судна

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СКОРОСТЕЙ ГРУЗОВОГО СУДНА

4.1 Исходные данные

Грузовое судно (сухогрузного или танкера) выбирается согласно заданному варианту из таблицы приложения А1. Паспортная характеристика судна (принимается из раздела 2). Из таблицы 4.1 принимается маршрут судна.

Расстояние L до пункта назначения можно определить при помощи интернет ресурса http://www.searates.com/ru/reference/portdistance/. Судно совершает круговой рейс с полной постоянной загрузкой. Оптимальная скорость судна определяется из семи вариантов движения: i – номинальный режим, a – режим минимальной частоты вращения винта (по паспортной характеристике), b,c,d,e,f,g,h, – частичные скоростные режимы, равномерно распределенные между «a» и «i».

4.2 Теоретические сведения

Оптимальная скорость судна находится путем определения максимума выражения:

Эф = А / (t х × В), (4.1)

где Эф – эффективность работы судна;

А – продукция судна;

τх – ходовое время;

В – количество топлива, израсходованное за время τх. Для разных типов судов продукция подсчитывается:

А = Фг × L,

(4.2)

где L – расстояние до пункта назначения;

Фг– грузовой фактор; он зависит от типа судна:

Фг = V – грузоподъёмность для сухогруза или танкера, кН;

Фг= П – число пассажиров при пассажирском судне, пасс;

Фг = F – тяга на гаке для буксира-толкача, кН.

Величины V, F и П находятся из подрисуночных надписей к паспортным характеристикам (П может приниматься самостоятельно по мощности главных двигателей);килограммы и тонны переводятся в килоньютоны из расчёта 1т ≈10 кН.

Ходовое время в круговом рейсе, ч:

где v – скорость судна, км/ч.

При движении вверх или вниз по течению:

где vm – скорость течения, км/ч;

Знак «+» используется при движении вниз, а знак «–» – при движении вверх. Количество израсходованного топлива, кг:

В = В × t х,

(4.5)

где В – расход топлива, кг/ч.

Если учесть, что в круговых рейсах скорость течения не влияет на величину продукции, то формулу (15) можно представить в виде:

Эф = Ф / (t х × В) = (V L)(v 2/ B). (4.6)

Когда за время τх отношение V/L = const,то эффективность определяется выражением:

Задаваясь на паспортной характеристике частичными скоростными режимами и находя соответствующие значения v и В можно найти графическим путем величину Эфглавного двигателя.

4.3 Расчёт оптимальной скорости судна.

В соответствии с вариантом расстояние до пункта назначения L =14502км. Так как загрузка в течение кругового рейса не меняется, а путевые условия не вынуждают переходить на особые условия режима, то из графика выбираем скоростные режимы для вариантов a,b,c,d,e,f,g,h,i и заносим их в табл. 4.2. Затем для каждого режима определяем расход топлива В и скорость судна v. В конце находим v2/B и все заносим в таблицу. Строим график (рисунок 4.1) и при максимальном значении Эф определяем попт = 75 мин-1.

Таблица 4.2 – Определение оптимальной скорости грузового судна по его паспортной характеристике

Вывод: снижение скорости на величину:

Δ v = 1 – 21,8/37,4 = 1 – 0,58 = 0,24 = 42 %.

приводит к снижению расхода топлива главным двигателем на

Δ В = 1 – 830/2689 = 1 – 0,30 = 0,72 = 69 %.