Сруктура классификаций видов режимов работы судов

КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра судовых энергетических установок

 

«Судовые дизельные установки и их эксплуатация»

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО ТЕМЕ:

«Режимы работы судовых энергетических установок,

 их анализ и оценка эффективности»

для студентов 5-го курса дневной формы обучения и 6-го курса заочной формы обучения

специальности 7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

 

 

Керчь 2009 г.

Составители: Лубянко В.Н. ст. преподаватель кафедры «Судовых энергетических установок»,

судовой механик по ДВС 1 разряда Керченского государственного морского технологического университета (КГМТУ);

Попов В.В., ст. преподаватель кафедры «Судовых энергетических установок» Керченского государственного морского технологического университета (КГМТУ).

 

Рецензенты: к.т.н. доцент кафедры СЭУ КГМТУ Крестлинг Н.А.;

                   директор УТЦ КГМТУ Чуб О.П.

 

Данная методическая разработка рассмотрена и одобрена на заседании кафедры СЭУ КГМТУ

 

Протокол № 14 от 16.05.2009 г.

 

Данная методическая разработка рассмотрена и одобрена на заседании методического совета морского факультета КГМТУ

 

Протокол № 9 от 17.06.2009 г.

 

 

Данная методическая разработка утверждена методического советом КГМТУ

 

Протокол № 6 от 26.06.2009 г.

 

 

© Керченский государственный морской технологический университет

Содержание

Введение___________________________________________________________________4

1. Тематический план дисциплины эксплуатации судовых энергетических установок.____ 4

2. План практических занятий___________________________________________________ 6

3. Общие методические указания.________________________________________________ 7

4. Структура классификации видов режимов судов и их энергетических установок (ЭУ)__ 8

4.1 Техническое использование флота____________________________________________  8

4.2 Нагрузочные режимы_______________________________________________________ 8

4.3 Номинальные нагрузочные режимы___________________________________________ 8

4.4 Ходовая характеристика судна________________________________________________ 8

5 Нерасчетные (переменные) режимы____________________________________________ 17

5.1 Частные (долевые) режимы__________________________________________________ 17

5.2 Работа с перегрузкой________________________________________________________25

5.3 Выбор режима работы пропульсивной установки (ПУ) в шторм____________________26

5.4 Режимы буксировки воза (толкание состава)____________________________________ 30

5.5 Швартовой режим работы пропульсивной установки (ПУ)________________________34

5.6 Режим работы главного двигателя (ГД) при старте и разгоне судна_________________ 36

5.7 Реверсирование судна и гребного винта (ГВ)____________________________________ 38

5.8 Работа пропульсивной установки (ПУ) в режиме заднего хода и при маневрах________42

5.9 Режим работы пропульсивной установки (ПУ) при циркуляции судна_______________ 44

6. Особые (аварийные) режимы __________________________________________________ 46

6.1 Работа судовой дизельной установки (СДУ) с выключенными цилиндрами___________46

6.2 Работа судовой дизельной установки (СДУ) при отказе газотурбонагнетателя (ГТН)___47

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Эксплуатация судовых энергетических установок (СЭУ), в первую очередь, вахтенным персоналом, (уровень эксплуатации) в сущности сводится к решению ситуационных задач двух видов, связанных с обеспечением высокой надежности действия судовых технических средств (СТС), а следовательно безопасности мореплавания, а также задач совершенствования теплоэнергетических процессов в элементах СЭУ и снижение эксплутационных затрат (расходов на горючесмазочные материалы (ГСМ)) на уровне управления.

Анализ работы СЭУ ставит целью выявить уровень эффективности ее работы в целом и ее отдельных составляющих: ГЭУ, СЭС, ВПК.

Длительная эксплуатация СЭУ в той или иной степени сопровождается либо неудовлетворительной работой отдельных ее элементов, либо отказами и неполадками. Анализ причин, порождающих эти явления, разработка и выполнение мероприятий, исключающих их повторение, возможны только на базе глубокого понимания закономерностей всего комплекса теплоэнергетических процессов, происходящих с СЭУ.

