К выполнению курсовой работы на тему: «Расчет основных параметров судовой энергетической установки»

Методические указания

К выполнению курсовой работы на тему: «Расчет основных параметров судовой энергетической установки»

дисциплины:	ПМ.01 Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт судового энергетического оборудования
	(наименование дисциплины)
для специальности:	26.02.05 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Омск 2017

Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой профессионального модуля и Федеральным государственным образовательным стандартом (далее – ФГОС) по специальности среднего профессионального образования (далее – СПО) 26.02.05 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Организация-разработчик:	Омский институт водного транспорта - филиал
ФГБОУ ВО «СГУВТ», структурное подразделение СПО
Омское командное речное училище имени капитана Евдокимова В.И.

Разработчики:

Кошман А.А., преподаватель специальных дисциплин

(Ф.И.О., ученая степень, звание, должность)

Гринимеер В.В., преподаватель специальных дисциплин

(Ф.И.О., ученая степень, звание, должность)

Методические указания рекомендованы Цикловой методической комиссией

Судомеханических и гидротехнических дисциплин

Протокол №

от

«

»

г.

Председатель

/Г.В. Борисенко/

Рассмотрено на Методическом совете:

Протокол №

от

«

»

г.

Утверждаю

«

»

г.

Начальник УМО

/Е.В.Жердева/

Содержание

Введение. 5

Требования к оформлению курсовой работы.. 6

1. Выбор главных двигателей. 8

1.1. Расчет мощности главных двигателей. 8

1.2. Выбор способа передачи мощности от главного двигателя к движителю.. 10

2. Расчет валопровода. 12

2.1. Определение диаметра гребного вала. 12

2.2. Проверочный расчет прочности гребного вала. 13

2.3. Проверочный расчет на критическую частоту вращения гребного вала. 14

3. Расчет систем СЭУ.. 17

3.1. Топливная система. 17

3.2. Масляная система. 19

3.3. Система охлаждения. 21

3.4. Система сжатого воздуха. 22

3.5. Система газовыпуска. 23

4. Расчет общесудовых систем. 24

4.1. Система осушения. 24

4.2. Система балластная. 25

4.3. Противопожарная система водотушения. 25

4.4. Системы санитарные. 26

4.4.1. Система водоснабжения. 26

4.4.2. Система сточно-фановая. 27

4.5. Грузовая и зачистная системы.. 28

5. Расчет судовой электроэнергетической системы.. 29

5.1. Выбор рода тока. 29

5.2. Выбор номинального напряжения СЭЭС.. 29

5.3. Выбор частоты тока СЭЭС.. 31

5.4. Расчет мощности судовой электростанции. 32

5.5. Выбор аварийного источника электроэнергии. 40

Библиографический список. 42

Приложения. 44

Приложение 1. 44

Введение

Современные суда оборудованы большим количеством машин и механизмов различного назначения, которые приводят их в движение с необходимой скоростью, содействуют созданию комфортных условий в жилых и служебных помещениях, выполняют перегрузочные операции, производят углубление, очистку водных путей и другие работы.

Комплекс устройств, предназначенных для полного удовлетворения всех потребителей на судне различными видами энергии, принято называть судовой энергетической установкой (СЭУ). Часть такой установки, обеспечивающую энергией основные производственно-технические нужды судна (движение, дноуглубительные работы), относят к главной, а вторую часть установки, предназначенную для снабжения электроэнергией, паром горячей водой и другими энергоносителями неосновных потребителей, – к вспомогательной. Суда, выполняющие транспортную работу, могут иметь одну или несколько главных энергетических установок.

Целью данной курсовой работы является расчет судовой энергетической установки. Курсовая работа включает в себя выбор главной энергетической установки, расчет систем обслуживающих ее, расчет общесудовых систем и расчет судовой электростанции.

