Определение требуемой эффективной мощности

Выбор главного двигателя зависит от потребляемой им мощности. Требуемая эффективная мощность главного двигателя определяется в соответствии со следующей зависимостью:

, (1)

где - коэффициент запаса мощности, отражающий возможное возрастание сопротивления, например, при движении в сложных метеорологических условиях (принимаем из интервала 1,1-1,3), R- сопротивление движению судна с заданной скоростью, определяется опытным путем в исследовательских бассейнах путем буксировки моделей и заносится в сетку типоразмеров судов модульной постройки [1, с.36, табл. 1.10], - эксплуатационная скорость, - КПД валопровода, учитывающий потери на трение в подшипниках и сальниках валопровода (принимает значения 0,9-0,98) [1, с.16], - КПД передачи (так как передача отсутствует ), - пропульсивный коэффициент, учитывающий комплексную энергетическую эффективность винта (для одновальных судов может принимать значения 0,6-0,65) [1, с.36].

Выбранные значения подставляем в формулу (1) и рассчитываем эффективную мощность

Мощность энергетической установки судов ледового плавания должна быть меньше определенной по следующей зависимости:

, (2)

где - коэффициент влияния типа винта (для ВФШ ), - коэффициент влияния типа носового образования (для носовой оконечности с углом наклона φ , примем ). В любом случае произведение должно быть не менее 0,85, -коэффициент влияния ширины корпуса ( , В-ширина судна, Δ – водоизмещение по летнюю грузовую марку, примем ), и - коэффициенты, отражающие влияние категории ледового усиления и водоизмещения (судно относится к категории ледового усиления ЛУ2 (предназначено для плавания в неарктических замерзающих морях – Балтика), для которого , [1, с.38].

Подставляем выбранные данные в формулу (2):

Следовательно, мощность выбранной энергетической установки удовлетворяет условию (2).

3.3 Расчет винта

Проверка допустимости ПК по удельной нагрузке на винты проводится по формуле:

, (3)

где - максимально допустимое значение удельной нагрузки на лопасти винтов (для небуксирных судов 260 кВт/м²) [1, с.39].

Прежде всего, определяем диаметр винта. При определении максимально допустимого диаметра винта необходимо добиваться того, чтобы исключалось влияние свободной поверхности воды на работу винта, поэтому можно найти из соотношения:

,

где - диаметр винта, - расчетная осадка судна, - допустимое отношение диаметра винта к осадке (для морских судов в случае применения одновальной установки 0,7-0,75) [2, с.75]. м

Подставляем полученное значение в формулу (3):

ПК удовлетворяет условию (3).

3.4 Выбор главного двигателя

Выбор главного двигателя производится по максимальному режиму движения с наибольшей скоростью (на режиме испытаний на скорость) в соответствии со следующей зависимостью:

;

Произведение цилиндровой мощности принятого типоразмера на число цилиндров, соответствующее ограничениям на их число, должно быть не меньше мощности, требуемой для движения с учетом принятого коэффициента запаса мощности, за вычетом мощности утилизационной газовой турбины на режиме МДМ. Так как применение валогенератора и турбокомпаундной системы требует дополнительного обоснования, рассмотрим вариант без этих устройств.

По рассчитанной мощности выбираем главный двигатель из типоразмерного ряда ДВС типа МС [1, с.36 табл. 1,5]. Технические и массо-габаритные характеристики главного двигателя приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Характеристики главного двигателя

Фирма	MAN- Burmeister&Wein
Марка двигателя	L42MC
Мощность двигателя
Мощность цилиндра , кВт
Число цилиндров в составе агрегата, Zц
Диаметр цилиндра D, м	0,42
Ход поршня Sц, м	1,36
Частота на режиме номинальной максимальной длительной мощности (НМДМ) nmax,об/мин
Частота на нижней границе области допустимых значений (МДМ) nmin,об/мин
Удельный расход топлива на режиме (НМДМ) bе, кг/кВт	0,1768
Максимальное среднее эффективное давление на границе области допустимых МДМ , бар	18,418
Минимальное среднее эффективное давление на границе области допустимых МДМ , бар	11,5

