Обоснование состава главного энергетического комплекса судна
Главный энергетический комплекс - это комплекс, в котором вырабатываемая энергия используется для приведения в движение движителей.
К ГЭК относят: Главные двигатели, главная передача, валопровод, движитель.
Главные двигатели, используя энергию теплоты сгорания топлива и кислород, вырабатывают необходимое количество механической энергии.
При проектировании судов тип ГД задаётся в техническом задании, а его основные параметры создаются на стадии эскизного проекта.
Главная передача - это совокупность механизмов, для преобразования энергии ГД в энергию, обеспечивающую эффективное выполнение движителями своих функций.
ГП, кроме этого могут обеспечивать: разобщение ГД и движителей, реверсирование, редуцирование частоты вращения, трансформацию крутящего момента, разделение и суммирование мощности ГД.
Валопровод - это комплекс устройств <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0>, механизмов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC> и соединений, служащих для передачи крутящего момента <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D1%81%D0%B8%D0%BB%D1%8B> от двигателя <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C> к движителю <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C> и передачи упорного давления от последнего корпусу судна <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%B4%D0%BD%D0%BE>.
Движителями, называются специальные устройства, преобразующие механическую работу судовой силовой установки в упорное давление, преодолевающее сопротивления и создающее поступательное движение судна.
1.1 Исходные данные
Исходные данные курсовой работы приведены в табл.1.
энергетический судно двигатель топливный
Таблица 1 - Исходные данные модернизируемого судна
Параметр, размерностьДанныеЦель модернизацииУменьшение v на 3%Водоизмещение G, т (осадка судна, м)6750 (3,5)Скорость в полном грузу V, км/ч (автономность, сут.)20 (15)Количество х (марка главных двигателей (ГД))2 (6ЧРН36/45)Номинальная эффективная мощность ГД Ре, кВт660Номинальная частота вращения коленчатого вала ГД nн, об/мин375Род топлива Qн (его удельный расход ГД bе, кг/кВт*ч)ДТ (0,226)Количество Хг и номинальная мощность валогенераторов Рг, кВт1х50Количество Хв (марка вспомогательных двигателей (ДГ))2(6Ч18/22)Номинальная эффективная мощность ДГ Рв, кВт150Род топлива Qнв (его удельный расход ДГ bв, кг/кВт*ч)Л (0,234)Количество Хк и теплопроизводительность автономных котлов Qк, кДж/ч1х838000Род топлива Qн (его удельный расход автономным котлом Вк, кг/чДТ (21)Количество Ху и теплопроизводительность утилькотлов Qу, кДж/ч2х419000Число членов экипажа nэ, чел18
1.2 Выбор главных двигателей
В первом приближении, мощность ГД может быть определена исходя из равенства адмиралтейских коэффициентов проектируемого судна и прототипа. Равенство адмиралтейских коэффициентов рассчитаем по формуле (1).
(1)
где: Gм - водоизмещение после модернизации, т.к. водоизмещение не является целью модернизации G м = G, т;
G - водоизмещение до модернизации, т;
суммарная мощность ГД до модернизации судна, кВт;
V - скорость судна до модернизации;
Vм - скорость судна после модернизации.
Vм
Для выбора ГД и последующей оценки конкурентоспособности, по формуле (2), рассчитаем мощность необходимую для одного ГД.
(2)
Рассмотрим три двигателя и выберем из них наиболее конкурентоспособный, наименование параметров и данные двигателей приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Параметры выбираемых двигателей
Наименование параметра:6ВД26/20АЛ6ЧРН36/456НВД48А-2УНоминальная эффективная мощность ГД Ре, кВт530660640Номинальная частота вращения коленчатого вала ГД nн, об/мин1000375375Удельный расход топлива ГД bе, кг/кВт*ч0,2120,2260,224Удельный расход масла В кг/кВт*ч0,0020,00540,0014 Род топливадизельноемоторноемоторное Габаритные размеры: Длина, мм Ширина, мм Высота, мм 3310 1300 2180 - - - 5155 1763 2159Масса кг86902900019045Ресурс до капитального ремонта r, тыс. часов404036Литровая мощность: где: - Число цилиндров; S - ход поршня, см D - диаметр поршня, см; Ре - номинальная мощность ГД, кВт.10,812,41,65Удельная масса: где: М - Масса двигателя, кг; Р - номинальная мощность ГД, кВт.16,3943,9329,75Стоимость: где: r - Ресурс двигателя, тыс. часов; Ре - номинальная мощность ГД, кВт; - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч; - удельный расход масла ГД, кг/кВт*ч.163520143893187253
Используя данные полученные из табл.2 по формуле (3), рассчитаем коэффициент конкурентоспособности ГД.
(3)
где: Р - Литровая мощность ГД, ;
- максимальная литровая мощность ГД, ;
r - ресурс ГД до капитального ремонта, тыс. часов;
- максимальный ресурс ГД до капитального ремонта, тыс. часов;
m - удельная масса ГД, ; mmin - минимальная удельная масса ГД, ; bе - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
bеmin - минимальный удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
В - удельный расход масла ГД, кг/кВт*ч;
Вmin -минимальный удельный расход масла ГД, кг/кВт*ч;
С - стоимость ГД, уе; Ц - цена топлива. (для дизельного топлива, Ц=1; для моторного топлива, Ц=0,5);
Для двигателя марки 6ЧРН36/45:
= 0,722
Для двигателя марки 6ВД26/20АЛ:
Для двигателя марки 6НВД48А-2У:
Кк== 0,811
Вывод:
После расчёта коэффициента конкурентоспособности в качестве главных двигателей выбираем два дизеля марки 6ВД26/20АЛ.
