4.2. Балластные системы

4.2.1. Описание систем

На сухогрузных, пассажирских, промысловых и других морских судах осадку, остойчивость, крен и дифферент регулируют единой централизованной балластной системой. Исключение составляют нефтеналивные суда, на которых при порожних пробегах забортная вода принимается в грузовые танки либо самотеком через кингстон, либо грузовыми насосами, а между трюмами балласт распределяется по трубопроводам грузовой системы, которые используются и для его откачки за борт.

Балластная система должна обслуживаться хотя бы одним насосом, производительность которого определяется из условия скорости воды не менее 2 м/с при диаметре всасывающего трубопровода, вычисленного для наибольшей балластной цистерны (БЦ) по формуле:

(26)

где V – объем БЦ, м³.

Насосы применяются центробежные самовсасывающие с напорами 150÷200 Дж/кг при вакуумметрических высотах всасывания не менее 50÷60 Дж/кг. В качестве балластных могут быть использованы насосы общесудового назначения достаточной производительности, в том числе осушительный и пожарный.

Диаметр балластной магистрали должен быть не меньше d₀^max. Его определяют гидравлическим расчетом с условием, что потери напора во всасывающем участке при номинальной производительности насоса не превосходят допускаемую вакуумметрическую высоту всасывания.

Расположение приемных отростков должно быть таким, чтобы обеспечить откачку воды из любой БЦ при крене до 5°. В работе системы должно использоваться минимальное количество балласта, обеспечивающее необходимые остойчивость и заглубление гребных винтов при порожнем пробеге судна. На сухогрузах его объем обычно не превышает 20÷30% водоизмещения. Для приема всего балласта требуется 6÷8 часов, а для заполнения и осушения наибольшей по объему БЦ – около 2 часов.

Трубопроводы изготавливаются из бесшовных стальных оцинкованных [4] или труб с антикоррозионным покрытием. Приемные участки от кингстона до насоса выполняются из медно-никелевых труб [6]. Арматура системы стальная или бронзовая.

4.2.2. Примеры расчёта

Рассмотрим гидравлический расчет балластной системы сухогрузного судна, принципиальная схема которой представлена на рис.12.

Судно имеет длину L=121 м, ширину В=17,8 м, высоту борта до верхней палубы D=9,7 м и осадку Т=7,8 м.

Вычертим расчетную схему (рис.13) и рассмотрим следующие случаи работы системы:

Рис.12. Принципиальная схема балластной системы сухогруза

Рис.13. Расчетная схема балластной системы

А) Откачка балласта из форпика емкостью V=320 м³ (расчетная магистраль

I-II-III-IV-VI);

Б) Перекачка балласта из форпика в ахтерпик V=320 м³ (I-II-III-IV-V-VII-

-VIII-IX);

В) Заполнение БЦ 14÷38 шп. ЛБ (V=180 м³) самотеком (X-XI-III-II-XII);

Г) Заполнение той же БЦ с помощью балластного насоса (X-XI-III-IV-V-

-II-XII).

Изменение уровня воды в БЦ в этих случаях можно не учитывать, т.к. средний уровень в отсеках двойного дна имеет незначительную величину.

Для наибольшей БЦ – форпика – согласно формуле (26) d₀=123 мм.

Производительность насоса определяется скоростью воды не менее 2 м/с:

Принимаем к установке центробежный насос НЦВС 100/30 номинальной производительностью 100 м³/ч при напоре 300 Дж/кг и вакуумметрической высоте всасывания 60 Дж/кг.

Таким образом, для расчета известны: Q=100 м³/ч; для стальных оцинкованных труб и для медно-никелевых; вязкость воды ν = 1,306·10^-6 м²/с; эквивалентная шероховатость Δ_Э=0,15 мм для стальных оцинкованных и Δ_Э=0,002 мм для медно-никелевых.

Случай А. Участки всасывания: I-II-III-IV, участок нагнетания: IV-VI.

Последовательно решаем обратную задачу:

(м).

Выбираем ближайший больший типоразмер трубы 133х5

(м/с).

