Проект судовой энергетической установки

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Кафедра «Энергетические установки и тепловые двигатели»

Курсовой проект

по дисциплине

«Судовые (корабельные) энергетические установки»

На тему:

Проект судовой энергетической установки

Задание

На курсовой проект по дисциплине: «Судовые (корабельные) энергетические установки»

Исходные данные

1. Тип судна

2. Класс Регистра

3. Автономность плавания

4. Главные размерения корпуса:

длина (м)

ширина (м)

осадка (м)

5. Коэффициент общей полноты водоизмещения

6. Количество гребных винтов

7. Скорость хода транспортного судна в грузу или толкача (буксира) порожнём

8. Сила упора толкача

9. Дополнительная информация

Содержание проекта

1. Описание и основные характеристики заданного типа судна.

2. Выбор и технико-экономическое обоснование выбора главных двигателей и типа передачи мощности к гребным винтам.

3. Расчёт передачи мощности.

4. Расчет и выбор вспомогательных механизмов, оборудования, судовых систем и устройств.

5. Расчет теплоснабжения судна, выбор автономных и утилизационных котлов.

6. Расчет потребной мощности СЭС, выбор рода и источников тока.

7. Размещение механизмов и оборудования СЭУ в МО.

8. Автоматизация СЭУ.

9. Экономический анализ проекта СЭУ.

10.Технико-зкономические показатели СЭУ.

11. Конструктивная схема валопровода (разрез по диаметральной плоскости с изображением основных деталей и узлов). План МО. Чертёж одной из систем СЭУ (по выбору).

Дата выдачи задания

Задание выдал

Содержание

1. Общие требования и порядок выполнения работы

1.1 Цель работы

1.2 Содержание и оформление курсового проекта

1.3 Контроль выполнения и защита курсового проекта

2. Выбор и обоснование типа СЭУ, главных двигателей, типа главной судовой передачи и числа линий водопровода

2.1 Обоснование выбора типа СЭУ

2.2 Технико-экономическое обоснование выбора главных двигателей

2.3 Выбор числа валов

2.4 Выбор типа передач

2.5 Расчет передачи мощности к движителям

3. Выбор вспомогательных механизмов, оборудования и устройств систем СЭУ

3.1 Выбор СЭС

3.2 Выбор системы теплоснабжения

3.3 Выбор оборудования и устройств систем СЭУ

3.3.1 Система сжатого воздуха

3.3.2 Система охлаждения

3.3.3 Масляная система

3.3.4. Топливная система

3.3.5 Газовыпускная система

3.4 Специальные системы танкеров

4. Определение приближённой массы СЭУ и энергетических запасов. Определение центра масс СЭУ

5. Компоновка и расположение СЭУ. Основные показатели СЭУ

Список использованных источников

Приложение

1. Общие требования и порядок выполнения проекта

1.1. Цель проекта

Судовая энергетическая установка (СЭУ) оказывают существенное влияние на технико-экономические показатели и конструктивное исполнение судна. Так, например, тип СЭУ, ее месторасположение в корпусе определяет архитектуру судна, характер проведения грузовых операций, водоизмещение, остойчивость, непотопляемость и другие характеристики судна в целом. Чтобы профессионально грамотно решать вопросы проектирования судна, специалист должен обладать определенными знаниями, навыками и умениями. Основные знания в области теории и устройства тепловых двигателей студент получает в процессе изучения дисциплины "Судовые энергетические установки".

Цель выполнения проекта - научить основам проектирования судовых энергетических установок с учетом особенностей судна, его типа и назначения, условий эксплуатации.

Студент должен уметь решать технические задачи проектирования судна и его энергетической установки комплексно как единой системы. Это умение приобретается в процессе выполнения и защиты курсового проекта. Кроме специальных знаний, на защите студент должен показать умение аргументированно отстаивать принятые научно-технические решения; также необходимо, чтобы исполнитель знал и недостатки своей работы.

Курсовой проект завершает изучение дисциплины "Судовые энергетические установки". Он входит в состав выпускной квалификационной работы бакалавра по направлению "Кораблестроение и океанотехника".

1.2 Содержание и оформление курсового проекта

Пояснительную записку к курсовому проекту выполняют на одной стороне листов писчей бумаги формата А1 (ГОСТ 2103-79), которые затем нумеруют и сшивают вместе с титульным листом (см. СТП 1-У- НГТУ-2003) и бланком задания (Приложение 1,2). С левой стороны каждого листа оставляют поля для подшивки шириной 20 мм. Все страницы пояснительной записки, включая графики, схемы и таблицы, должны иметь сквозную порядковую нумерацию, на которую в дальнейшем делают ссылки, иллюстрации сопровождают надписями, поясняющими их смысл.

По всей записке следует выдерживать единство терминологии, условных обозначений и сокращений. Обозначения всех величин должны соответствовать действующим ГОСТам. Расчеты в записке следует приводить в Международной системе единиц (СИ).

В конце пояснительной записки приводится библиографический список литературы, использованной при выполнении курсового проекта, и содержание с указанием страниц.

Графическая часть курсового проекта (2-3 чертежа формата А4) выполняется в соответствии с действующими стандартами. В объем графической части входят: расположение механизмов и аппаратов СЭУ в машинно-котельном отделении (МКО), валопровод с дейдвудным устройством и деталями в разрезе, схема одной из систем СЭУ (по выбору).

1.3 Контроль выполнения и защита курсового проекта

Для обеспечения своевременного выполнения курсового проекта студент обязан посещать консультации, проводимые руководителем. Консультации проводятся с целью оказания помощи студентам, а также для контроля за ходом проектирования.

Законченная работа представляется на просмотр руководителю. После просмотра и устранения замечаний назначается срок защиты. На защите студент должен свободно отвечать на вопросы по содержанию курсового проекта, аргументировано отстаивать принятые технические решения.