.3 Выбор главной передачи
Выбранные двигатели марки 6ВД26/20АЛ, являются нереверсивными, а следственно к дальнейшему расчёту принимаем реверс-редукторную передачу.
Расчёты параметров для выбора RR, приведём в табл.3.
Таблица 3 - Расчёт параметров реверс-редукторной передачи
параметры и размерностьполученные данныеОтношение номинальной эффективной мощности ГД, к номинальной частоте вращения коленчатого вала: 0,53Максимальный диаметр винта: Dmax=0.625 где: Т - осадка судна, м2Проектируемая частота вращения коленчатого вала: где: t - коэффициент засасывания (t=0.25); V-скорость в полном грузу, км/ч; 263передаточное число: 3,80
Руководствуясь данными полученными из табл.3, принимаем две реверс-редукторные передачи марки RR640. Её основные параметры приведём в табл.4.
Таблица 4 - Параметры реверс-редукторной передачи
параметры:модель RR640Допустимое отношение мощности и частоты вращения входного вала, 0,53Передаточное число, 3,542Допустимая частота вращения входного вала, 1800Масса, 1250 габариты: длина, ширина, высота, 1010 1090 1300
.4 Выбор валопровода и движителя
Для получения требуемых диаметров промежуточного и гребного валов, по формуле (4) рассчитаем минимальный допустимый диаметр валопровода.
мм (4)
где: Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт;
nн - номинальная частота вращения коленчатого вала ГД,
передаточное число;
Км - коэффициент учитывающий неравномерность крутящего момента, для четырёхтактных двигателей при , Км=1.15.
=141,5мм
Принимаем промежуточный вал диаметром, dпр=145 мм
При выборе диаметра гребного вала, нужно учитывать то, что его диаметр должен быть на 15% больше, чем диаметр промежуточного вала. По формуле (5) произведём расчёт гребного вала.
,мм (5)
По формуле (5):
мм
Принимаем гребной вал диаметром, мм
Вывод: В данном разделе были рассчитаны и приняты диаметры гребного вала, мм и промежуточного вала, dпр=145, мм. В дальнейшем выбранные валы проверяют на: прочность, крутильные колебания, изгибное колебание и продольную устойчивость. Так же к дальнейшему рассмотрению принимаем движитель типа ВФШ.
1.5 Обоснование оптимального режима работы главного двигателя
Оптимальный режим работы ГД, должен обеспечивать: скорость, безопасность, экономичность. Требуемую частоту вращения коленчатого вала, назначают из прямой зависимости скорости судна от частоты вращения коленчатого вала. Безопасность обеспечивается при непосредственном контроле: механических, тепловых, технических состояний дизелей, косвенных параметров: таких как температура выпускных газов,
использование ограничительных характеристик: таких как зависимость мощности ГД от частоты вращения коленчатого вала, при сохранении тепловой и механической напряжённости двигателя в допуске.
По формуле (6), рассчитаем ограничительные характеристики по крутящему моменту.
, (6)
где: Ре - номинальная эффективная мощность главного двигателя, кВт; - отношение долевой частоты вращения коленчатого вала, к номинальной частоте вращения коленчатого вала.
Для выбора конкретного режима работы ГД, необходимо соблюдать дополнительные требования:
Рассчитаем по формуле (7), эффективный кпд главного двигателя.
(7)
где: - Удельная теплота сгорания топлива, ;
- минимальный удельный расход топлива ГД, который определяется графически, из рис.3, .
По формуле (8), произведём расчёт эффективной мощности ГД.
, кВт (8)
где: - отношение эффективной мощности к номинальной мощности двигателя, определяется графически, из рис.3; Ре - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт.
, кВт
По формуле (9), рассчитаем эффективную частоту вращения коленчатого вала ГД.
(9)
где: nэф - отношение эффективной частоты вращения коленчатого вала к номинальной частоте вращения коленчатого вала, определяется графически, рис.3; - номинальная частота вращения коленчатого вала, .
По формуле (10), рассчитаем средне эффективное давление ГД.
кПа (10)
где: Тт- Тактность ГД, выбранный двигатель марки 6ВД26/20АЛ, является четырёхтактным (Тт=4);
Рэ - эффективная мощность ГД, кВт;
- Число цилиндров, шт.;
S - ход поршня, см;
D - диаметр поршня, см;
- эффективная частота вращения коленчатого вала ГД, .
,кПа
По формуле (11), рассчитаем эффективный часовой расход топлива ГД.
, (11)
где: - минимальный удельный расход топлива ГД,;
Рэ - эффективная мощность ГД, кВт.
Таблица 5 - Адаптивные поправки при различных условиях
0,2 0,4 0,6 0,8 10,050,070,080,090
По формуле (12), рассчитаем обеспечение минимального расхода топлива ГД.
, (12)
где: be -удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
- механический кпд (;
- долевая частота вращения коленчатого вала, ;
nн - номинальная частота вращения коленчатого вала ГД,
- адаптивная поправка (=), табл.5.
По формуле (13), рассчитаем экономию топлива главного двигателя.
(13)
где: Вэ - эффективный часовой расход топлива ГД,;
Ре -номинальная эффективная мощность главного двигателя, кВт;
be -удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч.
