68
Tadeusz Borkowski
Siłownie okrętowe
Notatki z wykładów część II
1. Charakterystyki ustalonych stanów pływania 1
2. Charakterystyki śrub swobodnych 9
2.1. Parametry geometryczne śrub okrętowych 9
2.2. Wzajemne oddziaływanie kadłuba statku i śruby okrętowej 10
2.3. Sprawność napędowa i sprawność śruby 11
2.4. Posuw i poślizg śruby 13
2.5. Charakterystyki hydrodynamiczne śrub swobodnych 14
3. Charakterystyki obrotowe 18
3.1. Śruba stała 18
3.2. Śruba nastawna 19
3.3. Pole pracy (obciążeń) i wybrane charakterystyki tłokowych silników spalinowych napędu głównego 20
4. Zasady doboru silników napędu głównego 31
4.1. Zapotrzebowanie mocy silnika napędu głównego 31
4.2. Pola parametrów kontraktowych silników wolnoobrotowych 37
5. Pola obciążeń silników głównych 43
5.1. Pole pracy wybranych silników wolnoobrotowych i Średnioobrotowych 50
Silniki Wartsila NSD - RTA 50
Pole pracy silników MAN B&W – MC i MCE 51
5.2. Pola pracy silników czterosuwowych 52
Pole obciążeń silnika Sulzer typu ZA40. 52
Pola obciążeń silników MAN-B&W typu L 53
Silniki Wartsila – Vasa 57
Rozróżniamy dwie różne postacie ruchu statku:
· z jednostajną prędkością po linii prostej - stan ustalony pływania,
· niejednostajny, ze zmieniającą się prędkością na przykład w czasie manewrów ruszania statku, przyspieszania, hamowania, przejścia na ruch w przeciwnym kierunku, wykonywania cyrkulacji itp., to znaczy procesy przejściowe pływania.
Ruch na fali, nawet ze średnią ustaloną prędkością, także jest właściwie w jakimś stopniu dynamiką pływania – istnieje przecież ruch statku „na falę" i „z fali". Zrozumiałe, że w pierwszym przypadku, urządzenia pracują z ustalonymi parametrami (statyka pracy), zaś w drugim wskutek zmian obciążenia zmieniają się parametry ich pracy, zachodzą procesy przejściowe (dynamika pracy). W czasie procesów przejściowych występują zazwyczaj duże obciążenia, a nawet przeciążenia podzespołów układów napędowych, w tym przede wszystkim silników głównych napędu. Charakterystyki obciążeniowe podczas dynamiki pływania są zupełnie inne (różne) niż charakterystyki statyki pływania. Dalsze rozważania ograniczą się, na razie, wyłącznie do problemów statyki pływania.
Na kadłub statku z własnym napędem, poruszający się ruchem jednostajnym z prędkością v po spokojnej wodzie, działają siły poziome, co przedstawia rysunek 1.1.
Rys.:1.1. Siły poziome działające na kadłub podczas pływania ustalonego: R - siła oporu kadłuba statyki pływania działająca przeciwnie do kierunku ruchu statku; DT - siła ssania jako skutek pracy śruby, która wywołuje obniżone ciśnienie wody w obszarze rufy statku - jest skierowana w kierunku odwrotnym do ruchu statku; T - siła naporu śruby jako efekt działania śruby napędowej - działa zgodnie z kierunkiem ruchu statku
Siła T, jest to zapotrzebowany (konieczny) napór śruby, by zapewnić ruch statku z ustaloną, prędkością v. Dla ruchu ustalonego, wyżej wymienione siły wzajemnie się równoważą.
Mówimy, że w czasie pracy okrętowego układu napędowego śruba wytwarza siłę naporu T, której tylko część TN jest siłą napędzającą statek (pokonywanie oporu R). Pozostała część DT, zwana siłą ssania śruby, równoważny wzrost oporu wywołany obniżonym ciśnieniem wody za rufą wskutek pracy ssania śruby.
