Главное меню

Карта сайта
Главная
Курсовые работы
Отчеты по практикам
Лабораторные работы
Методические пособия
Рефераты
Дипломы
Лекции



Автоматизированное проектирование судовых энергетических установок 2

 

Эскизное проектирование среднеоборотной дизельной установки (СОДУ)

Особенности эскизного проектирования СОДУ.

Содержание этапа эскизного проектирования СЭУ со среднеоборотными ДВС принципиально не отличается от аналогичного этапа проектиро­вания СЭУ с МОД ввиду их одинакового назначения, а также общих задач, которые решаются при их проектировании (см. рис.4.2, для СЭУ с МОД – параграфы 4.1– 4.9).Здесь же рассмотрим особенности эскизного проектиро­вания СЭУ с СОД, вызванные спецификой этого типа двигателей.

По сравнению с МОД у СОД имеет место повышенная (до 450–800 об/мин) частота вращения коленчатого вала, что обычно превышает частоту вращения винта с диаметром, допустимым по осадке данного судна, и требует установки понижающего редуктора. Наличие последнего снимает жесткую зависи­мость частоты двигателя и движителя и позволяет оптимизировать эти элементы изолированно, согласовывая частоты вращения двигателя и винта путем выбора редуктора с требуемым передаточ­ным отношением.

Таким образом, из состава СОДУ выбираются и относительно независимо оптими­зируются два элемента пропульсивного комплекса – СОД и редуктор в такой последова­тельности: вначале на заданный упор проектируется движитель наибольшего допустимого диаметра. С учетом характеристик движителя (коэффициенты взаимодейст­вия винта и корпуса и КПД винта в свободной воде) определяют требуемую эффективную мощность двигателя для движения судна с заданной скоростью. Эффективная мощность является основным параметром выбора среднеоборотного ДВС. После выбора двигателя подбирается редуктор по двум определяющим параметрам - моменту на фланце отбора мощности от двигателя Ne/n и передаточ­ному отношению - отношению частоты вращения фланца двигателя n к оптимальной частоте вращения винта (ВФШ). Применение редуктора снижает энергетическую эффективность СОДУ на 2–3%.

Ввиду повышенной частоты вращения СОД затруднена организация газообмена в цилиндре по двухтактной схеме, поэтому СОД, как правило, четырех­тактные. Последнее в свою очередь уменьшает цилиндровую мощность примерно вдвое по сравнению с двухтактными двигателями при одинаковых объеме цилиндра и среднем эффективном давлении Pe. Задача увеличения агрегатной мощности – постоянная забота производи­телей среднеоборотных двигателей. Именно поэтому СОД нередко выполняются V-образными – вдвое увеличивается число цилиндров по сравнению с рядным исполне­нием. Кроме того, несколько увеличивают Pe. Это, а также тронковая конструкция СОД приводят к снижению ресурса двигателей до 40–50 тыс.ч по сравнению со 100–120 тыс.ч для МОД.

Задача увеличения агрегатной мощности актуальна и для МОД. Поэтому в дизельной установке с МОД несколько повышены обороты по сравнению с опти­мальными оборотами винта максимального допустимого диаметра. Тяговые характе­ристики двигателя реализуются за счет уменьшения либо диаметра винта, либо его шагового отношения. В обоих случаях энергетическая эффективность винта снижается (ориенти­ровочно на 1–1,5%).

С четырехтактным принципом действия связаны также проблемы реверса, характерные для СОД. В принципе ДВС – реверсивный двигатель, только нужно вовремя впрыскивать топливо и открывать клапаны. Для этого служат кулачковые шайбы распредвала. У двухтактного двигателя один комплект кулачковых шайб обеспечивает передний и задний ход, и перестройка при реверсе состоит в поворачивании распредвала на определенный угол. Толкатели остаются в контакте с шайбами. Для четырехтактного ДВС используются два комплекта шайб – для переднего и заднего хода, да и процесс усложняется из-за перестановки толкателей на альтернативный комплект шайб. Перегрузки в процессе реверса снижают ресурс среднеоборотных дизелей и без того недостаточно большой. По этим причинам СОД достаточно часто делают нереверсивным, а реверс получают другими средствами, в частности с помощью ВРШ или реверсивного редуктора. ВРШ на порядок дороже, чем ВФШ, и КПД ниже из-за относительно большой ступицы. Реверсивный редуктор также значительно дороже нереверсивного, имеет большую массу и пониженную энергетическую эффективность.