Коэффициенты местных сопротивлений: вход в трубу ζ₁=1,0; колено (α=90°, R/d=2,5) ζ₂ =0,35; клапанная коробка ζ₃=4,0; Σζ _1-2=ζ₁ +7ζ₂+ ζ₃=7,45.

(Дж/кг).

Аналогичные вычисления выполним для других участков и результаты внесем в основной расчетный бланк. Потери напора во всасывающей части магистрали равны узловому напору в точке IV:

Н₄ = Н_BC = h_1-2 + g Z_1-2 + h_2-3 + h_3-4 = 52 + 27 + 18,3 +8,4 = 106,1 (Дж/кг).

Величина потерь напора на линии всасывания оказалась больше вакуумметрической высоты всасывания выбранного балластного насоса. Поэтому для уменьшения потерь увеличим диаметры: участка I-II до 149 мм (159х5); участков II-III и III-IV до 150 мм (159х4,5) и повторим расчет с внесением поправок в расчетную схему и основной бланк. В результате

v_1-2 =1,59 м/с; v_2-3 = v_3-4 =1,57 м/с, а потери напора составят Н_BC = 59,2 Дж/кг.

На линии нагнетания затраты механической энергии будут равны

Н_НАГ = h_4-6 +g Z_4-6 = 89,3 (Дж/кг).

Полные затраты Н _Σ = Н_ВС + Н_НАГ =148,5 (Дж/кг) при Q _Σ =100 м³/ч.

Затраты механической энергии, не зависящие от расхода в трубопроводе (статический напор): h_СТ = g Z_1-2 + g Z_4-6 = 27 + 58 = 85 (Дж/кг).

По результатам расчета строим полную гидравлическую характеристику трубопровода. Для этого имеем: при Q_I = 0 H_I = 85 Дж/кг; при Q_II = 100 м³/ч H_II = 148,5 Дж/кг и необходимо найти промежуточные точки. Определим коэффициент, характеризующий сопротивление трубопровода: При Re ≥ 5·10⁴ для данного трубопровода можно считать C=const и не зависящим от Q. Тогда координаты третьей точки графика составят:

Q_III = 0,2 Q_Σ =20 м³/ч;

H_III = Q²_III C + h_ст = 20² · 0,00635 + 85 = 87,5 (Дж/кг).

На полученную характеристику трубопровода накладываем напорную характеристику насоса, снятую с [2, 9]. Их пересечение дает рабочую точку А системы (см. рис.10). Так как потери напора в трубопроводе (148,5 Дж/кг) меньше спецификационного напора насоса (300 Дж/кг), то последний обеспечит больший расход в системе (130 м³/ч). При этом наибольшая скорость воды будет на участке IV-VI:

(м/с).

Полное падение давления в трубопроводе I-VI составит: р_Σ = Н_Σ · ρ = 148,5 кПа. Падение давления на всасывающем участке: р_ВС=Н_ВС · ρ =59,2 кПа.

При откачке балласта из БЦ, расположенных ближе к насосу, потери напора на всасывании будут меньше.

Случай Б. Затраты механической энергии во всасывающей части трубопровода будут такими же, как и для случая А: Н_ВС = 59,2 Дж/кг. В нагнетательной части магистрали насос будет подавать воду не за борт, как в случае А, а в ахтерпик. При этом раструб приемно-отливной трубы расположен ниже оси насоса. В расчете это учитывается тем, что статический напор gZ_Н, определяемый высотой от напорного патрубка насоса до раструба принимается со знаком минус, т.е. gZ_Н = – g (Z_7-8 + Z_8-9).

Выполняем расчет участков нагнетания и все результаты вносим в таблицу и расчетную схему. В результате:

H_НАГ = h_4-5 + h_5-7 + h_7-8 – g (Z_7-8 + Z_8-9) + h_8-9 =

=14,6 + 0,95 + 32 – 9,81 (1,2 + 1,5) + 21,2 = 41,8 (Дж/кг).

