Расчёт систем энергетической установки
Для обеспечения нормальной работы главные и вспомогательные двигатели, а также котельная установка оборудуются системами: топливной, масляной, водяного охлаждения, сжатого воздуха и газовыпуска. Каждая система может быть подразделена на две части: непосредственно связанную с двигателем и судовую.
Топливная система.
Топливная система предназначена для приёма, перекачивания, хранения, подготовки к использованию (очистки, подогрева высоковязкого топлива) и транспортировки топлива к потребителям. Она состоит из систем топливоподготовки и топливоподачи, которая обслуживает двигатель непосредственно. Система топливоподготовки включает цистерны, топливоперекачивающие насосы, оборудование для подготовки топлива к использованию (фильтры, сепараторы, подогреватели) и системы трубопроводов с арматурой и контрольно-измерительными приборами.
При использовании на судах тяжелого топлива применяется двухтопливная система. Пуск дизеля из холодного состояния осуществляется на дизельном топливе с переключением на тяжёлое топливо после прогрева двигателя.
Судно проекта 1743 оборудовано двумя цистернами основного запаса топлива вместимостью 47 м³ и 50 м³, и одной расходной цистерной вместимостью 3,2 м³, оборудованной устройством, подающим оптический и звуковой сигнал в рулевую рубку по допускаемому низшему уровню топлива. Заполнение цистерны основного запаса топлива осуществляется средствами вне судна. Установлен топливоперекачивающий насос главных дизелей марки ШФ5-25-3,6/4-5 с подачей 3,2 м³/ч.
В случае, если для главных двигателей и автономных котлов используется высоковязкое моторное топливо, то запас можно принять равным 85% запаса топлива для главных двигателей и 100% запаса топлива для автономных котлов. Остальное (15% запаса топлива для главых двигателей и 100% - для вспомогательных двигателей) – дизельное топливо.
Вместимость цистерн в м³ определяется:
Запасная цистерна моторного топлива:
;
Запасная цистерна дизельного топлива:
;
Расходная (расходно-отстойная)для главных двигателей:
;
Расходная для вспомогательных двигателей:
;
Расходная для вспомогательных автономных котлов:
;
Сточная:
;
Аварийного запаса топлива:
;
где:
– количество главных двигателей,
вспомогательных двигателей
и автономных
котлов;
-
номинальные эффективные мощности
главного двигателя, вспомогательного
двигателя и суммарная мощность всех
дизелей СЭУ, кВт;
– удельные
эффективные расходы топлива главного
и вспомогательного двигателей, кг/(кВт∙ч);
– расход
топлива автономного котла, кг/ч;
1,1 – коэффициент, учитывающий «мёртвый» запас топлива;
8,12,4 и 24 – регламентируемая продолжительность потребления топлива из соответствующих цистерн, ч;
-
коэффициент ходового времени, принимаемый
равным для сухогрузных судов – 0,6;
-
коэффициент использования автономного
котла, принимаемый равным 0,2÷0,3;
;
-
продолжительность автономного плавания,
ч;
ч.;
-
плотность топлива, принимаемая равной
для дизельного топлива – 860 кг/м³,
моторного – 930 кг/м³;
Запасная цистерна моторного топлива:
м³;
Запасная цистерна дизельного топлива:
м³;
Расходная (расходно-отстойная)для главных двигателей:
м³;
Расходная для вспомогательных двигателей:
м³;
Расходная для вспомогательных автономных котлов:
м³;
Сточная:
м³;
Аварийного запаса топлива:
м³;
В
соответствии с требованиями Правил
Речного Регистра РФ подача
насоса для перекачивания топлива из
запасных цистерн в расходные определяется:
,
м³/ч;
где
- вместимость расходной(расходно-отстойной)
цистерны, м³;
ч.
– время её заполнения.
Для моторного топлива:
м³/ч;
Для дизельного топлива:
м³/ч;
Расчёт и выбор марки перекачивающего насоса необходимо осуществлять для каждой системы моторного или дизельного топлива.
