Гребные электрические установка (ГЭК)

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

Гребные электрические установки

1. Исходные данные 

 

Вариант №93

 

тип судна – транспортное;

длина между перпендикулярами по главной  ватерлинии: L = 153 м;

ширина судна В  = 24 м;

осадка средняя Т  = 7,6 м;

водоизмещение D = 20850 т;

скорость судна V_s = 13,8 уз;

коэффициент К  =  2,6;

принцип регулирования - по схеме постоянства  мощности (ПМ).

 

2. Расчёт буксировочной  мощности

 

Э. Э. Папмель предложил  следующую формулу для определения  буксировочной мощности N_R, (в лошадиных силах), судна нормальных обводов при заданной скорости судна V_S, уз. [15]:

=

где , м³ - объёмное водоизмещение;

V_s - скорость хода в узлах;                

Х – множитель, зависящий от числа валов. Для одновинтового судна Х=1, для двухвинтового Х=1,05;

           – поправочный множитель, зависящий от длины судна.

- характеристика остроты корпуса;                   

- коэффициент общей полноты;                             

Т, м – среднее значение осадки судна;

с = f ( V ^/) = 91 – эмпирический расчётный коэффициент по диаграмме Папмеля  [8] (Приложение 1);

– приведенная скорость, уз.                                

3. Расчет гребного  винта.

Выбор числа и мощности гребных электродвигателей,

главных генераторов и первичных  двигателей

 

3.1. Выбор ГЭД 

 

Выбор типа гребных электродвигателей  в ГЭУ постоянного тока сводится к определению типа корпуса двигателя, числа якорей, характера возбуждения и средств улучшения коммутации.

Тип корпуса определяют принятой системой вентиляции и числом якорей электродвигателя. Для принудительной вентиляции по замкнутому циклу выбирают закрытые двигатели, а при разомкнутом цикле охлаждения двигатели открытого исполнения.

Одноякорные двигатели обладают меньшими: массой, объемом и длиной, а также позволяют упростить распределительное устройство.

Двухъякорные двигатели имеют  меньший момент инерции и выбираются в тех случаях, когда одноякорный двигатель по конструктивным соображениям не удается разместить в корме судна или когда необходимо обеспечить повышенную живучесть судна, пониженное напряжение на коллекторе или экономичные ходы при мощности на гребных валах, не превышающей 25% мощности полного хода.

Возбуждение двигателей обычно независимое.

Чтобы улучшить условия коммутации, выбирают двигатели с дополнительными полюсами и компенсационной обмоткой. Число гребных двигателей обычно равно числу гребных валов. [3-4, 11-12].

Количество ГЭД выбирается из условия, что суммарная мощность всех ГЭД должна быть приблизительно вдвое больше буксировочной мощности:

Р_ГЭД = 2·0,736·N_R,=2·0,736·4106 кВт.

 

Если мощность ГЭД оказывается  недостаточной для выполнения этого  условия, то следует проектировать  двухвальную установку.

 

P_ГЭД = 7200 кВт;

U = 1200 B;

n_ном = 150-215 об/мин;

η_ГЭД = 93,8 %;

m_общ = 103 т;

I_а = 2x3200 A;

p = 9;

I_в = 110 A;

М_М = 18 м².

R_а = 0,0051 Ом;

R_д.п. = 0,0016 Ом;

R_в = 1,88 Ом;

R_к = 0,0032 Ом;

N = 595;

a = 1,25.

 

После выбора ГЭД необходимо привести его основные параметры: номинальные значения мощности, напряжения, тока, частоты вращения, кпд, номинальные значения напряжения и тока возбуждения, сопротивления обмоток возбуждения и суммарное якорной цепи, которое определяется по формуле

 Ом,

где R_a – сопротивление обмотки якоря;

      R_д.п. – сопротивление обмотки дополнительных полюсов;

      R_к – сопротивление компенсационной обмотки,

а также число пар полюсов, параллельных ветвей, количество витков на пару полюсов обмоток возбуждения и якоря, номинальное значение магнитного потока, момент инерции.