Н _Σ = Н_ВС + Н_НАГ = 101 Дж/кг при Q _Σ =100 м³/ч.

h_CT = g (Z_1-2 – Z_7-8 – Z_8-9) = 9,81 (2,7 – 1,2 – 1,5) = 0.

Для нахождения промежуточных точек графика находим коэффициент сопротивления системы

Зададимся Q_III = 0,2Q_Σ = 20 м³/ч; Q_IV =0,6Q_Σ = 60 м³/ч и получим:

Н_III = 4 Дж/кг; H_IV = 36,4 Дж/кг.

Учитывая, что H_I = 0 (при Q_I = 0 ) и H_II = 101 Дж/кг (Q_II = 100 м³/ч ), по четырем точкам строим характеристику трубопровода и находим ее пересечение с характеристикой насоса в рабочей точке А₁ (см. рис.10 ).

Из графика видно, что при перекачке балласта из форпика в ахтерпик насос развивает производительность 120 м³/ч при напоре 250 дж/кг. При этом максимальная скорость воды на участках с внутренним диаметром 0,123 м составит м/с < м/с.

Полное падение давления в расчетной магистрали I–IX р_Σ = Н_Σ · ρ = 101 кПа; падение давления во всасывающем трубопроводе р_ВС = Н_ВС · ρ = 59,2 кПа.

Случай В. При гидравлическом расчете заполнения БЦ самотеком под гидростатическим давлением забортной воды, обусловленным осадкой судна, необходимо в первую очередь определить площадь поперечного сечения трубопровода заполнения f, м².

Если БЦ ограничены прямолинейными стенками, рекомендуются следующие формулы [13]:

• при расположении БЦ ниже отверстия заполнения (рис.14,а,б):

(27)

Рис.14. Варианты заполнения балластных цистерн

• при расположении БЦ выше отверстия заполнения (рис.14,в):

(28)

• при расположении БЦ частью ниже, частью выше отверстия (рис.14,г)

(29)

Здесь t – заданное время заполнения БЦ, с; V – объем БЦ, расположенный ниже отверстия заполнения, м³; H_WL – отстояние отверстия от ватерлинии, м; z – отстояние уровня заполнения от уровня отверстия, м; F₁ – площадь горизонтального сечения БЦ на уровне заполнения, м²; l и d_ОТВ – соответственно длина и внутренний диаметр трубопровода заполнения, м; коэффициент сопротивления трения принимается λ=0,03; Σζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Если нельзя пренебречь кривизной стенок БЦ, необходимо условно заменить их прямолинейными, введя фиктивные площади горизонтальных сечений БЦ на уровне их заполнения F₂, м². Расчет выполняется по следующим формулам [12]:

• при расположении БЦ выше отверстия заполнения (рис.13,д)

(30)

• при расположении БЦ частью ниже, частью выше отверстия (рис.13,е)

(31)

В первом приближении величиной λl / d_ОТВ можно пренебречь.

При заданной схеме балластной системы гидравлический расчет выполняется с целью определения времени заполнения той или иной БЦ. В рассматриваемом случае БЦ находится выше приемной решетки кингстона (рис.15).

Рис.15. Заполнение БЦ самотеком

Сначала по формуле (26) находим мм. Принимаем d_2-12=100 мм (108х4) и d_10-2 = d_10-11 = d_11-3 = d_3-2 = 125 мм (133х4).

Исходные данные для дальнейшего расчета: площади поперечных сечений трубопроводов f₁ = π d²_10-2 / 4 = 0,012 м² и f₂ = π d²_2-12 / 4 = 0,008 м²; λ_10-2 = 0,015 для труб из сплава МНЖ5-1; λ_2-12 = 0,02 для стальных оцинкованных труб; l_10-2 = l_10-11 + l_11-3 + l_3-2 = 2,4+0,8+6,0 =9,2 (м); l _2-12 = 60 м; F₁=70,2 м² – площадь горизонтального сечения днища БЦ; F₂=94,9 м² – площадь горизонтального сечения БЦ на уровне второго дна; H_WL=T= 7,8 м; Z_БЦ = 2,2 м – высота заполнения цистерны.