1.6 Оценка энергетической эффективности обоснованного состава главного энергетического комплекса судна
Для оценки энергетической эффективности ГЭК, по формуле (14) рассчитаем частоту вращения гребных валов.
nв (14)
где: nн - номинальная частота вращения коленчатого вала ГД, - передаточное число.
nв
Далее, по формуле (15), произведём расчёт пропульсивного коэффициента, который является отношением буксировочной мощности, затрачиваемой на движение судна с данной скоростью хода, к мощности механизмов, предназначенных для той же цели.
(15)
где: nв - частота вращения гребных валов, ;
По формуле (16), рассчитаем эффективность принятого дизеля марки 6ВД26/20АЛ.
(16)
где: - удельная теплота сгорания топлива, для дизельного топлива, , ;
- Удельный расход топлива двигателя 6ВД26/20АЛ, кг/кВт*ч.
По формуле (17), рассчитаем эффективный КПД главного энергетического комплекса.
(17)
где: - эффективность ГД; - кпд главной передачи, =0,97); - кпд валопровода, (=0,98); - пропульсивный коэффициент.
Вывод: В табл.6 приведём марки выбранного оборудования ГЭК.
Таблица 6 - Сводная таблица принятого оборудования
наименование и количествомарка и размерностьГлавный двигатель, 2 шт6ВД26/20АЛГлавная передача, 2 шт.RR640Диаметр гребного вала, 2 шт.170, ммДиаметр промежуточного вала, 2 шт.145, ммТип движителя, 2 шт.ВФШ Эффективный кпд ГЭК19,2%
2. Обоснование состава вспомогательного энергетического комплекса судна
ВЭК - это составная часть судовой энергетической установки, предназначенная для обеспечения на судне жизнедеятельности людей и работы судовых механизмов. Основными элементами ВЭК являются вспомогательные паровые котлы. Производимый пар используется на судне для обогрева помещений, приготовления пищи, работы водоопреснителей, привода в действие турбонасосов, грузовых лебедок, защиты от обледенения и т.д.
Главной задачей судовой электрической станции является, вырабатывание электроэнергии, необходимой для нужд потребителей на судне.
Выбор количества и мощность ДГ, судовой электрической станции производится на основе таблицы нагрузок СЭС. В первом приближении, мощность СЭС определяется по статистическим зависимостям.
Водоопреснительная установка - это совокупность вспомогательных механизмов и систем, используемых для получения пресной воды из забортной морской. ВОУ является составной частью вспомогательной энергетической установки. Вода, получаемая в ВОУ, называется опресненной. Цель опреснения - это пополнение запасов технической воды (питательной и дистиллированной) и бытовой (питьевой).
.1 Выбор вспомогательной котельной установки
Общее количество теплоты состоит из расходов на отопление, санитарно-бытовых, технических, технологических нужд. По формуле (18), рассчитаем требуемое количество теплоты.
(18)
где: хе - количество ГД, шт;
- число членов экипажа, чел;
Ре - номинальная эффективная мощность главного двигателя, кВт.
Для дальнейшего выбора утилизационного котла, по формуле (19), рассчитаем количество теплоты, которое может быть использовано в нём.
(19)
где: хе - количество ГД, шт;
be -удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность главного двигателя, кВт;
- удельная теплота сгорания топлива, для моторного топлива, , .
На основании произведённых расчётов, выбираем АК и УК, результат приведём в табл. 7
Таблица 7 - Маркировка и параметры принятых котлов
марка котлаТепло-(паро)производительность, расход топлива Вк, мощность, кВт автономный котёлКОАБ-682840008,21,0 утилизационный котёлКАУ-6,0290000
2.2 Выбор судовой электрической станции
По формуле (20), рассчитаем количество мощности судовой электрической станции.
(20)
где: хе - количество ГД, шт; Ре - номинальная эффективная мощность главного двигателя, кВт.
На основании рассчитанного количества мощности СЭС, произведём выбор ДГ переменного тока, параметры и марку ДГ приведём в табл.8.
Таблица 8 - Основные параметры ДГ
Наименование параметраМарка ДГДГР75М1/1500Номинальная мощность Рв,кВт75Номинальная частота вращения коленчатого вала nдг, 1500Удельный расход топлива bев, 0,236Удельный расход масла Вв, 0,00164Масса, кг2550
Вывод: После расчётов Nсэс, принимаем два ДГ марки ДГР75М1/1500
.3 Обоснование оптимального режима работы вспомогательных двигателей
Для обоснования оптимального режима работы вспомогательных двигателей по формуле (21), рассчитаем удельный долевой расход топлива ВД.
(21)
где: - доля мощности ВД;
- адаптивная поправка, задана в табл.9;
- механический кпд (;
bев - удельный расход топлива ДГ, .
Таблица 9 - Адаптивные поправки при различных условиях
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10,020,030,050,040,020
На рис.4, изобразим зависимость удельного расхода топлива ДГ, от отношения долевой мощности ДГ к номинальной эффективной мощности ДГ.
По формуле (22), определим эффективную мощность ДГ.
,кВт (22)
где: Рвэф - отношение эффективной долевой мощности к номинальной эффективной мощности ДГ, определяется графически из рис.4, (Рвэф=0,8);
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт.
По формуле (23), определим эффективный кпд ДГ.
(23)
где: - минимальный эффективный расход топлива ДГ, определяется графически на рис.4, ;
- удельная теплота сгорания дизельного топлива, , .
По формуле (24), рассчитаем эффективный часовой расход топлива ДГ.
, (24)
где: - минимальный эффективный расход топлива ДГ, определяется, ;
Рвэ - эффективная мощность ДГ, кВт.