Справочные данные приведены  в Приложении 2.

 

3.2. Расчет гребного винта

 

Буксировочное сопротивление R или равная ему полезная тяга P_е, кг:

 

Р_е ⁼ 75·N_R/v=75·4106,24/7,21=42714 кг,

 

где v  = 0,515 ·13,8=7,21 м/с – скорость судна из условия, что 1 уз = 1 миля/ч= 1852 м/3600 с = 0,515, м/с.                        

Коэффициент попутного потока w по эмпирическим формулам Тейлора:

— для одновинтовых судов:

w= 0,5

- 0,1=0,5·0,73-0,1=0,26 рад/с;

Коэффициент засасывания t по формулам Шенхерра:

— для одновинтовых судов

t= kw=(0,5¸1,05)w=1,05·0,26=0,28 с;

Полная сила упора Р, кг, создаваемая гребным винтом, равна:

P = P_e/(1- t)=42714/(1-0,28)=59133,7 кг.

Осевая скорость винта V_p, м/с, относительно обтекающей струи воды

V_p = v·(1–w)=7,21·(1-0,26)=5,3 м/с.

Диаметры гребных винтов из условий размещения в кормовом подзоре:

— для одновинтовых судов

D = (0,6¸0,75) · Т = 0,7·7,6=5,32 м;

 

3.3. Определение оптимальной частоты вращения ГЭД

 

Оптимальная скорость вращения гребного винта выбирается в зависимости от конкретных обстоятельств из условий обеспечения:

• максимального КПД установки или минимального расхода топлива;
• минимальной массы установки;
• минимальных первоначальных затрат на оборудование ГЭУ;
• минимальных годовых эксплуатационных расходов.

На судах гражданского флота  наиболее важным показателем работы ГЭУ часто бывает экономия топлива  при полном ходе судна. Поэтому для  таких судов оптимальную скорость ГЭД рационально определять из условий получения максимального КПД гребной установки. Методика определения заключается в следующем. Вращаясь со скоростью, соответствующей максимальному КПД, винт может обеспечить постоянную скорость хода суда, если потребляемая им мощность N_p (как функции скорости вращения) будет равна

, л.с.,

где N_R1 – буксировочная мощность на одном гребном валу;

       n – частота вращения ГЭД, об/с.

С другой стороны, мощность гребного двигателя, габариты которого выбраны  в соответствии с размерами машинного отделения и всегда должны оставаться постоянными, изменяется пропорционально скорости вращения винта:

, кВт,

где D_a=(0,63¸0,68)D=0,65·194,8=132,5 см – диаметр ротора ГЭД;

      , см;

       g – относительный вес ГЭД, равный 7¸12 кг/л.с.;

      N – мощность ГЭД, л.с.;

      2р – число пар полюсов;

      а = 1,25 – отношение диаметра ротора к длине активного железа;

      с =28,4 машинная постоянная.

 

n	60	70	80	90	100	110	120	130	140
NP	5474.98	5648.42	5839.61	6290.26	6560.44	6871.16	7234.89	7670.79	8210.5
PДВ	3977.47	4640.38	5303.29	5966.2	6629.11	7292.02	8617.85	11932.4	9943.6

 

 

3.4. Проверка правильности выбора  ГЭД

 

КПД изолированного винта  можно рассчитать по формуле

,

где - коэффициент упора винта;

       n_опт =140/60=2,33 об/с – оптимальная частота вращения винта;

      D – диаметр гребного винта, м;

      - коэффициент момента винта;

      - относительная поступь гребного винта;

      Н·м величина момента упора винта;

      N_p – мощность винта, л.с.;

      Р – сила упора, кг;

      r =1025 кг/м³ - плотность воды.

Пропульсивный КПД

,

где i = 0,97¸1 – множитель, учитывающий неравномерность потока воды при различном положении лопастей винта по отношению к обводам корпуса судна.