Составляем вспомогательный расчетный бланк коэффициентов местных сопротивлений, из которого находим:

Σζ_10-11 = 6,8; Σζ_11-3 = 2,5; Σζ_3-2 = 6,33; Σζ_10-2 = 15,63; Σζ_2-12 = 6,7.

Для расчета используем формулу (30). Введем обозначения:

- для участков X-XI-III-II; - для участка II-XI. Подставив известные величины, получим:

Зависимость для расчета времени заполнения БЦ будет иметь вид:

=

= 13985 с = 3,88 ч.

В расчете принято допущение, что осадка судна Т не изменяется при заполнении БЦ.

Случай Г. При использовании насоса процесс заполнения БЦ идет быстрее, чем при заполнении самотеком. При наличии готовой схемы системы гидравлический расчет производится с целью определения времени заполнения БЦ насосом.

В данном случае участки всасывания: X-XI-III-IV; участки нагнетания: IV-V-II-XII. Расход воды в системе принимаем Q_C = Q_H =100 м³/ч. Расчет потерь напора по участкам выполняется в табличной форме.

При определении полных затрат энергии в системе необходимо учитывать гидростатическое давление забортной воды в районе приемных кингстонов, обусловленное осадкой судна, а также противодавление в БЦ, которое появляется при ее заполнении.

Затраты механической энергии составят: во всасывающей части трубопровода:

H_BC = h_10-11+g Z_10-11–g T+h_11-3+h_3-4 = 18,5+27–78+6,8+4,2 = –21,5 (Дж/кг),

где знак « – » означает, что насос работает с подпором;

в напорной части трубопровода:

Н_НАГ = h_4-5+h_5-2+h_2-12–g Z_2-12+g Z_БЦ / 2 = 14,6+12+44,7–27+11 = 55,3 (Дж/кг), где Z_БЦ =2,2 м – высота заполнения цистерны. Полные затраты энергии в системе: Н_Σ = Н_ВС + Н_НАГ = –21,5+55,3 = = 33,8 (Дж/кг) при Q_Σ = 100 м³/ч.

Построим полную характеристику трубопровода. Затраты энергии, не зависящие от расхода:

h_СТ = g (Z_10-11 – T – Z_2-12 + Z_БЦ /2) = 9,81(2,7 – 7,8 – 2,7 + + 1,1) = –67 (Дж/кг). Итак, при Q_I = 0 H_I = –67 Дж/кг; при Q_II = 100 м³/ч Н_II = 33,8 Дж/кг. Найдем промежуточные точки графика, для чего определим коэффициент сопротивления системы

Задавшись Q_III = 0,2Q_Σ = 20 м³/ч и Q_IV = 0,6Q_Σ = 60 м³/ч, получим:

H_III = Q²_III · C + h_CT = 20² · 0,0101 – 67 = –63 (Дж/кг);

H_IV = Q²_IV · C + h_CT = 60² · 0,0101 – 67 = –31 (Дж/кг).

По этим четырем точкам строим характеристику трубопровода, совмещаем ее с напорной характеристикой насоса и находим рабочую точку. Из графика определяем, что насос будет развивать производительность 120 м³/ч при напоре 270 Дж/кг.

Зная объем заполняемой цистерны V=180 м³, можно вычислить время заполнения этой БЦ насосом:

4.2.3. Данные для расчёта

Таблица 9.

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Район располож. БЦ	Форпик	23÷34 шп.		34÷46 шп.		76÷108 шп.		108÷140 шп.		162÷175		Ахтерпик
		ПрБ	ЛБ	ПрБ	ЛБ	ПрБ	ЛБ	ПрБ	ЛБ	ПрБ	ЛБ
Объем БЦ V, м3	205	101		128		62		62		143		200
Тип насоса	НЦВС 100/30

Размеры участков, конфигурация БЦ и возможные случаи использования системы задаются ведущим преподавателем после разработки студентом расчетной схемы.