По формуле (25), рассчитаем средне эффективное давление ДГ.
,кПа (25)
где: D - диаметр поршня ДГ, м;
S - ход поршня ДГ, м;
- число цилиндров ДГ, шт;
Тт - тактность ДГ (ДГ марки ДГР75М1/1500, является четырёхтактным), а следовательно Тт=4;
Рвэ - эффективная мощность ДГ, кВт;
nдг - номинальная частота вращения коленчатого вала ДГ,
,кПа
По формуле (26), рассчитаем экономию топлива ДГ.
,% (26)
где: Ввэ - эффективный часовой расход топлива ДГ, ;
bев - удельный расход топлива ДГ, ;
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт.
,%
2.4 Утилизация теплоты в системе охлаждения судовой энергетической установки
Полезное использование части тепловых потерь главных двигателей, может существенно сократить расход топлива в СЭУ. Проектирование систем утилизации заключается в решении следующих задач: определение потоков тепловых потерь с оценкой их количества и уровня температуры;
определение возможных потребителей тепловой энергии, как ее количества, так и качества;
составление баланса тепловой энергии, между ее источником и потребителем;
выбор оптимальной схемы системы утилизации;
расчеты с целью определения получаемого эффекта;
В судовых дизельных установках к числу потоков теплоты, возможных для утилизации, можно отнести:
теплоту отработавших газов;
теплоту, отводимую от наддувочного воздуха;
теплоту пресной воды в системе охлаждения двигателя.
В технической документации на поставку двигателя указываются величины потоков энергии и температуры указанных рабочих сред. Наибольшим температурным потенциалом обладают отработавшие газы, направляемые в утилизационные парогенераторы для производства пара с давлением 0.3-1.5 МПа или горячей воды.
Вывод: В табл.10 занесём выбранное оборудование ВЭК.
Таблица 10 - Сводная таблица принятого оборудования
наименование и количествомарка и размерностьВспомогательный ДГ, 2 шт.ДГР75М1/1500Автономный котёл, 1шт.КОАБ-68Утилизационный котёл 1 шт.КАУ-6,0Мощность СЭС127, кВтЭкономия топлива ДГ на эффективном режиме. 21, %
3. Расчёт систем судовой энергетической установки
Системы СЭУ <#"justify">Топливная система - предназначена для приема, хранения, перекачивания, очистки, подогрева и подачи топлива к двигателям и котлам, а также для передачи топлива на берег или на другие суда. В СЭУ преимущественно используется жидкое топливо, являющееся продуктом перегонки нефти различного состава.
Масляная система <#"justify">3.1 Расчёт топливной системы судовой энергетической установки
По формуле (27), рассчитаем вместимость запасных цистерн.
Для ДТ: (27)
Для дизельного топлива:
где: - коэффициент ходового времени, = 0,6;
Хе - количество ГД, шт.;
be - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт;
Хк - количество АК, шт.;
Вк - расход топлива АК, ;
- коэффициент использования автономного котла, - автономность = 360, ч;
- плотность топлива, ДТ: =930,., дизельное:: =860,;
Хв - количество ДГ, шт.; bев - удельный расход топлива ДГ, кг/кВт*ч; Рв - номинальная эффективная мощность ДГ.
Для ДТ:
Для дизельного топлива:
По формуле (28), рассчитаем вместимость расходных цистерн для ГД.
(28)
где: Хе - количество ГД, шт.;
be - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность двигателя, кВт;
- плотность топлива =860,.
По формуле (29), рассчитаем вместимость расходных цистерн для ДГ.
(29)
где: Хв - количество ДГ, шт.;
bев - удельный расход топлива ДГ, ;
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт; - плотность топлива=860,.
По формуле (30), рассчитаем вместимость расходных цистерн для АК.
(30)
где: Хк - количество автономных котлов, шт.;
Вк - расход топлива АК,; - плотность топлива=930,.
По формуле (31), рассчитаем подачу топливного насоса для ГД.
(31)
где: Vрд - вместимость расходных цистерн для ГД,
- время заполнения цистерн, = 1,ч.
По формуле (32), рассчитаем подачу топливного насоса для ДГ.
, (32)
где: Vрг - вместимость расходных цистерн для ДГ, ;
- время заполнения цистерн,
= 1,ч.
По формуле (33), рассчитаем подачу топливного насоса для АК.
(33)
где: Vрк - вместимость расходных цистерн для АК, ;
- время заполнения цистерн,
= 1,ч.
По формуле (34), рассчитаем суточную потребность топлива для сепаратора.
(34)
где: Хе - количество ГД, шт.;
be - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт; Хв - количество ДГ, шт.;
bев - удельный расход топлива ДГ, ; Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт; - плотность топлива=860,.
.2 Расчёт масляной системы судовой энергетической установки
По формуле (35), рассчитаем вместимость запасных цистерн.
(35)
где: - коэффициент ходового времени, = 0,6;
Хе - количество ГД, шт.;
Вм - удельный расход масла ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт;
Хв - количество ДГ, шт.;
Вв - удельный расход масла ДГ, кг/кВт*ч;
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт;
- автономность = 360, ч;
aм - удельная масса масла в сточных цистернах и картерах двигателей, ам =2,8, ;
- суммарная мощность всех двигателей на судне, кВт; - плотность масла = 899.
По формуле (36), рассчитаем вместимость циркуляционной цистерны ГД.
(36)
где: Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт.
По формуле (37), рассчитаем вместимость циркуляционной цистерны ДГ.
(37)
где: Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт.