Мощность на гребном валу, необходимая для  движения судна с требуемой скоростью

 кВт,

где z_в – число гребных валов.

Мощность на валу ГЭД 

 кВт,

где h_е = (0,95—0,98) – КПД валопровода.

 

Если после выполненного проверочного расчета мощность ГЭД будет отличаться от расчетного значения более, чем на 20%, то следует выбрать другой двигатель и проделать расчет снова.

 

3.5. Выбор главных генераторов

 

Число главных генераторов будет  выбрано правильно, если удастся  обеспечить высокий КПД установки  и ее небольшую стоимость, простоту обслуживания и надежность работы.

В ГЭУ постоянного тока мощностью более 1500 кВт обычно устанавливают два генератора и более.

Мощность главных генераторов  определяют по мощности гребных электродвигателей и числу генераторов

 

P_ГГ = 2160 кВт;

U = 600 B;

n_ном = 330 об/мин;

η_ГЭД = 94,3 %;

m_общ = 24,2 т;

I_а = 3600 A;

p = 4;

U_в=220 В;

R_а = 0,0022 Ом;

R_д.п. = 0,0024 Ом;

R_в.пар. = 1,88 Ом;

R_в.пос. = 0,0099 Ом;

 

 

Скорость генераторов выбирают в соответствии со скоростью первичных двигателей. [3-4, 11-12].

Конструктивное исполнение корпуса главных генераторов должно быть брызгонепроницаемым или водозащищенным с вентиляцией по замкнутому или разомкнутому циклу.

Справочные данные приведены в  Приложении 3.

После выбора генераторов необходимо привести их основные параметры, как это делалось для ГЭД.

4. Разработка схемы  главной цепи ГЭУ

 

Схемы соединения генераторов могут  быть последовательные, параллельные и попеременно-последовательные. Перед разработкой схемы главной цепи необходимо проанализировать достоинства и недостатки каждого из возможных вариантов. Затем составить схему главного тока и таблицу замыканий контактов избирательных переключателей главной цепи с учетом требований Регистра и возможности обеспечения экономических и аварийных режимов работы ГЭУ [1-10].

 

 

 

5. Построение  желаемых статических характеристик [1-10]

 

5.1. Построение рабочих  характеристик винта

 

Все типы судов в соответствии с  исходными данными подразделяются на транспортные суда (ТР) и рыболовные траулеры (РТ).

Для ТР рабочие характеристики строятся при ходе судна в свободной воде и в швартовном режиме работы , причем характеристика хода в свободной воде считается основной.

Примерный вид характеристик показан  на рис. 1-2.

5.2. Построение желаемой  механической характеристики ГЭД

 

Желаемая механическая характеристика ГЭД строится в относительных единицах на графике характеристик винта, полученном в предыдущем пункте расчёта.

Для обеспечения постоянства мощности ГЭУ при работе в режимах от хода в свободной воде до швартовного желаемая механическая характеристика ГЭД в номинальном режиме строится в виде гиперболы постоянства мощности (ГПМ) в соответствии с зависимостью М_* . После этого графически определяются значения моментов и оборотов ГЭД в точках пересечения характеристик винта и ГПМ (точки А, В, С рис. 1-2). Это точки работы ГЭД в установившихся режимах. Номинальный момент и обороты соответствуют точке пересечения ГПМ и основной характеристики винта.

Из точки А проводится отрезок, соответствующий участку механической характеристики ГЭД, обеспечиваемому регулятором напряжения. Значение частоты холостого хода в соответствии с требованиями Регистра не должно превосходить 20% от номинального.

Участок механической характеристики ГЭД от ГПМ до точки на оси ординат, соответствующей моменту стоянки ГЭД под током M_ст определяется в зависимости от заданного принципа регулирования следующим образом:

• для ГЭУ по схеме постоянства мощности задаётся момент стоянки М_ст =(1,5-2,5)М_н, и из этой точки проводится отрезок до пересечения ГПМ со швартовной характеристикой;

Построение желаемой механической характеристики ГЭД заканчивается  пересчетом ее из относительных единиц в именованные. При этом

 

, Н*м.

