Проектирование СЭУ морского танкера

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью данного проекта является проектирование СЭУ морского танкера; выбор типа СЭУ и технико-экономическое обоснование выбора ГД, типа передачи мощности; расчет теплоснабжения судна; выбор автономных и утилизационных котлов; расчет запасов топлива, масла и технической воды; выбор оборудования и устройств СЭУ; выбор СЭС.

 

1.  ОПИСАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  ПРОЕКТИРУЕМОГО СУДНА.

 

В данном проекте судовая энергетическая установка проектируется для морского танкера Bernhard Schulte грузовместимостью 9100 м.куб нефтепродуктов. Класс Морского Регистра  «М».

Тип судна - одновинтовой двухпалубный танкер с баком и ютом, с двойным дном и двойными бортами. Назначение – перевозки нефтепродуктов

 

Главные размерения судна:

Длина габаритная,   Lгб                                            120,4 м             

Длина расчетная,   Lквл                                                      112,4 м              

Ширина габаритная,   Вгб                                        19.9 м               

Ширина по КВЛ,   Вквл                                                   19,9 м     

Высота борта,   Н                                                      11,2 м 

 

Количество гребных винтов                                    1         

Скорость хода,  V       19,5

Автономность,  А       15 суток

Экипаж,  n        14 человек

 

Водоизмещение в грузу, D      10119 т.                                 

 

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТИПА СЭУ

 

Выбор типа СЭУ – одна из наиболее ответственных задач разработки проекта  нового судна. Выбор производят  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 судна. При окончательном выборе типа СЭУ учитывается не только возможность достижения оптимальных показателей, но и реальность поставок нового типа основного оборудования в требуемых количествах и в необходимые сроки, а также преимущества, которые может дать применение на новых судах оборудования, принятого для ранее построенных судов.

Исходными данными для выбора типа СЭУ в общем случае являются:

  • тип и назначение судна, район эксплуатации и дальность плавания;
  • скорость хода судна и основные характеристики корпуса;
  • требования к маневренным качествам СЭУ;
  • ориентировочные расходы энергии на судовые механизмы, системы и устройства на основных эксплуатационных режимах.

Наиболее важными требованиями к СЭУ транспортных судов являются:

  • простота;
  • компактность;
  • высокая надёжность;
  • экономичность. 

Исходя из вышесказанного, проведем сравнение различных типов и выбор типа СЭУ.

 

2.1. Дизельные  энергетические установки (ДЭУ)

 

Дизельные энергетические установки в настоящее время получили широкое применение на судах различного назначения вследствие ряда положительных особенностей:

  • возможность создания больших агрегатных мощностей на базе стандартных типоразмеров цилиндров;
  • сравнительно высокая экономичность;
  • доступность различных типов передач;
  • относительная простота автоматизации управления.Широкому распространению ДЭУ способствует непрерывное улучшение их технико-эксплуатационных показателей вследствие совершенствования наддува и рабочего процесса, применения тяжелых сортов топлива.

 

2.2. Газотурбинные  энергетические установки (ГТУ)

 

Газотурбинные установки применяются в основном на судах с динамическими принципами поддержания, а на водоизмещающих транспортных судах в настоящее время практически не применяются.

Основными преимуществами простейших ГТУ по сравнению с другими типами СЭУ являются:

  • большая агрегатная мощность при минимальной удельной массе и габаритах;
  • простота обслуживания;
  • приспособленность к автоматизации и дистанционному управлению.

          Вместе с тем ГТУ имеют и  ряд недостатков:

  • относительно низкая экономичность из-за ограниченной начальной температуры газа;
  • зависимость надежности и экономичности ГТУ открытого цикла от коррозионного воздействия внешней среды;
  • жесткие требования к качеству топлива, используемого в ГТУ открытого типа;
  • трудность осуществления реверса;
  • большие размеры воздухо - и газоходов, что усложняет компоновку ГТУ на судне.

 

2.3. Паротурбинные  энергетические установки (ПТУ)

 

Недостатком этих установок по сравнению с другими является низкая экономичность. Повышение экономичности возможно за счет применения дешевых сортов топлива и повышения КПД отдельных составляющих частей ПТУ.

Паротурбинные энергетические установки применяются в основном на морских судах с большими потребными мощностями на валу (200-300 тыс. кВт).  Достигнутые успехи в области повышения тепловой экономичности и надежности ПТУ сделали возможным их применение на судах с мощностью на гребном валу более  20 тыс. кВт.

