Модули_СЭУ / Раздел_01__Введение_История_Состав_Классификация_Показатели_12_10_10 / SEU_modul_1_2

СЭУ, Модуль 1.2., Чистяков А.Ю., 18.07.2019

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Модуль 1.2

1.2.1. Судовой пропульсивный комплекс

В пропульсивный комплекс помимо ПУ входит корпус судна. Таким образом, к пропульсивному комплексу относят: ГД, глав­ную передачу, валопровод, движитель (обычно гребной винт) и корпус судна, постоянно (при движении судна) находящиеся в динамическом взаимодействии (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1. Схема судового пропульсивного комплекса

На рисунке обозначено: — эффективная (на выходном фланце) мощность ГД; — суммарная мощность ГЭУ, переда­ваемая валопроводу (валопроводам) ПУ, , где — КПД передачи (механической, гидравлической, электрической); — суммарная мощность, подведенная к движителю, , где — КПД валопровода: и — изменение мощ­ности и частоты вращения (изменение частоты вращения винта влияет на работу ГД, изменение мощности ГД влияет на работу винта); и — упор и полезная тяга гребного винта; — ско­рость судна; —сопротивление воды движению судна (со ско­ростью ); — относительная поступь винта, , где — скорость воды в диске гребного винта, и — частота вра­щения и диаметр гребного винта; и — коэффициенты засасыва­ния и попутного потока для винта, которые в совокупности отра­жают влияние корпуса судна на работу гребного винта в виде ко­эффициента ; — изменение полезной тяги винта.

Прежде чем рассматривать взаимосвязь и взаимодействие эле­ментов ПК, кратко охарактеризуем их (кроме уже известных кор­пуса судна и ГД).

В качестве судовых движителей, преобразующих механическую энергию ГД в упор (часть которого составляет полезную тягу), чаще всего применяют гребные винты, которые могут иметь фиксированный шаг (ВФШ) и регулируемый шаг (ВРШ, обеспечи­вающие реверс судна при нереверсивном ГД и позволяющие эф­фективно использовать мощность ГД в условиях плавания, отли­чающихся от спецификационных). В случае применения ВРШ на линии вала устанавливают механизм изменения шага винта (МИШ). Для мощных ЭУ скоростных судов возможно приме­нение соосных гребных винтов противоположного вращения. В этом случае и валопроводы выполняют также соосными, расположенными один в другом.

На малых судах прибрежного, смешанного плавания, на реч­ных (мелкосидящих) судах, портовых буксирах иногда ставят во­дометные движители, а на скоростных неводоизмещающих судах с динамическими принципами поддержания (на подводных кры­льях— СПК, воздушной подушке —СВП)—воздушные винты, реактивные устройства (сопла).

Судовой валопровод служит для передачи мощности (вращаю­щего момента) от ГД или от главных передач (например, редук­торов) к движителям и для передачи упора движителя на корпус судна через главный упорный подшипник (ГУП). Валопровод судна обычно состоит из последовательно соединенных упорного, промежуточных, дейдвудного (гребного) валов, упорного, опорных и дейдвудных подшипников, тормозного и валоповоротного устройств, переборочных уплотнений и других элементов.

Главные передачи — это механизмы, устройства или системы, предназначенные для передачи судовому валопроводу энергии ГД с преобразованием ее либо без преобразования — в механических передачах. Нередко они также служат для объединения мощности нескольких ГД на один валопровод или для разделения мощности одного ГД на несколько потоков.

Наиболее распространенным типом судового движителя, как отмечалось, является гребной винт. Оптимальная частота его вра­щения зависит от водоизмещения, осадки и скорости судна, уменьшаясь с увеличением водоизмещения. Для крупнотоннажных транспортных судов при умеренных и небольших скоростях она со­ставляет 50—100 об/мин. Для контейнеровозов при скоростях более 10 м/с оптимальная частота вращения гребного вала дости­гает 140 об/мин в cвязи с относительно малыми диаметрами вин­тов (5,4—7,2 м). Оптимальной частоте вращения гребного винта соответствует наибольшее значение его КПД , которое может достигать 0,70—0,80.