Отдельно следует обсудить проблему сравнения габаритных размеров МОД и СОД. Мнение о том, что СОД при одинаковой мощности меньше, чем МОД, в основном неправильно. СОД ниже по высоте, чем МОД за счет тронковой конструкции и меньшего отношения хода поршня к диаметру: 3,77 – для МОД S26MC и 1,25 – для СОД L32/40, –двигателей, близких по цилиндровой мощности. Два других размера – длина и ширина у СОД больше. Они пропорциональны диаметру, а длина – еще и числу цилиндров, расположенных в ряд, а эти показатели при одинаковой агрегатной мощности у рядного СОД больше. В длину агрегата СОД следует также включить длину редуктора, отсутствующего у МОД.

Существенной особенностью СОД, оказывающей значительное влияние на эскизное проектирование, является повышенная по сравнению с МОД температура выхлопных газов (350 и 245 0С). Причина этого факта – экономия продувочного воздуха при замене продувки на выталкивание и всасывание и как следствие уменьшение общего избытка воздуха. При такой высокой температуре выхлопных газов возможна реализация эффективных систем утилизации с пропульсивными паровыми турбинами либо с утилизационными турбогенераторами, обеспечивающими все потребности судна в электроэнергии на длительных ходовых режимах. Эскизное проектирование СЭУ с СОД должно включать исследо­вание эффективности различных утилизационных циклов как существенную статью повышения конкурентоспособности.

Наличие свободного фланца отбора мощности (соосно с двигателем) облегчает подключение валогенератора. В сочетании с СОД валогенераторы используются чаще. Применение ВРШ как средства реверса решает также и проблему стабилизации частоты тока, получаемого от валогенератора.

Все перечисленные факторы должны учитываться при обосновании выбора типа СЭУ в САПР. Понятие «выбор типа СЭУ» шире, чем просто сравнение СОД и МОД на заданном судне. Сюда входят также сравнение различных вариантов конструктивных и тепловых схем СЭУ, в том числе при одинаковых типах и даже типоразмерах главных двигателей.

Конструктивная схема – это схема производства и потребления механической энергии в СЭУ. К ней относятся проблемы использования одного или нескольких главных двигателей, одного или нескольких движителей, ВРШ или ВФШ, вариантов навешивания или автономного привода генераторов электрической энергии, исполь­зования энергии давления выхлопных газов для привода нагнетателей продувочного воздуха или газовой турбины, работающей на винт или на привод электрогенератора, применения пропульсивной утилизационной паровой турбины.

Тепловая схема применительно к судовой дизельной установке – это схема использования первичных и вторичных ресурсов тепловой энергии, включающая различные схемы утилизации теплоты выхлопных газов, продувочного воздуха и охлаждающей пресной воды. Совместная или раздельная, с одной или двумя ступенями давления пара, предназна­ченного для удовлетворения общесудовых нужд или для получения механической или электрической энергии, на ходовых или стояночных режимах, с использованием перегретого или насыщенного пара или горячей воды, баланса производства и потребления тепловой энергии на судне и др.

Реализованная система автоматизированного проектирования СЭУ обеспечивает анализ наиболее часто применяемых на практике вариантов типа СЭУ – с МОД и СОД, ВРШ и ВФШ, одного и двух движителей, с утилизацией и без нее, с валогенераторами, ТКС и дизель-генераторами и др. Однако для всех возможных вариантов создать САПР, действующую в автоматическом режиме, нецелесообразно или излишне громоздко.