2. Выбор и обоснование типа СЭУ, главных двигателей, типа главной судовой передачи и числа линий валопровода

2.1 Обоснование выбора типа СЭУ

Выбор типа установки для проектируемого судна обычно производится на основе сравнительной оценки наиболее перспективных вариантов СЭУ, удовлетворяющих поставленным требованиям. Проработку сопоставимых вариантов СЭУ производят применительно к одним и тем же условиям, определяемым типом и назначением судка. Например, для грузовых судов такими условиями могут быть сохранение постоянными для всех вариантов ЭУ грузоподъемности, скорости и автономности судна. При этом водоизмещение судна и мощность ЭУ будут изменяться в зависимости от изменения пропульсивного коэффициента, массовых показателей ЭУ и энергетических запасов.

Оценку показателей прорабатываемых вариантов производят как путем их сравнения между собой, так и с аналогичными показателями наиболее удачных ранее разработанных и осуществлённых проектов СЭУ. При окончательном выборе типа СЭУ учитывается не только возможность достижения оптимальных показателей, но и реальность поставок нового основного оборудования в требуемых количествах и в необходимые сроки.

В настоящее время можно рекомендовать:

- установки с малооборотными реверсивными дизелями (МОД) с прямой передачей мощности на ВФШ, которые наиболее распространены на морских транспортных судах, для мощности в диапазоне от 3000 до 30000 кВт на один вал. Этот тип установки может быть рекомендован и для ледокольно-транспортных судов, но с ВРШ, при мощности от 8000 до 10000 кВт на один вал;

- установки со среднеоборотными реверсивными дизелями (СОД), работающие через редукторную передачу на ВФШ при мощностях 500…4000 кВт на один вал, могут использоваться на морских и речных транспортных судах и на судах смешанного плавания.

Для судов с горизонтальным способом грузообработки, паромов, пассажирских судов, ледокольно-транспортных судов, мощных буксиров и спасательных судов могут быть рекомендованы установки с одним или двумя нереверсивными СОД, использующими зубчатую редукторную передачу на ВРШ при мощностях от 500 до 2500 кВт.

ЭУ специализированных судов (контейнеровозы, газовозы), обеспечивающих перевозки с соблюдением жесткого расписания рейса, должны иметь не только запас мощности, но и обладать высокой надежностью работы в море. В ряде случаев более выгодно применять менее экономичные ЭУ, но более надежные в эксплуатации, поскольку стоимость простоя крупнотоннажного скоростного судна в течение нескольких суток существенно выше сэкономленного топлива.

- установки с ДВС и электропередачей. Ожидается, что они будут основным типом установок для ледоколов и ледокольно-транспортных судов при мощностях 12000...13000 кВт на один вал;

- установки с нереверсивными высокооборотными ДВС (ВОД), работающие через реверс-редукторы на ВФШ, получили распространение на малотоннажных судах при мощностях от 200 до 500 кВт на один вал;

- паротурбинные установки (ПТУ). Применение ПТУ в последние годы значительно сократилось, что, в основном, связано с практически полным прекращением постройки крупнотоннажных танкеров. В перспективе при возобновлении строительства крупнотоннажных и других судов с потребными мощностями от 20000 до 30000 кВт на один вал ПТУ вновь получат распространение, особенно если для них будут освоены топливные смеси, твердые и другие альтернативные топлива;

- газотурбинные установки (ГТУ) применяются, в основном, на судах с динамическими принципами поддержания. Однако на водоизмещающих транспортных судах ГТУ применяются до настоящего времени в порядке опытной эксплуатации.

В перспективе ГТУ с развитым теплоутилизационным контуром (ТУК) могут получить широкое распространение на указанных судах при условии что будет достигнута надежная работа таких установок на тяжелых сортах топлива и что тепловая экономичность их будет доведена до уровня экономичности установок с МОД.

В соответствии с назначением судна, скоростью хода, режимами работы, требованиями к массогабаритным показателям и размещений СЭУ выбирается тип главного двигателя, главной судовой передачи и число линий валопровода.

2.2 Выбор главных двигателей

При выборе типа главного двигателя следует учитывать:

- необходимость обеспечения длительной эффективной работы установки на двух режимах, существенно различающихся по мощности (например, режим перехода судна в район промысла и режим траления для установок рыболовных траулеров);

- необходимость обеспечения длительной устойчивой работы установки при малом и самом малом ходе судна (например, для установок спасательных и некоторых других типов судов);

- возможность использования полной мощности при работе на передний и задний ход в диапазоне режимов от свободного хода до швартовного (например, для установок судов активного ледового плавания и ледоколов);

- малую продолжительность реверса установки и ограничения по частоте реверсов (например, для установок ледоколов);

- массогабаритные ограничения агрегатов (например, для установок судов типа RO-RO; СДПП).

Основным назначением главной энергетической установки является обеспечение заданной скорости хода судна или наибольшего упора движителей (буксирные суда) при оптимальном использовании мощности главных двигателей (ГД). Мощность ГД, обеспечивающая заданную скорость движения судна (или состава), определяется по формуле

кВт,

где Р_e - эффективный упор движителя (движителей), кН;

V - скорость судна, м/с;

- пропульсивный КПД комплекса винт - корпус судна определяется по формуле:

где ш - коэффициент попутного потока:

ш = 0,5д-0,16 - для бортового винта,

ш = 0,5д-0,1 - для диаметрального винта;

д - коэффициент общей полноты водоизмещения;

t - коэффициент засасывания: t = 0,8ш(1+0,25ш) - для бортового винта,

t = 0,6ш (1+0,67ш) - для диаметрального винта;

- КПД винта снимают с соответствующей расчетной диаграммы для гребных винтов по числу лопастей гребного винта Z, дисковому отношению и, конструктивному шаговому отношению H/D и относительной поступи винта л_р.

Для судов с винтами в направляющих насадках

где - отношение коэффициента сопротивления насадки к коэффициенту нагрузки комплекса - может быть принято 0,05...0,1;

- коэффициент попутного потока при работе комплекса за корпусом,

- коэффициент, который принимается равным 0,5 для диаметральных винтов.

КПД комплекса снимают с соответствующей диаграммы для расчета комплекса "гребной винт - направляющая насадка" по числу лопастей гребного винта Z, дисковому отношению и, конструктивному шаговому отношению H/D и относительной нагрузки комплекса.