При проработке курсовой работы, обучающиеся должны овладеть следующими общими и профессиональными компетенциями:

Таблица – Общие и профессиональные компетенции

Код	Наименование результата обучения
ПК 1.	Обеспечивать техническую эксплуатацию главных энергетических установок судна, вспомогательных механизмов и связанных с ними системами управления
ПК.4.	Осуществлять выбор оборудования, элементов и систем оборудования для замены в процессе эксплуатации судов
ПК 5.	Осуществлять эксплуатацию судовых технических средств в соответствии с установленными правилами и процедурами, обеспечивающими безопасность операций и отсутствие загрязнения окружающей среды
ПК 7.	Обеспечивать техническую эксплуатацию и обслуживание судовой энергетики и электрооборудования (добавлено к ПК ФГОС)
ОК 2.	Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество
ОК 3.	Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность
ОК 4.	Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития
ОК 5.	Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности
ОК 8.	Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации

Требования к оформлению курсовой работы

Пояснительная записка к курсовой работе выполняется на листах формата А4 (210×297мм). Допускается приложения выполнять на листах формата больше А4, но кратных ему в соответствии с ГОСТ 2.101. Рамки и штампы по ЕСКД. Шифр работы – «26.02.05КР–ХХ YY.00.00 ПЗ», где ХХ – год выполнения работы, YY – номер варианта задания (например: 01). Титульный лист должен соответствовать установленному образцу.

При выполнении расчетов необходимо контролировать и указывать размерности числовых величин. Все размерности даются в соответствии с международной системой единиц физических величин СИ.

Для оформления работ необходимо использовать шаблон, подготовленный на отделении.

Основной текст работы – размер шрифта 14, междустрочный интервал 1,5, абзацный отступ – 1,5 см, выравнивание по ширине.

Оформление таблицы. Таблица должна иметь порядковый номер, состоящий из двух чисел, первое из которых соответствует номеру раздела, а второе – порядку таблицы в разделе. Заголовок таблицы должен быть тематическим – размер шрифта 12, строчный, по центру, над таблицей. Текст таблицы – размер 12, междустрочный интервал одинарный, абзацный отступ 0 см.

Пример:

Таблица 1.1 Технические характеристики электрогидравлической рулевой машины

Технические данные	Значение
Наибольший крутящий момент на баллере, кН·м	61,8
Наибольший угол перекладки руля, град	35,0

Если таблица не помещается на одной странице, то на следующей странице название таблицы не пишется, а добавляется надпись «Продолжение таблицы» и ее номер. Надпись выравнивается по правому краю.

Пример:

Продолжение таблицы 1.1
Рабочее давление в системе, кгс/см2	100,0
Мощность двигателя, кВт	8,0

Оформление рисунков. Рисунок должен быть расположен по центру. Рисунок должен иметь порядковый номер, состоящий из двух чисел, первое из которых соответствует номеру раздела, а второе – порядку рисунка в разделе. Подрисуночная надпись должна иметь размер шрифта 12, строчными, по центру, под рисунком. Если на рисунке отображены номера позиций элементов рисунка, то подрисуночная надпись должна включать в себя расшифровку этих позиций.

Пример:

Рисунок 1.1 – Электрогидравлическая рулевая машина

1 – баллер руля; 2 – румпель; 3 – румпельная тяга; 4 – гидравлический пресс исполнительного механизма

После подрисуночной надписи и заголовка таблицы точка не ставится.

Все формулы оформляются в редакторе формул. Формула должна быть расположена по центру. Формула должна иметь порядковый номер, состоящий из двух чисел, первое из которых соответствует номеру раздела, а второе – порядку формулы в разделе.

Если после формулы продолжается основной текст работы, то после формулы ставится точка.

Если после формулы идет пояснение к ней, то после формулы ставится запятая.

Если после формулы идет другая формула, то после формулы ставится точка с запятой.

Размерности значений после формул не ставятся. Размерности значений ставятся только после решений этих формул.

