Разработка моделей и методов обоснования технических решений по судовым энергетическим установкам

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Разработка моделей и методов обоснования технических решений по судовым энергетическим установкам

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Даниловский А. Г.

Санкт-Петербург

2010

Работа выполнена в ГОУВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре «Судовые энергетические установки, системы и оборудование».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Безюков Олег Константинович,

доктор технических наук, профессор Шадрин Александр Борисович,

доктор технических наук, старший научный сотрудник Кривуля Александр Анатольевич.

Ведущая организация: Военный учебно-научный центр ВМФ «Академия им. адмирала Н.Г. Кузнецова».

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Развитие отечественного судостроения должно базироваться на проведении широких исследований в направлении определения характеристик конкурентоспособных судов перспективной постройки, их энергетических установок и судового оборудования. Проведение таких исследований возможно только с привлечением комплексных систем автоматизированного проектирования, которые способны поднять качество проектных исследований на основе оценки системной эффективности принимаемых технических решений.

На всех этапах жизненного цикла судов и их энергетических установок обосновываются технические и технико-экономические решения, оказывающие влияние на их эффективность. В отечественной практике отсутствуют комплексные системы обоснования технических решений по судовой энергетике, базирующиеся на широком использовании информационных технологий и системного анализа. Значительный вклад в это направление в 70-х годах ХХ века сделали В.М. Пашин, В.С. Дорин, Н.В. Голубев, М.А. Радушинский, Ю.Н. Киреев, В.И. Николаев, А.Н. Гайкович, Ю.Н. Семенов, А.Н. Вашедченко, В.П. Шостак. Однако в связи с началом перестройки экономической формации финансирование перспективных работ прекратилось, а с ним и сами работы.

В настоящее время большинство предприятий водного транспорта и судостроительной отрасли приобретают у внешних производителей проекты грузовых судов с определенным уровнем готовности и дорабатывают эти проекты с применением систем автоматизированного проектирования типа TRYBON и CADMATIK, реализующих этапы рабочего и технологического проектирования. Вместе с тем наиболее важные, значимые технические решения по СЭУ, оказывающие определяющее влияние на эффективность судов, принимаются на более ранних этапах эскизного и технического проектирования. На мировом рынке отсутствуют САПР, реализующие эти этапы.

Наиболее значимые технические решения по СЭУ принимаются на начальных этапах проектирования. Одновременно начальные этапы проектирования наименее информативны. Погрешность определения глобальных критериев эффективности превосходит вклад любого технического решения по СЭУ в состав этих критериев. Это приводит к необходимости разработки и применения более информативных критериев для обоснования принимаемых технических решений.

СЭУ - сложная техническая система (СТС) - наиболее сложная подсистема СТС - транспортного судна. Её энергетические комплексы, механизмы, аппараты, устройства и системы имеют сложные связи со всеми подсистемами судна. Существующие методики обоснования технических решений по СЭУ базируются на применении либо чисто экономических критериев (приведенных затрат), либо иерархических моделей критериев эффективности, соединяющих с помощью коэффициентов веса в единый критерий разнородные показатели. Они не учитывают указанные системные связи.

Ещё одно важное направление проектирования СЭУ в настоящее время не охвачено вниманием исследователей. Это -оптимизация компоновок и расположений СЭУ. В начале 70-х годов были достигнуты значительные успехи в области типизации расположений и агрегатирования. В этом направлении успешно работали А.Л. Васильев, Г.В. Бавыкин, Б.А. Царев, З.Р. Шеннинг, Ф.М. Узяков, Н.М. Марков, работники ЦНИИ им акад. А.Н. Крылова, ЦКБ Изумруд и др. Однако эти работы также были прекращены по тем же причинам отсутствия финансирования. Вместе с тем качество расположений и компоновок энергетического оборудования - существенный фактор повышения эффективности не только СЭУ, но и судов в целом.

Указанное определяет актуальность проблемы, поставленной в диссертации, важность её решения для выбора объективно лучших технических решений по судовой энергетике.

Цель работы и задачи исследования. Целью исследования является создание современной методологии, методов и моделей оценки эффективности технических решений по СЭУ, принимаемых на начальных этапах проектирования грузовых судов.

Для достижения цели работы должны быть решены следующие задачи:

- установить принципы основания технических решений по судовым энергетическим установкам и их комплектующему оборудованию на ранних этапах проектирования судов при наличии значительной неопределенности исходных данных;

- разработать метод обоснования технических решений по судовым энергетическим установкам адекватный этапу решения проектной задачи и обеспечивающий выбор объективно лучших технических решений, оптимизирующих судно;

- разработать метод автоматизированного проектирования расположения энергетического и общесудового оборудования, намеченного для размещения в МКО;

- разработать методику обоснования технических решений по СЭУ, адекватную этапам проектирования;

- разработать основы создания САПР СЭУ, как комплекса согласованных моделей и программ, связанных по управлению и информации между собой, а также с программными комплексами более высокого иерархического уровня - САПР судна;

- разработать структуры САПР начальных этапов проектирования СЭУ;

- разработать математические модели объектов проектирования - энергетических комплексов и оборудования в составе СЭУ. Все оборудование СЭУ является стандартным и выбирается из типоразмерных рядов по определенным закономерностям. Отражение этих закономерностей в виде алгоритмов проектирования и составляют означенные выше модели;

- разработать модели анализа устойчивости оптимальных решений к изменениям конъюнктуры рынка и условий использования судов;

- разработать информационные базы (ИБД) данных главного, основного и вспомогательного оборудования СЭУ, типовых конструктивных и тепловых схем, схем энергетических систем, компоновок и расположений оборудования в МКО;

- выполнить примеры исследования значимости факторов, влияющих на выбор оптимальных технических решений по СЭУ и устойчивость результатов оптимизации к изменению конъюнктуры рынка и условий использования судна;

- разработать методики проведения оптимизационных исследований с использованием системного анализа СЭУ, систем автоматизированного проектирования и баз данных.