С учетом изложенного выше, расчеты по выбору главных двигателей и типа передачи мощности для судов с винтами без направляющих насадок выполняют в следующем порядке.

1. Определяют упор винта, кН:

- для самоходного судна

,

где R - сопротивление воды движению судна, кН;

х - число гребных винтов.

- для буксирных судов

где R_т, Z - сопротивление воды движению соответственно толкача и состава, кН.

2. Определяют скорость винта относительно воды, м/с:

3. Выбирают ряд значений диаметров винта D (3...4 варианта) между максимальным и минимальным его значением.

Максимальный диаметр винта может быть принят:

- для обычных кормовых образований

- для туннельной и полутуннельной кормы

где - осадка кормой.

Минимальный диаметр винта для речных судов.

4. Для всех принятых вариантов винтов рассчитывают их частоту вращения n_в и мощность, подведенную к винтам N_p.

Исходя из типа и назначения судна, требований, предъявляемых к его эксплуатации или в соответствии

с заданием на проектирование, выбирают два или три варианта передач мощности (гидравлическая, механическая, электрическая и др.). Определив (Приложение 3) для каждого типа передачи величину КПД , определяют потребную эффективную мощность ГД

где - КПД передачи.

Для судов с винтами в направляющих насадках расчет производят аналогично:

1. Вычисляют коэффициент попутного потока.

2. Определяют полезный упор комплекса, приняв значение коэффициента засасывания винта t = 0,5-0,6 от рекомендованных выше значений.

3. Определяют скорость комплекса , м/с. С учетом размещения комплекса винт - насадка за корпусом судна дальнейший расчёт производится для нескольких диаметров гребных винтов. В расчётные формулы подставляют характеристики комплекса.

Далее принимают количество гребных винтов х и двигателей z_д, которые предполагается установить на судне. Требуемую мощность распределяют между двигателями.

Следующий этап заключается в анализе (путем сравнения) различных возможных к установке двигателей и типов передач мощности, обеспечивающих заданную скорость движения судна или состава; выборе такого их сочетания, при котором удовлетворяются эксплуатационные требования к энергетической установке судна по расходу топлива, масла, массе, габаритам, маневренным качествам, степени автоматизации и т.п.

Для окончательного выбора комплекса ГД - передача необходимо провести технико-экономическое сравнение рассмотренных вариантов. Это сравнение лучше производить в табличной форме. Выбор производят по КПД судового комплекса и по показателю приведенных затрат.

КПД судового комплекса определяется по формуле

где - эффективный КПД ГД.

2.3 Выбор числа валов

Выбор числа валов зависит от мощности установки, назначения судна и его осадки, а также требований, предъявляемых к маневренности и живучести судна.

Для транспортных судов оптимальной по экономичности для эксплуатационного режима является одновальная установка с ВФШ. Такая установка отличается простотой и удобством обслуживания, позволяет получать высокий пропульсивный КПД, хорошие массовые и габаритные показатели.

Наибольшая мощность, передаваемая на работающий с частотой вращения n = 100...110 мин^-1 и достаточно высоким пропульсивным КПД ВФШ, составляет (3,0…3,5)l0⁴ кВт. При этом диаметр винта достигает 9 м, а его масса 60...70 т.

Необходимость в многовальной установке возникает для судов большой грузоподъемности и скорости с мощностью установок от 5000 до 10000 кВт:

- когда необходимая мощность СЭУ не может быть эффективно переработана одним винтом;

- когда осадка судна ограничивает диаметр винта;

- когда требуется обеспечить судну высокие маневренные качества, в частности, его управляемость на заднем ходу;

- при необходимости повышения живучести СЭУ.

Пропульсивные качества крупнотоннажных одновальных судов и быстроходных судов с ограниченной осадкой, имеющих ЭУ большой агрегатной мощности, могут быть повышены при использовании двух ВФШ (правого и левого вращения), но при этом конструкция валопровода и главной передачи существенно усложняются.

Достаточно широкое применение на водоизмещающих судах имеют винты регулируемого шага (ВРШ), изготавливаемые на мощность до 33000 кВт. Такие винты обеспечивают возможность использования полной мощности главных двигателей при различных режимах движения, повышают маневренные качества ЭУ, упрощают процесс управления установкой, допускают применение нереверсивных главных двигателей. Несмотря на высокую стоимость и сложность конструкции ВРШ, их используют для движения судов с различными типами главных двигателей. ВРШ широко распространены на судах с дизель-редукторными, газотурбинными и комбинированными установками.

2.4 Выбор типа передачи

Тип передачи определяется назначением судна, типом, мощностью и числом двигателей, массогабаритными, а также экономическими и производственными требованиями, предъявляемыми к главной энергетической установке.

Сравнительная оценка различных типов передач производится с учетом преимуществ и недостатков, присущих каждой из них. К числу этих требований относятся: высокая надежность, высокий КПД на эксплуатационных режимах, минимальная масса и габариты, минимальные затраты на обслуживание и ремонт, приспособленность к ремонту и др.

Кроме общих требований, к передачам могут предъявляться и специфические. К ним относятся: изменение передаточного отношения; поддержание крутящего момента на выходном валу в необходимых пределах при изменении частоты вращения движителя; суммирование или разделение мощности главных двигателей; отбор мощности на привод вспомогательных механизмов и др.

Выбор типа передачи целесообразно производить применительно к определенным типам судов, объединенным общностью режимов плавания, а также общностью требований, предъявляемых к главным энергетическим установкам.

Для судов транспортного флота (танкеров, сухогрузов, лесовозов и др.) более характерны стабильные режимы плавания. Наиболее важные требования к энергетическим установкам таких судов - простота, компактность, высокая надежность и экономичность. Вместе с тем к ним не предъявляются повышенные требования по маневренности, достижению больших тяговых усилий и длительной эксплуатации при пониженных оборотах гребного вала. Для судов данного типа могут быть рекомендованы прямая и редукторная передачи.

