Автоматизированное проектирование судовых энергетических установок 2 |
Страница 24 из 41
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:
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.
|