Таблица 4

Массогабаритные характеристики двигателя

Масса шестицилиндрового агрегата Gаб, т
Масса одного отсека цилиндра данного типоразмера Gц, т	16,5
Длина шестицилиндрового агрегата Lаб, м	6,325
Межцилиндровое расстояние двух соседних цилиндров в составе агрегата Lмц, м	0,748
Вертикальный физический габарит – расстояние от нижней поверхности лап фундаментной рамы до верхней точки двигателя Нгаб, м	7,4
Вертикальный ремонтный габарит – минимально необходимое расстояние для разборки двигателя, измеряемое от опоры фундаментной рамы до гака грузоподъемного устройства Нрем, м	7,4
Ширина двигателя по лапам фундаментной рамы Вфр, м	2,46

Для данного типа судна выбран двигатель марки L42МC, т. к. он имеет относительно небольшие габариты и массу, что позволяет сделать СЭУ с меньшими габаритами и, следовательно, увеличить полезную площадь судна, предназначенную для перевозки грузов, что повышает рентабельность судна. При выборе типоразмера ДВС следует учитывать ограничение по высоте. Нужно выбирать агрегат с ремонтным габаритом, не превышающим высоты борта до главной палубы, за вычетом высоты второго дна, высоты набора палубы и размеров грузоподъемного устройства крана или тельфера для выемки тяжёлых деталей двигателя при его ремонте.

3.5 Расчет параметров длительного эксплуатационного режима

Для выбранного агрегата главного двигателя рассчитываем параметры длительного эксплуатационного режима. На этом режиме двигатель будет эксплуатироваться большую часть времени. рассчитывается также как требуемая мощность, но без учета коэффициента запаса мощности.

На рисунке 2 представлен диапазон допустимых режимов МДМ агрегата МОД с 6 цилиндрами L42МC. На поле допустимых режимов расположение длительного эксплуатационного режима обозначено Э. Через точку Э проведена номинальная винтовая характеристика «В». Это приблизительно кубическая парабола, соответствующая средним за эксплуатационный период условиям коррозии и обрастания корпуса. Параболу «В» можно описать следующей зависимостью:

Рис. 2. Диапазон допустимых режимов МДМ агрегата МОД с 6 цилиндрами L42MC

Вертикаль, проведенная через точку «Э» позволяет определить частоту двигателя на режиме длительной эксплуатационной мощности. Частоту двигателя на эксплуатационном режиме можно также определить аналитически по следующей зависимости [1, с.40]:

об/мин

Частота на длительном эксплуатационном режиме определяет размеры движителя. Для достижения относительного максимума КПД его параметры – диаметр D, частота n и упор Р – должны соответствовать соотношению, установленному Л.С.Артюшковым для морских судов [1, с.40]:

,

где t – коэффициент засасывания, характеризующий понижение давления в кормовой оконечности судна вследствие работы винта, отбрасывающего воду от корпуса (его среднестатистическое значение t=0,18) [1, с.16]:

Отсюда, упор:

диаметр винта на оптимальном режиме:

м

Сравним полученное значение с ограничением по осадке ( ):

4,24м < 5,11м

Настройка двигателя на длительный эксплуатационный режим на рисунке 2 обозначена точкой «И», соответствующая расчетной мощности, найденной по выражению (1). Частая эксплуатация на режиме «И» не предусмотрена, однако возможна при увеличении сопротивления движению судна, например, в случае задержки вор время рейса и необходимости прибытия в порт назначения в установленное время. Этот режим также обеспечивает достижение максимальной скорости, оговоренной параметрами технического задания.

При работе двигателя на режиме МДМ его мощность не должна превышать мощность в соответствии с выражением (4) не более чем на один цилиндр данного типоразмера:

(4)

Целесообразно, чтобы разница между этими двумя величинами была поменьше. В идеальных условиях она должна быть равной нулю.

Для выбранного двигателя:

995·6 – 5098 = 872<995 , то есть разница довольно велика. Для четырехцилиндрового двигателя S46МС-С эта разница была бы меньше, но ремонтный габарит такого двигателя 9,59 делает его не приемлимым для данного судна. Для 8-цилиндрового двигателя L35МС разница также мала, слишком велика частота двигателя на режиме Э, поэтому был выбран 6-цилиндровый двигатель L42МС.

Возможна оптимизация эксплуатационного режима за счет снижения частоты и увеличения диаметра винта. Более тяжелая винтовая характеристика В₂ реализует эксплуатационную мощность при более низкой частоте, она отмечает крайнее положение для оптимизации винта за счет снижения частоты. Вертикаль, проведенная через точку О соответствует пониженной частоте вращения. Так как режим «И» и режим МДМ не слишком сильно отличаются диаметр винта увеличивать не целесообразно.