Использование прямой передачи оказывается наиболее рациональным в сочетании с МОД при частоте вращения винтов в пределах 85... 200 мин.

Редукторная передача целесообразна в случаях, если для данного конкретного судна использование прямой передачи невозможно или экономически невыгодно.

Для транспортных судов речного и озерного плавания при сравнительно невысокой мощности установки (N_e ? 1500 кВт) и ограниченных габаритах машинного отделения предпочтение следует отдавать редукторным передачам. На пассажирских судах предъявляются повышенные требования к живучести, надежности и маневренности энергетических установок. В большей степени таким требованиям удовлетворяют многовальные редукторные установки. При наличии ограничений по размерам гребных винтов на пассажирских судах малого и среднего водоизмещения могут быть использованы установки с прямой передачей в сочетании с высокооборотными двигателями.

При выборе типа передачи в установках рыбопромысловых судов следует учитывать затраты энергии на промысловое и технологическое оборудование. Особенностью таких судов является также то, что режимы максимальных нагрузок, затрачиваемых на движение судна, не совпадают по времени с режимами максимальных нагрузок на электростанцию, т.е. на одних режимах движения судна появляется резерв мощности главных двигателей, на других - резерв мощности вспомогательных дизель - генераторов. Поэтому для таких судов следует выбирать такой тип передачи, при котором было бы обеспечено более полное использование резервов мощности на всех режимах. Такими свойствами обладают установки с отбором мощности от главных двигателей для целей, не связанных с движением судна и установки с электропередачей. Для рыбодобывающих судов малого и среднего водоизмещения с повышенными требованиями к тяговым характеристикам при малых частотах вращения гребного вала и при длительном плавании на малых ходах находят применение установки с гидростатической передачей. При выборе типа передачи для судов ледового плавания, особенно ледоколов, исходят из таких специфических требований, как:

- использование полной мощности главных двигателей во всем диапазоне изменения режимов работы движителей; - обеспечение защиты главных двигателей и энергетической установки в целом от внешнего воздействия со стороны гребных винтов при их ударе о льдины; - высокая надежность пропульсивного комплекса и способность его к саморегулированию по крутящему моменту при изменении сопротивления движения судна; - высокая маневренность.

Указанным требованиям в большей степени отвечают гидравлическая или электрическая передачи, у которых отсутствует жесткая связь двигателя с гребным винтом.

Буксиры составляют большую группу судов вспомогательного флота. Для портовых, рейдовых и многоцелевых буксиров характерно длительное использование энергетической установки на самых различных режимах начиная от полного свободного хода и кончая швартовым режимом. Для транспортных буксиров наиболее продолжительный режим - буксировка, для спасательных - режим свободного хода. При плавании буксиров в ледовых условиях выдвигаются требования по запасу крутящего момента (200...250%). Для портовых, шлюзовых и многоцелевых буксиров важно требование малых массы и габаритов установки. Общими для всех буксирных судов являются требования высокой надежности, маневренности, экономичности на эксплуатационных режимах, обеспечение отбора мощности на привод пожарных и вспомогательных лебедок.

Для таких судов наиболее подходит комбинация гидродинамической и редукторной передач - гидрозубчатая передача, которая наиболее полно удовлетворяет основным требованиям.

Выбор одного из возможных вариантов передачи производится по результатам их сопоставления. Обычно сопоставление производится в табличной форме. Исходными данными являются: мощность, число гребных валов, размеры и местоположение машинного отделения. Показатели, по которым производится сопоставление: полная и удельная масса главной энергетической установки; мощностная насыщенность по длине, площади, объему машинного отделения; возможная частота вращения вала; пропульсивный КПД и КПД передачи; удельные расходы топлива и масла; стоимость установки.

Муфты, применяемые в современных СЭУ, отличаются разнообразием конструкций. Они применяются не только для соединения и разобщения валов, но и для уменьшения крутильных колебаний валопровода, расширения диапазона частот вращения винта, пуска двигателя при отключённом валопроводе и других целей. Муфты подразделяются на неподвижные (простые) и подвижные (компенсирующие). Простые муфты обеспечивают жесткое соединение двух элементов валопровода, исключая перемещение одного вала относительно другого. Подвижные муфты делятся на жесткие, полужесткие упругие (эластичные) и упругодемпфирующие (высокоэластичные). Такие муфты обеспечивают соединение и разъединение валов в процессе работы установки. Они делятся на кулачковые, зубчатые, фрикционные, пневматические, гидравлические и электромагнитные.

Окончательное решение о целесообразном типе муфты принимается после расчёта всего пропульсивного комплекса на крутильные, продольные и поперечные колебания.

2.5 Расчёт передачи мощности к движителям

В соответствии с принятым или рекомендуемым в задании типом передачи мощности разрабатывают её схему с указанием расположения основных элементов от главного двигателя до гребного винта.

На судах в общем случае находят применение механические, электрические, гидравлические и комбинированные типы передач. Их главным элементом является валопровод. Он передает гребному винту крутящий момент, развиваемый главным двигателем, и упор, создаваемый винтом, через упорный подшипник корпусу судна. Этот упор сообщает судну поступательное движение.

На конструктивной схеме валопровода должны быть показаны основные его части: опора в кронштейне, дейдвудная труба, опорные и упорный подшипники, фланцевые и муфтовые соединения, тормоза, а также размеры тех пролетов, для которых в дальнейшем валопровод рассчитывают на продольную устойчивость и критическую частоту вращения от поперечных колебаний. Расчёт валопроводов речных судов выполняется по Правилам Российского Речного Регистра (РРР), а морских - Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС). Расчёт начинают с определения диаметра промежуточного вала, независимо от того, предусмотрена его установка на судне или нет, затем рассчитывают диаметры гребного и упорного валов, толщину облицовки, учитывая возможность плавания во льдах.