Базовые модули и расчетные варианты САПР обеспечивают выработку информации, достаточной для сравнения вариантов, но включение этой информации в критерии выбора – прерогатива проектировщика. Поэтому при рассмотрении прикладных про­граммных модулей обсуждаются условия их разработки, а значит, и вариантов, включенных в типовую модель. Нетиповые варианты, к которым относятся большинство сравнительно мелких решений по конструктивной и тепловой схеме СЭУ, должны анализироваться дополнительно с использованием критериев, разработан­ных проекти­ровщиком на основе внесения поправок в типовой вариант. Автоматизированное проектирование нетипового варианта – творческая задача, требующая нетипового подхо­да и более углубленного изучения как анализируемых проблем, так и возможностей типовых САПР.

Отдельно следует рассмотреть область применения СЭУ со средне­оборотными ДВС на объектах морской техники. По энергетической эффективности СОДУ уступает МОДУ в связи с потерями в редукторе, следовательно, на объектах, у которых экономическая эффективность является определяющим фактором, применение СОДУ маловероятно, либо ограничено другими критериями выбора. Так, на морских транспортных судах наиболее массовых типов – сухогрузах и танкерах – СОДУ практически не используются. Они находят применение на судах с ограничением габаритов – на рыбопромысловых, речных, сухогрузных судах с горизонтальной грузообработкой и кормовой аппарелью.

Возможность эффективного использования СОДУ на ячеистых контейнеровозах неодно­кратно анализировалась и всегда с отрицательным результатом. Конечно, это не может дать гарантию на все случаи, поэтому проблема остается открытой и может анализироваться, так же как и возможность применения СОД на небольших универсальных сухогрузах, на которых размещение крейцкопфных МОД может быть затруднено из-за ограничения высоты борта до главной палубы. Эффективность СОДУ на судах этого типа должна быть уточнена с учетом результатов анализа эффективности систем утилизации теплоты и сравнения длины МКО с МОД и СОД.

Таким образом, общая структура САПР эскизного проектирования СЭУ со среднеоборотными ДВС в основном соответствует рис.4.3. Рассмотрим особенности блоков схемы этого рисунка для данного типа СЭУ. Пакет «Сопротивление движению и оптимальный движитель» используется без изменений. Получаемый при работе этого пакета движитель наиболь­шего допустимого диаметра, являющийся для МОД лишь объектом для сравнения, для СОД – основной вариант, и далее не пересматривается. Возможно уменьшение диаметра винта и повышение соответст­вующей частоты при невозможности подобрать редуктор с требуемым передаточным отношением: большинство типоразмерных рядов передач имеют ограничения по этому параметру.

Выбор главного среднеоборотного двигателя из типоразмерного ряда рассмат­ривается в п.4.10.2. Он имеет значительные особенности не только из-за иного типоразмерного ряда, но и из-за изменений в методике выбора. Аналогично с выбором редуктора и соединительной муфты. Блоки, посвященные выбору этих элементов, рассматриваются в п.4.10.3.

Проектирование валопровода СОДУ может быть выполнено с использо­ванием рекомендаций параграфа 4.6 с учетом двух особенностей:

  • частота вращения валопровода должна быть равна частоте вращения винта наибольшего допустимого диаметра. Возможно отступление от этого условия при отсутствии редуктора с требуемым передаточным отношением;
  • размеры МКО, получаемые в модуле WAL_RAZM, подлежат уточнению, и эта проблема рассмотрена в главе 5.

Функциональное проектирование систем СОДУ производится с применением иных моделей, по сравнению с рассмотренными в параграфе 4.7, ввиду иных тепловых балансов, однако методика проектирования и таблицы исходных данных и результатов расчета полностью идентичны. Можно рекомендовать применение при функциональном проектировании систем СОДУ модели проектирования систем произвольного двигателя на основе тепловых балансов. Эти модели могут быть использованы без изменений.

Расчет и комплектование СЭС и ВКУ могут быть выполнены с исполь­зованием рекомендаций параграфа 4.7. Модель расчета утилизационных схем и выбора утилизационных котлов, рассмотренная в параграфе 4.9, может быть принята без изменений. Более того, модель утилизационного турбогенератора, представленная в п.4.8.3, применима в основном в сочетании с СОД.