Проектирование СЭУ

ВВЕДЕНИЕ 

Современный морской торговый флот на данный момент является как одной из главнейшей мировой инфраструктурой, так и  одним из важнейших движителей технического прогресса человечества. В мире жесточайшей  конкуренции ко всем отраслям предъявляются  все более совершенные требования по охране и предотвращению загрязнения  окружающей среды, ко флоту это относится  в равной степени. Технические требования к современным судам, наличие  новшеств устанавливаемых на судах  не знают границ. В этот самый  момент, когда можно предположить, человечество пережило очередной спад в экономике, особо остро встают вопросы по увеличению грузоподъемности, скорости, уменьшению расхода топлива, эмиссии в окружающую среду, безопасность судов и груза, перевозимого флотом, на первых местах при проектировке и последующей эксплуатации.

Для решения  вышеперечисленных задач и приведение судна как инженерно-технического сооружения к соответствию всем требованиям, требует проведения серьезных как  теоретических расчетов так и  практических исследований, внедрения  новых технологий, усовершенствования документации по эксплуатации и жизнеобеспечению судна.

В данной курсовой работе описаны  технические характеристики контейнеровоза m/v «ALESSANDRA I» и энергоустановки  и главного движителя вышеозначенного  судна.

1. описание СЭУ судна, обоснование и выбор направления модернизации.

1.1 Функциональные требования  к СЭУ судна.

Сокращения  простоев сухогрузных судов в  портах и снижения трудоемкости грузовых операций можно добиться за счет механизации  грузовых операций, увеличения раскрытия  трюмов судов, укрупнения перегружечных  мест и унификации перевозимого груза  или его упаковки за счет пакетизации  и контейнеризации. Пригодность  грузов к пакетированию далеко не одинакова, универсальность пакетизации  ограничена, а унификация довольно условна. Контейнеризация приводит к большим потерям грузоподъемности и грузовместимости, но позволяет  создавать более крупные и  тяжелые места и сокращать  время перегрузки, повышается сохранность  груза, расширяется номенклатура вплоть до сыпучих, рефрижераторных и жидких грузов, перевозимых в контейнерах, трейлерах и лихтерах при строгой унификации размеров и конфигурации. По сравнению с универсальными сухогрузами производительность грузовых работ возрастает на ролкерах в ~ 10, контейнеровозах в ~ 20 и на лихтеровозах в ~ 30 раз.

  Контейнерные транспортные системы  перемещают грузы по железным  дорогам, разделенным водным пространством.  Кроме крупнотоннажных контейнеровозов  в нее входят фидерные контейнеровозы, контейнерные терминалы, специализированный  ж/д и автомобильный подвижный  состав, склады, контейнеры и средства  их технического обслуживания  и ремонта.

В последние годы к перевозкам стандартных  контейнеров приспосабливают практически  все сухогрузные суда: универсальные, лесовозы, суда для перевозки массовых грузов и даже рефрижераторные.

Дедвейт большинства контейнеровозов колеблется в диапазоне 1500...20000 т, характерном  для универсальных сухогрузов, но построены также контейнеровозы DW до 45000…50000 т. Уменьшение времени простоя способствовало увеличению скорости хода до 16…17 узлов при DW £ 3000 т и до 20…23 узла для более крупных судов (построены контейнеровозы с V_S = 25…30 узлов).

  МКО обычно расположено  в  кормовой части контейнеровоза  или сдвинута с миделя в  корму, когда у быстроходных  судов трудно разместить мощную  СЭУ в заостренных кормовых  обводах. Последнее затрудняет  грузовые операции, но повышает  сопротивление корпуса на скручивание. 

В качестве главных двигателей на контейнеровозах  используют МОД и ДРУ с многоагрегатными СОД, работающими на один вал. На крупных  быстроходных контейнеровозах при ограниченной осадке и диаметре винта используют двухвальные  установки. В виду отсутствия грузовых средств мощность СЭС определяется по наиболее напряженному ходовому режиму – (0,19…0,21) от N_e. Котельные установки состоят из одного ВК и одного УК и также имеют ограниченное количество потребителей, что увеличивает мощность утилизационного турбогенератора. Все большее распространение получают на контейнеровозах валогенераторы.

 1.2 Краткое описание судна-прототипа.

Контейнеровоз «ALESSANDRA I». Судно  было построено в Гамбургском  судостроительном заводе ФРГ в 1994 году. Предназначено для перевозки  груза методом «контейнер», генеральные  грузы. Район плавания судна неограниченный. Плавание во льдах при сопровождении  ледокола. Архитектурно-конструктивный тип судно - стальное, однопалубное, с двумя грузовыми трюмами.