По правилам РРР диаметры промежуточного, упорного или гребного валов, мм, должны быть не менее, определяемых по формуле:

где - временное сопротивление материала вала, МПа; формула применяется при = 400…600 МПа, если > 600 МПа, то в формулу подставляют = 600 МПа;

k - коэффициент, равный: = 130 - для промежуточных валов с коваными фланцами или фланцевыми бесшпоночными муфтами;

= 140 - для промежуточных валов со шпоночными муфтами; = 142 - для упорных валов в подшипниках качения;

= 160 - для гребных валов на расстоянии не менее четырёх диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта;

=150 - для гребных валов на расстоянии более четырёх диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта;

- коэффициент усиления, равный: 1,0 - для судов без ледового усиления; 1,05 - при плавании в битом льду; 1,07 - для ледоколов и судов ледового плавания;

P - расчётная мощность, передаваемая валом, кВт;

n - расчетная частота вращения мин;

d_i- диаметр осевого отверстия вала, мм.

Если этот диаметр меньше или равен 0,4d_г, то можно принять d_i = 0; d_г - действительный диаметр гребного вала, мм.

В случае, если вал не имеет сплошной облицовки или другой эффективной защиты от коррозии, то участки гребного вала, имеющие контакт с водой, должны иметь наружный диаметр на 5% больше определенного по формуле.

При расчёте упорного подшипника принимают , где - упор комплекса (если винт в насадке). Расчётный упор не должен превосходить допустимого значения для упорного подшипника.

Правила РМРС рекомендуют следующую формулу для определения диаметра промежуточного вала, мм:

Здесь F - коэффициент, зависящий от типа механической установки и принимаемый:

F = 95 - для механических установок с ротативными механизмами или с ДВС, оборудованными гидравлическими или электромагнитными муфтами;

F = 100--для других типов механических установок с ДВС;

P - расчётная мощность на промежуточном валу, кВт;

n - расчётная частота вращения промежуточного вала, мин.

РМРС рекомендует выполнять диаметр упорного вала выносного подшипника скольжения на расстоянии одного диаметра упорного вала в обе стороны от гребня вала, а для подшипников качения в пределах корпуса подшипника не менее 1,1 диаметра промежуточного вала.

Расчётный диаметр гребного вала, мм,

где k - коэффициент, определяемый конструкцией вала. Для участка вала от большого основания конуса или наружного фланца гребного вала до носовой кромки ближайшего к движителю подшипника (но во всех случаях не менее 2,5):

k = 1,22 для бесшпоночного соединения гребного винта с валом или в случае соединения винта с фланцем, откованным заодно с валом;

k = 1,26 для шпоночного соединения гребного винта с валом;

k = 1,15 для участка вала от носовой кромки кормового дейдвудного подшипника или кормового кронштейнового подшипника в нос до носового торца носового уплотнения дейдвудной трубы для всех типов исполнения.

Значение k увеличивается на 2%, если гребной вал выполнен с водяной смазкой и без сплошной облицовки. По согласованию РМРС допускается уменьшение в случае их поверхностного упрочнения. При изготовлении промежуточных, упорных и гребных валов с временным сопротивлением > 400 МПа их диаметр может быть уменьшен. Уменьшенный диаметр определяется по формуле

,

где d - расчётный диаметр вала, мм;

- уменьшенный диаметр вала, мм;

- временное сопротивление материала вала.

Во всех случаях временное сопротивление в формуле должно приниматься не более 800МПа для промежуточного и упорного валов и 600 МПа для гребного вала.

Диаметры валов ледоколов и судов с ледовыми усилениями увеличиваются на величину, указанную в табл.2.2.5 раздела 2 Валопроводы Правил РМРС.

Если в валу выполняется осевое отверстие, его диаметр не должен превышать 0,4 расчётного диаметра вала.

Гребные валы должны быть надежно защищены от соприкосновения с забортной водой.

Облицовки гребных валов должны изготовляться из сплавов, обладающих высокой коррозионной стойкостью к морской воде.

Толщина бронзовой облицовки гребного вала S, мм, должна быть не менее определяемой по формуле:

,

где - диаметр гребного вала под облицовкой, мм.

Толщина облицовки между подшипниками может быть снижена на 25 %.

Для соединения фланцев валов используют плотно пригнанные цилиндрические болты. Диаметр болтов, мм, должен быть не менее

где - диаметр промежуточного вала, мм;

- временное сопротивление материала болта, МПа, которое следует принимать в диапазоне?1,7, но не более 1000 МПа,

i - число болтов в соединении;

D - диаметр центровой окружности соединительных болтов, мм.

Как правило, 50% от общего числа цилиндрических болтов фланцевых соединений валопровода, но не менее трёх должны быть плотно пригнанными.

Толщина соединительных фланцев промежуточных валов должна быть не менее .

Длина подшипников в кронштейне и дейдвудной трубе должна быть ?2,5.

Опорные подшипники валопровода располагают таким образом, чтобы их фундаменты опирались на жесткие узлы корпуса судна. Количество опорных подшипников принимают такое, чтобы каждый промежуточный вал опирался на один или два подшипника. Если вал опирается на один подшипник, то для облегчения его прицентровки и монтажа устанавливают один или два монтажных подшипника.

Ориентировочное значение максимально допустимого расстояния, мм, между смежными подшипниками при n ? 350 мин составляет

,

где - коэффициент,

= 450 для подшипников скольжения, смазываемых маслом;

= 300 для дейдвудных и кронштейновых подшипников с водяной смазкой (капролоновые, резинометаллические);

-действительный диаметр вала, мм.

При n >350 минрасстояние, мм, между серединами смежных подшипников принимают из условия

где - коэффициент,

= 8400 для подшипников скольжения, смазываемых маслом;

= 5200 резиновых или пластмассовых подшипников скольжения с водяной смазкой.

Минимальное расстояние между подшипниками можно приближенно определить по формуле, мм .

Принятые на практике расстояния между опорными подшипниками не превышают для валов диаметром 60 мм - 2,5 м; 80 мм - 3 м; 100 мм - 4 м. Конструктивные значения длин валов назначаются в зависимости от общей протяженности валопровода и технологических возможностей изготовления, установки и ремонта составляющих валов.

Возможности учёта других условий расчёта элементов валопровода оговариваются в Правилах РМРС и РРР в зависимости от класса судна.