Эффективная эксплуатация СЭУ - это не только грамотное использование инструкций и рекомендаций, но и непрерывный поиск резервов, в первую очередь, оптимизации режимов ее работы, что относится к эксплуатируемой и перспективной технике.

Цель методических пособий помочь студентам выполнить анализ работы энергетической установки (ЭУ), оценить ее эффективность и  результат использовать при планировании рейсов. В основу анализа положены нагрузочные, скоростные и экономические показатели. При этом должны обеспечиваться условия не превышения уровней тепловой и механической напряженности в элементах судовой энергетической установки.

 

1. Тематический план дисциплины

«Судовые дизельные установки и их эксплуатация»

 

Таблица 1.1

Мо-

Дуль

Соде-ржа-тель-ный

№

Тема занятий

Дневная форма обучения

Заочная форма обучения

№ семестра

Всего часов по теме

Часов по видам занятий

№ семестра

Всего часов по теме

Часов по видам занятий

Лек Лаб ПЗ Срс Лек Лаб ПЗ Срс 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

 

1

1. Вступление   2 1     1   2       2 2. Режимы работы морских судов и их энергетических установок 9 30 4   12 14 11 30 1,5   3 25,5 3. Анализ работы судна и его энергетической установки. 9 30 8   6 16 11 30 2,5   1 26,5 2 4. Воздействие СДЭУ на окружающую среду и способы его снижения. 9 26 10     16 11 26 3     23 3 5. Организация эксплуатации СДЭУ. 9 20 4 - - 16 11 20 3     17     Всего (зачётный кредит):   108 27 - 18 63   108 10   4 94

ПЛАН ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ПО ТЕМЕ

«РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МОРСКИХ СУДОВ,

 ИХ АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ»

Таблица 2.1

 

N п/п	Содержание занятий	Количество часов для дневной формы обучения	Номер темы по тематическому плану
1	Структура классификации видов режимов работы судов и их энергетических установок. Ходовая характеристика судна.	2	1
2	Нерасчетные (переменны) режимы: 2.1 Частные (долевые) режимы. 2.2 Работа с перегрузкой. 2.3 Выбор режима работы ПУ в шторм. 2.4 Режимы буксировки воза. 2.5 Швартовой режим работы ПУ. 2.6 Режим работы ГД при старте и разгоне судна. 2..7 Реверсирование судна и ГВ. 2.8 Работа пропульсивный установки в режиме заднего хода и при маневр. 2.9 Режим работы ПУ при циркуляции судна.	2 1 1 2 2 2 2 1 1 1	2
3	Особые (аварийные) режимы: 3.1 Работа судовой дизельной установки с выключенными цилиндрами. 3.2 Работа судовой дизельной установки при отказе газотурбонагнетателя.	1   1	3
	Итого	18

 

 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

Методы расчетов по определению экономичных режимов судовых энергетических установок (СЭУ) чаще всего основаны на графических построениях.

Графические методы обладают рядом преимуществ перед аналитическими в связи с их наглядностью, простотой расчетов, доступностью исходной информации, которая может быть получена из паспортных данных теплоходов и их энергетических установок, результатов протоколов сдаточных испытаний, специальных теплотехнических испытаний, а также эксплутационных данных из судовых и машинных журналов, журналов теплотехнического контроля.

Задача экономии энергии может быть сформулирована, как получение минимума следующего выражения:

                                                                                                               (1);

на заданном расстоянии движения судна:

                                                                                                             (2);

и при заданном времени движения:

                                                                                                                  (3);

где  - суммарный часовой расход топлива главными двигателями, который представляется зависимостью:

где  - перемещение рейки топливных насосов

 - скорость судна;

 - параметр, характеризующий внешнюю среду.

Суммарный часовой расход топлива, удобно представляется графически на энергетической характеристике, которую включают в состав паспортной характеристики (рис. 7,8,9).

Для установившихся режимов СЭУ, т.е. когда условия плавания постоянные (глубина фарватера, водоизмещение, скорость течения, количество работающих двигателей) расчет рациональных режимов полезен с методической точки зрения для понимания более сложных.

Оценка эффективности использования судовой дизельной энергетической установки (СДЭУ) осуществляется на основании энергетических и экологических показателей: механического КПД (); индикаторного и эффективного (); удельного расхода топлива (); часового расхода топлива.

Сравнительный анализ эффективности работы СЭУ на установившихся режимах осуществляется сравнением показателей в разные периоды эксплуатации на одинаковых режимах.

Работа дизелей на нерасчетных режимах и на неустановившихся, рассматривается в специальных разделах пособия.

 

Частичные (долевые) режимы

 

 Для анализа работы СДУ на частичных (долевых) нагрузках в качестве исходных показателей могут быть использованы зависимости основных параметров ГД (в первую очередь нагрузочных), которые для конкретного двигателя и постоянных атмосферных условий определяются по выражениям:

 

1

где С₁, С₂, С₃- коэффициенты пропорциональности для данного двигателя;

- коэффициент избытка воздуха;

- индикаторный КПД двигателя;

- коэффициент наполнения;

- механический КПД двигателя.

Следовательно, характер изменения мощности крутящего момента и среднего эффективного давления с переходом на частичные нагрузки определяется сочетанием коэффициента наполнения цилиндра, совершенства рабочего цикла (величина / ) и механического КПД двигателя.

На рис. 10 показаны изменения основных параметров рабочего процесса двигателя, работающего по винтовой характеристике, в зависимости от частоты вращения.

Частичные режимы работы представляют интерес с двух точек зрения ― сохранение допустимых уровней, тепловых и механических нагрузок и, с другой предотвращения (по возможности) резкого ухудшения экономичности, особенно для установок, часто работающих на среднем и малом ходах. Особенность работы установок с ВФШ ― большой резерв мощности при частотах вращения, ниже номинальных.

В отличие от внешней, по винтовой характеристике с уменьшением частоты вращения  падает, а коэффициент  возрастает. Это обстоятельство обуславливает повышение эффективного удельного расхода топлива с переходом на частичные нагрузки. Минимально устойчивая частота вращения определяется типом двигателя, а также характеристиками топливной системы на малых оборотах. Обычно она составляет , а у некоторых мощных МОД .

Работа СДУ с минимальной мощностью соблюдения следующих условий:

-следить за работой всех цилиндров, при пропусках вспышек увеличить подачу топлива;

-поддерживать тепловой режим двигателей (температуру масла и охлаждающей воды) ближе к верхнему допустимому пределу;

-контролировать отсутствие попадания смазочного масла и топлива в выпускной коллектор.

 

 

 

 

Рис. 10 Основные параметры МОД, работающего по винтовой характеристике в зависимости от частоты вращения.

В общем случае удельный расход топлива СДУ на ходовом режиме можно определить по выражению:

                                                                            (2)

где В_гд, В_вд, В_вк – расход топлива (часовые) соответственно на ГД, ВД. и ВК, кг/ч;

N_e - эффективная мощность ГД, кВт.

Разделив (2) на В_гд получим

                                                                                                                                     (3)

где  – удельный эффективный расход топлива на ГД кг/кВт·ч;

;             ;

Таким образом, как видно из (3) характер зависимости  в свою очередь определяется зависимостями  рис.11.

Другими показателями экономичности является КПД СДУ, который записывается в виде (КПД «Брутто»):

(4)

 

 

где - нагрузка генераторов электростанции в ходовом режиме кВт;

- паропроизводительность ВК кг/г;

- энтальпия пара и питательной воды кДж/кг;

- КПД ДГ и ВК;

Q - теплота сгорания топлива кДж/кг;

 

                                                                           (5)

 

Иногда для эффективности топливоиспользования в СЭУ (например, при невозможности определения мощности ГД) используют такой показатель экономичности, как расход топлива на милю плавания: кг/миля;

                                                                (6)

где - удельный расход топлива непосредственно на движение судна кг/миля.

Нагрузку СЭУ характеризует отношение мощности ГД на рассматриваемом режиме  к номинальной мощности,  т.е. величина = .

 

 

Рис.11 Показатели экономичности СДУ на частичных нагрузках

С уменьшением  понижается КПД ГД и возрастают относительные расходы энергии на вспомогательные механизмы.

Экономичность ГД на частичных нагрузках может быть повышена, прежде всего, за счет применения более совершенных способов регулирования, а также путем отношения некоторых ГД (в многомашинных установках) или части обслуживающих механизмов.

Мероприятия, повышающие экономичность вспомогательных механизмов на частичных нагрузках, сводятся к следующему:

-применение вспомогательных механизмов с максимальным КПД при характерных частичных нагрузках;

-отключение некоторых вспомогательных механизмов при частичных нагрузках;

-применение двух, или трехскоростных электродвигателей для привода вспомогательных механизмов;

-применение навешенных на ГД вспомогательных механизмов.

 

Пример 1.

Расчет показателей тепловой эффективности СДУ на частичных нагрузках.

 

Исходные данные:

N_е=6600 кВт; n_н=120 мин^-1

=0,210 кг/кВт.ч

_дг=0,236 кг/кВт.ч

 кг/кВт.ч

 кг/кВт.ч

Q =41868 кДж/кг (ДТ)

 Р 380 кВт

Д_вк=1600 кг/ч

 уз

0,78

2550 кДж/кг

 

Решение:

1.Мощность ГД:

 6600 кВт;   

 0,85·N _е = 0,85·6600 = 5610 кВт;    

 0,45· N _е = 0,45·6600 = 2970 кВт;

 0,15· N _е = 0,1 5·6600 = 990 кВт, где

Пх – полный ход; сх – средний ход; Мх – малый ход.

 

2. Удельный расход топлива на ГД:

 0,210 кг/кВт·г;

 0,210 кг/кВт·г;

 0,213 кг/кВт·г ( из исходных данных);

 0,224 кг/кВт·г (из исходных данных).

 

3. Часовой расход топлива на ГД:

 0,210·6600 = 1406 кг/г;

 = 0,210·5610 = 1190 кг/г;

 0,224·990 = 186 кг/г

 0,213·2970 = 628 кг/г.

 

4. КПД ГД:

;

;

.

 

5. Расход топлива на ВД:

 

кг/г.

 

6. КПД ДГ:

.

 

7. Расход топлива на ВК:

 кг/г.

 

8. Относительный расход топлива на ВД:

;

;

;

.

 

9. Относительный расход топлива на ВК:

;

;

;

.

10. Полезная теплота ВД:

 

 0,0646 · 0,367 = 0,0237;

 0,076 · 0,367 = 0,028;                 

 0,143 · 0,367 = 0,052;

0,48 · 0,367 = 0,176.

 

11. Полезная теплота ВК:

0,09 · 0,78 = 0,07;

0,11 · 0,78 =0,086;

=0,2 · 0,78 = 0,156;

0,67 · 0,78 = 0,520.

 

12. Теплота, подведенная к СЭУ:

1+0,0646+0,09 =1,155;

1+0,076+0,11 = 1,186;

 1+0,143+0,2 = 1,343;

1+0,48+0,67 =2,15.

 

13. Полный (брутто) КПД СДУ:

; ;

;

.

 

14. Частный (нетто) КПД СДУ:

;

;

 

;

.

 

15. Частота вращения ГВ:

 мин^-1;

 мин^-1;

 0,75 ·120 = 91 мин^-1;

= 0,5 ·120 = 60 мин^-1.

 

16. Скорость хода судна:

 уз;

0,95 · 17,5 = 16 уз;

 0,75 · 17,5 = 13,1 уз;

 0,5 · 17,5 = 8,6 уз.

                       

17. Расход топлива на милю плавания:

кг/миля;

кг/миля;

кг/миля;

кг/миля.

 

Таблица 5.1

 

Результаты расчета показателей тепловой эффективности СДУ.

 

 

№ п/п	Величина	Обозна-чение	Размер	Режимы работы ПУ
				ПХ	Экон. ход. (85%)	СХ 45%	МХ (15%)
1	Мощность ГД	Nе	кВт	6600	5610	2970	990
2	Удельный расход топлива на ГД		Кг/кВт.ч	0,210	0,210	0,213	0,224
3	Расход топлива на ГД	Вгд	кг/ч	1406	1190	628	186
4	КПД ГД		-	0,41	0,41	0,40	0,39
5	Расход топлива на ВД	Ввд	кг/ч	90	90	90	90
6	КПД ДГ		-	0,367	0,367	0,367	0,367
7	Расход топлива на ВК	Ввк	кг/ч	125	125	125	125

Продолжение таблицы 5.1.

 

8	Относительный расход топлива на ВД		-	0,0646	0,076	0,143	0,48
9	Относительный расход топлива н5.1а ВК		-	0,09	0,11	0,2	0,67
10	Полезная теплота ВД (доля)	q	-	0.0237	.0028	0.052	0.176
11	Полезная теплота ВК; (доля)	q	-	0,07	0,086	0,156	0,520
12	Теплота, подведенная к СЭУ  (доля)	q	-	1,155	1,186	1,343	2,15
13	Полный (брутто) КПД СДУ		-	0,46	0,45	0,50	0,65
14	Частный (нетто) КПД СДУ		-	0,375	0,35	0,306	0,23
15	Частота вращения ГВ	n в	мин-1	120	114	91	60
16	Скорость хода судна		уз	17,5	16	13,1	8,6
17	Расход топлива на милю плавания		кг/миля	92,4	80,2	64,5	46,5

 

 5.2 Работа с перегрузкой

 

Согласно требованиям к судовым дизелям, они должны выдерживать кратковременную (в течение 1 часа) перегрузку с параметрами и  =1.03 . Превышение номинальной мощности и частоты вращения ГД допускается только по команде вахтенного штурмана, только в случаях, связанных с угрозой человеческой жизни и безопасности судна.

Перегрузочные режимы работы ГД требуют от обслуживающего персонала исключительной собранности и повышенного внимания за температурами выпускных газов, масла, охлаждающей воды, которые не должны превышать значений указанных в заводской инструкции для режимов работы с перегрузкой. Особое внимание должно быть к температурам рамовых, мотылевых, головных и промежуточных подшипников и других трущихся деталей. Теплонапряженность деталей ЦПГ является определяющей работоспособность двигателя на перегрузочном режиме. Основным критерием теплонапряженности (кроме удельного отвода теплоты) служит средняя температура стенки деталей ЦПГ со стороны газов t₁ и температурный перепад,  где  температура стенки со стороны охлаждения (рис.12) Теплонапряженность (при прочих равных условиях) повышается с увеличением толщины стенки. Чрезмерное повышение  или  может привести к возникновению трещин в цилиндровой крышке или головке поршня, пригоранию поршневых колец, задирам во втулке, повышенным износом.

Экспериментально установлено, что на нормальных эксплутационных режимах зависимости =f(n) и =  эквидистанты (рис. 12), как для высокооборотных, так и малооборотных ДВС. Это позволяет в эксплуатации косвенно судить о теплонапряженности двигателя, по температуре выпускных газов

Однако в тех случаях, когда нагрузочные показатели  и  достигают номинальных значений при  ≤  (работа на швартовых, в шторм, при буксировке, обросшем корпусе судна, на мелководье и т.д.), температура выпускных газов не всегда будет точно отражать теплонапряженность ЦПГ. Суть в том, что с понижением n уменьшается количество выпускных газов  следовательно, и сопротивление газовыпускного тракта, что увеличивает степень расширения газов. Это означает, что прежней максимально допустимой   будет соответствовать более высокая, чем в обычных условиях, температура стенки . В таких случаях допустимые значения   при  ≈0.7 должны быть снижены на 30…40⁰С.

Механическая (динамическая) напряженность двигателя контролируется значениями крутящего момента  максимального давления сгорания , скоростью нарастания давления / , отношением  / .

Механическая напряженность ГД не должна превосходить некоторого допустимого предела, обусловленного особенностями конструкции, применяемыми материалами и условиями протекания рабочего процесса в цилиндрах. Она определяется значениями крутящего момента двигателя (кН·м):

:                                                                                   (7)

где С_ГД - постоянная двигателя;

Р_е -среднее эффективное давление, МП_а.

