Проверочный расчет на критическую частоту вращения гребного вала

Критическая частота вращения гребного вала при поперечных колебаниях определяется по приближенному методу Бринелля. Валопровод заменяют двухопорной балкой с одним свешивающимся концом (рисунок 2.2).

Гребной винт расположен на консоли на расстоянии l₂ от центра опоры А в подшипнике кронштейна. Остальная часть вала до опоры В, в дейдвудной трубе, имеет длину l₁. Предполагают, что каждый из пролетов l₁ и l₂ балки несет равномерно распределенную нагрузку, но с разными интенсивностями q₁ и q₂, при этом q₂ > q₁, что соответствует действительности.

Критическая частота вращения гребного вала рассчитывается по формуле:

(2.13)

где – длина гребного вала между серединами подшипников дейдвуда и кронштейна, м:

· при длине судна до 25 м ;

· при длине судна 25 – 50 м ;

· при длине судна 50 – 100 и более м ;

– длина гребного вала между серединами подшипника кронштейна и ступицы гребного винта, м:

· при длине судна до 25 м ;

· при длине судна 25 – 50 м ;

· при длине судна 50 – 100 м ;

· при длине судна более 100 м ;

– равномерная распределенная нагрузка на этих участках гребного вала от массы самого вала и гребного винта, кН/м;

– модуль упругости стали, кН/м²;

– экваториальный (осевой) момент инерции сечения вала относительно его оси, м⁴;

– ускорение свободного падения, м/с².

Рисунок 2.2 – Расчетная схема для проверочного расчета критической частоты вращения при поперечных колебаниях вала: А – подшипник кронштейна; В – подшипник дейдвуда

Нагрузка от массы вала, отнесенная к одному метру длины:

(2.14)

Нагрузка q₂ представляет суммарную равномерно распределенную нагрузку от массы гребного винта и гребного вала на участке l₂:

(2.15)

Экваториальный момент инерции сечения вала относительно его оси равен:

(2.16)

Критическая частота вращения гребного вала должна быть значительно больше номинального значения, при этом необходимый запас должен составлять не менее 20%.

(2.17)

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).