 

 

Механическая характеристика двигателя и винта ТР в относительных единицах:

 

1 – характеристика винта при  ходе в свободной воде;

2 – швартовная характеристика;

n, об/мин	100	120	140	160	180	200	220	240
МЖМХ·105, Н·м	6,5	5,7	4,8	4,1	3,6	3,2	2,9	2,6
МШХ·105, Н·м	0.38	0.6	0.86	1.54	1.94	2.4	2.9	3,1
МХСВ·105, Н·м	1,6	2	2,5	3,6	4,9	5,5	6,1	7,2

3 – желаемая механическая характеристика  ГЭД

 

 

Механическая характеристика двигателя  и винта ТР

5.3. Построение желаемой  внешней характеристики главного  генератора

 

При построении внешней характеристики необходимо составить расчетную схему, в которой все генераторы заменяются эквивалентным генератором. В зависимости от схемы включения рассчитываются напряжение и ток эквивалентного генератора. Сопротивление якорной цепи берут равным сумме сопротивлений отдельных генераторов.

Для ГЭУ по схеме постоянства  мощности желаемую внешнюю характеристику получают из желаемой механической характеристики ГЭД путём соответствующего пересчёта оборотов и момента в напряжение и ток главного генератора.

Пересчёт выполняется по следующим формулам.

;

;

 

                                 - момент ГЭД.                               

         Для ГЭУ  по схеме неизменного тока  желаемая внешняя характеристика генератора без учета падения напряжения в его якорной цепи представляет собой два перпендикулярным осям тока и напряжения отрезка, проведенных до этих осей из точки, соответствующей номинальному напряжению генератора и номинальному току. После построения желаемой внешней характеристики необходимо убедиться, что не нарушаются условия: U_Г£ U_Гн; I_Г£ I_Гн.

Все результаты пересчёта сводятся в таблицу.

 

U, B	613	695	787	886	988	1093	1200	1308
I, A	16000	12800	10667	9143	8000	7111	6400	5818

Внешняя характеристика главного генератора.

6. Разработка функциональной схемы

 

Оптимальные в эксплуатационном отношении автоматизированные ГЭУ в режимах переменного момента сопротивления движению судна выполняют две основные функции: осуществляют поддержание постоянства мощности главного двигателя (ГД) и регулирование частоты вращения ГЭД.

Необходимость поддержания постоянства  мощности ГД предъявляет жесткие  требования к механическим характеристикам  ГЭД и внешним характеристикам генератора. Требуемые статические характеристики могут быть получены различными средствами:

- поддержание постоянства мощности  ГД в широких пределах можно  достичь изменением тока и  напряжения генератора;

- поддержание  постоянства мощности ГД в  узких пределах можно достичь  изменением магнитного потока ГЭД как в зависимости от мощности генератора, так и в зависимости от мощности на валу двигателя.

Регулирование частоты вращения ГЭД  можно осуществлять изменением напряжения генератора или ослаблением магнитного потока ГЭД.

Системы управления ГЭУ должны обеспечивать необходимое качество переходного процесса при пуске, реверсе, остановке и изменении скорости судна.

Варианты построения функциональных схем управления весьма разнообразны. В курсовом проекте рекомендуется выбрать один из следующих вариантов, широко распространенных на практике [10].

1. Для судов с тяжелыми условиями плавания (буксиров, ледоколов и пр.), а также некоторых транспортных судов с механической характеристикой ГЭД, имеющей вид, как на рис. 1, для выполнения требования P=const, ограничения момента стоянки и скорости холостого хода необходимы регуляторы мощности, тока и напряжения, включенные параллельно, а также соответствующие измерительные преобразователи, включенные в цепи отрицательных обратных связей.

