Выбор главного оборудования СЭУ на примере дизельной установки с малооборотным двигателем

При выборе из типоразмерного ряда главного малооборотного двигателя для морского транспортного судна последовательно решаются две относительно незави­симые задачи:

• выбираются все типоразмеры, способные обеспечить выработку заданного количества механической энергии в соответствии с потребностями судна;
• из их числа выбирается наиболее эффективный для использования на данном судне.

Методика выбора двигателя из типоразмерного ряда МС фирмы MAN–B&W и используемые при этом программные модели рассмотрены в [34].

На рис.4.4 в системе координат мощность - частота представлено поле допустимых режимов МДМ всех двигателей, которые можно создать на базе всех типоразмеров цилиндров ряда МС. Каждый из параллелограммов относится к тому типоразмеру цилиндра, индекс которого нанесен на поле допустимых режимов.

Нижняя граница относится к минимальному Ре и наименьшему допустимому числу цилиндров, а верхняя граница соответствует максимальному Ре и наибольшему числу цилиндров. Как видно из рисунка, некоторые поля режимов перекрывают друг друга полностью или частично, что особенно характерно для частот менее 100 об/мин.

В любой точке диапазона мощностей можно найти один или чаще несколько двигателей, способных развить требуемую мощность и различающихся другими потребительскими свойствами – массой, высотой, энергетической эффективностью и др.

На первый взгляд, существование диаграммы на рис.4.4 снимает проблему выбора технически допустимого двигателя с заданной мощностью: достаточно провести горизонтальную линию, соответствующую требуемой мощности, и все подходящие двигатели будут немедленно обнаружены. Однако это совсем не так.

Для малооборотных двигателей, работающих с прямой передачей мощности на винт, выбор типоразмера двигателя по мощности одновременно определяет и частоту вращения винта, а следовательно, и диаметр последнего и его КПД. Это в свою очередь требует корректировки мощности, отдаваемой на винт, и нового выбора типоразмера двигателя. Таким образом, выбор типоразмера двигателя необходимо производить совместно с проектированием винта и в итерациях уточнять эффективную мощность, отдаваемую для движения судна.

Рис.4.4. Диаграмма допустимых режимов МДМ типоразмеров двигателей типа МС

Как видно из рис.4.4, мощность 10 МВт могут развить пятнадцать типоразмеров двигателей, отличающихся размерами цилиндров (от L90 до L42) и их числом. Подобная ситуация сохраняется во всем диапазоне мощностей. Какой же из альтернативных двигателей лучше? Все отвечают основному функциональному требованию – вырабатывают требуемую мощность и проходят по всем ограничениям. Какой выбрать? Это предмет обоснования с анализом эффективности судна, с рассмотрением условий его использования и определением влияния выбора типо­размера двигателя на результаты функционирования судна.

На рис.4.5 приведена конструктивная схема современной мало­оборотной дизельной установки.

Собственно главный двигатель (ДВС) представлен прямоугольником с располо­женными внутри него кругами, изображающими цилиндры. Двигатель вырабатывает мощность, отдаваемую для движения судна, которая измеряется на выходном фланце и обозначается на рисунке Nе. Кроме этого, на эксплуатационном режиме может отбираться мощность на привод навешенного валогенератора ВГ и подводиться от ТКС – пропульсивной турбины, работающей на выхлопных газах двигателя.

Рис.4.5. Конструктивная схема малооборотной дизельной установки:

ДВС – малооборотный двигатель; Р – газовыхлопной коллектор; ТНА – газотурбонагнетатель; ТКС – газовая турбина на выхлопных газах; М – мультипликатор; ВГ – валогенератор; СЧ – стабилизатор частоты

Однако не по эксплуатационному режиму проверяется допустимость варианта двигателя. Лимитирующий режим здесь – так называемый режим испытаний на заданную максимальную скорость. Проверку достижимости vмах производят во время ходовых испытаний судна при сдаче последнего. В эксплуатации этот режим используется не часто.

Он может понадобиться для увеличения скорости при задержке судна во время рейса и необходимости выдерживания графика доставки грузов и в других аналогичных ситуациях. Разница между мощностями на эксплуатационном режиме Nе и режиме испытания на скорость Nе исп – запас мощности, а их отношение – коэффициент запаса мощности в зависимости от района плавания принимается пределах Kз = 1,1–1,15. Большие значения характерны для районов с неблагоприятными средне­годовыми метеорологическими условиями.