Выбор главных двигателей

Расчет валопровода

Судовой валопровод работает в сложном напряженном состоянии. Он нагружен крутящим моментом, испытывает продольное сжимающее усилие от силы упора гребного винта на переднем ходу или растягивающее усилие на заднем ходу и изгибается под собственной массой и массой навешенных на него деталей. Эти нагрузки носят переменный и циклически повторяющийся характер. Точный расчет элементов валопровода при указанных условиях довольно сложен и требует ряд допущений. Поэтому главным является расчет, основанный на условном предположении, что вал подвергается воздействию статического крутящего момента. В рамах курсовой работы расчет валопровода сводится лишь к определению диаметра, расчету прочности и расчету критической частоты вращения гребного вала.

Расчет систем СЭУ

Топливная система

Топливная система предназначена для приема, хранения, перекачивания, очистки и подачи топлива для сжигания к парогенераторам, газовым турбинам или двигателям внутреннего сгорания, а также для передачи топлива на берег или на другие суда.

Объем цистерн основного запаса топлива:

(3.1)

где – запас топлива (значение выбирается из данных по судну-прототипу), т;

– плотность дизельного топлива, .

Объем расходной цистерны подсчитывается из расчета обеспечения работы главного двигателя на номинальном режиме в течение 8 часов:

(3.2)

где – коэффициент, учитывающий мертвый запас топлива;

– удельный расход топлива главного двигателя, ;

– номинальная мощность главного двигателя, кВт;

– число главных двигателей.

Объем сточной цистерны грязного топлива составляет 50 – 100 л на каждые 1000 кВт мощности главного двигателя:

(3.3)

Таблица 3.1 – Модельный ряд судовых дизель-генераторов

Модель дизель-генератора	Обозначение дизеля по ГОСТ	Номинальная мощность дизеля, кВт	Частота вращения, мин-1	Удельный расход топлива, г/кВт·ч
ВДМ-ДГС24-226В	3Ч 10,5/12	24,0
ВДМ-ДГС30-226В	3Ч 10,5/12	30,0		196,6
ВДМ-ДГС40-226В	4Ч 10,5/12	40,0		197,5
ВДМ-ДГС50-226В	4Ч 10,5/12	50,0
ВДМ-ДГС64-226В	6Ч 10,5/12	64,0
ВДМ-ДГС75-226В	6Ч 10,5/12	75,0		213,3
ВДМ-ДГС90-226В	6Ч 10,5/12	90,0
ВДМ-ДГС100-226В	6Ч 10,5/12	100,0
ВДМ-ДГС120-226В	6Ч 10,5/12	120,0

Объем расходной цистерны вспомогательного двигателя берется из расчета обеспечения их работы не менее 4 часов:

(3.4)

где – удельный расход топлива вспомогательного двигателя, ;

– номинальная мощность вспомогательного двигателя, кВт;

– число вспомогательных двигателей.

Модель вспомогательных двигателей выбирается из предложенного ряда судовых дизель-генераторов (таблицы 3.1) в зависимости от мощности вспомогательных двигателей судна-протатипа. Мощность выбранных вспомогательных двигателей должна быть близкой к мощности вспомогательных двигателей судна-прототипа, но не меньше ее. Количество выбранных дизель-генераторов должно соответствовать количеству вспомогательных двигателей судна-прототипа.

Объем расходной цистерны автономного котла:

(3.5)

где – расход топлива котлом, ;

– число автономных котлов;

Модель автономного котла выбирается из предложенного ряда судовых котлов (таблицы 3.2) в зависимости от теплопроизводительности автономного котла судна-протатипа. Количество выбранных автономных котлов должно соответствовать количеству автономных котлов судна-прототипа.