Opór statku dla ruchu z ustaloną prędkością zależy od następujących czynników:
· prędkości statku – przy czym dla kadłubów typu wypornościowego w przybliżeniu R » v2,
· wymiarów głównych (wielkości statku) i kształtu kadłuba,
· zanurzenia statku (stanu załadowania) oraz jego przegłębień,
· stanu powierzchni kadłuba,
· głębokości i szerokości akwenu pływania,
· warunków pogodowych (stanu morza, siły i kierunku wiatru).
Na sfalowanym morzu opór kadłuba zmienia się okresowo, jednakże w praktyce zwykło się przyjmować wartości uśrednione i traktować proces jako pływanie z ustaloną prędkością.
Wielkość oporów pływania zazwyczaj określa się bądź drogą obliczeniową, bądź dokładniej poprzez badania modelowe. Do tego należy doliczyć dodatkowy opór części wystających z kadłuba pod wodą, opór powietrza części nadwodnej kadłuba, a także ewentualny wzrost oporu, jeśli przewiduje się pływanie z niezerowym trymem. Można przyjąć, że dodatkowy wzrost oporów, jedynie z powodu części wystających z kadłuba pod wodą i oporu powietrza, wynosić może 2-10% oporu obliczeniowego przy małych i średnich prędkościach pływania, a 15 % lub nawet więcej przy dużych prędkościach pływania. Należy doliczyć również tzw. naddatek żeglugowy, którego wielkość zależna jest od przewidywanego rejonu pływania statku (wynosić może do 25% obliczeniowego oporu pływania). Poza tym dla statków o długim okresie międzydokowym należy uwzględnić, zależnie od rejonu pływania, wpływ porastania podwodnej części kadłuba na wzrost oporów. Dopiero tak określona wielkość oporów pływania może stanowić podstawę do projektowania układu napędowego.
Moc holowania Nh może być określona także od strony silnika:
Charakterystyką oporową (krzywą oporów) statku z różnymi prędkościami v, nazywa się zbiór zależności R = f(v), przy założeniu ustalonych stanów pływania.
Pogorszenie warunków pływania, na przykład zwiększenie załadowania (zanurzenia), porośnięcie kadłuba, pogorszenie warunków pogodowych, pływanie na płytkiej wodzie bądź w wąskim kanale, ewentualne przegłębienia statku, powoduje, że przy tej samej prędkości statku następuje zwiększenie oporu jego ruchu i tym samym przesunięcie punktów charakterystyki oporowej ku górze – charakterystyka przesuwa się w lewo. W razie polepszenia warunków pływania następuje zjawisko odwrotne – charakterystyka oporowa przesuwa się w prawo.
Charakterystyka naporu śruby (krzywa naporu T) dla różnych prędkości statyki pływania, jest zbiorem zależności T = f(v). Przedstawia ona wymagany (zapotrzebowany) napór śruby w funkcji prędkości statku. Przebieg tej charakterystyki zależy od tych samych czynników, jak w przypadku charakterystyki oporowej, oraz od wielkości siły ssania śruby napędowej DT (inaczej od współczynnika ssania śruby t = DT/T.
Ponieważ T = f (R, DT), w przybliżeniu dla kadłubów typu wypornościowego można traktować, że także T » v2.
Rys. 1.2. Charakterystyka oporowa oraz naporu śruby statyki pływania
W przypadku, gdy silnik napędza śrubę okrętową, dla ustalonych warunków pływania zachodzi równość mocy zapotrzebowanej przez śrubę i dostarczanej przez silnik.
gdzie:
Ns - moc pobierana (zapotrzebowana) przez śrubę z uwzględnieniem strat w linii wałów i ewentualnej przekładni;
Ne - moc efektywna rozwijana przez silnik.
W powyższej zależności nie uwzględniono strat tarcia linii wałów i ewentualnej przekładni. Dokładniej powinno być odpowiednio w kolejności:
Ntr - moc strat tarcia w linii wałów,
Mtr - moment strat tarcia w linii wałów,
Mr - moment strat w przekładni i ewentualnie sprzęgle.
Jeśli występuje napęd bezpośredni, wtedy zachodzi także równość momentów i prędkości obrotowej śruby oraz silnika:
ns = n
Ms- moment pobierany (zapotrzebowany) przez śrubę,
Me - moment użyteczny dostarczany przez silnik,
ns - prędkość obrotowa śruby,
n - prędkość obrotowa silnika.
Natomiast, jeśli występuje przekładnia, wtedy przy pominięciu strat:
ik = ns/n- przełożenie konstrukcyjne przekładni
Silnik napędzający śrubę okrętową nie pracuje w całym obszarze możliwych stanów pracy, lecz tylko w zakresie parametrów, jakie określa zapotrzebowanie momentu i mocy przez śrubę napędową w miarę zmiany jej prędkości obrotowej. Potocznie mówi się, że silnik pracuje według charakterystyki śrubowej, a należy rozumieć, że jest to charakterystyka obrotowa obciążenia silnika przez śrubę okrętową.
Moc holowania statku jest proporcjonalna do iloczynu jego oporów i prędkości pływania.
Wówczas zapotrzebowanie mocy napędu głównego statku (charakterystyka śrubowa mocy) ma postać:
Zależnie od typu kadłuba charakterystyki oporowe R = f(v) mają różny przebieg, a więc różny też jest przebieg charakterystyk śrubowych mocy. Na rysunku przedstawiono porównanie przebiegów charakterystyk śrubowych mocy dla różnych typów kadłubów (w odniesieniu do tej samej wyporności).
Rys. 1.3. Jednostkowe (na jednostkę wyporności) zapotrzebowanie mocy napędu głównego w funkcji prędkości pływania dla różnych kadłubów statków
Nie należy traktować położenia tych krzywych w sposób jednoznaczny, z tej przyczyny, że opory pływania są proporcjonalne do kwadratu wymiarów liniowych kadłuba, zaś wyporność do trzeciej potęgi. Charakterystyki śrubowe mocy dla różnych jednostek pływających będą przesunięte bardziej w prawo niż dla podobnych, ale mniejszych rozmiarami. Poza tym, na przebieg charakterystyki śrubowej mocy, duży wpływ ma kształt kadłuba (opływ wody) oraz stan jego powierzchni.
W ogólności można przyjąć, że charakterystyki śrubowe każdej jednostki pływającej mogą być wyrażone w postaci:
Wartości współczynników a oraz b zależne są przede wszystkim od:
· wielkości jednostki,
· warunków zewnętrznych -WZ (stan załadowania, porośnięcie kadłuba, trym i przechyły oraz warunki pogodowe),
· w znacznie mniejszym stopniu - od prędkości pływania v.
Natomiast wartości wykładników potęgowych u oraz z zależą przede wszystkim od rodzaju pływania (wypornościowe, ślizgowe) a tym samym i prędkości pływania v, a także w jakiejś mierze (w mniejszym stopniu) od warunków zewnętrznych pływania WZ. Dokładniej, więc wzory na moc zapotrzebowaną powinny mieć postać:
Podczas pływania wypornościowego (z ustaloną prędkością) opory w przybliżeniu są proporcjonalne do kwadratu prędkości (większe odstępstwa są przy bardzo małych i bardzo dużych prędkościach ruchu).
Zapotrzebowanie mocy napędu (charakterystyka śrubowa mocy) jest wówczas w przybliżeniu proporcjonalne do trzeciej potęgi prędkości pływania.
Posługiwanie się charakterystyką śrubową wyrażoną w funkcji prędkości statku jest dość niewygodne, gdyż stanowi parametr trudno mierzalny i zazwyczaj mało dokładnie określony. Wygodniej jest charakterystykę tę przedstawiać w funkcji wielkości obrotów śruby (silnika), który to parametr jest łatwo mierzalny i należy do podstawowych parametrów sterowania pracą układu napędowego.
Podczas pływania wypornościowego (i jedynie dla tego rodzaju pływania) prędkość statku w przybliżeniu jest proporcjonalna do wielkości obrotów śruby napędowej (v = e×n). Wtedy teoretycznie charakterystyka śrubowa mocy może być przedstawiona zależnością:
Podobnie można sporządzić przybliżoną teoretyczną charakterystykę śrubową momentu. Jako że M = N/2×p×n, stąd wynika, że teoretyczna charakterystyka śrubowa momentu będzie miała postać:
d = a/2×p
Jednostki pływające, o wyporze dynamicznym (ślizgowe, wodoloty, poduszkowce) przy określonej prędkości przechodzą z pływania wypornościowego do pływania na zasadzie wyporu dynamicznego. Wtedy wykładniki potęgowe ich charakterystyk śrubowych u stają się znacznie mniejsze. Nie zachodzi też wtedy proporcjonalność prędkości pływania do wielkości obrotów śrub napędowych.
Spośród wielu krzywych trzeciego stopnia (N = a×n3) - teoretycznych charakterystyk śrubowych mocy jest jedna, która przechodzi przez punkt parametrów nominalnych. Podobnie jest w przypadku teoretycznych charakterystyk śrubowych momentu to znaczy parabol drugiego stopnia.
Teoretyczne charakterystyki śrubowe, przedstawiające obciążenie silnika przy różnych obrotach śruby napędowej (przy obrotach nominalnych obciążenie momentem i mocą jest równe nominalnemu) nazywaj się teoretycznymi nominalnymi charakterystykami śrubowymi mocy, (ewentualnie momentu). Każda inna charakterystyka śrubowa przechodząca przez punkt pracy nominalnej silnika (ewentualnie przez punkt parametrów kontraktowych) nazywana jest nominalną. Charakterystyka śrubowa nominalna nie jest równoznaczna z projektową.
Przez analogię również inne parametry pracy silnika odpowiadające teoretycznym charakterystykom śrubowym mocy i momentu nazywane są teoretycznymi charakterystykami śrubowymi, np. teoretyczna charakterystyka śrubowa zużycia paliwa i teoretyczna charakterystyka śrubowa temperatury spalin. Na rysunku przedstawione są teoretyczne, nominalne charakterystyki śrubowe mocy, momentu oraz jednostkowego zużycia paliwa - pomierzone na hamowni fabrycznej, gdy silnik był obciążany według zasady N = A×n3. Krzywe te, w pewnym przybliżeniu orientują, jakie będą parametry pracy i zużycia paliwa w razie zastosowania danego silnika jako napędu głównego na jednostce wypornościowej, przy różnych prędkościach statyki pływania we współpracy ze śruby napędową o skoku stałym (dla nominalnej charakterystyki śrubowej).
Rys. 1.4. Teoretyczne nominalne charakterystyki śrubowe mocy i momentu (A), oraz jednostkowego zużycia paliwa (B) silników obciążanych wg teoretycznej nominalnej charakterystyki obrotowej śruby
Charakterystyki śrubowe mocy i momentu nie zależą od rodzaju silnika napędowego - dla pracy konkretnej śruby wielkości te muszą być doprowadzone przy określonych prędkościach obrotowych, niezależnie od tego, jakiego rodzaju i jak sprawny jest silnik.
Rzeczywiste charakterystyki oporowe nie są regularnymi parabolami, a więc także charakterystyki śrubowe mocy i momentu nie są regularnymi krzywymi trzeciego stopnia. Pracę śruby napędowej i obciążenie silnika określają następujące parametry:
· napór wytwarzany przez śrubę T,
...
marcin0732