Кроме этого может быть принят так называемый запас мощности по двигателю, учитывающий возможный износ и снижение мощности при длительной эксплуатации. Для дизелей, имеющих повышенный износ в начальный период эксплуатации, рекомендовано принимать мощность на 10% больше теоретически необходимой для движения судна с заданной скоростью. Величина коэффициента запаса мощности по двигателю Kзд = 1,1 обеспечит развитие заданных скоростей, в том числе и максимальной скорости, и в конце срока службы. Необходимость такого запаса определяется судовладельцем.

На режиме испытаний валогенератор может быть отключен. Таким образом, на этом лимитирующем выбор двигателя режиме наибольшей мощности движитель – един­ственный потребитель энергии. Для опреде­ления Nе исп – мощности, требуемой для дви­жения судна с заданной наибольшей скоростью vмах, следует определить сопротивление движению на данном режиме Rисп. Тогда:

Nе исп = Rисп vмах / (?в?пр),

где?в – КПД валопровода; ?пр – пропульсивный коэффициент.

Для определения Rисп необходимо прибегнуть к расчету ходкости судна. Модели расчетов сопротивления воды движению судна рассмотрены в предыдущем параграфе.

При наличии турбокомпаундной системы мощность двигателя определяется как разность мощности, отдаваемой на движение, и мощности, развиваемой ТКС:

Nе треб = Nе исп –- Nткс .

Рис.4.6. Влияние нагрузки двигателя на располагаемую мощность ТКС

По данным фирмы MAN B&W, на режиме МДМ может быть получена мощность ТКС до 4% от Nе1 – мощности на этом режиме. При отклонении от этого режима мощность ТКС падает пропорционально уменьшению количества и энергии выхлопных газов. Фактическая мощность ТКС Nткс ф уточняется в итерациях с использованием графической зависимости, представленной на рис.4.6. Она заимст­вована из каталога фирмы и ее можно описать ква­дратичной параболой в функции коэффициента загрузки двигателя Кз ф – отношения мощности Nе ф на длитель­ном эксплуатационном режиме к мощности на номинальном режиме Nе1:

• Nткс ф = Nткс н (–2,5Кз ф2 + 3Кз ф + 1) ;
• Nткс н = Nе1.0,04,
• где Nткс н – номинальная мощность ТКС.

Теперь можем определить число цилиндров дан­ного типоразмера, способного развить мощность не ниже требуемой:

Zц = Е ( Nе треб / Nц ) + 1; Nе1 = NцZц >= Nе треб,

где Е – функция выделения целой части от выражения в скобках; Nц – максимальная длительная мощность цилиндра; Nе1 – агрегатная мощность двигателя на режиме номинальной МДМ.

Для выявления допустимости вариантов двигателей производится анализ нарушения ограничений. При обнаружении первого же нарушения типоразмер цилиндра отвер­гается. Анализируются следующие ограничения:

• принадлежность числа цилиндров их допустимому для данного типоразмера диапазону (см. табл.3.1);
• принадлежность рабочей точки двигателя области допустимых режимов на максимальном режиме, при навешивании и отключении совместно приводимых меха­низмов;
• возможность размещения двигателя в МКО с учетом его разборки при техни­ческом обслуживании и ремонте;
• допустимость размеров движителя по условиям осадки судна.

Применение ВРШ облегчает процесс выбора двигателя: выбор типоразмеров, способных развить требуемую мощность, соответствует методике, рассмотренной выше, но проверка ограничений, связанных с жестким расположением винтовой характе­ристики, может не проводиться, так как система управления углом установки лопастей создает возможность свободного изменения положения винтовой линии.

В сочетании с управлением цикловой подачей топлива это обеспечивает работу двигателя в любой точке диапазона возможных режимов. Распространено изодромное регулирование, когда система автоматики поддерживает постоянную частоту вне зависимости от скорости движения судна и нагрузки двигателя. Это облегчает приме­нение навешенных механизмов и, в частности, валогенератора без стабили­зирующего устройства.