Таблица 3.2 – Модельный ряд судовых котлов

Модель котла		Расход топлива, кг/ч
ДГС 0,4-К-0,65
КВА 0,63/6
КОАВ-63		7,3
КОАВ-68		7,8
КОАВ-200
КСВВ 1000/5
КИВ-200-3,5

Целесообразней объединить расходные цистерны главных и вспомогательных двигателей и автономного котла в одну, что обеспечит металлоемкость и сэкономит место в МО:

(3.6)

Производительность дежурного топливного электронасоса выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 20…30 мин:

(3.7)

Мощность дежурного топливного электронасоса:

(3.8)

где – к.п.д. насоса;

– напор в магистрали, МПа.

К.п.д. насоса и напор топлива в магистрали выбирается по таблице 3.3.

Таблица 3.3 – К.П.Д. насоса и напор в магистрали

Тип насоса
шестеренный
винтовой

Производительность резервного ручного насоса выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение одного часа:

(3.9)

Производительность сепаратора определяется из условия суточной потребности топлива на 8 час:

(3.10)

Масляная система

Масляная система предназначена для приема, хранения и подачи масла потребителям. Масляные системы дизельных установок во многих случаях состоят из следующих, по существу, независимых систем:

· смазочной и охлаждения трущихся деталей главных и вспомогательных двигателей;

· смазочной редукторных передач;

· гидравлической реверс-редукторных, гидродинамических и объемных гидравлических передач;

· масляной органов управления и автоматического регулирования.

В рамках курсовой работы расчет производится только для системы смазки и охлаждения трущихся деталей главных и вспомогательных двигателей.

Производительность нагнетательного масляного насоса:

(3.11)

где – коэффициент запаса подачи;

– количество теплоты, отбираемое маслом у трущихся пар двигателя, кДж/ч;

– теплоемкость масла, кДж/(кг∙°С);

– плотность масла;

– температура масла за двигателем, °С. для МОД и СОД, для ВОД;

– температура масла перед двигателем, °С. На 10…15 °С меньше .

(3.12)

где – доля тепла, отводимая маслом от всего количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя;

– удельная теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг;

– удельный расход топлива, кг/(кВт∙ч);

– номинальная мощность двигателя, кВт.

Объем запасной цистерны:

(3.13)

где – запас масла, т.

(3.14)

где – запас топлива, т.

Объем сточной цистерны отработавшего масла:

(3.15)

где – число смен масла за период автономного плавания.

Поверхность охлаждения масляного холодильника:

(3.16)

где – коэффициент теплоперепада от масла к стенкам трубок холодильника, ;

– средняя температура масла и воды, .

(3.17)

где – температура забортной воды перед холодильником. Принимается в зависимости от бассейна плавания (таблица 3.4), ;

– температура забортной воды за холодильником, .

Таблица 3.4 – Температура забортной воды

Район плавания	Температура
Обь – Иртыш
Енисей – Лена
Без ограничения бассейна
Суда смешанного плавания

Производительность насоса забортной воды для прокачки масляного холодильника:

(3.18)

где – коэффициент запаса подачи воды;

– теплоемкость пресной речной воды, ;

– плотность пресной воды, т/м³.

Система охлаждения

Система охлаждения двигателя служит для отвода излишка теплоты и поддержания оптимального уровня температуры деталей, подверженных интенсивному нагреву. Система жидкостного охлаждения судовых дизельных двигателей, как правило, двухконтурная. Она состоит из замкнутой системы внутреннего контура, жидкость которой охлаждает дизель, и открытой системы внешнего контура, в которой через холодильник циркулирует забортная вода, охлаждая жидкость внутреннего контура. В настоящее время насосы внутреннего и внешнего контуров, как правило, входят в комплект поставки дизельной установки. Если насосы не входят в комплект поставки необходимо рассчитать их параметры.

Подача насоса внутреннего контура не рассчитывается, так как насос внутреннего контура навешен на двигателе и поставляется вместе с ним.