Частота вращения валов ГД (особенно турбин), при кото­рой достигается наивыгоднейшее соотношение между экономиче­скими и массогабаритными показателями двигателя, а значит, и ЭУ, намного превышает оптимальную частоту вращения винта . В таких случаях необходимо включать в линию двигатель — дви­житель промежуточное звено (передачу) с целью трансформации частоты вращения и вращающего момента двигателя.

При наличии передачи соблюдается равенство

,

где и — вращающие моменты двигателя и винта.

Чтобы и для двигателя, и для винта использовать оптимальные частоты вращения и , приходится применять передачу с пере­даточным числом и идти на потери в ней энергии, которые учитываются ее КПД . Общее передаточное число для турбин­ных установок может достигать 120; в ДУ обычно 6-8 и при­меняются одноступенчатые редукторы. При уже нельзя при­менять одноступенчатую механическую (зубчатую) передачу, так как колесо получается очень больших размеров.

В том случае, когда совпадает с (например, малооборот­ного — МОД) или мало отличается от нее, применяют непосред­ственную связь двигателя с валопроводом, на другом конце кото­рого установлен гребной винт. Тогда гребной винт будет работать при частоте и будет справедливо равенство

,

указывающее на то, что значение вращающего момента на сту­пице гребного винта отличается от момента на валу двигателя только вследствие сравнительно небольших потерь в подшипниках валопровода, т. е. трансформация вращающего момента практиче­ски отсутствует. Обычно , если машинное отделение (МО) расположено в средней части судна и, следовательно, вало­провод лежит на многих опорных подшипниках; , если МО размещено в корме и валопровод короткий.

Итак, все судовые передачи, в зависимости от трансформации момента и вида энергии, можно разделить на следующие: прямые (непосредственные); механические (редукторные); гидравлические (гидродинамические и гидростатические с применением соответ­ственно гидромуфт и гидротрансформаторов или гидравлического насоса, приводимого двигателем, и гидромотора, работающего на гребной винт); электрические (дизель- или турбоэлектрические установки с главными дизель- или турбогенераторами и ГЭД); комбинированные (сочетающие в себе разные типы передач).

При прямолинейном движении судна, когда к его корпусу при­ложена сила (суммарная полезная тяга гребных винтов), справедливо уравнение

,

где — масса судна; — присоединенная масса воды.

Если движение и прямолинейное, и установившееся (, ), то

.

Для буксирных судов

,

где - сопротивление буксируемых объектов.

Основные взаимосвязи и взаимодействия между элементами ПК показаны на рис. 1.2.1. Их можно выразить так:

;

,

где и —мощность двигателя (будем считать — дизеля) и частота вращения его вала; и — мощность, подведенная к винту, и частота его вращения: — пропульсивный коэффи­циент, (здесь — КПД гребного винта); — число греб­ных винтов; — коэффициент, учитывающий влияние корпуса судна на КПД винта.

Зависимость мощности от частоты вращения вала дизеля при работе его в составе ПК называют винтовой характе­ристикой, по которой работает дизель. Она является результатом взаимодействия элементов ПК. Аналогичную зависимость для вала гребного винта называют винтовой характеристикой судна. Она является результатом взаимодействия сопротивления корпуса и гребных винтов.

Для СЭУ с МОД и непосредственной передачей винтовые ха­рактеристики дизеля и судна практически не отличаются (разли­чие только в КПД валопровода ). Для установок с гидравличе­скими или электрическими передачами разница в винтовых характеристиках дизеля и судна может быть существенной, и ее необходимо принимать во внимание.

Важными характеристиками ПК являются:

- буксировочная (эффективная) мощность, или мощность по­лезной тяги,

,

которая определяет работу, совершаемую силой сопротивления в единицу времени при установившемся прямолинейном движении судна;

- валовая мощность, которую необходимо подвести к валам гребных винтов для обеспечения движения судна со ско­ростью ,

;

- эффективная мощность СЭУ

;

- эффективная мощность ГД

В тех случаях, когда линия валопровода имеет значительный уклон или имеется расходимость (по отношению к ДП судна) валопроводов,

где — угол наклона линии вала; — угол расходимости.

Каждый из элементов ПК имеет собственные характеристики. Режим работы ГД определяется взаимодействием этих характери­стик. Итогом этого взаимодействия является винтовая характери­стика , т. е. . Форма винтовой характери­стики зависит в первую очередь от характера изменения зависи­мости . Характеристика — определяющая в работе ПК и зависит от формы обводов корпуса, состояния моря и по­годы, обрастания корпуса судна в процессе эксплуатации.

Следующие по значимости для ПК — характеристики гребных винтов. Наиболее распространенные из них — кривые действия гребного винта в свободной воде, представляющие собой измене­ние безразмерных коэффициентов упора , момента и КПД винта в зависимости от относительной поступи винта .

Собственные характеристики ГД определяют возможную об­ласть режимов использования и параметры их работы, в том числе допустимые при этом нагрузки. К собственным характеристикам дизеля относятся: внешние, частичные внешние, ограничительные, нагрузочные, регуляторные и др. Для оценки экономичности ис­пользуют универсальные характеристики — зависи­мости удельного эффективного расхода топлива от и . Соб­ственные характеристики дизелей снимаются при стендовых испы­таниях на заводах-изготовителях и характеризуют дизель как независимый первичный двигатель.

В результате взаимодействия характеристик корпуса с характеристиками гребных винтов и образуется винтовая характеристика, определяющая режим ра­боты ГД

Обобщая экспериментальные материалы по винтовым характе­ристикам, представляют их в виде степенной зависимости с по­стоянным коэффициентом :

и получают выражения в относительном виде

,

,

где ; индексы «» и «» относятся к полной мощности и полной частоте вращения и к их текущим значениям; — параметр, значение которого близко к числу 3.

Эти зависимости могут быть использованы для отображения как собственных характеристик двигателя, так и винтовых харак­теристик двигателя и судна, если считать, что и соответ­ствуют 100 % мощности и частоты вращения двигателя (, ) или гребного винта (, ). При жесткой непосредственной связи между ГД и гребным винтом можно принять .

Представление характеристик в относительных величинах удобно для обобщения опытных данных и пользования ими, осо­бенно при сравнительном анализе различных вариантов техниче­ских решений в судовой энергетике.

Источники:

1. Артемов Г.А., Волошин В.П. и др., «Судовые энергетические установки», 1987.

Тест по теме 1.2.

1. В чем заключается отличие понятий «Пропульсивный комплекс» и «Пропульсивная установка»

1	2	3	4
в ПУ не входит гребной винт	в ПК не входит валопровод	в ПК входит ПУ и корпус судна	в ПК входит ПУ и СЭС

2. Что отражают коэффициенты и

1	2	3	4
влияние условий работы гребного винта на мощность ВЭУ	влияние корпуса судна на работу винта	влияние суммарной мощности ГД на скорость судна	влияние корпуса судна на эффективный КПД ГД

3. Какова оптимальная частота вращения гребного винта для крупнотоннажных морских судов,

1	2	3	4
140	50-100	300-500	350-750

4.Каково наибольшее достижимое значение КПД винта () при условии работы его на оптимальных частотах вращения

1	2	3	4
0,9-1,0	0,51	0,2-0,3	0,7-0,8

5. Каково обычно значение передаточного числа ГП для ДУ

1	2	3	4
12	6-8	1-2	0

6. Каково значение КПД валопровода при центральном (среднем) расположении МО

1	2	3	4
0,95-0,97	0,99-1,0	0,97-0,98	0,7-0,85

7. Каково КПД валопровода при кормовом расположении МО

1	2	3	4
0,95-0,97	0,99-1,0	0,97-0,98	0,7-0,85

8. Под винтовой характеристикой судна понимают

1	2	3	4

9. Винтовую характеристику водоизмещающего судна примерно мощно выразить следующим образом

1	2	3	4

10. Равенство означает, что

1	2	3	4
не используется валопровод	используется прямая передача	используется гребное колесо	используется электрическая передача

ОТВЕТЫ К ТЕСТУ

Вопрос 1	3
Вопрос 2	2
Вопрос 3	2
Вопрос 4	4
Вопрос 5	2
Вопрос 6	1
Вопрос 7	3
Вопрос 8	3
Вопрос 9	2
Вопрос 10	2

9