Для выбора марки насоса необходимо определить мощность достаточную для обеспечения подачи по формуле:
;
где:
- коэффициент запаса мощности(для насосов
мощностью не более 4 кВт
,
а для остальных
);
кПа
– напор топливоперекачивающих насосов;
-
коэффициент полезного действия насоса,
который выбирается в пределах 0,38÷0,75
для шестерённых, 0,6÷0,85 – для винтовых
насосов.
Для моторного топлива:
;
Для дизельного топлива:
;
Производительность
сепаратора
в м³/ч
определяется из условия очистки суточной
потребности топлива за 8-12 часов:
Для моторного топлива:
Для дизельного топлива:
Поверхность теплопередачи подогревателя топлива в м³ оределяется:
где:
– количество автономных котлов;
кВт/(м²∙к)
– общий коэффициент теплопередачи от
воды к топливу;
кВт/(м²∙к);
-
среднелогарифмическая разность
температур для противоточных
топливоподогревателей,
;
-
разность температур горячей воды и
топлива на входе и выходе из подогревателя;
;
-
теплоёмкость топлива (1,8÷2 кДж/кг∙К);
кДж/кг∙К;
-
требуемое повышение температуры топлива
составляет примерно 10°С;
Понижение температуры воды в топливоподогревателе находится в пределах 5÷20°С.
;
Вывод из раздела: для обеспечения нормальной работы СЭУ необходимо дополнительно на судно установить цистерну запаса топлива вместимостью 56 м3для моторного топлива и расходную цистерну для главного двигателя и вспомогательной котельной установки вместимостью 3,8 м³.
Использование штатных топливоперекачивающих насосов для двигателя 6ЧРН30/38 не представляется возможным. После модернизации выбираем топливоперекачивающий насос ШФ8-25-5,8/4Б12 производительностью 5,8 м³/ч. Устанавливаем для моторного топлива сепаратор марки СЦ-1,5-4М с подачей 1,5 м³/ч, для дизельного топлива марки НСМ-2 с подачей 0,5 м³/ч.
Масляная система.
Масляная система предназначена для приёма, хранения, очистки и подачи масла к потребителям. В состав масляной системы входят: цистерны, маслоперекачивающие насосы, оборудование для очистки(фильтры, сепараторы), подогреватели и система трубопроводов с арматурой и КИП.
На суднах проекта 1743 установлены: одна цистерна запаса масла вместимостью 3 м³, она цистерна отработанного масла вместимостью 2 м³. Два маслоперекачивающих насоса марки ШФ8-25-5,8/3-5, и один масло- топливозачистной насос марки ШФ5-25-3,6/4-5. Два сепаратора масла марки СЦ-1,5/II-ОМ4, производительностью 1500 л/ч.
Каждый двигатель должен иметь независимую масляную систему.
Вместимость цистерн определяется:
Запасных:
;
Циркуляционных (маслосборников):
Для тихоходных главных дизелей:
;
Для быстроходных вспомогательных дизелей:
Расходных(или сепарированного масла):
;
Сточных и отстойных:
;
где:
– удельные эффективные расходы масла
главного и вспомогательного двигателей,
кг/(кВт∙ч);
-
удельная масса масла в сточных цистернах
или картерах двигателей, принимаемая
равной для тихоходных дизелей 2,7 кг/кВт,
быстроходных – 2,95 кг/кВт;
-
плотность масла, принимаемая равной
900 кг/м³;
-
суммарная вместимость маслосборников
или картеров главных и вспомогательных
двигателей, м³;
Запасных:
м³;
Циркуляционных(маслосборников):
Для тихоходных главных дизелей:
м³;
Для быстроходных вспомогательных дизелей:
м³;
Расходных(или сепарированного масла):
Для главных дизелей:
м³;
Для вспомогательных дизелей:
м³;
Сточных и отстойных:
м³;
При наличии двух и более главных двигателей резервный масляный насос для каждого из них не требуется. Подача резервного насоса должна быть не менее подачи основного насоса.