Так как проектируемое судно имеет значительно меньшую мощность, то применение на нем ПТУ нецелесообразно.

Низкая экономичность ГТУ и их худшая приспособленность к реверсу также исключают ее применение на танкере. 

Таким образом, в качестве главной энергетической установки на проектируемом судне будем использовать дизельную установку.

 

3. ВЫБОР И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ  ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА 

    ГЛАВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И  ТИПА ГЛАВНОЙ ПЕРЕДАЧИ

 

Главная энергетическая установка транспортного судна проектируется обычно, исходя из условия обеспечения ему заданной скорости хода при оптимальном использовании мощности.

Потребная мощность ГЭУ находится на основе определения сопротивления движению судна, характеристик гребных винтов и оценки их взаимодействия с корпусом.

Выбор главных двигателей и типа передачи мощности гребным винтам рассматривается как поиск такого варианта пропульсивного комплекса, который обеспечивал бы наиболее эффективные технико-экономические и эксплуатационные показатели судна.

 

3.1. Сравнительный  анализ показателей выбранных  двигателей как независимых агрегатов

 

Высокие технико-экономические, эксплуатационные и другие качества энергетической установки в значительной степени обусловлены показателями главного двигателя. Технический уровень двигателя, как и любого другого изделия, оценивается с помощью показателей качества. По каждому из показателей выбранные двигатели ранжируются, им присваиваются баллы в соответствии с занятыми местами.

Рассматриваемые двигатели ранжируются по следующим показателям:

  • число цилиндров i;
  • диаметр поршня D;
  • средняя скорость поршня сm, м/с;
  • среднее эффективное давление Ре, МПа;
  • масса двигателя М, кг;
  • удельный расход топлива be ;
  • удельный расход масла bm , кг/кВт ч;
  • удельная поршневая мощность Nп , кг/кВт ч;
  • ресурс Rc, тыс. ч;
  • уровень шумности L,  дб;
  • габаритные размеры:  Lд , Bд , Hд;

Характеристики двигателей представлены в таблице 3.1.

Для каждого двигателя выполняется суммирование баллов по всем показателям. Результаты оценки и суммирование приведены в таблице 3.2.  

 

 

 

Характеристики различных типов двигателей                                                                                                                                    Таблица 3.1 

 

Фирма

Обозначения

Стандартные

Конструктивные особенности

рабочих цилиндров двигателя

Классификационные

Показатели

(номинальные)

Удельный расход на номинале

Массо-габаритные показатели

Уровень шумности,

L, дб

Ресурс до кап. ремонта

Rc,

Тыс. ч

Степень сжатия

e

Удельн.

поршн.

мощн. Nп, кВт/м2

Масса

Габаритные показатели

 

  Располо-

    жение

 

   

 

i

 

D,см

 

S, см

 

S/D

Частота вращения,

 n, мин.-1

Средняя

скорость

поршня

Cm, м/с

Эффект. Мощность агрегатная

Ne, кВт

Ср. эфф.

давление

Pe, Мпа

Крутящ. момент

на валу, кН.м

Топливо

г/кВт.ч

Масло

г/кВт.ч

Gд, кг

Lд, м

Bд, м

Hд, м

Hanshin

6Ч54/86

R

6

54

86

2

280

7 

750

1

25,637

158

1

8600

7

3

4

107,7

80

0

33

Wartsila-Vasa,

Финляндия

4ЧН22/26

R

4

22

26

1,18

1100

9,53

750

2,08

6,511

189

2,20

6600

3,6

1,5

2,4

97,9

82

0

49,3

M.A.N.-B&W,

Германия-Дания

  6ЧН22,5/30

R

6

22,5

30

1,33

800

8

880

1,68

10,505

192

1

11500

3,7

1,6

2,5

   102,4

30

0

36,9

SKL,ГДР

8ЧН32/48

R

8

32

48

1,5

375

6

852

0,88

21,698

215

  1,8

5600

6,1

1,8

2,9

100,3

92

0

13,2

Россия

8ЧН26/26

V

8

26

26

1

860

7,45

800

0,742

8,884

224

1,5

9200

3,3

2,2

1,7

101,8

40

0

18,8


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравнительный анализ показателей главных двигателей                                                                                                       Таблица3.2

Марка  двигателя

Показатели

Сумма баллов

Фирма

Обозначение

i

D

S/D

Cm

Pe

be

bм

Gд

Lд

Bд

Hд

L

e

Rс

Nп

Hanshin

6Ч54/86

1

5

1

2

3

1

1

3

5

5

5

5

    1

3

    3

44

Wartsila-Vasa,

Финляндия»

4ЧН22/26

1

1

4

5

1

2

4

2

2

1

2

1

    1

2

    1

30

M.A.N.-B&W,

Германия-Дания

6ЧН22,5/30

1

2

3

4

2

3

1

5

3

    2

3

4

    1

    5

2

41

SKL,ГДР

8ЧН32/48

1

4

2

1

4

4

3

    1

4

3

4

    2

    1

    1

    5

     40

Россия

8ЧН26/26

1

3

5

3

5

5

2

4

1

4

    1

3

1

    4

    4

     46


 

 

 

   Таким  образом установлены критерии  для окончательного выбора дизеля ,который, по сравнению с другими,наилучшим образом может быть применен в качестве главного двигателя на заданном судне.Расчет ведется с учетом весовых коэффициентов в таблице 3.3

а1=1,8      а3=1,4       а5=1,1      а7=0,8       а9=0,2

а2=1,6      а4=1,2       а6=0,9      а8=0,4

                                                                                                                     Таблица 3.3

Обозначение

Rс

L

Bд

Gy

Pe

Nп

Cm

be

bм

Сумма баллов

Hanshin

5,4

8

7

3,6

3,3

2,7

1,6

0,4

0,2

32,2

Wartsila-Vasa,

Финляндия»

3,6

1,6

1,4

2,4

1,1

0,9

4

0,8

0,8

16,6

M.A.N.-B&W,

Германия-Дания

9

6,4

2,8

6

2,2

1,8

3,2

1,2

0,2

32,8

SKL,ГДР

1,8

3,2

4,2

1,2

4,4

4,5

0,8

1,6

0,6

22,3

Россия

7,2

4,8

5,6

4,8

5,5

3,6

2,4

2

0,4

36,3


 

                                                       

Из рассмотренных типов двигателей по результатам суммирования баллов по всем показателям в качестве главных двигателей для дальнейшего проектирования выбираем двигатель фирмы WARTSILA-VASA,  Финляндия,  4ЧН22/26.

Двигатель четырехтактный среднеоборотный (n =1100 об/мин) с наддувом, мощностью Ne=750 кВт, что удовлетворяет заданию с некоторым запасом. Выбор обуславливается следующими положительными качествами данного двигателя:

  • необходимой агрегатной мощностью;
  • относительной экономичностью (небольшой расход масла и топлива);
  • возможностью использования дешёвых сортов топлива;
  • большим ресурсом;
  • надежностью;
  • невысоким уровнем шума и вибрации.

  Так как число оборотов выбранного  двигателя не входит в допустимый  диапазон 

(см. к.п. по ОК), то устанавливаем редуктор с передаточным отношением i=4.

            

 

 

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ ВАЛОПРОВОДА

4.1. Выбор  количества валов

Выбор количества валов зависит от мощности установки, назначения судна и его осадки, а также требований, предъявляемых к маневренности и живучести суднаничении диаметра винта осадкой судна;

  • при необходимости обеспечения высоких маневренных качеств судна

     для повышения живучести  СЭУ.

Число валов определяется назначением судна, районом плавания, типом, мощностью и числом главных двигателей.

С учетом изложенного на проектируемом судне целесообразно использовать двухвальную установку. Это объясняется наличием двух главных двигателей и невозможностью передачи всей мощности на один вал из-за  ограничения  диаметра  винта

(Dв £ 4,8м) вследствие малой осадки.

 

4.2. Расчет  основных элементов валопровода

 

Проектирование судового валопровода дизельной установки проводится в соответствии с требованиями Правил Речного Регистра России [Т.2].

             

  4.2.1. Промежуточный вал

 

В соответствии с Правилами Речного Регистра России  (п.2.2.) диаметр промежуточного вала dпр. должен быть не менее определяемого по формуле:

dпр , мм,

 

где L - коэффициент  для валов судов класса «М», L =24,7

Р - расчетная мощность, передаваемая валом, Р=750 кВт

            n - номинальная частота вращения промежуточного вала, n = 5,5 c-1;

k - коэффициент для дизельных установок,

k = q (a-1);

            для четырехтактных двигателей q = 0,4;

 

a – коэффициент, a= 2,15; 

k =0,4·(2,15-1)=0,46

 

dпр.= 144,2 мм.

 

Для дальнейших расчетов  принимается диаметр промежуточного вала  dпр = 145 мм.

  4.2.2. Упорный вал

 

В соответствии с пунктом 2.3. Правил Регистра диаметр упорного вала dуп в районе упорного гребня должен превосходить диаметр промежуточного dпр не менее, чем на 10%

 

dуп = 1,1 dпр =1,1*145=159,5 мм.

               Принимается диаметр упорного  вала  dуп=160 мм.  

 

             4.2.3. Гребной вал

Диаметр гребного вала dг должен быть не менее определенного по формуле

dг=1,1.dпр. + k.DB , мм,

где k = 7   - для вала со сплошной облицовкой и для вала без облицовки с масляной смазкой дейдвудных подшипников;

DB =2 м - диаметр винта.

dг=1,1·145+7·2=173,8 мм.

Принимается диаметр гребного вала dг =190мм.

Для защиты вала от коррозии применяем бронзовую облицовку. Толщина бронзовой облицовки S должна быть не менее:

S ³ 0,03.dг + 7,5 , мм,

S ³ 13,2 мм.

Толщина бронзовой облицовки принимается равной S =14 мм.

Наряду с определением основных размеров валопровода по Правилам Морского Регистра России определяется критическая частота вращения вала и проводится проверка вала на продольную устойчивость.

4.3. Проверка  валопровода на продольную устойчивость

Проверка на продольную устойчивость выполняется при больших длинах пролетов между опорами и при малом поперечном сечении вала. Необходимость проверки вала на продольную устойчивость устанавливается в зависимости от его гибкости:

l = Lmax / i,

где Lmax  - длина вала между опорами, Lmax = 3,5 м;

i  - радиус инерции сечения вала:

i =

, м,

I  - момент инерции сечения  вала,

I = p.dг2/64=0,0018

F - площадь поперечного сечения  вала,

F = p.d2/4 =0,028

i =0,25

l =3,5/0,25=14

При  l < 80  вал  считается  жестким  и  его  расчет  на  продольную  устойчивость  не производится.

            4.4. Проверка критической частоты  вращения гребного вала.

          Для определения критической  частоты вращения гребного вала  при поперечных коле-баниях валопровод условно заменяется двухопорной балкой с одним свешивающимся кон-цом. Частота вращения вала, при которой возникают его поперечные колебания вычисляют-ся так:

                                    n2кр=(1-3,3(l2/l1)3·(q2/q1))·30·П/l12·√E·I·g/q1 ,  c-1

         где  l2=1,5м - расстояние от середины опоры в кронштейне до центра масс гребного

         винта, м;

                 l1=8,8м – остальная длина гребного вала, м;

                q1 - интенсивность нагрузки вала собственной массой пролета вала длиной l1, кН/м,

                                                                        q1=6dг2 ,

                                                                q1=6·0,192=0,217,

                 q2 – интенсивность нагрузки пролета вала длиной l2, кН/м,

                                                                    q2=q1+Gв/l2,

                                                              Gв=1,47· Dв3·O, кН,

         где  Dв=2м – диаметр гребного винта, м;

                О=0,5 – дисковое отношение гребного  винта;

                                                        

Gв=1,47·23·0,5=5,88 кН,

                                                        q2=0,217+5,88/1,5=4,1 кН/м;

                Е=2,16·106кПа – модуль упругости;

                I=Пdг4/64=3,14·0,194/64=0,000064м4-экваториальный момент инерции сечения вала         

                относительно его оси;

                g=9,8м/с2-ускорение свободного падения.

     n2кр=(1-3,3(1,5/8,8)3·(5,1/0,217))·30·3,14/8,82·√2,16·106·0,000064·9,8/0,217 =  66об/c

           Критическая частота вращения  вала должна быть значительно  больше ее номинально-  го значения n2н, при этом необходимый запас частоты вращения должен составлять:

                                                     kн=((n2кр-n2н)/n2н)·100%>20%,

                                             kн=((66-5,5)/5,5)·100%=1100%>20%.

5. РАСЧЕТ  ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ СУДНА ВЫБОР

АВТОНОМНОГО И УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛОВ

 

Вспомогательные, утилизационные и комбинированные котельные установки предназначены для обеспечения паром низких параметров на стояночном и ходовом режимах вспомогательных потребителей СЭУ и общесудовых потребителей с ДУ и ГТУ -  для отопления помещений, санитарно-бытовых нужд, для обеспечения работы главной энергетической установки (подогреватели топлива, масла и т.д.). Автономные котлы используют тот же сорт топлива, что и главные установки.