По величине упора Р_e подбирают упорный подшипник или проверяют подшипник, встроенный в двигатель.

При этом надо иметь в виду, что расчётная величина упора для комплекса "винт-насадка", найденная по вышеприведенным зависимостям, должна быть уменьшена на величину упора, воспринимаемого насадкой, примерно на 40%. Расчётный упор не должен превосходить допустимого его значения для упорного подшипника.

Конструктивную разработку валопровода заканчивают выбором подшипников валопровода, соединительных муфт, схемы и конструкции дейдвудной трубы и подшипника кронштейна.

Проверочный расчёт валопровода включает в себя: расчёт прочности при сложном напряженном состоянии под действием условно принимаемых статических нагрузок, расчёт на крутильные колебания, расчёт на критическую частоту вращения от поперечных колебаний, расчёт на продольную устойчивость.

Критическую частоту вращения валопровода, при которой возникают предельные поперечные колебания вала, подсчитывают по эмпирической формуле Бринелля, мин^-1:

где - расстояние от середины опоры в подшипнике кронштейна до центра тяжести гребного винта, м;

- остальная длина гребного вала, м;

- удельная нагрузка пролёта длиной , кН/м,

где - диаметр гребного вала, м;

- плотность материала вала кг/м³;

- удельная нагрузка пролёта , кН/м,

где G_в - сила веса гребного винта, кН, G_в=1,47D³,

и - дисковое отношение винта, равное 0,5 …0,7;

I -экваториальный момент инерции сечения вала относительно его оси

E=- модуль упругости стали, кН/м²;

g = 9,81м/с² ускорение свободного падения.

Критическая частота n_кр вращения вала должна быть больше её номинального рабочего значения n_н, при этом необходимый запас частоты вращения должен быть

При невыполнении этого условия необходимо уменьшить расстояние между опорами или увеличить диаметр вала.

Наиболее длинный пролёт валопровода между опорами проверяют на продольную устойчивость. Пролёт рассматривается как вращающийся стержень, сжатый силой упора гребного винта и свободно лежащий на двух шарнирных опорах.

Необходимость проверки на продольную устойчивость определяют по гибкости вала:

л = l / i,

где - радиус инерции сечения вала, м;

l - длина вала между опорами, м;

F - площадь поперечного сечения вала, м².

Расчёт вала производится, если л ?80. Критическую силу, кН, определяют по формуле

при сомножитель принимается равным единице.

Коэффициент запаса устойчивости должен быть

где = (1,25…1,30) - максимальный упор гребного винта.

Расчёт тормоза валопровода. Для стопорения валопроводов в аварийных ситуациях (повреждение винта или валопровода, ремонта их и т.п.) их оборудуют тормозом. Большинство тормозов валопроводов работает по принципу сухого механического трения. Их часто совмещают с фланцевым соединением.

Цель расчёта - определить конструктивные параметры тормоза и обеспечить требования Правил Регистра по усилию затяжки. Расчёт ведется в следующей последовательности.

1. Определяется момент на гребном валу, кН·м,. создаваемый застопоренным гребным винтом,

,

где k_m - коэффициент момента застопоренных четырех- и трёхлопастных гребных винтов в зависимости от дискового и и шагового Н/D_в отношений (рис.1);

ш = 0,2 - коэффициент попутного потока;

- скорость движения судна с застопоренным гребным винтом, равная обычно 3…4 м/с;

с - плотность воды, кг/м³;

D_в - диаметр винта, м.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рис. 1. Значения

2. Находится (рис. 2) диаметр тормозного диска, м:

,

где f - коэффициент трения, принимаемый для стали по стали (бугели без фрикционной ленты) равным 0,15…0,18; для асбестовой ленты по стали - 0,32…0,35; для ленты ферродо по стали - 0,4;

- угол охвата одного бугеля (обычно 110-130);

k = b_т/D_т - отношение ширины тормозной ленты к диаметру тормоза,

k = 0,12 ч 0,14;

p= (6…8)10

кПа - среднее допускаемое давление на тормозную поверхность. Определяются необходимые силы, кН, торможения ленты

=

и затяжки винта 2

(рис. 2),

где e - основание натурального логарифма.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рис. 2. Тормоз валопровода: 1 - гайка стяжного винта; 2 - стяжной винт; 3 - штырь стяжного винта; 4 - фрикционные колодки; 5 - бугель с головкой для штыря; 6- штыри; 7 - фундамент; 8 - бугель с головкой для стяжного винта

4. Рассчитывается момент затяжки винта, кН·м,

где и - углы соответственно подъёма винтовой линии (нарезки) и трения. Необходимые величины углов можно найти из соотношений:

здесь s - шаг резьбы, мм;

- средний диаметр нарезки винта, мм;

- угол профиля при треугольной резьбе; коэффициент трения в резьбе.

5. Определяется усилие затяжки на рукоятке:

где L - длина рукоятки, м.

Усилие затяжки на 1 чел. не должно превышать кН.

Допускается работа на тормозе не более 2 чел., следовательно, кН.

3. Выбор вспомогательных механизмов, оборудования и устройств систем СЭУ

3.1 Выбор СЭС

Механизмы и оборудование, устанавливаемые на судне, за исключением палубных и производственных, входят в состав вспомогательной установки, систем энергетической установки и общесудовых систем. Энергия, потребляемая этими механизмами, как правило, электрическая, привод - гидравлический или электрический.

Согласно Правилам РРР и РМРС выбирают род тока и величину его напряжения для всех групп потребителей, т.е. механизмов, обслуживающих ЭУ, общесудовые системы палубных механизмов и прочих потребителей. Род тока и его напряжение могут быть едиными для всех потребителей, но могут быть и различными для отдельных групп, (например, напряжение в сети освещения может отличаться от напряжения в силовой сети).

В настоящее время на судах применяется, в основном, переменный ток. Постоянный ток используется лишь на специальных судах малой мощности, где устанавливаются навешенные на главный двигатель генераторы и аккумуляторные батареи.