Подача резервного циркуляционного насоса в м³/ч определяется:
;
где:
- доля теплоты, отводимая маслом,
принимаемая равной для тихоходных
дизелей 0,05÷0,07, быстроходных – 0,07÷0,08;
-
теплоёмкость масла, принимаемая равной
2÷2,2 кДж/(кг∙К);
-
разность температур масла на входе и
на выходе из дизеля, принимаемая равной
6÷15ºС.
Для главных дизелей:
м³/ч;
Для вспомогательных дизелей:
Подача маслоперекачивающего(для заполнения расходных цистерн)
м³/ч;
Вывод из раздела: Необходимо увеличение цистерны запаса масла с 3до 5,2 м³. Маслоперекачивающие насосы и сепараторы оставляем без изменения.
Система водяного охлаждения:
Система водяного охлаждения предназначена для отвода теплоты от втулок цилиндров, крышек цилиндров, смазочного асла, газовыпускного коллектора у крупных дизелей без наддува и других механизмов ЭУ.
Подача насосов в м³/ч определяется:
Внутреннего контура:
Внешнего контура:
;
где:
– доля теплоты, отводимая водой,
принимаемая равной для тихоходных
дизелей с наддувом 0,12÷0,17, быстроходных
– 0,15÷0,20;
и
- теплоёмкости пресной воды внутреннего
контура и забортной воды внешнего
контура, равные 4,19 и 3,98 кДж/(кг∙К)
соответсвенно;
и
- плотности воды внутреннего контура и
забортной воды, равные 1000 и 1020 кг/мг
соответственно;
и
- разности температур воды во внутреннем
контуре на выходе и входе в дизель и во
внешнем контуре на выходе и входе в
холодильник, принимаемые равными 10÷12°С
и 15÷25°С соответственно.
Внутреннего контура:
Для главных двигателей:
м³/ч;
Для вспомогательных двигателей:
м³/ч;
Внешнего контура:
Для главных двигателей:
м³/ч;
Для вспомогательных двигателей:
м³/ч;
В
целях унификации обычно принимают
,
т.е. принимаем подачи насосов внешнего
контура.
Расчёт и выбор марки насоса проводится для систем внешнего контура для главного и вспомогательного двигателя.Насосы внутреннего контура поставляются вместе с двигателем, так как крепятся на его корпус и приводятся в движение от коленчатого вала.Расчет мощности насоса производится по формуле:
;
Для главных двигателей:
;
Для вспомогательных двигателей:
;
Поверхность охлаждения в м² водяного холодильника для главного и вспомогательного двигателей:
;
где:
– общий коэффициент теплопередачи от
воды к воде, равный для трубчатых
холодильников 0,58÷0,82 кВт/(м²∙К),
пластинчатых - 1÷1,16 кВт/(м²∙К);
– среднелогарифмическая
разность температур для противоточных
холодильников, °С;
и
- температуры воды во внутреннем контуре
на выходе из дизеля и холодильника,
принимаемые равными 75÷90°С и 65÷80°С
соответственно;
и
- температуры забортной воды на входе
и выходе из водяного холодильника,
принимаемые равными 30÷32°С и 45÷50°С
соответственно.
°C;
Для главных двигателей:
м²;
Для вспомогательных двигателей:
м²;
Вывод из раздела: Из полученных расчётов принимаем для главных двигателей охлаждающие насосы внешнего контура марки НЦВ 25/20 с подачей 20 м³/ч.
Система сжатого воздуха.
Система сжатого воздуха предназначена для обеспечения пуска главных и вспомогательных двигателей, подачи звукового сигнала, подпитки пневмоцистерн и работы пневматических систем автоматического регулирования и управления. Система сжатого воздуха главных двигателей должна обеспечивать одновременный пуск и реверсирование всех главных двигателей.
Расчёт пусковых баллонов выполняется для главных и вспомогательных двигателей отдельно.
Вместимость баллонов в м³:
Пусковых:
Для тифона:
;
где:
- удельный расход свободного воздуха
на 1м³
объёма цилиндра дизелей при пуске,
который составляет 8÷10 м³;
– рабочий
объём цилиндра, м³;
D и S –внутренний диаметр цилиндра и ход поршня, м;
Z – число цилиндров двигателя;
Х – число двигателей;
-
число последовательных пусков и реверсов
двигателя, принимаемое равным 12 для
реверсивных и 6 для нереверсивных
дизелей;
-
давление окружающей среды, равное
0,098Мпа;
и
- начальное давление воздуха в баллоне
после его заполнения и нижний его предел,
при котором ещё возможен пуск дизеля,
принимаем равным 3÷6 Мпа
и 0,5÷1 Мпа
соответственно;
-
коэффициент насыщения сигналами,
принимаемый равным 0,128;
-
расход тифоном свободного воздуха,
принимаемый равным 1÷6 м³/мин;
-
продолжительность подачи сигнала, для
судов класса «М-СП» принимаемая 10 мин;
и - начальное давление воздуха в баллоне после его заполнения и нижний его предел, при котором ещё возможна подача сигнала, принимаем равными 3 Мпа и 0,5 Мпа соответственно.
м³;
Пусковых:
Для главных двигателей:
м³;
Для вспомогательных двигателей:
м³;
Для тифона:
м³;
По Правилам Речного Регистра РФ число пусковых баллонов должно быть не менее двух для каждого главного двигателя и одного – для вспомогательного двигателя.
;
Выбираем баллон вместимостью 0,2 м³ с рабочим давлением 3 Мпа.
Для главных двигателей:
;
Для вспомогательных двигателей:
;
Количество компрессоров должно быть не менее двух, один из которых должен быть навесным.
Подача компрессора по свободмому воздуху определяется в м³/ч не менее:
;
где: - время заполнения баллонов, принимается равным 1ч.
м³/ч;
Вывод по разделу: Устанавливаем 8 воздушных баллонов: 4 пусковых для главных двигателей, 3 пусковых для вспомогательных двигателей, и 1 на тифон. Устанавливаем компрессор марки 22К-70/32 подачей 70 м³/ч.
Система газовыпуска.
Система газовыпуска предназначена для отвода в атмосферу выпускных газов от главных и вспомогательных дизелей, котлов и камбуза. В состав газовыпускной системы входят газовыпускные трубы на каждый главный и вспомогательный двигатель и автономный котёл, компенсаторы, изоляция, глушители и искрогасители.
Площадь
сечения газовыпускных трубопроводов
в м² определяется:
;
где: В – часовой расход топлива главным или вспомогательным двигателем или автономным котлом, кг/ч;
кг/ч;
кг/ч;
кг/ч;
– коэффициент
избытка воздуха, принимаемый равным
для малооборотных и среднеоборотных
дизелей 1,8÷2,1, высокооборотных двигателей
– 1,3÷1,7 и для автономных котлов – 1,2÷1,3;
кг/кг
– теоретически необходимое количество
воздуха для сгорания 1 кг топлива,
R – 0,287 кДж/(кг∙К) – газовая постоянная продуктов сгорания;
Т – температура выпускных газов, принимаемая равной за дизелями 537÷773 К, за автономными котлами - 423÷573 К, за утилизациоными котлами - 453÷473;
-
допустимая скорость движения газов в
трубопроводе, принимаемая равной для
четырёхтактных дизелей 30÷45 м/с, двухтактных
дизелей - 25÷30 м/с, для автономных котлов
- 20÷25 м/с;
-
допустимое давление в трубопроводе,
принимаемое равным (1,03÷1,04) ∙100 кПа.
Для главного двигателя:
м²;
Для вспомогательных двигателей:
м²;
Для автономного котла:
м²;
Вывод по разделу: Система газовыпуска, стоящая на судне, полностью удовлетворяет системе, полученной при расчётах.