Автоматизированное проектирование судовых энергетических установок 2

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЭУ (САПР Э)

Анализ содержания эскизного проектирования СЭУ и структура САПР Э. Требования к подсистемам САПР Э

Эскизное проектирование СЭУ выполняется на стадии эскизного проектирования судна и имеет целью обоснование основных технических решений по СЭУ. Основные решения – это наиболее крупные технические решения, выбор которых оказывает наиболее сильное влияние на показатели судна, характеристики и состав СЭУ. К ним с полным правом можно отнести число и тип движителей, тип и типоразмер главных двигателей, конструктивную и тепловую схему, комплектацию основным оборудованием судовой электростанции и вспомогательной котельной установки.

Для решения этих проблем сначала в рамках проектирования судна проектируется корпус – обосновываются главные размерения и их соотношения – коэффициенты полноты. Далее моделируются обводы корпуса. Для транспортных судов наиболее часто используют для этого обводы типового корпуса, обычно из серии судов, подвергнутых систематическим испытаниям с варьированием основных коэффициентов. Считаем, что эти входные для нас задачи выполнены. Далее осуществляются следующие проектные работы по СЭУ.

1. Обоснование типа СЭУ, ее конструктивной и тепловой схемы. Как правило, тип СЭУ уже определен в процессе подготовки технического задания (ТЗ) на проектирование судна, более того, обычно проекти­рование ведется в столь узких рамках, что тип СЭУ уже определен самим выбором типа судна, наличием близких прототипов, опытом проектирования. Если все же эти характеристики анализируются, то их обоснование осуществляется методом сравнения вариантов по результатам проработок с широким использованием САПР и с выполнением всех проектных разработок, рассмотренных ниже. Для транспортных судов возможно сравнение вариантов СЭУ с малооборотными и среднеоборотными ДВС, одно- и двухвальной установок, с винтами фиксированного и регулируемого шага, а также с винтами в насадках, с различными схемами утилизации вторичных энергоресурсов и др.

2. Определение главных параметров СЭУ. Главный параметр назначения СЭУ – это эффективная мощность Ne, отдаваемая для движения судна и измеряемая на выходном фланце главного двигателя или зубчатой передачи. Этот параметр связан с буксировочной мощностью Nr, затрачиваемой на движение судна с заданной скоростью v:

где ?проп – пропульсивный коэффициент; ?вал – КПД валопровода, при кормовом расположении МКО может принимать значения 0,98–0,99; R – сопротивление движению судна; t и ???? коэффициенты влияния корпуса – соответственно коэффициенты засасывания и попутного потока; ?винт – КПД винта в свободной воде. Значения ?винт определяются удельной нагрузкой – отношением упора винта P к площади проекции лопастей винта на плоскость его вращения – ?D2/4? , где ? – дисковое отношение винта. В связи с тем, что упор винта однозначно связан с сопротивлением движению (Р = R/(1 – t), КПД винта определяется его диаметром. Согласно исследованиям проф. Л.С.Артюшкова [44], между диаметром Dв и частотой n оптимального винта существует функциональная связь: .

Из этой зависимости следует, что эффективная мощность зависит не только от параметров корпуса судна, определяющих сопротивление движению, но и от параметра установки – частоты вращения выходного фланца двигателя или передачи. Это в свою очередь предполагает совместное проектирование винта и выбор типоразмера главного двигателя, особенно в случае применения малооборотного двигателя, работающего на винт без трансформации частоты. В случае же применения среднеоборотного двигателя и передачи такая связь отсутствует. Это позволяет производить выбор двигателя и проектирование движителя независимо друг от друга, так как их характеристики в любом случае будут согласованы при выборе редуктора.

Таким образом, для СЭУ основным параметром, определяющим главный параметр пропульсивной установки и в то же время независимым от внутренних параметров СЭУ, является R – сопротивление воды движению судна. Его и следует определить с использованием моделей расчетов ходкости.

3. Выбор из типоразмерных рядов основного оборудования пропульсивного комплекса - главных двигателей. Выбор всего оборудования СЭУ из стандартных или унифицированных типоразмерных рядов – принципиальное положение методики проек­тирования СЭУ. Оно обсуждалось в гл.1 при рассмотрении методологии проектирования СЭУ. Но особенно это положение актуально для главного оборудования.

Создание новых образцов главного оборудования требует для своей реализации очень больших отрезков времени – до 10-15 лет. В основном это время затрачивается на экспериментальную отработку опытных и головных образцов до исчерпания ими заданного ресурса. Теоретические же и расчетные методы проектирования главного оборудования – дизелей и газовых турбин в связи со сложными процессами, проте­кающими в этом оборудовании, недостаточно надежны. Если на указанный срок можно отложить постройку судна, то можно смело заключить, что такое судно не понадобится никогда.

Для боевых кораблей возможно создание нового оборудования, но для главных двигателей используется та же методика выбора из типоразмерных рядов, а точнее создание судов под имеющиеся двигатели.

Выбор двигателя производится с учетом режимов его использования и наличия навешенных механизмов. Эффективная мощность агрегата главного двигателя не меньше суммы мощностей Ne тр – требуемой для движения судна, Nнав – затрачиваемой на привод навешенных механизмов и Nдоп – двигателей, дополнительно работающих на винт:

.

Мощность, требуемая для движения, определяется по режиму наибольшей скорости. Могут быть также заданы средняя эксплуатационная скорость и коэффициент запаса мощности. Рекомендуемое значение коэффициента запаса мощности для транспортных судов 1,1–1,15.

На режиме наибольшей скорости ряд навешенных механизмов, в частности вало­генератор, может быть отключен и заменен дизель-генератором. Ввиду кратко­временности этого режима ущерба экономической эффективности не будет, а установленная мощность главного двигателя может быть снижена. Следует проверить положение режимной точки в области допустимых режимов при включении вало-генератора на эксплуатационном режиме.

Дополнительный двигатель – это, например, турбокомпаундная система (ТКС) – газовая турбина на выхлопных газах дизеля или паровая турбина (приставка в составе газотурбинной установки с теплоутилизационным контуром). Они позво­ляют снизить установленную мощность, а следовательно, и стоимость главного двигателя – это помимо экономии топлива на эксплуатацион­ном режиме.

Из типоразмерного ряда выбирается агрегат с мощностью ближайшей большей к Nea. Для мало- и среднеоборотных ДВС возможно создание нескольких агрегатов с близкими к Nea значениями агрегатных мощностей – за счет изменения типоразмера цилиндра и их числа в составе агрегата. Следует сравнить показатели эффективности судна со всеми этими двигателями и выбрать вариант, обеспечивающий достижение наилучшего показателя.

Как уже обсуждалось, выбор малооборотного двигателя опреде­ляет не только мощность, но и частоту, а следовательно, и размеры движителя, его эффективность и опять же затраты мощности для движения. Это предполагает проектирование своего винта для каждого типоразмера малооборотного двигателя. Для среднеоборотного ДВС и ГТД частоты оптимального винта и двигателя согласуются при помощи передачи с требуемым передаточным отношением.

Цель применения автоматизации при выборе главного двигателя из типоразмерного ряда – не столько поиски технически допустимого варианта двигателя, сколько обос­нование эффективности выбранного варианта с выходом на показатели судна, просмотр нескольких допустимых вариантов, оптимизация характеристик элементов пропуль­сивного комплекса при их совместном проектировании.