Объект исследования. Объектом исследования являются судовая энергетическая установка, составляющие её энергетические комплексы и оборудование на начальных этапах проектирования грузовых судов.

Предмет исследования - СЭУ как сложная техническая система, системные связи и влияния в сложной технической системе грузовое судно - СЭУ - энергетическое оборудование и отражение этих связей в виде методологии, методов, моделей и алгоритмов обоснования технических и технико-экономических решений по СЭУ.

Научная новизна. В диссертации проведено исследование, обобщение и развитие методологии принятия решений на начальных этапах проектирования энергетических установок грузовых судов:

- обоснована методология принятия решений при проектировании СЭУ, включающая анализ влияния решений по СЭУ на прибыль грузового судна с помощью согласованных критериев эффективности и анализ устойчивости оптимальных решений при изменении конъюнктуры рынка и условий использования судна;

- разработано методическое обеспечение оценки эффективности технических решений по СЭУ, включающее в себя создание моделей глобальных, локальных и согласованных критериев эффективности, определения поправок на изменение системно-важных параметров;

- разработаны подсистемы автоматизированного проектирования СЭУ, реализующие два начальных этапа - эскизного (САПР Э) и технического (САПР Т) проектирования СЭУ, обеспечивающие детальную разработку вариантов, принятых за базу, проверку работоспособности сравниваемых вариантов и определение изменений системно-важных параметров вариантов, альтернативных базовому;

- создана система технико-экономического обоснования проектных решений по СЭУ, разработан метод, методическое и математическое обеспечения, модели и программные пакеты сравнения вариантов технических решений по СЭУ на этапах эскизного и технического проектирования;

- создана автоматизированная база данных характеристик выполненных проектов судов, комплектующего оборудования СЭУ, типовых расположений и компоновок оборудования СЭУ в МКО;

- разработан метод автоматизированного проектирования расположений СЭУ в МКО грузовых судов, обеспечивающий с высоким быстродействием генерацию вариантов расположений, пригодных для автоматического анализа допустимости и других связанных работ;

- созданы модели анализа допустимости вариантов расположений и компоновок оборудования, автоматизированного редактирования расположений, автоматической трассировки трубопроводов и кабельных трасс, определения сухой, рабочей и полной массы энергетических связей СЭУ, затрат энергии на их функционирование, анализа весовой нагрузки МКО;

- разработаны метод и модели анализа эффективности вариантов расположений и компоновок СЭУ.

Методы исследования и достоверность результатов. Исследования проводились с применением методов системного анализа, математической статистики, теории вероятности, теории алгоритмов, теории баз данных, компьютерных технологий, языков программирования (Фортран, Паскаль), графических систем (Autocad, Компас-9), системы визуального проектирования (Delfi-8), корреляционного и регрессионного анализа, аппроксимации методом наименьших квадратов, наибольшего правдоподобия, статистической обработки данных. Полученные результаты исследования тестировались по результатам выполненных ранее проектов. Применяемый метод согласованной системной оптимизации позволяет получить объективно наиболее достоверные результаты в заданных условиях. Колебания экономической конъюнктуры компенсируются анализом устойчивости оптимальных решений.

Практическая значимость работы и реализация. Практическая значимость работы заключается в создании и отработке комплекса средств обоснования оптимальных технических решений по СЭУ на начальных этапах проектирования и проведения исследований, а также для оценки технических решений, принятых в проектах, приобретаемых за рубежом.

В процессе выполнения диссертационной работы созданы алгоритмические, методические и программные средства, в том числе подсистемы САПР эскизного и технического проектирования СЭУ, которые используются в учебном процессе и научных исследованиях в ряде университетов, в практическом проектировании в проектных и исследовательских организациях водного транспорта и судостроительной отрасли. энергетический судовой рынок

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы были представлены и одобрены на отечественных и международных конференциях и семинарах, в том числе многократно докладывались на конференциях с международным участием, проводимым в СПбГМТУ, на научно-технических конференциях, в том числе международных, проводимых в СПГУВК, ВМУ им. Дзержинского, ВМА им. адмирала Кузнецова, Балтийского университета им. Устинова.

Публикации. По теме диссертации опубликованы более 50 печатных работ, в том числе 7 статей в реферируемых журналах, включенных в перечень ВАК, 5 монографий, одна брошюра, 7 учебных пособий, в том числе 2 с грифом минвуза и УМО по кораблестроению и океанотехнике, более 30 статьи в сборниках трудов организаций судостроительной отрасли и водного транспорта, 5 свидетельств о регистрации программных комплексов.