Работа регулятора тока. Если ток в главной цепи резко возрастает и его значение становится больше допустимого тока стоянки I_ст, то вступает в действие регулятор тока, формируя такой управляющий сигнал для системы управления тиристорами, чтобы ограничить ток до его значения, соответствующего моменту стоянки на механической характеристике. Регулятор мощности при этом находится в насыщении.

Работа регулятора напряжения. Регулятор напряжения осуществляет ограничение напряжения генератора до значения, соответствующего скорости холостого хода стоянки на механической характеристике. В случае резкого снижения тока напряжение генератора возрастает и становится больше значения U_хх. Вступающий в действие регулятор напряжения ограничивает напряжение генератора. Регулятор мощности при этом не действует.

Работа регулятора мощности. Регулятор мощности поддерживает постоянство мощности между точками А и В механической характеристики, т.е. когда n<n_A, M<M_B. Увеличение момента сопротивления на валу ГЭД снижает его частоту вращения, в результате чего возрастает ток. Напряжение генератора снижается под влиянием реакции якоря в большей степени, чем это необходимо для сохранения постоянства мощности. Благодаря отрицательной обратной связи (ООС) по мощности напряжение на выходе регулятора мощности увеличивается. В результате увеличиваются напряжение возбуждения генератора, ЭДС генератора и его мощность. Это происходит до тех пор, пока сигнал на выходе регулятора мощности не станет равным нулю. При снижении тока регулятор мощности действует в обратном направлении.

2. Поддержание постоянства  мощности путем изменения магнитного  потока ГЭД в зависимости от  мощности генератора применяется  на судах с обычными условиями  плавания: пассажирских, грузовых, рыболовных, у которых швартовный режим  является кратковременным, и допустимы кратковременные перегрузки.

Для реализации желаемых характеристик  генератора и ГЭД необходимо, чтобы при изменении момента сопротивления гребного винта магнитный поток ГЭД менялся таким образом, чтобы мощность оставалась постоянной. Так, при снижении момента сопротивления на валу ГЭД уменьшается потребляемая мощность.

Работа регулятора мощности. В основном режиме магнитный поток двигателя номинальный, номинальная мощность, и сигнал на выходе регулятора мощности равен нулю. Уменьшение момента сопротивления на гребном валу приводит уменьшению тока в главном контуре. Таким образом, мощность генератора уменьшается. Регулятор мощности должен работать таким образом, чтобы снижать магнитный поток ГЭД, в результате чего частота вращения ГЭД будет повышаться, а вместе с нею будет повышаться потребляемая мощность.

Регуляторы тока и  напряжения будут ограничивать соответствующие параметры так же, как описано в предыдущем случае.

Таким образом, САУ включает три регулятора: регулятор тока, регулятор напряжения и регулятор мощности.

 

 

7. Выбор возбудителей, постов управления

и избирательных переключателей

 

7.1. Выбор тиристорных  преобразователей для питания  обмоток возбуждения

 

Для судовых условий эксплуатации разработаны тиристоры серий ВКУ, ВКУВ, ВКДУЛ, ВКДУЛВ, Т, ТД, ТВ, которые так же, как и вентили, делятся на классы в зависимости от допустимого номинального амплитудного значения напряжения и на группы — в зависимости от среднего за период падения напряжения на открытом тиристоре при прохождении номинального тока.

Выбор тиристорных преобразователей производится по справочнику [1-3] или Приложению 4, исходя из данных машин главной цепи ГЭУ, выбранной системы возбуждения (индивидуальная, централизованная, смешанная), схемы включения обмоток возбуждения, и учетом необходимости обеспечения примерно двукратной форсировки напряжения и тока возбуждения.

Мощность  возбуждения принимается равной 0,5% от мощности генератора и 0,6-1% от мощности ГЭД (меньшие значения для ГЭД мощностью выше 10000 кВт, большие – для ГЭД мощностью меньше 10000 кВт). С учетом обеспечения необходимой форсировки возбуждения в переходных режимах, полученная мощность увеличивается в 2-2,5 раза.