Судно построено в соответствии с Правилами Регистра на классе:

CLASS: GL100 A5E «CONTAINERSHIP».54 SOLAS MC E AVT

GL100 - самоходное судно  построено по правилам и под  наблюдением немецкого регистра.E - класс управления судна (А1) без  несения вахты в машинном отделении  и ЦПУ.. SOLAS - регистровый номер  СОЛАСА- ледокольный класс

1.3 Основные характеристики судна

ИМО №9061277

Длинна наибольшая L max, м……………………………………101.12 м

Ширина наибольшая В, м………………………………………...18.20 м

Высота борта на миделе да верхней трубы……………………..6.56 м

Осадка по летнюю грузовую марку Т, м…………………………8,25 м

Дедвейт………………………………………………………….5336 рег. т

Контейнера в трюмах……………………………………………...143 шт.

Контейнера на палубе……………………………………………...366 шт.

Общая вместимость контейнеров……………………………….509 шт.

Главный двигатель KHD/MWM DEUTZ TBD 645 L9 …………3825 kWt

Число оборотов………………………………………………….650 об/мин

На судне установлено  ВРШ.

Валогенератор от главного двигателя  Мaker Piller NKT 900 …..400kWt

Вспомагательный дизель-генератор - 2 Zeppelin/Calerpiller ….400 kWt, 450 об/мин.

Аварийный ДГ Zeppelin/Calerpiller………………………………350 kWt

Скорость судна рабочая  …………………………………………..15 узлов

Скорость мах…………………………….16.5 узлов при 100% нагрузке

Топливо ГД DEVTZ……………………………………………..IFO 180

Запасы высоковязкого  топлива - 400 т

Запас маловязкого топлива - 56 т

Запас смазочного масла - 17 т

Запас пресной воды - 37 т

Присутствует опреснитель  «AL LAVAL» - 8 т/сутки

1.4 Анализ его характеристик и выбор направления модернизации СЭУ судна.

Выбор состава ПК обычно является многофункциональной задачей. Увеличение цен на топливо в последние 30 лет, приблизительно в 10 раз, ставит задачу экономии затрат на топливо при проектировании  судов на первое место.

Марку ГД выбирают по Приложениям  В (МОД) и Д (СОД) по цилиндровой мощности N_ец и количеству цилиндров Z_ц:  N_е = N_ец·Z_ц или из других источников. Критериями выбора является минимальный удельный расход топлива b_е, совпадение оборотов n_В = n_МОД (для МОД с прямой передачей) и не очень большое количество цилиндров или V-образное выполнение СОД, определяющее длину МКО.

Второй  задачей следует считать увеличение грузоподъемности судна за счет уменьшения массогабаритных характеристик  ПК (размеров машинно-котельного отделения)  и  запасов топлива.

 

2. Проектирование пропульсивного  комплекса. Обоснование типа и  количества  движителей,  расположения  машинно-котельного отделения на  судне и расчет его габаритов.  Выбор типа главного двигателя  и передачи, определение эффективной  мощности и выбор марки главного  двигателя. Пересчет достижимой  скорости судна. Расчет судового  валопровода по Правилам Морского  Регистра. Эскиз пропульсивного  комплекса на листе формата  А4.

Таблица 2.1 – Расчёт характеристик вариантов СЭУ

Характеристика	Базовый	1 проектный вариант	2 проектный вариант	3 проектный вариант
Скорость  хода VS, узлы	14	14,5	14,5	14,44
Дальность плавания, L, миль	5000	5000	5000	5000
Ходовое время, , сут.	14.9	14,36	14,36	14,22
Тип ПК, винта, тип ГД  и передачи,  nв , об/мин	Одновальный, ВРШ, 135, СОД- ДРА	Одновальный, ВФШ,  53, МОД- ДРА	Одновальный, ВФШ, 105, МОД с  прямой передачей	Одновальный, ВРШ, 78,2 СОД- ДРА
Nе, МВт	6,99	10,2	10,2	10,08
Тип ГД, nГД, об/мин,  be (г/(кВт·ч))	МаК 8М601, 425 208	5S60MS 107 164,4	5S60MS 105 171	16PC2.6BV400 400 182
Передаточное отношение редуктора	3.15	2	-	5,13
Запас топлива, т Gт = KМ·tх·Ne·be·10-6	822,89	664.6	691,28	720
Габариты  ГД    L·B·H, м	10,5·3,8·9,15	7,65·3,48·105	7,65·3,48·105	9,5·3,6·3,8
Габариты  ДРА, L, м	10.5	15,8	-	9,5
Длина МКО, LМКО, м	17	19,1	15,1	14,25
Удельная  масса, кг/кВт              m    ГД               m    редуктора              m    СЭУ	44 - 95	110 7 -	85 - 95	12 7,5 -
Масса, т               ГД                              ДРА                              СЭУ	230        120      600	330         405         900	330          -       887	121       75       200
Площадь пола  МКО, м2	600	620	510	400
Объем МКО, м3	7150	7000	6000	5000

Как видно из таблицы, при увеличении скорости с 15,4 до 14,44 узла судно придет в порт назначения на 0,68 суток позже, и с учетом более экономичного двигателя расходы и запасы топлива снизятся в 1.4 раза, при использовании ДРУ с СОД длина МКО уменьшится в 1,2 раза, масса СЭУ больше, чем в 2 раза. Но необходимо помнить, что моторесурс СОД почти в 1,25…1,5 раза меньше МОД, что соответствующим образом увеличит затраты на капитальный ремонт и замену СОД.