По формуле (38), рассчитаем суммарный объём циркуляционных цистерн:
(38)
где: - вместимость циркуляционной цистерны ГД, ;
- вместимость циркуляционной цистерны ДГ, .
По формуле (39), рассчитаем вместимость цистерны сепарируемого масла.
, (39)
де: - суммарный объём циркуляционных цистерн, .
По формуле (40), рассчитаем подачу маслоперекачивающего насоса.
(40)
где: - вместимость цистерны сепарируемого масла,
По формуле (41), рассчитаем подачу резервного циркуляционного насоса для ГД.
(41)
где: - доля теплоты, которая отводится с маслом, для ГД = 5%;
Вм - удельный расход масла ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт;
- удельная теплота сгорания топлива, для дизельного топлива , .
См - теплоёмкость масла См=2,1, ; - плотность масла = 899;
- разность температур масла на входе и выходе дизеля =.
По формуле (42), рассчитаем подачу резервного циркуляционного насоса для ДГ.
(42)
Вв - удельный расход масла ДГ, кг/кВт*ч;
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт;
- удельная теплота сгорания дизельного топлива , .
См - теплоёмкость масла См=2,1, ;
- плотность масла = 899;
- разность температур масла на входе и выходе дизеля =.
По формуле (43), рассчитаем производительность сепаратора.
(43)
где: - суммарный объём циркуляционных цистерн, ; - Время сепарирования, = 10,ч.
.3 Расчёт системы охлаждения судовой энергетической установки
По формуле (44), рассчитаем отвод необходимого количества теплоты индивидуального замкнутого контура ГД.
, (44)
где: атв - доля отводимой теплоты водой, для ГД атв=0,15;
be - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт;
- удельная теплота сгорания топлива , ;
Св - теплоёмкость пресной воды См=4,19,;
- плотность пресной воды = 1000,;
- разность температур пресной воды на входе и выходе дизеля =.
По формуле (45), рассчитаем отвод необходимого количества теплоты индивидуального замкнутого контура ДГ.
(45)
где: атв - доля отводимой теплоты водой, для ДГ атв=0,175;
bев - удельный расход топлива ДГ, ;
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт;
- удельная теплота сгорания топлива, для дизельного топлива , ;
Св - теплоёмкость пресной воды См=4,19,; - плотность пресной воды = 1000,; - разность температур пресной воды на входе и выходе дизеля =.
По формуле (46), рассчитаем подачу забортной воды открытого контура.
(46)
где: атв - доля отводимой теплоты водой, для ГД атв=0,15;
атм - доля отводимой теплоты маслом, атм=0,05;
be - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт; - удельная теплота сгорания топлива,
, ; Сз - теплоёмкость забортной воды См=3,98 ;
- плотность забортной, воды = 1020; - разность температур забортной воды на входе и выходе дизеля =.
По формуле (47), рассчитаем поверхность теплопередачи водяного охладителя.
(47)
где: атв - доля отводимой теплоты водой, для ГД атв=0,15;
be - удельный расход топлива ГД, кг/кВт*ч;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД, кВт;
- удельная теплота сгорания топлива, для дизельного топлива , ;
Кв - коэффициент зависящий от типа водяного охладителя, для трубчатых теплообменников Кв=0,7,;
- средняя разность температур входа выхода водяного охладителя = 41с.
= 6,96,
.4 Расчёт системы сжатого воздуха судовой энергетической установки
По формуле (48), рассчитаем объём воздуха, требуемый для пуска одного ГД.
(48)
где: - число пи, = 3.14; D - диаметр поршня ГД, м; S - ход поршня ГД, м; - число цилиндров ГД, шт.
По формуле (49), рассчитаем объём воздуха, требуемый для пуска одного ДГ.
(49)
где: - число пи, = 3.14;
Dв - диаметр поршня ДГ, м;
Sв - ход поршня ДГ, м;
- число цилиндров ДГ, шт.
По формуле (50), рассчитаем вместимость пусковых баллонов ГД, которые рассчитывают из условий шести пусков для нереверсивных двигателей.
(50)
где: - удельный расход сжатого воздуха при пуске на один рабочий объём двигатель =9,;
- объем воздуха требуемый для пуска одного ГД, ;
Хе - число ГД, шт.;
- число пусков =6;
Ро - давление воздуха Ро=0,098,мПа;
- начальное давление воздуха в баллонах , мПа;
- минимальное давление, при котором возможен пуск , мПа.
= 0,22,
По формуле (51), рассчитаем вместимость пусковых баллонов ДГ.
(51)
где: - удельный расход сжатого воздуха при пуске на один рабочий объём двигатель =9,;
- объем воздуха требуемый для пуска одного ДГ, ;
Хв - число ДГ, шт.;
- число пусков =6;
Ро - давление воздуха Ро=0,098,мПа;
- начальное давление воздуха в баллонах , мПа;
- минимальное давление, при котором возможен пуск , мПа.
= 0,043,
По формуле (52), рассчитаем вместимость тифонного баллона.
(52)
где: Кн - коэффициент насыщаемости сигналом, Кн = 0,128;
- расход свободного воздуха ;
- продолжительность передачи сигнала ,мин;
Ро - давление воздуха Ро=0,098,мПа; - начальное давление воздуха в баллонах , мПа; - минимальное давление, при котором возможен пуск мПа.
= 0,15,
По формуле (53), рассчитаем число пусковых баллонов.
шт (53)
где: - вместимость пусковых баллонов ГД, ;
- вместимость пусковых баллонов ДГ, ;
- объём баллона =0,04,.
шт
По формуле (54), рассчитаем число тифонных баллонов.
шт (54)
где: - вместимость тифонного баллона, ;
- объём баллона =0,2,.
, шт.
.5 Выбор компрессоров судовой энергетической установки
По формуле (54), рассчитаем подачу компрессора.
(55)
где: - вместимость пусковых баллонов ГД, ;
- вместимость пусковых баллонов ДГ, ;
- начальное давление воздуха в баллонах , мПа;
- минимальное давление, при котором возможен пуск , мПа;
Ро - давление воздуха Ро=0,098, мПа;
- время закачки баллона =1,час.
3.6 Расчёт системы газовыпуска судовой энергетической установки
По формуле (56), рассчитаем площадь дымохода одного ГД.
(56)
где: Ве - часовой расход топлива ГД, ;
коэффициент избытка воздуха; о - теоретически необходимое количество воздуха, для сжигания 1 кг топлива, принимаем Lо = 14,33 кг/кг; R - газовая постоянная, для продуктов сгорания принимаем= 0,287 кДж / кг*град; Т - температура выпускных газов за дизелем, принимаем,
Т =600 К; - допустимая скорость движения газов в трубопроводе, принимаем для четырехтактных дизелей 35 м/с; Рт - допустимое давление в трубопроводе, принимаем равным 103,5 кПа;
По формуле (57), рассчитаем диаметр трубопровода, для одного ГД.
,м (57)
где: - площадь дымохода ГД, ; - число пи, ;
,м
По формуле (58), рассчитаем площадь дымохода, для одного ДГ.
(58)
где: Вв - часовой расход топлива ДГ, ;
коэффициент избытка воздуха; о - теоретически необходимое количество воздуха, для сжигания 1 кг топлива, принимаем Lо = 14,33 кг/кг; - газовая постоянная, для продуктов сгорания принимаем R = 0,287 кДж / кг*град;
Т - температура выпускных газов за дизелем, принимаем, Т =500 К;
- допустимая скорость движения газов в трубопроводе, принимаем для четырехтактных дизелей 35 м/с; Рт - допустимое давление в трубопроводе, принимаем равным 103,5 кПа;
По формуле (59), рассчитаем диаметр трубопровода, для одного ДГ.
, м (59)
где: - площадь дымохода ДГ, ; - число пи, ;
, м
По формуле (60), рассчитаем площадь дымохода АК.
(60)
где: Вк - часовой расход топлива АК, ;
коэффициент избытка воздуха; о - теоретически необходимое количество воздуха, для сжигания 1 кг топлива, принимаем Lо = 14,33 кг/кг; - газовая постоянная, для продуктов сгорания принимаем R = 0,287 кДж / кг*град;
Т - температура выпускных газов за дизелем, принимаем, Т =450 К;
- допустимая скорость движения газов в трубопроводе, принимаем для четырехтактных дизелей 22 м/с;
Рт - допустимое давление в трубопроводе, принимаем равным 103,5 кПа;
По формуле (61), рассчитаем диаметр трубопровода, для АК.
,м (61)
где: - площадь дымоходов АК, ; - число пи, ;
, м
.7 Выбор водоопреснительной установки
По формуле (62), рассчитаем требуемую производительность ВОУ.
Wт = (62)
где: - количество членов экипажа, чел.; - сумма всех дизелей на судне, кВт;
- теплопроизводительность всех котлов на судне, .
По формуле (63), рассчитаем теплоту, затраченную на производство пресной воды.
(63)
где: - требуемая производительность ВОУ, .
По формуле (64), рассчитаем количество теплоты от утилизированной воды.
(64)
где: Ве - часовой расход топлива ГД, ;
- суммарная мощность ГД, кВт;
- удельная теплота сгорания топлива, для дизельного топлива, .
По формуле (65), рассчитаем количество пресной воды от утилизированной охлаждающей воды.
(65)
где: - количество теплоты от утилизированной воды, .
После расчёта системы охлаждения, была принята поверхность теплопередачи водяного охладителя равной F= 6,96,.
4. Обоснование режимов оптимального энергоиспользования судовой энергетической установки судов
Основной целью оптимизации работы СЭУ, является определение оптимальной скорости движения судна, оптимального режима ГД и схемы энергообеспечения. Для оценки и сравнения выбранного оборудования проектируемого, и модернизируемого судов, произведём расчет оптимизации работы СЭУ для одного и другого варианта.
4.1 Обоснование скоростного диапазона режима оптимального энергоиспользования модернизируемого судна
Расчёт производят при условии нормальной винтовой характеристике (Кв=1).
По формуле (66), рассчитаем удельный расход топлива, для модернизируемого судна.
(66)
где: - доля мощности ГД;
- адаптивная поправка, задана в табл.13;
- механический кпд (; bе - удельный расход топлива ГД, .
Во= 0,222 и достигается при частоте вращения коленчатого вала ГД 292,об/мин.
По формуле (67), рассчитаем часовой расход топлива модернизируемого судна.
, (67)
где: - Удельный расход топлива ГД модернизируемого судна, ;
Хе - количество ГД;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД модернизируемого судна, кВт; - доля мощности ГД.
= 101,41,
= 150,03,
4.2 Оценка степени обеспечения потребности судна от утилизации теплоты газов модернизируемого судна
(68)
где: Вм - часовой расход топлива модернизируемого судна, ;
- удельная теплота сгорания топлива, , ;
Ху - количество утилизационных котлов модернизируемого судна, шт; - теплопроизводительность утилизационного котла модернизируемого судна, .
.3 Матрица энергетического обеспечения модернизируемого судна
Таблица 11 - Матрица энергетического обеспечения модернизируемого судна
0,50,60,70,80,9Количество ГД работающих на режиме, Х222222Количество валогенераторов работающих на режиме, Хг000111Количество ДГ работающих на режиме, Хв222000Количество АК работающих на режиме, Хк0,760,60,390,100Количество УК работающих на режиме, Ху0,470,791,211,7922
.4 Обоснование режима оптимального энергоиспользования судовой энергетической установки модернизируемого судна
По формуле (69), рассчитаем для каждого режима, энергоёмкость транспортировки при нормальной винтовой характеристике (Кв=1).
(69)
где: Вм - часовой расход топлива модернизируемого судна,;
- удельная теплота сгорания топлива дизельного топлива,
, , для ДТ, ;
- количество работающих ДГ на режиме;
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт;
количество работающих АК на режиме;
Вк - часовой расход топлива АК, ;
- количество работающих валогенераторов на режиме;
- удельный расход топлива ГД модернизируемого судна,
Рг - номинальная мощность валогенератора, кВт;
количество работающих УК на режим;
G - водоизмещение модернизируемого судна, т.;
Vн - скорость модернизируемого судна в полном грузу,
- доля мощности ГД.
,
По формуле (70), рассчитаем оптимальную скорость модернизируемого судна в грузу.
(70)
где: Vн - скорость модернизируемого судна в грузу,;
- оптимальная долевая частота вращения коленчатого вала,
По формуле (71), рассчитаем оптимальную частоту вращения коленчатого вала ГД модернизируемого судна.
(71)
где: - номинальная частота вращения коленчатого вала ГД модернизируемого судна,
- оптимальная долевая частота вращения коленчатого вала,
по формуле (72), рассчитаем мощность ГД модернизируемого судна на оптимальном режиме.
кВт (72)
где: Хе - число ГД модернизируемого судна, шт;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД модернизируемого судна, кВт;
- оптимальная долевая частота вращения коленчатого вала,
кВт
По формуле (73), рассчитаем часовой расход топлива ГД модернизируемого судна.
(73)
где: Ром - ГД модернизируемого судна на оптимальном режиме, кВт; - оптимальный удельный расход топлива ГД модернизируемого судна bмо=0,222, .
По формуле (74), рассчитаем экономию топлива модернизируемого судна.
(74)
где: Vн - скорость модернизируемого судна в грузу,;
Вом - часовой расход топлива ГД модернизируемого судна,
Vом - оптимальная скорость модернизируемого судна в грузу,
- количество работающих ГД;
bе - удельный расход топлива ГД модернизируемого судна е,
Ре - номинальная эффективная мощность ГД модернизируемого судна, кВт.
Вывод: После расчёта режима оптимального энергоиспользования СЭУ модернизируемого судна выяснилось, что при использовании судна на оптимальном режиме экономия топлива составляет 36%.
.5 Обоснование скоростного диапазона режима оптимального энергоиспользования проектируемого судна
Расчёт производят при условии нормальной винтовой характеристике (Кв=1).
По формуле (75), рассчитаем удельный расход топлива, для проектируемого судна.
(75)
где: - доля мощности ГД; - адаптивная поправка.
- механический кпд (; bе - удельный расход топлива ГД,
Оптимальный удельный расход топлива Во= 0,208, достигается при вращении коленчатого вала ГД, n = 820,об/мин.
По формуле (76), рассчитаем часовой расход топлива проектируемого судна
, (76)
где: - Удельный расход топлива ГД проектируемого судна, ;
Хе - количество ГД;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД проектируемого судна, кВт; - доля мощности ГД.
= 76,36,
= 108,88,
4.6 Оценка степени обеспечения потребности судна от утилизации теплоты газов проектируемого судна
(77)
где: Вп - часовой расход топлива проектируемого судна, ;
- удельная теплота сгорания топлива, , ;
Ху - количество утилизационных котлов проектируемого судна, шт;
- теплопроизводительность утилизационного котла проектируемого судна, .
Обеспечение потребностей проектируемого судна от утилизации теплоты газов достигается при частоте вращения коленчатого вала ГД, n = 620, об/мин.
.7 Оценка степени обеспечения потребности судна от утилизации теплоты охлаждающей воды проектируемого судна
(78)
где: Вп - часовой расход топлива проектируемого судна, ;
- удельная теплота сгорания топлива, , ;
- число экипажа;
- суммарная мощность всех двигателей на проектируемом судне, кВт;
- суммарная теплопроизводительность всех котлов на проектируемом судне, МДж.
Обеспечение потребностей проектируемого судна от утилизации теплоты охлаждающей воды, достигается при частоте вращения коленчатого вала ГД, n = 820,об/мин.
.8 Матрица энергетического обеспечения проектируемого судна
Таблица 12 - Матрица энергетического обеспечения проектируемого судна
0,50,60,70,80,91Количество ГД работающих на режиме, Х222222Количество валогенераторов работающих на режиме, Хг000000Количество ДГ работающих на режиме, Хв111111Количество АК работающих на режиме, Хк0,4760,1150000Количество УК работающих на режиме, Ху0,5240,8851111Количество ВОУ работающих на режиме, Хо0,2600.4330.6590.94011
.9 Обоснование режима оптимального энергоиспользования судовой энергетической установки проектируемого судна
По формуле (79), рассчитаем для каждого режима, энергоёмкость транспортировки при нормальной винтовой характеристике (Кв=1).