Величина напряжения тока регламентирована Правилами Регистра, которые разрешают применять на судах генераторы с номинальным напряжением при постоянном токе - 27, 115, 230 В, при переменном трёхфазном токе - 133, 230, 400В.Выбор рода тока и напряжений должен быть обоснован в пояснительной записке. С учетом принятых параметров тока производят выбор вспомогательных механизмов с соответствующим приводом. Эти данные послужат в дальнейшем основой для расчета и комплектации судовой электростанции (СЭС). Первичные двигатели генераторов обычно определяются типом СЭУ. На судах с ДУ, ГТУ и комбинированными установками для привода генератора обычно применяют ВОД, на судах с ПТУ - вспомогательные турбины.

В качестве аварийных источников электроэнергии применяются дизель-генераторы и аккумуляторные батареи.

Необходимая мощность СЭС определяется на основе энергетического баланса путем составления таблицы нагрузки всех установленных потребителей на основных режимах работы проектируемого судна или по приближенным зависимостям, полученным на основании опыта эксплуатации судов, подобных проектируемому.

Табличный способ заключается в составлении таблицы нагрузок генераторов на различных режимах работы судна: ходовой режим (в грузу и в балласте); съемка с якоря; стоянка с грузовыми операциями (для пассажирских судов - с пассажирами на борту); стоянка без грузовых операций (для пассажирских судов - без пассажиров); маневренные режимы; аварийные режимы и др. Для судов специального назначения учитывают также режимы, определяемые их назначением и спецификой, например, на буксирах - ход с возом, на рыболовных судах ход с тралом и т.п.

Примерный вид таблицы нагрузок судовой электростанции на переменном токе приведен в [3,4].

Выбор мощности и числа генераторов осуществляется в зависимости от средневзвешенного коэффициента мощности . Если генератора, то мощность и число генераторов выбирают по суммарной активной мощности , если , то их выбирают по

Судовая электростанция должна удовлетворять следующим требованиям:

- загрузка работающих генераторов должна составлять не менее 60…70% их номинальной мощности;

- число установленных генераторов и их тип должно быть минимальным, они должны по возможности быть однотипными;

- на каждом режиме (кроме аварийного) в резерве должно быть не менее одного генератора, способного заменить наибольший по мощности из работающих.

Как правило, судовая электростанция комплектуется из 2…3 генераторов. Применение более трех целесообразно в том случае, если мощность, потребляемая на режиме стоянки, составляет не более 30% мощности одного ДГ.

На судах с мощностью главных двигателей > 1430 кВт надо предусматривать установку турбогенераторов, работающих от пара утилизационных котлов.

На основании таблицы нагрузок выбирают аварийную электростанцию. Перечень потребителей, которые должны получать питание от аварийной электростанции, устанавливается Правилами Речного и Морского Регистров.

При выходе из строя аварийного дизель-генератора, в качестве аварийных источников тока используют аккумуляторные батареи. Тогда расчетную емкость батарей, необходимую для питания потребителей, определяют по формуле

где- мощность i-го потребителя, Вт;

- время работы i-го потребителя, ч;

n - число потребителей, мощность которых учитывается;

V - напряжение батарей, В;

- ток j-го потребителя, A;

- время работы - j-гo потребителя, ч;

m - число потребителей, ток которых учитывается;

- коэффициент, учитывающий саморазряд, принимаемый равным 0,9;

- коэффициент, учитывающий снижение ёмкости за время кратковременных разрядов и принимаемый равным 0,8…0,85.

Аналитический метод определения мощности судовой электростанции основан на зависимостях, полученных в ходе обработки статистических данных по судам различных типов и назначений.

Для транспортных судов с ДВС необходимая мощность судовой электростанции в ходовом режиме

N_х, кВт, подсчитывается по формуле

где N_e - мощность главной установки, кВт,

N_б.п - расчетная мощность бытовых потребителей, кВт,

?N - мощность наибольшего из эпизодически включаемых потребителей, кВт (вводится в формулу, если ?N_х>N_б.п).

Для определения мощности бытовых потребителей используется зависимость:

где ?N_плi - суммарная мощность камбузных плит, кВт;

k_в?N_вi - расчётная мощность электромеханизмов судовой вентиляции, кВт;

k_кн?N_кнi -расчётная мощность электромеханизмов системы кондиционирования, кВт; коэффициенты можно принимать k_в = 0,4...0,8 и k_кн = 0,6…0,7.

Расчётная мощность судовой электростанции в режиме стоянки без грузовых операций кВт, подсчитывается по формуле

где D - дедвейт судна, т.

Для определения мощности на режиме стоянки с грузовыми операциями кВт, рекомендуется формула:

N_сг=+

где N_г - расчетная мощность грузовых устройств, кВт.

Для сухогрузных судов:

где z - число одновременно работающих лебедок и кранов номинальная грузоподъемность, т, и скорость выборки груза, м/мин, грузовыми средствами.

Для наливных судов:

- с электроприводными грузовыми насосами

- с паровыми грузовыми насосами

где k_г = 0,8 - коэффициент загрузки;

N_г.н - суммарная мощность, кВт, грузовых насосов;

?N_н.о - суммарная мощность, кВт, вентиляторов насосного отделения и вспомогательных механизмов грузовой системы;

?N_вк - мощность, кВт, механизмов вспомогательного оборудования котельной установки.

Расчётная мощность электростанции, кВт, для судов с паротурбинными установками в ходовом режиме определяется по формуле

энергетический судно двигатель теплоснабжение автоматизация

Мощность электростанции судов с ПТУ для режимов стоянки без грузовых операций и с грузовыми операциями можно определить по тем формулам, что и для судов с ДВС.

Для электроходов мощность электростанции в ходовом режиме принимается большей, примерно на (0,015…0,02)?N_гд, где ?N_гд - суммарная мощность главных генераторов и гребных электродвигателей.

Для пассажирских судов рекомендуются зависимости:

где Z - число пассажирских мест на судне.

При отсутствии сведений по комплектующему электрооборудованию можно использовать зависимости линейного типа:

где N_хо - постоянная величина, зависящая от типа СЭУ и судна, кВт;

а - безразмерный коэффициент, зависящий от типа СЭУ и судна;

N_e -суммарная эффективная мощность ГД, кВт.

