Расчет гребной электрической установки грузопассажирского судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Государственный университет морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова»

Кафедра электродвижения и автоматики судов

Курсовая работа

По дисциплине: Гребные электрические установки

На тему: «Расчет гребной электрической установки грузопассажирского судна»

Выполнил: студент гр. ЭСЭиСА

Кузьмин А.В.

Проверил:

профессор Романовский В. В.

Санкт-Петербург

2021



Таблица

Расчетные данные

№ пп	Тип судна	Водоизмещение, т Д	Размерения,м	Скорость хода, узлы	Число гребных винтов
			L	B	T	Номин.	Эконом.
10	Грузопассажирский	16000	140	20	8	24	20	2

1. Расчет сопротивления воды движению судна и буксировочной мощности.

1.1 Основные понятия о ходкости судна и основы теории сопротивления движению судна

Ходкость судна -- это способность судна перемещаться с заданной скоростью при наиболее эффективном использовании мощности судовой энергетической установки (СЭУ).

При поступательном движении судна с постоянной скоростью возникает сила сопротивления среды движения судна , направленная в сторону, противоположную его движению. Равномерное и прямолинейное движение судна с заданной скоростью возможно лишь при условии, если к судну будет приложена некоторая движущая сила , направленная в сторону его движения и равная силе сопротивления .

Движущая сила - полезная тяга, которая создается судовым движителем путем преобразования механической энергии главной судовой силовой установки в энергию поступательного движения судна.

Полезная мощность, которая затрачивается на движение судна, называется буксировочной мощностью и определяется как произведение силы тяги на скорость движения судна:

.

Силу сопротивления воды движению судна R можно представить в виде двух составляющих:

,

где -- сопротивление давления;

-- сопротивление трения.

Сопротивление давленияможет быть представленно в виде суммы двух составляющих -- волнового сопротивления , обусловленного силами гравитации, и сопротивления формы (сопротивления давления вязкостной природы :

,

Вследствие eдинства вязкостной природы сопротивления тренияи сопротивления формы их объединяют в единое вязкостное сопротивление :

тогда.

При относительно малых скоростях движения вязкостное сопротивление составляет более 90% от общего, а при больших скоростях волновая составляющая быстро нарастает и может достигнуть 35 - 40% и более от общего сопротивления.

1.2 Расчет составляющих сопротивления движению судна

В соответствии с теорией подобия любая составляющая сопротивления, в том числе и полное сопротивление может быть выражено:



где: - коэффициент полного сопротивления;

- плотность жидкости, 1025кг/м³;

- скорость судна, м/с;

- смоченная поверхность корпуса, м².

Смоченная поверхность корпуса судна без выступающих частей («голый корпус») определяется по приближенным формулам.Для традиционных транспортных судов используют формулу:

где: - коэффициент общей полноты;

м².

Смоченной поверхности выступающих частей суднасоставляет от 2 до 7% от площади поверхности «голого корпуса».Для двухвальных судов:

м².

Полная смоченная поверхность корпуса судна:

м².

Расчет полного сопротивления и буксировочной мощностипри скорости 6 узлов:

1. узлов;

2. м/с

3. м²/с²;

4. - число Фруда;

5. - число Рейнольдса,

гдем²/с - коэффициент кинематической вязкости воды, при ;

6. Коэффициент сопротивления трения эквивалентной технически гладкой пластины по формуле Прандтля-Шлихтинга:

7. Для расчета остаточного сопротивления более всего подходят результаты систематических испытаний моделей серии №3 как наиболее подходящей по геометрическим соотношениям.

Значения , определяем по рис.16 в зависимости от выбранных значений скорости хода(числа Фруда).

.

8. Коэффициент , учитывающий влияние относительной длины судна , вычисляется как отношение значений коэффициента , снимаемых с диаграммы (рис.17)соответственно для расчетного (заданного) значения относительной длины и стандартного значения , определяемого с помощью рис.16:

;.

9. Коэффициенты и , произведение которых учитывает влияние отличия расчетного значения от принятого за основу в серии , определяется по графику (рис. 18):

.

10. Коэффициент остаточного сопротивления судна:

.

11. Корреляционный коэффициент , называемый «надбавкой на шероховатость», определяется в зависимости от длины судна и его полноты по табл.1 сопротивление движение судно буксировочный

.

12. Коэффициент сопротивления выступающих частей , учитывающий сопротивление крупных конструкций, выступающих за теоретические обводы корпуса, определяется по табл.3, в зависимости от числа гребных винтов:

.

13. Коэффициент полного сопротивления:

14. Полное сопротивление движению судна:

Н.

15. Буксировочная мощность:

Вт.

Значения полного сопротивления движению судна и буксировочной мощности для других скоростей рассчитываем аналогично, и заносим в табл.1. Зависимости полного сопротивления и буксировочной мощности от скорости представлены на рис. 1 и 2.

Таблица 2

Расчет полного сопротивления и буксировочной мощности

№	Обозначения	Числовые значения
1	, уз	6	10	12	14	16	20	24
2	, м/с	3,08	5,14	6,17	7,2	8,22	10,28	12,34
3	, м2/с2	9,49	26,42	38,07	51,84	67,57	105,68	152,28
4		0,083	0,139	0,167	0,194	0,222	0,278	0,333
5		2,678	4,47	5,365	6,26	7,148	8,942	10,73
6		2,45	2,65	2,72	2,79	2,85	2,96	3,04
7		0,7	0,72	0,75	0,9	1,2	4,4	7,0
8		0,861	0,875	0,912	0,929	0,945	0,97	1,31
9		0,92	0,92	0,92	0,92	0,92	0,92	0,92
10		0,554	0,604	0,755	1,453	2,521	3,93	8,4
11		0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
12		0,55	0,55	0,55	0,55	0,55	0,55	0,55
13		3,95	4,2	4,43	5,2	6,3	7,84	12,4
14	, Н	79231,9	220580	317846	432811	564141	882321	1271384
15	, Вт	244034,3	1133781	1961110	3116239	4637239	9070260	15688879

Рис. 1. Зависимость

Рис. 2. Зависимость



2. Выбор основных элементов гребных винтов

2.1 Предварительный выбор конструктивного типа и диаметра гребного винта, ориентировочных значений мощности, частоты вращения двигателя.

Для выбора ориентировочных значений диаметра и частоты вращения гребного винта используется номограмма (рис. 1). Для входа в номограмму в первом приближении находят:

1. уз- скорость обтекания гребного винта:

2. -скорость попутного потока (использована приближенная формула Тейлора для двух винтовых судов)

3.- ориентировочное значение мощности силовой установкигде:

- пропульсивный коэффициент.

4. На номограмме, соответствующей найденному значению , по точке пересечения кривой со значением находится значение оптимальной частоты вращения . Так же по кривым Dопределяется ориентировочный диаметр гребного винта .

об/мин; м.

Предварительный диаметр винта:

м.

Т.к.., то будем считать заданным

;



2.2 Определение коэффициентов взаимодействия гребного винта и корпуса судна

1. Коэффициент попутного потока для двухвинтовых судов определяется по формуле Шенхерра:

.

Для контроля используется формула Папмеля:

где:

.

;

водоизмещение судна

2. Коэффициент засасывания для двухвинтовых судов определяется по формуле Шенхерра:

.

Для контроля используется соотношение:

.

3. Коэффициент неравномерности потока в диске:

- коэффициент влияния на упор: ;

- коэффициент влияния на момент: ;

- влияние неравномерности потока на КПД гребного винта

.

4. Коэффициент влияния корпуса:

.

2.3 Определение числа лопастей, дискового отношения и выбор расчетной диаграммы

Число лопастей выбирается исходя из нагрузки гребного винта. Для этого подсчитывается коэффициент нагрузки гребного винта по упору:

;

, следовательно, число гребных валов .

2. Выбираем дискового отношенияиз диаграммы рис.2.4 исходя из данных:,

3. Для определения оптимальных элементов гребного винта выбираем серию СССР, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова) из расчетной диаграммы атласа диаграмм.

2.4 Учет механических потерь в линии водопровода

Механические потери в линии водопровода учитываем путем введения в расчет КПД водопровода:.

2.5 Выбор расчетного режима при проектировании гребных винтов

Исходные данные для оптимальных элементов гребного винта, обеспечивающего наибольшую скорость хода судна, рассчитываются по табл.3. По расчетам строим графики зависимостикоэффициентов и



Таблица 3

Расчет исходных данных для определения мощности и частоты вращения силовой установки и оптимальных элементов гребного винта

№ пп	Расчетные формулы и величины	Размерность	Числовые значения
1	n	об/мин	100	130	150	180	200
		с-1	1,67	2,17	2,51	3	3,67
2			1,1	0,96	0,89	0,82	0,78
3			0,97	0,74	0,64	0,54	0,44
4			0,79	0,78	0,75	0,74	0,73
5			0,95	0,94	0,93	0,92	0,92
6		м	6,17	6,23	6,22	6,17	6,19
7			0,89	0,88	0,87	0,86	0,86
8		кВт	17806	18008,5	18215,5	18427,3	18427,3
Постоянные величины		м
узла
м/с
кН	кВт
кН		Расчетная диаграмма M4-65
		кг/м3

Рис.3. Зависимость коэффициентов

Рис. 4. Зависимость

2.6 Проверка ГВ на кавитацию

Для проверки ГВ на кавитацию используем формулу:

,где:

- значение сопротивления судна H, при найденном значении ;

- атмосферное давление воздуха, Н/м²;

м -заглубление оси гребных винтов;

, Н/м² - давление насыщенных паров, при .

.

Расчет гребного винта можно считать законченным, т.к. найденное значение меньше принятого в расчете значения дискового отношения.



2.7 Конструктивные элементы ГВ

По расчётамрежимов гребного винта и проверки его на кавитацию принимаем окончательно его конструктивные элементы:

Конструктивный тип винта	ВФШ
Диаметр, м	5,22
Конструктивное шаговое отношение, H/D	0,73
Дисковое отношение,	0,65
Число лопастей, Z	4
Материал	Бронза АЖН-9-4-4

2.8 Расчет винтовых характеристик ГВ на свободной воде ив швартовом режиме.

Произведем расчет по методике, изложенной в методических указаниях. Расчетные данные сведем в таблицу 3.По данным таблицы строим винтовые характеристики(рис.5)

, где

- коэффициент зависящий от относительной поступи ГВ

- свободная вода

- швартовый режим

Таблица 4.

Расчет винтовых характеристик ГВ на свободной воде и в швартовом режиме.

об/мин	10	20	40	60	80	100	120	140	160
об/с	0,17	0,33	0,67	1	1,33	1,67	2	2,33	2,67
, об2/с2	0,03	0,11	0,45	1	1,77	2,79	4	5,43	7,13
	0,06	0,22	0,9	2	3,54	5,58	8	10,86	14,26
	0,09	0,35	1,42	3,15	5,58	8,79	12,6	17,1	22,46

Рис.5. Винтовые характеристики ГВ



3. Выбор и обоснование типа ГЭУ

Мощность ГЭД по буксировочной мощности максимального хода судна:

,

где ; ; ; .

Для данного судна выбираем ГЭУ переменного тока, входящую в состав единой электроэнергетической установки. Преимущества данного типа ГЭУ: простота и надежность машин, возможность выбрать более быстроходные ГА, меньшая масса ГА и ГЭД, более высокий КПД гребных установок переменного тока, отсутствие коллекторов у машин переменного тока, меньшая стоимость, малые затраты на обслуживание, легкость обслуживания.