 

5.1. Расчет  общего максимального потребления  теплоты по всему судну

на ходовом и стояночном режимах.

 

Максимальное потребление теплоты в стояночном режиме.

 

Qåc = kо.kc.kз.(Qoт + Qcб + Qт) (кДж/ч),

 

где kо - коэффициент одновременности, kо = 0,8;

kc - коэффициент запаса, kc = 1,1;

kз - коэффициент загрузки потребителей на стояночном режиме, kз = 0,77;

Qот - расход теплоты на отопление помещений для наливных судов,          

Qот = 20000 + 10.G, кДж/ч,

G - грузоподъемность судна, G = 6300 т;

Qoт =20000 + 10.6300 = 83000 (кДж/ч);

Qсб - расход теплоты на санитарно-бытовые нужды,

Qсб = nк (gм + gп), кДж/ч;

nк - число членов экипажа, nк = 14 чел;

gм - расход теплоты на приготовление горячей мытьевой воды, gм = 500 кДж/(ч×чел);

gп  - расход теплоты на приготовление питьевой кипяченой воды,

 gп = 100 кДж/(ч×чел);

 

Qсб = 14.(500 + 100) = 8400 (кДж/ч);

Qт - расход теплоты на технические нужды,

Qт = 0,14.(Qот + Qсб) , кДж/ч,

Qт = 0,14.(83000 +8400) = 12796 (кДж/ч);

Qåc = 0,8.1,1.0,77.(83000 + 8400 + 12796) = 70603 (кДж/ч).

 

Максимальное потребление теплоты в ходовом режиме:

 

Qåx = kо.kc.kз.(Qoт + Qcб + Qт), кДж/ч,

 

где kо - коэффициент одновременности на ходовом режиме kо = 0,95;

kc - коэффициент запаса, kc = 1,1;

kз - коэффициент загрузки потребителей на ходовом режиме, kз = 0,9;

 

Qåx = 0,95.1,1.0,9.(83000 + 8400  + 12796) = 97996 (кДж/ч).

 

Общее количество теплоты, которое может быть утилизировано:

 

Qут = 0,85.Ne.qг.Cp.(Tвх - Tух).hк, кДж/ч,

 

где Ne - эффективная суммарная мощность главных двигателей, Ne= 1500 кВт;

qг  - количество газов выходящих из двигателя, qг =  6,8 кг/(кВт-ч);

Cp - массовая теплоемкость газов, Cp = 1,13 кДж/(кг-град);

Tвх - температура газов на входе в котел, Tвх = 793 К;

Tyx - температура уходящих газов за котлом, Tyx = 473 К;

hк - коэффициент потери теплоты в окружающую среду, hк = 0,95;

 

Qyт = 0,85.1500.6,8.1,13.(793 - 473).0,95 = 29783 (кДж/ч).

 

5.2. Выбор автономного и утилизационного  котлов

 

Автономный котел выбираем по величине общего потребления теплоты в стояночном режиме Qåс.

Qåc = 70603 кДж/ч = 20,0 кВт.

Выбирается газотрубный автоматизированный котел КОАВ - 63.

Так как Qут (Q(х, то производительность утилизационного котла выбирается  по  величине  общего  потребления  теплоты  в ходовом режиме Q(х = 97996 кДж/ч = 27 кВт.

Выбираем утилизационный водогрейный котел КАУ-1,7.

 

 

5.3. Характеристики автономного  котла

 

Характеристики автономного котла приведены в таблице 5.1.

                       Таблица 5.1.

Основные характеристики автономного котла КОАВ - 63

ХарактеристикаЗначение Тепловая мощность Nк, кВт73 Рабочее давление воды P, МПа 0,12 Температура воды (наибольшая) на выходе из котла tгв, оС103 К.П.Д. (, %86 Температура уходящих газов tух, оС280Площадь поверхности нагрева F, м22,5 Теплонапряженность топочного объема qт, МВт/м3.ч3,8 Теплонапряженность поверхности нагрева qн, кВт/м229,2 Масса котла с водой Gк +Gв, кг670 Масса котла без воды Gк, кг590

Проектирование СЭУ морского танкера