Подача насоса забортной воды, прокачиваемой через холодильник для охлаждения жидкости внутреннего контура, определяется по выражению:

(3.19)

где – температура забортной воды перед холодильником. Принимается в зависимости от бассейна плавания (таблица 3.4), ;

– температура забортной воды за холодильником, ;

– коэффициент запаса подачи воды;

– количество теплоты, отбираемое водой внутреннего контура от охлаждаемых деталей двигателя, кДж/ч.

(3.20)

где – доля тепла, отводимая водой от всего количества теплоты, выделяемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя.

Часто для прокачки забортной водой масляного и водяного холодильников используют один насос, тогда его подача определяется по формуле:

(3.21)

Внутренний контур не может быть герметически замкнутым. Для компенсации изменения объема воды при изменении ее температуры, а также для возмещения потерь вследствие испарения или утечек служит расширительный бак, соединенный с всасывающей магистралью циркуляционного насоса.

Емкость расширительного бака по опытным данным составляет 100…150 л на каждые 1000 кВт мощности:

(3.22)

Система сжатого воздуха

Сжатый воздух используется на судне для пуска главных и вспомогательных двигателей, подачи звукового сигнала (тифона), подпитки пневмоцистерн (гидрофоров) и других хозяйственных и технологических нужд.

Общий запас воздуха на судне, необходимый для обеспечения определенного количества пусков и реверсов главных двигателей, регламентируемых Правилами Российского Речного Регистра, определяется по формуле:

(3.23)

где – удельный расход свободного воздуха для пуска холодных двигателей, приходящийся на 1м³ объема цилиндра, м³/м³;

– удельный расход свободного воздуха для пуска горячего двигателя, м³/м³;

– число пусков и реверсов. для нереверсивных двигателей и для реверсивных;

– суммарный объем цилиндров двигателя, м³;

– число главных двигателей.

Суммарный объем пусковых баллонов:

(3.24)

где – давление атмосферного воздуха, МПа;

– начальное пусковое давление воздуха, МПа;

– минимальное пусковое давление воздуха, МПа.

По величине выбирают необходимое количество стандартных баллонов, общая вместимость которых должна быть больше расчетной, т. е. .

Стандартные баллоны рассчитаны на 40, 80, 200, 250 и 400 литров.

Производительность компрессора:

(3.25)

где – время заполнения баллонов, час.

Объем тифонного баллона определяется из условия подачи сигналов в течение 10 мин без его подкачки:

(3.26)

где – коэффициент насыщения сигналами (отношение продолжительности сигнала ко времени между сигналами);

– время сигнала, мин;

– начальное давление воздуха в баллоне, МПа;

– конечное давление воздуха в баллоне, МПа;

– расход свободного воздуха тифоном (таблица 3.5), м³/мин.

Таблица 3.5 – Расход свободного воздуха тифоном

Условный проход тифона, мм	Тон звука
	альт
	тенор
	баритон
	бас

Система газовыпуска

Система газовыпуска предназначена для отвода в атмосферу отработавших газов от главных и вспомогательных дизелей и автономных котлов.

Площадь сечения газовыпускного трубопровода определяется в зависимости от секундного расхода и допустимой скорости движения газов:

для дизелей:

(3.27)

для автономных котлов:

(3.28)

где – суммарный коэффициент избытка воздуха при горении. для дизелей и для автономных котлов;

– количество воздуха теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива, кг/кг;

– газовая постоянная, ;

– температура выпускных газов, ;

– допустимая скорость движения газов в трубопроводе, м/с. для дизелей и для автономных котлов;

– часовой расход топлива автономных котлов, кг/ч;

– допустимое давление в трубопроводе, кПа.

Расчет общесудовых систем

Система осушения

Система осушения предназначена для удаления из отсеков судна небольших масс воды, скопившейся в результате отпотевания, неплотности трубопроводов и т.п.

Внутренний диаметр осушительной магистрали D₀ непосредственно присоединяемой к насосу, должен определяться по формуле:

(4.1)

где – расчетная ширина судна, м;

– высота борта, м.

– расчетная длина судна, м:

· Если в задании требуется увеличить скорость судна, то равна расчетной длине судна-прототипа;

· Если в задании требуется увеличить грузоподъемность, то определяется по формуле:

(4.2)

где – длина судна-прототипа, м;

– грузоподъемность проектируемого судна, т;

– грузоподъемность судна-прототипа, т;

– плотность груза, т/м³.

Внутренний диаметр осушительной магистрали округляется до ближайшего большего стандартного размера.

Внутренний диаметр приемных отростков d_о присоединяемых к магистрали, а также диаметр приемного трубопровода ручного насоса должны определяться по формуле:

(4.3)

где – длина осушаемого отсека, измеряемая по его днищу, м;

– ширина осушаемого отсека, м.

В рамках курсовой работы внутренний диаметр приемных отростков определяется только для МО, так как это самый большой отсек, подлежащий осушению. Для остальных отсеков приемные отростки можно принять такими же.

Полученное значение внутреннего диаметра приемных отростков округляется до ближайшего большего стандартного размера.

Производительность осушительного насоса:

(4.4)

где – скорость воды в приемной магистрали, м/с.

Система балластная

Балластная система служит для приема, перемещения и удаления балласта.

Внутренний диаметр отростков балластных трубопроводов для отдельных цистерн должен быть не менее определяемого по формуле:

(4.5)

где – вместимость балластной цистерны, .

Полученный внутренний диаметр отростков балластных трубопроводов округляется до ближайшего большего стандартного размера.

Производительность балластного насоса рассчитывается по формуле (4.4).

Системы санитарные

Основное назначение санитарных систем – снабжать команду и пассажиров водой для бытовых нужд, а также удалять за борт нечистоты и загрязненные (сточные) воды. В состав санитарных систем входят: система водоснабжения, сточно-фановая и система шпигатов.

Система водоснабжения

Производительность станции подготовки питьевой и мытьевой воды (СППВ):

(4.11)

где – коэффициент запаса;

– нормы расхода воды на человека в сутки, экипажа и пассажиров соответственно, л;

– количество людей на судне, экипажа и пассажиров соответственно, чел;

– время работы станции в сутки, ч. для грузовых и буксирных судов и для пассажирских водоизмещающих судов.

Нормы расхода воды регламентируются СанПиН 2.5.2-703-98 и зависят от группы судов (таблица 4.1).

Таблица 4.1 – Минимальные нормы водопотребления для водоизмещающих судов

Норма расхода воды, л/(чел·сут)	Группа судна
I1	II2	III3
для экипажа
для пассажиров

Продолжение таблицы 4.1

1I группа – Суда внутреннего и смешанного плавания, на которых экипаж постоянно работает и проживает на судне в течение всего времени навигации (более 40 часов); 2II группа – Суда внутреннего плавания, совершающие короткие рейсы и обслуживаемые бригадным методом, при котором часть экипажа в течение навигации периодически работает и проживает на судне (до 40 часов), а часть отдыхает на берегу; 3III группа – Суда внутреннего плавания внутригородских, пригородных линий, рейдовые, вспомогательные, т.е. на которых экипаж находится только во время работы, а проживает на берегу.

Объем накопительного бака с учетом пикового расхода воды можно принимать равным 4-х часовой производительности станции:

(4.12)

Полезная вместимость гидрофора:

(4.13)

где – количество заполнений гидрофора в час;

– часовой расход воды.

(4.14)

Полная вместимость гидрофора при оптимальном отношении давлений Р₁/Р₂=2 будет равна:

(4.15)

Начальное давление воздуха в гидрофоре принимается Р₁ = (0,3…0,4) МПа, конечное Р₂ = (0,15…0,2) МПа.

Подача санитарного насоса, подающего воду в гидрофор:

(4.16)

где – коэффициент запаса;

– время работы станции в сутки, ч. для грузовых и буксирных судов и для пассажирских водоизмещающих судов.

Система сточно-фановая

С целью предох