ЕЭЭУ обладает принципиальными преимуществами перед энергетической установкой с малооборотными дизелями и прямой передачей на гребные винты и среднеоборотными дизелями с редукторной передачей:

- резервирование мощности источников энергии, обеспечивающее оптимальные ходовые режимы (при высоком КПД и низком расходе топлива);

- высокая надежность и безопасность ЭУ при выходе из строя максимального количества дизель-генераторов;

- обеспечение реверса гребного винта при полной мощности за короткий период, без реверса источников энергии;

- возможность полного отказа от применения стояночных ДГ или их использование с минимально приемлемой мощностью, обеспечивающей режим стоянки судна или оживления ЭУ.

Выбираем ГЭД переменного тока МСГ295-25/50

Мощность ;

Напряжение ;

Частота вращения ;

КПД ;

Мощность, потребляемая ГЭД

;

Мощность всех генераторов

;

В качестве гребных электродвигателей выбираем:

- два ГЭД постоянного тока 2МСК 5500-1500

Мощность ;

Напряжение ;

Ток фазы

Частота вращения ;

Частота ;

КПД ;

Коэффициент мощности ;

- два генератора типа МСК 1875-1500

Мощность

Напряжение

Частота вращения

Мощность первичных двигателей

;

Рис.6. Схема главного тока ГЭУ

Суммарная мощность

Рис. 7. Схема управления ГЭУ

ПУ - пост управления

БС - блок сравнения

БМК - блок межгрупповой коммутации

ФП - функц. преобразователь

СС - схема совпадения

БГТ - блок гибкой ОС

ПЭ - пороговый элемент

БР - блок режимов

БФУ - блок формирования импульсов

БФСТ - блок формирования сигнала управления при торможении

При пуске ГЭД от поста управления ПУ подаётся сигнал сравнения через блок БС в блок межгрупповой коммутации БМК, определяющий выходную частоту СПЧ. Одновременно с этим, сигнал, соответствующий заданной частоте, посупает на входы функциональных преобразователей ФП1 и ФП2, на выходах которых формируются сигналы пропорциональные (или иного закона управления в статическом режиме) и (для пусковых режимов). Так как пуск ГЭД протекает при быстром изменении тока статора, то задание угла регулирования , а следовательно и напряжения на СПУ, будет производиться пропорционально выходному сигналу ФП2. При увеличении тока статора ГЭД выше определённого предельного значения, срабатывает отсечка по току, снижая частоту и напряжение на выходе СПЧ. В статических режимах задание угла происходит от преобразователя ФП1, так как схема совпадения СС2 закрыта. При реверсе необходимо создать тормозной момент ГЭД, превышающий вращающий момент гребного винта. При постановке поста управления в положение “СТОП” тиристоры СПЧ закрываются. Одновременно от ПУ подаётся сигнал на схему СС3, которая запускает блок формирования сигналов управления при торможении БФСТ, переводящий СПЧ в выпрямительный режим. На выходе СПЧ появляется постоянное напряжение, которое достаточно для создания тормозного момента на ГЭД. При остановке ГЭД от датчика минимальной скорости ДМИ задаётся команда на отключение БФСТ. Дальнейший разгон ГЭД в обратную сторону происходит при подаче сигнала от ПУ на блок реверса по описанной выше схеме пуска.

Сигналы от блока БМК и ПУ через блок режимов БР подаются в блок формирования импульсов БФИ для управления тиристорами СПЧ.

Рис. 8. Схема расположения машинного отделения:

1- ГЭД; 2, 3- ГДГА



Список литературы

1. Учебно-методическое пособие «Расчет гребной электрической установки транспортного судна», Санкт-Петербург 2018 г. Романовский В.В., Шняк Б.В.

2. «Атлас расчётных диаграмм Пампеля», Ленинград, 1988 г.

3. «Гребные электрические установки ледоколов и судов ледового плавания», Романовский В.В., Малышев В.А., Сорокин Ю.В.

4. «ГЭУ», Справочник, Е.Б.Айзенштадт, Ю.М.Гилерович - Ленинград: Судостроение, 1985

Размещено на Allbest.ru

...