 

Таким образом, чтобы предотвратить превышение допустимой механической напряженности, главный двигатель должен работать по ограничительной характеристике,

, представляющей собой прямую линию, проведенную из начала координат через точку соответствующую номинальной мощности  и номинальной частоте вращения  (рис. 13).

Для четырехтактных двигателей без наддува ограничение нагрузки  полностью определяет уровень возможной перегрузки двигателя (тепловой и механической).

Для двигателя с ГТН характеристика  или  не ограждает детали двигателя (прежде всего детали цилиндропоршневой группы) от повышенной тепловой напряженности и не может служить ограничительной. В этих случаях условия ограничения от тепловой перегрузки превалируют над условиями ограничения по механической напряженности, а ограничительные характеристики по тепловой напряженности имеют больший наклон к оси абсцисс, чем характеристика .

 

Пример 2.

Судно, потерявшее способность двигаться самостоятельно, необходимо взять на буксир. Каковы должны быть мощности и частота вращения главного двигателя (МОД) буксирного судна, а также скорость хода каравана.

 

Рис. 16 Взаимодействие ГВ и ГД: 1…5 – зависимости; 2,3,4,5 – чистый т обросший корпус судна, работа в шторм, буксировка воза; 6..10 – кривые  при 

 

Промежуточные задачи

 

1. Определение относительной поступи ГВ, коэффициентов упора и момента.

2. Расчет полезной тяги ГВ и момента на винте.

3. Расчет скорости хода, мощности и частоты вращения ГД.

 

Исходные данные:

- эксплутационная мощность ГД N _е =6500вВт;

- частота вращения гребного винта n_н =120мин^-1;

- скорость хода судна узл;

- КПД валопровода 0,96;

- плотность заборной воды =1025кг/м³;

- коэффициент попутного потока =0,28;

- коэффициент засасывания t =0,174;

- тяга на гаке Z =220кН;

- коэффициент воза  =0.32.

 

 

Рис. 17 Зависимости тяги на Гане от скорости хода судна при ВФШ и: 1 – ВФШ для свободного хода; 2 – ВФШ для швартового режима; 3 – ВРШ.

 

       Элементы гребного винта:

-диаметр Д_в =5,3м;

-дисковое отношение ;

-шаговое отношение Н/Д=0,94;

-число лопастей Z =4.

 

Решение:

1. Вначале определяется относительная поступь гребного винта при свободном ходе

 

 

Затем по кривым действия гребного винта за корпусом судна находим коэффициенты К₁и К_2.. В данном случае при =0,635, К₁=0,18, К₂ =0,029.

 

2. Полезная тяга винта кН

Момент на гребном винте; кН·м

.

При свободном ходе сопротивление среды движению судна равно полезной тяге, т.е.

При буксировке R _б =Р_е- Z =485-220=265кН

 

3. Учитывая, что R = , из соотношения; получим скорость буксировки

Мощность на гребневом винте при буксировке

N_вб= ,

 а эффективная мощность ГД соответственно

Учитывая то обстоятельство, что как при свободном ходе, так и при буксировке воза момент на ГВ, должен оставаться неизменным (во избежание механических перегрузок системы ГВ-ГД должно соблюдаться условие М_в= const) определяем частоту вращения ГВ при буксировке.

 

 

Швартовный режим работы ПУ

Режим работы пропульсивного комплекса судна при снятии с мели (швартовый режим) характерен тем, что относительная поступь винта , а коэффициенты упора К₁ и момента К₂ имеют максимальное значение. Это означает, что при данном режиме возникает опасность механических (для всех типов двигателей) и тепловых (для дизелей) перегрузок. Следовательно, при снятии с мели, как и при других нерасчетных режимах необходимо, прежде всего, обеспечить допустимые значения нагрузочных параметров. К таким параметрам относятся мощность двигателя, вращающий момент, частота вращения вала и др.

 

 

Пример 3

Определить допустимые параметры работы ГД (мощность и частота вращения) при снятии судна