(79)
где: Вп - часовой расход топлива проектируемого судна,;
- удельная теплота сгорания дизельного топлива, , , для ДТ , ;
- количество работающих ДГ на режиме;
Рв - номинальная эффективная мощность ДГ, кВт;
количество работающих АК на режиме;
Вк - часовой расход топлива АК, ;
количество работающих УК на режим;
- теплопроизводительность утилизационного котла проектируемого судна, кДж/ч;
- количество ВОУ проектируемого судна;
G - водоизмещение проектируемого судна, т.;
Vн - скорость проектируемого судна в полном грузу,
- доля мощности ГД.
,
,
,
,
,
По формуле (80), рассчитаем оптимальную скорость проектируемого судна в грузу.
(80)
где: Vн - скорость проектируемого судна в грузу,;
- оптимальная долевая частота вращения коленчатого вала,
По формуле (81), рассчитаем абсолютную частоту вращения коленчатого вала ГД проектируемого судна.
(81)
где: - номинальная частота вращения коленчатого вала ГД проектируемого судна, - оптимальная долевая частота вращения коленчатого вала,
по формуле (82), рассчитаем мощность ГД проектируемого судна на оптимальном режиме.
кВт (82)
где: Хе - число ГД проектируемого судна, шт;
Ре - номинальная эффективная мощность ГД проектируемого судна, кВт; - оптимальная долевая частота вращения коленчатого вала,
кВт
По формуле (83), рассчитаем часовой расход топлива ГД проектируемого судна.
(83)
где: Роп - ГД проектируемого судна на оптимальном режиме, кВт; - оптимальный удельный расход топлива ГД проектируемого судна bпо=0,208, .
По формуле (84), рассчитаем экономию топлива проектируемого судна.
(84)
где: Vн - скорость проектируемого судна в грузу,;
Воп - часовой расход топлива ГД проектируемого судна,
Vоп - оптимальная скорость проектируемого судна в грузу,
- количество работающих ГД;
bе - удельный расход топлива ГД проектируемого судна,
Ре - номинальная эффективная мощность ГД проектируемого судна, кВт.
Вывод: После расчёта режима оптимального энергоиспользования СЭУ проектируемого судна выяснилось, что при использовании судна на оптимальном режиме экономия топлива составляет 49%.
Заключение
.При расчёте главного энергетического комплекса в качестве главных двигателей были выбраны два дизеля марки 6ВД26/20АЛ. Параметры дизелей отобразим в табл. 13.
Таблица 13 - Параметры дизеля.
Наименование параметра:6ВД26/20АЛНоминальная эффективная мощность ГД Ре, кВт530Номинальная частота вращения коленчатого вала ГД nн, об/мин1000Удельный расход топлива ГД bе, кг/кВт*ч0,212Удельный расход масла В кг/кВт*ч0,002 Род топливадизельное Габаритные размеры: Длина, мм Ширина, мм Высота, мм 3310 1300 2180Масса кг8690Ресурс до капитального ремонта r, тыс. часов40
в качестве главной передачи были приняты две реверс - редукторные передачи марки RR640, их параметры отобразим в табл.14.
Таблица 14 - Параметры реверс-редукторной передачи
параметры:модель RR640Допустимое отношение мощности и частоты вращения входного вала, 0,53Передаточное число, 3,542Допустимая частота вращения входного вала, 1800Масса, 1250 габариты: длина, ширина, высота, 1010 1090 1300
В качестве движителей были выбраны два винта фиксированного шага, также были приняты диаметры гребного вала, мм и промежуточного вала, dпр=145,мм.
После произведения расчётов выяснилось, что эффективный кпд ГЭК составляет 19,2%.
.При расчёте вспомогательного энергетического комплекса были выбраны автономные и утилизационные котлы, параметры отобразим в табл.15.
Таблица 15- Параметры ВЭК.
наименование и количествомарка и размерностьВспомогательный ДГ, 2 шт.ДГР75М1/1500Автономный котёл, 1шт.КОАБ-68Утилизационный котёл 1 шт.КАУ-6,0Мощность СЭС127, кВтЭкономия топлива ДГ на эффективном режиме. 21, %
Список литературы
1.Судовые энергетические установки/ Артёмов Г.А., Волошин В.П. и др. Л.: Судостроение, 1987.480 с.
2.Кане А.Б. Судовые двигатели внутреннего сгорания. С-Пб.: Судостроение, 1993. 288 с.
.Румб В.К., Яковлев Г.В., Шаров Г.И., Медведев В.В., Минасян М.А.
Судовые энергетические установки. Судовые дизельные энергетические установки. Учебник. СПб.: СПбГМТУ, 2007.535 с.
.Конаков Г.А., Васильев Б.В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота. М.: Транспорт, 1980. 423 с.
5.Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые автоматизированные энергетические установки. М.: Транспорт, 1989. 256 с.
.Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелёв В.П. Эксплуатация судовых дизелей. Учебник. М.: Транспорт, 1990. 344 с.
.Фомин Ю.Я., Горбань А.И., Добровольский В.В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1989. 344 с.
.Корнилов Э.В., Бойко П.В. Системы ДАУ судовыми двигателями. Одесса: Феникс, 2006. 260 с.
.Баёв А.С. Судовая энергетическая установка как объект управления. Учебное пособие. С-Пб.: СПбГМТУ, 2012. 195 с.
.Баёв А.С. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация. Монография. С-Пб.: СПбГМТУ, 2015. 397 с.