На защиту выносятся:

Методология обоснования технических решений по СЭУ на начальных этапах проектирования транспортных судов;

Методики, алгоритмы и модели обоснования параметров выбора энергетических комплексов в составе СЭУ;

Модели, методики и алгоритмы выбора из типоразмерных рядов технически допустимых вариантов оборудования пропульсивных установок, судовых электростанций, вспомогательных котельных установок, опреснительных установок, оборудования систем СЭУ, трубопроводных элементов систем СЭУ;

Метод, методики, алгоритмы и модели согласованной системной оптимизации технических и технико-экономических решений по энергетическим комплексам и системам СЭУ;

Методики и модели анализа устойчивости оптимальных вариантов к изменению внешних факторов;

Методология разработки САПР СЭУ на этапах эскизного и технического проектирования;

САПР эскизного и технического проектирования СЭУ;

Методология разработки САПР и модели автоматизированного проектирования расположений СЭУ в МКО транспортных судов;

Комплекс моделей для оптимизации компоновки и расположения оборудования СЭУ в МКО транспортных судов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов. Общий объем 251 стр., в том числе 45 рисунков, 94 таблицы и список использованных источников из 142 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность проблемы, анализируется специфические особенности обоснования технических решений по судовой энергетике, в том числе низкая информативность начальных этапов, на которых принимаются технические решения по СЭУ, целочисленность решаемой задачи, большое количество факторов, требующих своего обоснования и невозможность решения задачи оптимизации СЭУ в целом с применением единой модели.

В первой главе выполнен обзор развития и анализ современного состояния исследования двух проблем:

а) методов обоснования технических решений по судовой энергетике на начальных этапах проектирования;

б) разработки систем автоматизированного проектирования судов и СЭУ как источников получения системной информации для определения значений критериев работоспособности и эффективности.

На основании выполненного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе изложена методология обоснования технических решений по судовой энергетике. Анализируются основные положения методики анализа эффективности СЭУ как сложной технической системы - подсистемы грузового транспортного судна. Рассматриваются критерии эффективности трех уровней - глобальные, локальные и согласованные.

Глобальный критерий эффективности - прибыль от работы судна по прямому назначению П = D - Р_пmax, вследствие большой погрешности на начальных этапах проектирования судна, непригоден для обоснования технических решений по СЭУ.

Погрешность локального критерия эффективности - приращения полных расходов (приведенных затрат) по объекту проектирования по сравнению с базовым вариантом ?Р_пij :

?Р_пij = Р_пij - Р_пijб min

невысока, так как мы имеем полную информацию, как по альтернативному элементу, так и по базовому. Однако этот критерий не является объективным, так как не учитывает изменение системно-важных параметров объекта проектирования, способных привести к изменениям в других подсистемах судна и СЭУ, а также оказать прямое влияние на составляющие глобального критерия эффективности.

Информативным (одновременно объективным и достоверным) является согласованный критерий - сумма локального критерия Kr_лок и поправок на изменение системно-важных параметров - произведений частных производных глобального критерия на конечные приращения системно-важных параметров ?P_i:

max. (1)

Согласно исследованию В.М. Пашина, частные производные глобального критерия по системно-важным параметрам имеют постоянное значение в достаточно широком диапазоне изменения системных параметров и могут приниматься по данным базового варианта. Системными параметрами СЭУ и её комплектующего оборудования являются: полная масса, габаритные характеристики, затраты мощности на собственные нужды, энергетическая эффективность, эксплуатационная надежность. Кроме этого для отдельных элементов СЭУ выделяются специфические системно-важные параметры. Например, для таких элементов как главные судовые двигатели важными факторами являются энергия вторичных энергоносителей - выхлопных газов, продувочного воздуха, пресной воды и циркуляционного масла, а также связи с оборудованием энергетических систем, вспомогательной котельной установки, судовой электростанции и опреснительной установки. Для любого оборудования влияние его технических и системных параметров на величину глобального критерия эффективности реализуются через изменения трех составляющих: полных (приведенных) затрат Р_п, влияющих на расходы, полной массы G_п и размеров МКО, способных оказать влияние на доходы от эксплуатации судна.

Увеличение прибыли от перевозки полной массы оборудования G_п (суммы рабочей массы оборудования G_i и массы запасов рабочих тел на работу оборудования в течение рейса G_т) по сравнению с базовым вариантом ?D_Gоб:

?D_Gоб = ( G_пб - G_п) = k_G (D G_р-¹)_б ( G_пб - G_п), (2)

где k_G - коэффициент, учитывающий возможность использования дополнительной грузоподъемности.

Габаритные характеристики относятся к системно важным для таких элементов СЭУ как агрегаты главных двигателей, дизель-генераторные агрегаты и валогенераторы. Эти элементы, в случае их расположения последовательно по длине МКО, могут оказать влияние на длину последнего L, что способно привести к увеличению грузовых отсеков, увеличить грузовместимость судна и повлиять на объем прибыли:

?D_Lоб = ( L_б - L) = k_L(D L_гр-¹)_б ( L_б - L), (3)

где k_L - коэффициент использования изменения длины МКО для перевозки дополнительного груза.

Эксплуатационная надежность способна оказать влияние на величину критериев эффективности только одной из своих составляющих - долговечностью, характеристика которой - назначенный ресурс Т_р непосредственно используется при установлении нормативов отчислений на амортизацию и входит в выражение для приведенных затрат. Показатели безотказности и ремонтопригодности могут не учитываться ввиду резервирования оборудования СЭУ, а также соотношения математических ожиданий среднего времени безотказной работы T_{ср бор} и восстановления T_{ср вос} : T_{ср бор}>> T_{ср вос}.

В соответствии с рассмотренной выше методикой разработано программное обеспечение, предназначенное для определения составляющих критериев эффективности в процессе обоснования проектных решений по СЭУ. Модели анализа сформированы в пакет прикладных программ, к которому обращаются модели проектирования для определения значений показателей эффективности технических решений по СЭУ. Сравнение альтернативных вариантов технических решений производится с использованием моделей технико-экономического анализа, специфичных для каждого типа анализируемых технических решений. Эти модели зарегистрированы Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Выполненный анализ особенностей проектирования СЭУ, оказывающих влияние на выбор метода отыскания оптимального решения, привел к необходимости применения метода перебора альтернативных вариантов с предварительным их отбором на основе анализа совокупности показателей качества и существующего опыта проектирования.

Выбор комплектующего оборудования и других технических решений, оптимизирующих показатели эффективности судна, производится при определенном сочетании влияющих факторов. Эти факторы могут изменяться в связи с изменением условий погоды, времени года, уровня солнечной радиации, коррозии, обрастания и проведением очистки корпуса, конъюнктуры рынка от случайных колебаний и дрейфа параметров. В связи с тем, что оптимизация ведется на одни параметры, а фактическая работа будет происходить при других, справедлива постановка вопроса: а сохранятся ли выводы об оптимальности принятых решений в новых условиях?

В случае, если влияющие параметры являются стохастическими величинами, возможно применение в анализе эффективности вероятностных оценок их математического ожидания. Это относится, например, к параметрам рейсов. Достаточные условия применения математических ожиданий в качестве оценки достоверного значения стохастической величины - наличие повторяемости и линейная зависимость критерия эффективности от вероятностных факторов или их произведений в первой степени.

Какие характеристики могут иметь отклонения от среднего и не обладать повторяемостью. Это многие характеристики, определяемые при проектировании однократно, и потом при постройке объекта также однократно реализующиеся. К таким параметрам относятся, например, характеристики первоначальной стоимости.

Анализируя структуру переменных зависимостей критериев эффективности, можно сделать вывод о необходимости проведения исследования устойчивости выводов об оптимальности вариантов комплектования энергетических комплексов в составе СЭУ при направленном варьировании переменных представленных в табл. 1.

Таблица 1

Диапазоны варьирования переменных

Коэффициенты изменения	Обозначение	Диапазоны
		kmin	kmax
Цены на топливо ГД, ВКУ	kт ГД	1	1,4
Цены на топливо ДГ	kт ДГ	1	2,2
Стоимости: главных двигателей дизель-генераторов вспомогательных котлов опреснительных установок	kК ГД kК ДГ kК ВК kК ОПР	1 1 1 1	2,2 2,4 2,3 1,7
Ставка за пользование капиталом	Keн	0,3	1

Глава третья посвящена разработке систем автоматизированного проектирования СЭУ грузовых судов. Назначение САПР в процессе обоснования технических решений по СЭУ состоит в разработке вариантов анализируемых технических решений, проверке их работоспособности и допустимости по спектру ограничений, определении значений совокупности технических параметров, выделении из последних комплекса системно-важных параметров, способных оказать прямое и опосредствованное влияние на показатели эффективности СТС на верхнем уровне иерархии, передаче данных и управления в подсистему анализа эффективности.

При разработке САПР анализируется методика проектирования СЭУ. Основным методом проектирования СЭУ является её комплектование из стандартных и унифицированных элементов, развитых в типоразмерные ряды. Далее эти типоразмеры согласовываются для работы в составе энергетического комплекса.

Разработана автоматизированная база данных, включающая характеристики выполненных проектов судов и типоразмерных рядов комплектующего оборудования СЭУ, типовых схем систем СЭУ; типовых расположений и компоновок оборудования СЭУ в МКО грузовых судов.

На этапе эскизного проектирования судна обосновываются крупные технические решения по корпусу, СЭУ и другим подсистемам судна. Выполненный анализ содержания эскизного проектирования использован при формировании структуры САПР эскизного проектирования СЭУ, представленной на рис.1.

Рис. 1. Структура САПР эскизного проектирования СЭУ

САПР эскизного проектирования СЭУ - относительно автономная подсистема САПР эскизного проектирования судна, взаимодействующая с последней в процессе обмена информацией. На вход в САПР Э СЭУ поступают данные о характеристиках корпуса - его конструкции и гидродинамике. На выходе САПР Э - характеристики вариантов СЭУ, отличающихся типом, тепловой и конструктивной схемой, типоразмерами и настройкой главных двигателей и движителей, элементами валопроводов, комплектацией основными агрегатами СЭС, ВКУ и ОУ, влияниями на технические параметры и эффективность верхнего уровня СТС. Каждый из блоков представленный на рис.1, реализован в форме пакета прикладных программ. Каждый из пакетов обращается к специфичному блоку информационной базы данных.

Начальным блоком проектирования варианта СЭУ является блок выбора из типоразмерного ряда допустимого варианта главного двигателя (ГД). Параметр выбора - наибольшая требуемая мощность:

+; ,

где k_ед - коэффициент приведения размерностей; k_з - коэффициент запаса мощности; ?_вал, ?_пер - соответственно КПД валопровода и передачи; ?_проп - пропульсивный коэффициент. Этот коэффициент задается ориентировочно и уточняется в итерациях по результатам проектирования винта; - суммарная мощность навешенных механизмов отбирающих (насосы, валогенератор) или подводящих мощность (пропульсивные утилизационные турбины).

Агрегатная мощность ГД N_e^агр определяется как произведение цилиндровой мощности N_e^цил на допустимое число цилиндров Z^цил в составе агрегата и превышает требуемую мощность не более, чем на мощность одного цилиндра данного типоразмера:

N_e^агр = N_e^цил Z^цил N_е^треб; Z^цил [ Z_min; Z_max];

N_e^агр - N_е^треб N_e^цил.

Поскольку при выборе агрегата ГД варьируются два параметра (N_e^цил и Z^цил), то выбор получается не единичным: на заданную мощность из одного типоразмерного ряда можно подобрать несколько типоразмеров агрегатов, допустимых по ограничениям, но отличающихся N_e^цил и Z^цил, а также другими характеристиками. Заранее нельзя установить предпочтительность того или иного агрегата. Для этого требуется дополнительное исследование. В состав модели выбора главного двигателя САПР СЭУ включены также:

- расчет параметров настройки двигателя на режим длительной эксплуатационной мощности (ДЭМ);

- определение размеров движителя. При увеличении диаметра винта его КПД увеличивается, однако для движителя характерны два ограничения на его диаметр - ограничение по осадке:

D_в k_т^доп T_р,

где T_р - расчетная осадка, k_т^доп - коэффициент туннельности кормового образования (термин введен Б.А. Лесюковым), и ограничение по соотношению Артюшкова - Анфимова:

D_в = K ,

где K - корреляционный коэффициент; P = R/(1-t) - упор винта. Как следует из этого выражения при уменьшении частоты n_в диаметр винта может быть увеличен, однако при этом следует выполнить анализ принадлежности режима О области допустимых МДМ:

N_e^агр N_eО N_e^агр ; n_min n_O n_max.

Решение подобной задачи В.В. Гавриловыми и А.Ш Ачкинадзе, а также В.П. Шостаком рассмотрено в обзорной главе диссертации.

Для среднеоборотной дизельной установки движитель и двигатель относительно независимы, так как согласуются в процессе выбора редуктора. Параметры выбора редуктора - передаточное отношение i и момент M₁ на входном валу определяются после выбора двигателя и проектирования винта. Винт проектируется на наибольший диаметр D_вmax, определяемый ограничением по осадке или другими ограничениями. Определяется соответствующая частота вращения винта n_вmin. Это позволяет определить параметры выбора редуктора:

M₁ = N_e^агр/n_сод; i = n_сод / n_вmin.

Важным параметром является число движителей в составе пропульсивной установки. Для морских судов применение двухвальных установок является исключительно средством повышения надежности и используется ограниченно. В то же время для судов с ограниченной осадкой (речных и смешанных) это обычное явление и служит средством повышения энергетической эффективности. Для таких судов число движителей определяется из условия не превышения допустимых значений удельной нагрузки на лопасти с^опт:

Валопровод проектируется на наибольший момент, подводимый к винту:

M_max = i · N_e^СМДМ/n_СМДМ .

В процессе проектирования валопровода решаются две задачи, каждая с применением отдельной модели. Первая - определение прочных размеров по формулам Регистра РФ с учетом класса ледового усиления судна. Эти размеры согласуются с рядом предпочтительных диаметров валов судовых валопроводов. Под эти диаметры подбираются стандартные конструктивные элементы валопроводов.

Вторая задача - построение конструктивной схемы, расчет реакций опор, сложного напряженного состояния и коэффициентов запаса прочности под действием всех нагрузок, действующих на валопровод, а также частот собственных колебаний наиболее опасных участков - консольного участка валопровода и пролета наибольшей длины.

Для решения этой задачи требуется разместить элементы пропульсивной установки в МКО. Эта задача достаточно просто решается в случае кормового образования закрытого типа. Более сложна задача определения размеров валопровода в случае судна с кормой открытого типа. Она может быть решена согласованием ширины МКО в кормовой оконечности с шириной двигателя или редуктора по фундаментной раме. Наружные очертания кормовой оконечности судна могут быть получены по результатам обработки теоретического чертежа судна в форме таблицы относительных координат. Пространство, доступное для размещения ГД определяется за вычетом высоты шпангоутов H_р с учетом их наклона:

H = H_р / cos (?/2),

где ? - угол развала бортов на уровне второго дна. Угол также находится из указанной обработки теоретического чертежа судна с помощью программной модели.

Эскизное проектирование вспомогательных энергетических комплексов (ВЭК) в составе СЭУ - судовой электростанции (СЭС), вспомогательной котельной (ВКУ) и опреснительной (ОУ) установок включает в свой состав:

- определение W_i производительности ВЭК_i (i 1-3) на спектре k-режимов эксплуатации с применением корреляционных зависимостей в функции влияющих факторов:

W_ik =F(D, N_e, DW, V_гр, V_об, F, Z_л, T_с, T_гр, N_гр, W_jk,…),

где D - полное водоизмещение судна; N_e - спецификационная мощность главного двигателя; DW - дедвейт судна; V_гр - объем грузовых помещений; V_об - объем обитаемых помещений разной категории; F_l - площади поверхностей помещений, граничащих с окружающей средой - воздухом и водой; Z_л - число людей на судне; T_с - назначение судна; T_гр - способ грузовых операций на судне; N_гр - мощность грузовых средств; W_jk - производительность других ВЭК (ji). Корреляционные зависимости приняты в соответствии с указаниями руководящих документов отрасли;

- выбор альтернативных вариантов комплектации ВЭК в соответствии с рекомендациями руководящих документов (типовые схемы) и c учетом требований Правил Регистра РФ (ограничения);

- анализ возможности замещения генераторов ВЭК, включенных на длительном ходовом режиме, за счет работы утилизационных устройств.

Совокупность моделей «Система утилизации теплоты» обеспечивает решение следующих задач:

- определение количества вторичных энергоресурсов ГД на режиме ДЭМ. Определение производится пересчетом известных данных режима НМДМ на режим ДЭМ с учетом расположения режимов СМДМ и О;

- определение располагаемой мощности утилизационной газовой турбины (ТКС) на режиме ДЭМ в функции агрегатной мощности главного двигателя и коэффициента загрузки двигателя

К_з = N_еДЭМ / N_е1:

N_ткс = 0,04 N_е^агр (1 + 3 К_з - 2,5 К_з ²);

- определение производительности утилизационного котла (УК) при подаче на него выхлопных газов в количестве и с температурой, характерных для режима ДЭМ. Для типоразмерного ряда УК типа КУП предложены зависимости производительности в виде линейной функции количества газов с коэффициентами в функции температуры газов:

D = A G_г + B D_max; A = F₁ (t_г); B = F₂ (t_г);

- определение мощности парового турбогенератора при подаче на него всего пара, полученного в УПГ:

N_eУТГ= G_п H_п ?_т ?_г ;

- анализ возможности полного замещения ходового дизель-генератора. Если замещение не полное, то применение турбогенератора нецелесообразно;

- определение расхода и температуры пресной воды, охлаждающей цилиндры ГД на режиме ДЭМ и производительности утилизационной опреснительной установки.

Этап технического проектирования посвящен оптимизации частных технических решений по судну и его подсистемам. Основной целью проектирования СЭУ на этом этапе является формирование ведомости заказа вспомогательного оборудования. Основная задача - согласование выбранного оборудования с трубопроводами и обеспечение заданных расходов по ответвлениям.

Совокупность пакетов прикладных программ, включаемых в состав САПР Т, вытекает из анализа содержания технического проектирования СЭУ: - выбор вспомогательного оборудования из типоразмерных рядов; - расположение оборудования СЭУ в МКО; - трассировка трубопроводов; - гидравлические расчеты; - проектирование изоляции; - расчеты прочности; - расчеты надежности; - акустические расчеты; - документирование результатов проектирования.

Для реализации проектных работ по трубопроводам систем СЭУ требуется компоновка и расположение оборудования в МКО. Решение этой задачи рассматривается детально в гл. 6.

Глава четвертая посвящена оптимизации технических решений по комплектованию пропульсивных установок (ПУ) объектов морской техники. При анализе вариантов ПУ использовались типовые суда из сетки типоразмеров модульных судов и танкер пр. 1596. Характеристики этих судов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Примеры исследованных вариантов транспортных судов

D	DW	vэ	Lпп	B	T	Hб	kоб
11000	7500	13	115	19	7	10	0,7
33000	23500	14	170	28	9	12,5	0,74
36000	27000	15,4	165	25,3	10,4	15	0,83

В табл.2 обозначены: D - полное водоизмещение судна, т; DW - дедвейт - переменная часть водоизмещения, т; v_э - эксплуатационная скорость судна, узлы; L_пп - длина судна между перпендикулярами, м; B - ширина судна на миделе, м; T - расчетная осадка судна в грузу, м; H_б - высота борта, м; k_об - коэффициент общей полноты.

Для первого варианта танкера технически допустимы три варианта малооборотных двигателя: 4S35MC, 5L35MC, 8S26MC, характеристики которых представлены в табл. 3.

В табл.3 указаны следующие характеристики МОД из типоразмерного ряда типа МС фирмы MAN: N_e - номинальная максимальная длительная агрегатная мощность, кВт; n_max - частота на режиме НМДМ, об/мин; n_min - частота на нижней границе диапазона допустимых режимов МДМ, об/мин; b_е - удельный расход топлива на режиме НМДМ, кг/(кВт ч); G - масса агрегата двигателя, т; L - длина агрегата МОД, м; H_габ - габаритная высота, м; H_рем - вертикальный ремонтный габарит, м. Допустимые варианты двигателей отличаются по многим системно-важным показателям, способным оказать влияние на характеристики элементов СЭУ и эффективность судна. Необходимо выполнить сравнение двигателей по комплексу показателей и комплексному показателю качества.

Таблица 3

Альтернативные варианты малооборотных двигателей

Марка	Ne	nmax	nmin	bе	G	L	Hгаб	Hрем
4S35MC	2960	173	147	0,178	53,24	3,52	5,42	7,08
5L35MC	3250	210	178	0,177	57,25	4,09	4,79	5,75
8S26MC	3200	250	212	0,179	53,76	4,93	4,3	5,25

На рис. 2 представлены диапазоны допустимых режимов МДМ указанных трех вариантов двигателей. На графики нанесены линии В₁, В₂ и В₃ - номинальные винтовые характеристики ВФШ - кубические параболы, проходящие через режимы номинальной МДМ - точки, расположенные в правом верхнем углу каждого из диапазонов.

Рис. 2. Диапазоны допустимых режимов МДМ агрегатов МОД

При заданной осадке судна допустимым является винт диаметром 4,9 метра. При максимально допустимом по осадке диаметре винта достижим пропульсивный коэффициент=0,67. Однако это требует снижения частоты вращения винта до 101,3 об/мин, что недопустимо по выходу режима СМДМ из диапазона допустимых МДМ. Снижение частоты и увеличение диаметра винта приводит к увеличению его массы. Кроме этого снижение частоты на режиме МДМ приводит к увеличению момента на валопроводе и требует увеличения его прочных размеров.

На рис. 3 представлены изменения в зависимости от величины линии эксплуатации судна L_пл уменьшения полных расходов ?Р_п, полной массы??G_п, увеличения дохода от перевозки дополнительного груза вследствие изменения грузоподъемности ?D_G и грузовместимости ?D_L, а также суммарного приращения прибыли ?D_S для вариантов ПУ с ГД 5L35MС (сплошные линии) и 4S35MC (штриховые линии) по сравнению с ПУ с ГД 8S26MC (базовый вариант).

Положительные значения согласованного критерия и его составляющих свидетельствуют о превосходстве альтернативных вариантов над базовым. Во всем диапазоне изменения независимого переменного оптимальным является вариант ПУ с ГД 4S35MC вследствие меньших полных эксплуатационных расходов, возможности перевозки дополнительного груза и получения дополнительного дохода.

На величину полных расходов по варианту ПУ оказывают влияние такие нестабильные факторы, как цена расходуемого топлива, удельная стоимость главных двигателей, величина учетной банковской ставки. В связи с тем, что полные расходы составляют в среднем ок. 7% полного выигрыша судном прибыли, а указанные факторы независимы и определяют до 1/3 общей величины полных расходов, можно сделать вывод о слабом влиянии указанных нестабильных факторов. Их варьирование в намеченном диапазоне не изменяет вывода об оптимальности варианта ПУ с двигателем 4L35MC.

Указанный вариант ПУ более точно соответствует требованиям судна: располагаемый запас мощности незначительно превышает заданную величину. Это в свою очередь обеспечивает увеличение энергии выхлопных газов, потенциально увеличивает мощность ТКС и производительность утилизационного котла (анализируется в гл. 5).

Выигрыш по удельному расходу топлива от перемещения винтовой характеристики в область более низких частот («оптимизации винта») для двигателей K90MC-C; K80MC-C; S46MC-C; S42MC; S35MC; L35MC; S26MC описан следующей аппроксимирующей зависимостью:

,

где N_e^отн - мощность на текущем режиме отнесенная к мощности на режиме оптимизации; p_e^отн - среднее эффективное давление на режиме оптимизации отнесенное к p_e на режиме номинальной МДМ.

В результате снижения частоты увеличиваются диаметр винта на 10 - 13 см. и пропульсивный коэффициент на 1 - 1,5%. Затраты мощности на длительном режиме падают пропорционально увеличению пропульсивного коэффициента. В целом оптимизация режима приводит к возникновению дополнительной прибыли. Как и ранее наиболее эффективен вариант ПУ с двигателем 4S35MC. Увеличение прибыли от оптимизации винта составляет ок. 10 тыс. у.е. в год, то есть не превышает 2% общего объема дополнительной прибыли.

Выполненный анализ эффективности применения ВРШ вместо ВФШ показал абсолютную неэффективность такого решения в экономическом плане: снижается энергетическая эффективность, возрастает масса и стоимость ПУ с ВРШ, снижается прибыль в случае базового варианта ПУ на 33,6 тыс. у.е. в год. Применение ВРШ следует обосновывать иными причинами, например увеличением скорости балластного пробега или тяжелыми ледовыми условиями плавания судна.

Для танкера DW 7500 т рассмотрен вариант ПУ со среднеоборотным двигателем. Этот вариант не только не в состоянии конкурировать с лучшими вариантами ПУ с МОД, но и приносит значительные потери по сравнению с худшим вариантом ПУ с МОД - ПУ с двигателем 8S26MC. Он по всем показателям хуже - менее экономичен, тяжелее из-за возрастания запасов топлива, длиннее на 2,54 м. Общая потеря прибыли составляет 437,5 тыс. у.е. в год.

Пятая глава посвящена применению разработанных методов для обоснования технических решений по вспомогательным энергетическим комплексам - судовой электростанции, вспомогательной котельной установке, опреснительной установке и утилизационному комплексу, тесно связанному с указанными вспомогательными установками.

Руководящими техническими документами, указанными в обзоре, рекомендованы типовые варианты комплектации СЭС. Это:

вариант 1 - применение трех одинаковых ДГ;

вариант 2 - применение двух одинаковых ДГ и одного «стояночного» ДГ меньшей мощности;

вариант 3 - применение четырех одинаковых ДГ;

вариант 4 - применение двух одинаковых ДГ и ВГ;

вариант 5 - применение трех одинаковых ДГ и ВГ.

На основных режимах рекомендовано использование одного источника электроэнергии. При наличии на судне особо мощных потребителей на режиме стоянки с грузовыми операциями допускается работа всех ДГ. Число возможных вариантов комплектации СЭС значительно больше, так как и дизель-генераторы и валогенераторы поставляются в виде типоразмерных рядов большим количеством производителей.

Расчетная нагрузка СЭС на режимах эксплуатации танкера пр. 17120: ходовой - 413 кВт; стоянка без операций - 242 кВт; маневры - 893 кВт; стоянка с грузовыми операциями - 727 кВт. Судовая электростанция сформирована из трех одинаковых дизель-генераторов ДГР 2А 500/500 мощностью 500 кВт каждый.

Характеристики допустимых ДГ приведены в табл. 4. Из них комплектуются варианты СЭС, представленные в табл.5.

Таблица 4

Альтернативные ДГ для СЭС танкера пр.17120

J	Марка ДГ	N	bт	G	L	B	H
1	ДГР 2А 500/500	500	212	21,3	6350	1900	2925
2	ДГ с СОД 6L16/24	515	207	10,5	4616	1000	2226
3	ДГР 2А 300/750	300	219	11,3	5120	1460	2250
4	ДГ с ВД D 2848 LE	250	205	2,84	2800	1300	1300

Таблица 5

Альтернативные варианты комплектации СЭС танкера

J	Вариант комплектации	№ варианта комплектации
1	3х ДГР 2А 500/500	базовый
2	3х ДГ с СОД 6L16/24	1 альтернативный
3	2х ДГР 2А 500/500+ДГ с D 2848 LE	2 альтернативный
4	4х ДГР 2А 300/750	3 альтернативный

На рис. 4 приведено сравнение альтернативных вариантов комплектации СЭС 1, 2 и 3, см. табл. 5, с базовым вариантом. Штрих-пунктирные линии представляют приращение полных расходов по сравнению с базовым вариантом. Штриховые линии отражают дополнительный доход от уменьшения массы СЭС. Сплошные линии выражают полное изменение прибыли как сумму приращения полных расходов и дополнительного дохода от изменения массы.

Как видно из рис. 4, альтернативный вариант 1. скомпонованный из трех одинаковых дизель-генераторов на базе СОД 6L16/24 фирмы MAN, является оптимальным, в основном вследствие более высокой энергетической эффективности и меньшей массы, см табл. 4. Положительные значения свидетельствуют о превосходстве всех альтернативных вариантов над базовым. Только у варианта 3 (четыре одинаковых дизель-генераторов мощностью по 300 кВт) полные затраты больше, чем у базового варианта.

Рис. 4. Сравнение вариантов комплектации СЭС с базовым вариантом

Следует отметить значительно меньшую длину альтернативных дизель-генераторов по сравнению с базовым вариантом. В случае реализации этого преимущества (достигающего 2,7м) может быть получена значительная дополнительная прибыль.

В качестве средства повышения ресурса ДГА рекомендуется установка валогенераторов и использование их на длительных ходовых режимах. Однако, навешивание валогенератора увеличивает удельный расход топлива на главный двигатель вследствие перемещения режима оптимизации к линии максимального среднего эффективного давления. В результате происходит снижение энергетической эффективности комплекса ГД + ВГ по сравнению с раздельным приводом ГД + ДГ. Выигрыш может получиться только при наличии ТКС, а её применение актуально только при близости режима ДЭМ к режиму НМДМ.

Кроме энергетической эффективности при обосновании выбора ВГ следует учесть также изменение величины амортизационных отчислений, возможные изменения в комплектации СЭС и состава ПУ, изменение длины агрегата ГД в случае распространенного привода ВГ от носового фланца двигателя.

Применение ВРШ для стабилизации частоты ВГ не оправдывает себя. Однако, если ВРШ используется по другим причинам, то применить валогенератор можно, но его энергетическая эффективность не будет выше, чем у высоко экономичных ДГ, работающих на тяжелом топливе.

На аналогичных принципах построены модели сравнения с базовыми вариантами альтернативных вариантов вспомогательной котельной и опреснительной установок. Дополнительно следует отметить не эффективность типовой схемы включения вспомогательного и утилизационного котлов на общую магистраль, представленную на рис. 5.

Рис. 5. Объединенная схема ВКУ

Параметры пара в такой схеме рассчитаны на потребителей, требующих наиболее высокой температуры. Такими потребителями является подогреватели тяжелого топлива, в качестве которого на морских судах в настоящее время широко используется мазут М-100. Для этих целей используется насыщенный пар с температурой 180 ⁰С и давлением 1МПа. Вместе с тем общая потребность в паре для подогрева тяжелого топлива невелика и не превышает 2,5% от общей потребности танкера на длительном эксплуатационном режиме хода с подогревом груза. Все остальные потребители требуют существенно меньшей температуры. Например, при перевозке тяжелых нефтепродуктов (того же мазута М-100) они подогреваются до температуры на 10⁰С выше температуру потери текучести, то есть до 40⁰С и для этого можно использовать пар с температурой не выше 100⁰С.

Охлаждение выхлопных газов в системе утилизации ограничено точкой росы, причем не газов, а теплоносителя в испарительных трубах УК. В случае сжигания в ГД высоковязких сернистых мазутов для предотвращения коррозии на переменных режимах поддерживаются параметры насыщенного пара: температура не ниже 145⁰С, чему соответствует давление 4,2 бар. Это позволяет охладить газы до 170⁰С и получить в 3-4 раза больше пара, чем в типовой схеме ВКУ.

Представленная на рис. 6 раздельная схема ВКУ, обеспечивает не только получение большего количества пара УК, но и позволяет эффективно использовать утилизацию теплоты продувочного воздуха. Вследствие отсутствия в продувочном воздухе сернистых соединений температура его охлаждения ограничена только целесообразностью.

Рис. 6. Раздельная система питания потребителей паром

В высокотемпературной секции охлаждения продувочного воздуха (ВТС) можно получать насыщенный пар с давлением несколько выше атмосферного и соответствующей температурой. Здесь можно получить теплоты не меньше, чем в УК и в сумме обеспечить на танкере все длительные ходовые режимы за счет работы системы утилизации тепловых потерь. На рис. 7 приведено сравнение схем ВКУ, представленных на рис. 5 и 6 в условиях танкера пр. 05 55.

...