Кроме основных возбудителей рекомендуется  предусматривать резервные возбудители, которые с помощью специальных переключателей могут быть подключены к схеме возбуждения взамен вышедшего из строя основного возбудителя.

При применении двухъякорных ГЭД обычно предусматривается один резервный возбудительный агрегат для обоих контуров главного тока (для якоря ГЭД и работающих на него генераторов); резервные возбудители могут включаться в схему взамен любого из двух рабочих возбудителей.

В пояснительной записке приводятся сведения о требованиях Регистра к системам возбуждения, описания достоинств и недостатков тиристорных возбудителей, схем включения, возможных режимов работы и способов управления.

Выбираем :

Характеристики	ВАКС-150-330 (нереверсивный)
Питающей сети: напряжение, В частота, Гц число фаз ударный ток короткого замыкания на зажимах преобразователя не более, кА   Сигнала управления: напряжение, В ток не более, А коэффициент пульсаций напряжения не более, %   Преобразователей в номинальном  режиме: напряжение, В ток, А КПД не менее коэффициент мощности не менее	380 19 50 2,5 3   60     0,24 0,01     2       220 300 0,85 0,45

 

7.2. Выбор постов управления

 

Посты управления выбираются по справочной литературе [4], исходя из требуемого количества режимов и уровня выходного сигнала.

Пост управления служит для изменения  режима работы ГЭД (регулирования мощности, частоты вращения и направления вращения ГЭД и т. п.) [4].

Выход поста управления является управляющим  сигналом системы регулирования и может подаваться на обмотки возбуждения генераторов и ГЭД или их возбудителей или на вход регулятора (например, регулятора мощности, регулятора частоты вращения и т. п.).

Как правило, пост управления имеет  одно среднее — нулевое — положение «стоп» и по 15—20 положений «вперед» и «назад». Иногда для более четкой и гарантированной остановки ГЭД применяют «расширенное нулевое положение», при этом на первых положениях «вперед» и «назад» возбуждение ГЭД и генераторов еще не включается.

В качестве постов управления ГЭД  могут использоваться контактные (реостат, потенциометр и т. п.) или бесконтактные (сельсин, вращающийся трансформатор и т. п.) аппараты. Повышение надежности контактных постов управления может быть достигнуто применением неподвижных контактов, управляемых электромагнитным полем и заключенных в вакуумный сосуд (например, герконов и т. п.).

При выборе типа поста управления учитываются возможности обеспечения необходимого (равномерного или по определенному закону) прироста мощности или частоты вращения ГЭД по положениям поста управления.

Это достигается, например, подбором величины ступеней сопротивления потенциометрического реостата поста управления или получением соответствующей формы выходного напряжения бесконтактного поста управления. Как правило, посты управления имеют равномерное приращение угла поворота по положениям, поэтому практически равномерное приращение частоты вращения (мощности) ГЭД от минимального до максимального значения достигается при прямолинейной зависимости выходного сигнала от положения поста управления.

В некоторых постах управления предусматриваются  моторные приводы потенциометрических реостатов (или сельсинов), что позволяет осуществлять затяжку во времени изменения задающих сигналов цепи возбуждения — это обеспечивает более спокойное протекание переходных процессов при изменении режима работы ГЭУ.

На судне предусматривается  как минимум два поста управления ГЭД; основной и резервный.

Основной пост управления располагается  в ходовой (рулевой) рубке, резервный — непосредственно у гребного электродвигателя или в щите электродвижения. Иногда схемами электродвижения предусматривается дистанционный набор режима работы ГЭУ (включение в работу генераторов) из центрального поста управления силовой установкой судна (ЦПУ), без постоянной вахты у щитов электродвижения и ГЭД. В этом случае резервный пост управления гребными электродвигателями устанавливают в ЦПУ — либо в виде отдельного аппарата, либо встроенным в пульт электродвижения.