После выбора оптимального варианта ПК, каковым по всем параметрам является вариант №3, определяется эксплуатационная мощность по формуле (если она не приведена в таблицах):

                                            N_е^экс= (0,85…0,9)×N_е                                               (2.8)

N_е^экс=10.08*0.9=9.072

и по формуле 

 пересчитывается  достижимая эксплуатационная V_S^экс по N_е^экс.

 

 

 

Повышение надежности СЭУ. Выбирая для модернизации пропульсивного комплекса двигатель надо учитывать его ресурсные показатели. Для большинства судов ресурс ГД должен быть равен ресурсу судна.

Ресурс  непрерывной работы должен превышать или ходовое время или учитывать возможность остановки ГД для проведения ТОР (замена форсунок, масла и др.).

Показатели  надежности ГД для судов рассматриваемых  типов:

- вероятность  безотказной работы ГД должна превышать – 0,98;

- коэффициент готовности – К_г ≥0,98;

- коэффициент технического использования – К_ти ≥ 0,9.

Повышение надежности также достигается резервированием  ГД в  централизованных многоагрегатных  установках.

Расчет  элементов валопровода по правилам Морского

        Регистра судоходства 

В данном подразделе проекта необходимо рассчитать элементы валопровода по Правилам Морского Регистра судоходства [10]: диаметры промежуточных, упорного и гребного (дейдвудного) валов, расстояние между смежными подшипниками и габариты фланцевого соединения валов.

Диаметр промежуточного вала определяется по формуле:

             

, мм,                          (2.13)

 

 

 

где  P – мощность, кВт; n – число оборотов, об/мин; Z_В – число винтов;

      R_mВ – временное сопротивление материала вала, подставляется в

                формулу, если оно ³400 МПа; для промежуточных и упорных валов – R_mВ£800 МПа, для гребного вала – R_mВ £ 600 МПа;

      F_ДЭ=95,0 – для дизель-электрических ЭУ, F_Д=100,0 – для МОД и ДРА;

      К_Л – коэффициент ледовых подкреплений, выбирается из таблицы 2.8;

 – относительный диаметр внутренней расточки вала, учитывается при  m ³ 0,4.

Диаметр упорного вала определяется по формуле:

                                       d_уп=1,1·d_пр                                           (2.14)

d_уп=1.1* 486.138= 534.752

Диаметр гребного (дейдвудного) вала определяется по формуле:

           

, мм,             (2.15)

 

 

 

где К_Г =1,22 – для кормовой части вала при безшпоночном (ВРШ);

      К_Г =1,26 – при шпоночном соединении вала с ВФШ;

      К_Г =1,15 – для участка вала в нос от кормового дейдвудного подшипника;  

      К_С=1,02 – при водяной смазке дейдвудных подшипников.

При водяной смазке валы выполняются  в бронзовой облицовке, толщина  которой в районе ступиц подшипников  равна S = 0,03d_ГР +7,5 мм, а вне ступицы может быть уменьшена до 0,75·S (используется для катеров при d_ГР £ 130 мм и для судов старой постройки). Для современных судов дейдвудные валы выполняются без облицовки с масляной смазкой подшипников и специальными уплотнительными устройствами.

Расстояние  между центрами смежных подшипников  при отсутствии в пролете сосредоточенных  масс (МИШ) принимается из условия:

                             5,5·a·

£ l £ a·l· , м,                          (2.16)

l=5m

l=4.3m

l=4.5m

где l – длина пролета, м; d – минимальный диаметр вала, м; l – коэффициент: l=14 при n≤ 500 об/мин., l=300 при n≥500 об/мин.; а= .

 

 

Соединение  валов обычно фланцевое. Ширина фланцев  В_Ф ³ 0,2· d_пр

 

 

 

 

 

 

 

  радиус вала при переходе к  фланцу r_ф ³ 0,125 d_пр

 

 

 

 

 

  Количество болтов i ³ 3, (обычно 6…12), диаметр болтовых отверстий Д_б выбирается из условия удобства монтажных работ (условно можно принять Д_б=2· d_пр   ). Диаметр призонной части болта рассчитывается по формуле:

                                    , мм,                             (2.17)

 

 

 

 

где R_mВ £   £ 1,7R_mВ £ 1000  МПа.

Таблица 2.2 – Окончательные результаты расчёта элементов