Для ДУ транспортных судов N_хо = 20…50 кВт, для судов с ПТУ = 80…100 кВт. Для некоторых типов судов (контейнеровозы, метановозы) N_хо=200…350 кВт. Значение а для большинства транспортных судов лежит в пределах 0,03... 0,055.

Для стояночных режимов среднюю нагрузку электростанции можно найти через водоизмещение или дедвейт D:

где N - постоянная величина, кВт;

b - размерный коэффициент пропорциональности, кВт/т.

Значение N_со зависит от тех же параметров, что и N_хо, для транспортных судов она составляет 15...30 кВт. Значение b сильно зависит от типа судна и может изменяться в пределах от 0,002 для сухогрузных судов, до 0,015…0,02 для танкеров и 0,055 для контейнеров и метановозов.

На некоторых судах для обеспечения потребителей электроэнергией в ходовом режиме применяются валогенераторы. Это генераторы тока, приводимые в действие от валопровода через клиноремённую или зубчатую передачу. При наличии валогенераторов вспомогательные дизель-генераторы в ходовом режиме не работают, что позволяет экономить топливо. Валогенераторы устанавливают на буксирах-толкачах, на сухогрузных теплоходах и танкерах, где потребностьв электроэнергии в ходовом режиме не превышает 40…50 кВт. При установке на судне валогенераторов необходимо иметь в виду, что в этом случае мощность, подведенная к движителям, снизится на величину потребляемой работающими валогенераторами мощности.

3.2 Выбор системы теплоснабжения

Вспомогательные автономные, утилизационные и комбинированные котельные установки служат для обеспечения горячей водой или паром низких параметров на стояночных и ходовых режимах различных судовых потребителей. Выбор типа котла зависит от назначения судна, типа и мощности главных двигателей, принятой степени утилизации теплоты уходящих газов, потребной паро- или теплопроизводительности, параметров вырабатываемого теплоносителя (температуры и давления пара или температуры горячей воды). В общем случае суммарное количество теплоты на судовые нужды складывается из расходов теплоты на отопление помещений, санитарно-бытовые нужды, подогрев масла, топлива, а на танкерах, кроме того, на подогрев груза и воды для мытья танков.

Расчет выполняется в определенном порядке. Выбирают и обосновывают схему теплоснабжения судна (возможны варианты с применением в качестве теплоносителя пара или горячей воды). При выборе типа котла можно руководствоваться опытом эксплуатации построенных судов, а также следующими соображениями. Обычно на судах морского флота независимо от типа судна и СЭУ, а также на всех танкерах, где имеется большое количество различных потребителей теплоты и пара, целесообразно устанавливать паровые котлы. Для большинства грузовых и грузопассажирских судов, толкачей предпочтительней схема с применением горячей воды. На судах мощностью выше 220 кВт, как правило, для покрытия потребностей в теплоте в ходовых режимах устанавливают утилизационные котлы, использующие теплоту выпускных газов главных двигателей (ДВС и ГТД (в некоторых случаях используют теплоту воды внутреннего контура системы охлаждения двигателей). В этом случае для покрытия потребности в теплоте на режимах стоянок необходима установка на судне автономного котла. Для подогрева груза на танкерах устанавливают специальные автономные паровые котлы. Автономные котлы должны использовать тот же сорт топлива, что и главные двигатели.

В котельной установке может быть предусмотрено раздельное использование автономных и утилизационных котлов или их блокировка для совместной работы. В этом случае применяют однотипные паровые или водогрейные автономные и утилизационные котлы.

Далее производится расчет общего максимального потока теплоты на судне, Вт.

Поток энергии на отопление помещений, Вт:

где ?F- площадь поверхности стенок отапливаемых помещений, м²;

k - общий коэффициент теплопередачи через стенку, для многослойной наружной стенки жилых помещений, k = 0,7...1,0 Вт/(м²·К);

t - разность температур внутри помещений и за стенкой. В расчётах можно принять: температуру наружного воздуха -5 ...+12°С, температуру внутри кают +20°С, душевых +25°С, машинных помещений не ниже +12°С, температуру забортной воды +1,0 ...+1,5°С.

В первом приближении можно произвести упрощенный расчет Q_от, основанный на эмпирических зависимостях расхода теплоты на отопление помещений от основных характеристик судна. Эти зависимости имеют следующий вид:

- для буксиров-толкачей

Q_от = 7000+17,5

где - суммарная мощность главных двигателей, кВт;

- для сухогрузных судов и танкеров Q_от=23300+11,7G_с,

где G_с - грузоподъемность судна, т;

- для пассажирских судов

Q_от= 350(6,5z_к +5z_п),

где z_п - количество пассажиров на судне, чел.;

z_к - количество членов команды,чел.

Потребный поток теплоты на санитарно-бытовые нужды, Вт:

Q_сб ⁼ (z_п+ z_к)(q_вм + q_вп),

где q_вм - расход теплоты на приготовление горячей мытьевой воды в единицу времени на одного человека, который составляет: на пассажирских судах 350...460 Вт/чел., на буксирах-толкачах и грузовых судах 500...750 Вт/чел.;

q_вп - удельный расход теплоты на приготовление кипячёной питьевой воды составляет на пассажирских судах 100...120 Вт/чел., на толкачах и грузовых судах 110...120 Вт/чел.

Потребный поток теплоты на подогрев топлива, масла и другие технические нужды, кроме подогрева груза для наливных судов, Вт:

Q_пт = (0,14...0,15)(Q_от + Q_c6).

Для подогрева нефтепродуктов в танках танкеров обычно применяют специальный паровой котел.

Потребный поток теплоты кВт, для подогрева высоковязких нефтепродуктов в танках определяется по выражению

где Q_гр - поток теплоты при охлаждении нефтепродукта на судне во время рейса, кВт;

_т - КПД транспортировки теплоты, равный отношению теплоты, подведенной к нефтепродукту, к теплоте, израсходованной на эти цели: