Судовой пропульсивный комплекс Расчётнографическая работа Расчет конструктивного коэффициента энергетической эффективности наливного танкера проекта Р42М

• Название: Судовой пропульсивный комплекс Расчётнографическая работа Расчет конструктивного коэффициента энергетической эффективности наливного танкера проекта Р42М
• Дата: 30.03.2021
• Размер: 198.91 Kb.
• Имя файла: Spk_kursovaya.docx
• Тип: Документы; #189731

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Факультет корабельной энергетики и автоматики

Кафедра судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок

Дисциплина «Судовой пропульсивный комплекс»
Расчётно-графическая работа


«Расчет конструктивного коэффициента энергетической эффективности

наливного танкера проекта «Р42М»


Выполнил: _____________студент гр. 2430 Смирнов Д.А.
Проверил:______________________ проф. Медведев В.В.


Санкт-Петербург

2018. 
      г.
      

1. 
   ОПИСАНИЕ СУДНА, ЕГО ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
   

Задачей является проверочный расчет движительного комплекса судна (можно привести общий вид судна и план трюмов), имеющего перечисленные ниже исходные данные (из справочника на сайте www.russrivership.ru, распечатку данных по судну с этого сайта следует разместить в приложении к работе):

1. 
   Тип судна и его класс (по Речному Регистру): Двухвинтовой наливной танкер. Предназначенный для перевозки на оз. Байкал нефтегрузов 1-4 классов: однородных, не требующих подогрева, или двух сортов одновременно, с подогревом вязких нефтепродуктов в кормовом баке.
   

2. 
   Основные элементы корпуса судна:
   

число гребных валов (например) Z_p = 2;

расчетные длина, ширина и осадка (средняя) L x B x T = 63,7 x 9,2 x 2,2 м;

коэффициенты:

полноты водоизмещения  = 0,8;

площади мидель-шпангоута  = 0,997;

3. 
   Скорость хода судна (из справочника) _s = 15,9 км/час (_к = 4,42 м/с) на глубокой воде;
   
4. 
   Число главных двигателей: 2 х 6ЧНСП 18/22; N=2 x 167,78 кВт; n=750 об/мин; тип топлива: дизельное.
   
5. 
   Дизель-генератор: ДГР100/750; дизель: 6Ч 18/22; N=115,59 кВт; n=750 об/мин.
   

Дизель-генератор: ДГА25-9М; дизель: 4Ч 10,5/13; N= 29,83 кВт; n=1500 об/мин.

6. 
   Тип винтов: ВФШ ; диаметр: 1,2 м; шаг: 0,8 ; дисковое отношение: 0,55 ; число лопастей: 4.
   
7. 
   Дедвейт судна: 618,9 т.
   

2. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ СУДНА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕФЕРЕНТНОЙ СКОРОСТИ

Проектировочный расчет движительного комплекса выполняем для условий сдаточных испытаний судна, когда оно имеет осадку по грузовую ватерлинию и движется по неограниченному фарватеру и при тихой воде.

Объемное водоизмещение судна

V = L ∙ B ∙ T ∙  = 63,7 x 9,2 x 2,2 х 0,8=1031,43 м³.

Относительная длина



Коэффициент продольной полноты



Относительная смоченная поверхность



Площадь смоченной поверхности голого корпуса судна определяем по формуле:


Находим значение коэффициента



Далее приводим формулы, использованные далее для заполнения таблицы 1:

для сухогрузного судна

(1)

коэффициент

(2)

коэффициент остаточного сопротивления

(3)
число Рейнольдса

(4)

коэффициент сопротивления трения

(5)

коэффициент полного сопротивления

(6)

сопротивление воды (буксировочное сопротивление)

(7)

В формуле (7) значение плотности воды подставляем равным  = 1 т/м³, чтобы получить R в кН. Буксировочная мощность двигателя

(8)

где – пропульсивный коэффициент (подбирается на основе данных по судну для режима движения полным ходом, в данном примере  = 4,42 м/с, Р = 335,56 кВт); _о – КПД винта; _k – коэффициент влияния корпуса; принимаем значение коэффициента влияния неравномерности на момент винта равным i_Q = 1;

_S – КПД валопровода: прямая передача - _S = 0,98-0,99, принимаем _S = 0,99

Из формулы (8) для режима полного хода (в данном примере) получаем

.

Это значение используем при расчете других режимов хода.

Расчет ординат кривой буксировочного сопротивления судна R = f () производим, задаваясь числом Фруда для нескольких значений . Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Число Фруда для расчетной скорости движения _к = 15,9 км/час = 4,42 м/с равно



Таблица 1 – Расчет кривой сопротивления движению судна и буксировочной мощности



По данным таблицы 1 строим график на рис. 1, выражающий зависимость R = f () и Р= f ().

По этому графику определяем референтную скорость при 0,75Р (167,78*0,75 =125,84 кВт) – 14.8 км/ч = 8 узлов.


Рисунок 1 – Кривая буксировочного сопротивления и буксировочной мощности судна

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБОРОТОВ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РЕФЕРЕНТНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА

Задачей является определение оборотов главного двигателя судна, при которых судно достигает референтной скорости. Для получения искомой величины выполняем расчет ограничительных характеристик главных двигателей. Координаты характеристик определяем с помощью следующих зависимостей:

- внешней номинальной мощности

- ограничительной по тепловой напряженности

- винтовой облегченной

- винтовой нормальной и винтовой швартовой



где Р_0,6 – значение координаты внешней характеристики номинальной мощности при n=0,6n_e (значение выделено цветом в таблице 2).

Расчет производим в табличной форме (табл.2). В таблице 2 приведен пример расчета характеристик главного двигателя 6ЧНСП 18/22.

Таблица 2 – Расчет координат ограничительных характеристик судовых дизелей


Для обоснования возможных режимов работы главных двигателей в эксплуатации по рассчитанным координатам строим ограничительные и винтовые характеристики, рис.2.



Рисунок 2 – Обобщенные характеристики главного двигателя 6ЧНСП 18/22.
Совмещение характеристик позволяет установить область эксплуатационных режимов работы главных двигателей (заштрихована), которая для двигателя 6ЧНСП 18/22, как двигателя с наддувом, ограничивается: сверху: часть линий швартовой характеристики и ограничительной по тепловой напряженности (=const); справа: линией номинальной частоты вращения коленчатого вала;

- снизу: линией облегченной винтовой характеристики; слева: линией минимально-устойчивой частоты вращения коленчатого вала (обычно 0,3 n_е).

На рисунке 2 определяем искомую частоту вращения двигателя. Для этого проводим горизонтальную линию, соответствующую режиму 75% от номинальной мощности (125,84 кВт), до пересечения с нормальной винтовой характеристикой. От точки пересечения проводим линию вертикально вниз и определяем частоту вращения 680 об/мин. Полученное значение будет использовано ниже, для определения удельного расхода двигателя на этом режиме работы.

4. РАСЧЕТ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ РЕФЕРЕНТНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СУДНА

Показатели главных двигателей на долевых режимах определяем с помощью зависимостей:

- эффективный КПД на режиме



- удельный расход топлива на режиме

.

Расчет производим в табличной форме (табл.3).

Таблица 3 – Расчет параметров главных двигателей по винтовой характеристике



По результатам расчетов строим графики изменения показателей главных двигателей при их работе по винтовой характеристике, рис.3.

По графику на рис. 3 находим режим работы двигателей при 75% от номинальной мощности с определенной в предыдущей главе частотой вращения 680 об/мин. Для этого режима определяем значение удельного эффективного расхода топлива g_eд = 0,21 кг/(кВт∙ч), которое будет использовано ниже для расчета конструктивного коэффициента энергетической эффективности судна EEDI.



Рисунок 3 – Изменение параметров главного двигателя 6ЧНСП 18/22

при работе по винтовой характеристике.

5. РАСЧЕТ НАГРУЗОК СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ХОДУ СУДНА

Расчет нагрузок судовой электростанции на ходу судна выполняется с целью определения величины P_AEi – расчетной мощности вспомогательных двигателей. Расчет выполняется в табличной форме для ходового режима.

Таблица нагрузок электростанции составляется для ходового режима работы судна (табл.4). В таблицу нагрузок судовой электростанции должны быть включены все судовые потребители электроэнергии, мощность и другие показатели которых приведены в справочнике по серийным транспортным судам.

При расчете нагрузки судовой электростанции учитываются следующие коэффициенты:

• 
  использования мощности электродвигателей потребителей (физический смысл этого коэффициента можно соотнести с механическим коэффициентом полезного действия передачи от электродвигателя к потребителю)
  

k_и = 0,87,

k_o=n_ур/n_у,

где n_ур и n_у – количество одноименных потребителей, работающих на данном режиме и установленных на судне;

• 
  общей одновременности, который можно принимать равным:
  

для систематически работающих потребителей К_о^с = 0,9;

для периодически работающих потребителей К_о^п = 0,6;

для эпизодически работающих потребителей К_о^э = 0,3; коэффициент общей одновременности определяется на каждом режиме работы судна независимо от остальных режимов (приложение 6).

Потребная мощность одноименных потребителей определяется:

• 
  активная ΣР=k_и·P_d·n_у/n_d, кВт;
  

то же на режиме Р_реж=k_o·k_з·k_и·P_d·n_y/η_d, кВт;

• 
  реактивная ΣQ=P_d·n_у·tgφ_d/η_d, квар;
  

то же на режиме Q_реж=k_o·P_d·n_y·tgφ_d/η_d, квар.

Коэффициент полезного действия электродвигателя η_d и характеристика tgφ_d выбираются по справочникам электродвигателей или в пределах, задаваемых преподавателем (η_d=(0,850,9), tgφ_d =(0,70,8)).




Суммарная мощность потребителей на режиме:

• 
  систематически работающих
  

активная ΣР_р^с=0,9·ΣР_реж^с=11,9 кВт;

реактивная ΣQ_р^с=0,9·ΣQ_реж^с=37,3 квар;

- периодически работающих

активная ΣР_р^п=0,6·ΣР_реж^п=1,44 кВт;

реактивная ΣQ_р^п=0,6·ΣQ_реж^п=1,3 квар;

• 
  эпизодически работающих
  

активная ΣР_р^э=0,3·ΣР_реж^э=0,3 кВт;

реактивная ΣQ_р^э=0,3·ΣQ_реж^э=0,6 квар;

• 
  всех с учетом потерь в сети
  

активная Р_общ=1,05·(ΣР_р^с+ΣР_р^п+ΣР_р^э)=9,4 кВт;

реактивная Q_общ=1,05·(ΣQ_р^с+ΣQ_р^п+ΣQ_р^э)=37,2 квар,

где ΣР_реж^с и ΣQ_реж^с, ΣР_реж^п и ΣQ_реж^п, ΣР_реж^э и ΣQ_реж^э – суммы активной и реактивной мощности постоянно, периодически, эпизодически работающих на режиме групп потребителей, соответственно в кВт и квар.

Суммарные мощности потребителей на режиме определяются путем суммирования всех мощностей потребителей для постоянно, периодически и эпизодически работающих отдельно и записываются в нижней части таблицы для каждого режима работы.

Полная мощность на режиме рассчитывается для каждого режима работы

S_общ = (Р_обш²+Q_общ²)^1/2=48,11 кВ·А.

Далее, при расчете EEDI, принимаем P_AEi = S_общ.

6. РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДНА
В 2007 году на 56-й сессии Комитета по защите морской среды (КЗМС) были определена основная цель технических мер по сокращению выбросов парниковых газов – улучшение энергетической эффективности строящихся судов путем внедрения требований по конструктивному коэффициенту энергетической эффективности (ККЭЭ - EEDI).

Согласно Руководства по методу расчета EEDI (Energy Efficiency Design Index) для новых судов, вступившее в силу с 01.01.2013 (MEPC.212(63) [4]) необходимо пользоваться следующей формулой:

EEDI=
где V_ref – скорость судна; Capacity – водоизмещение судна (дедвейт DWT); f_i, f_j, f_w – факторы, учитывающие влияние водоизмещения, особенности конструкции и условий волнения и ветра, соответственно;P_MEi – расчетная мощность главных двигателей; P_AEi – расчетная мощность вспомогательных двигателей; P_PTIi, – мощность, равная 75% от расчетной;P_WHR – электрическая мощность в результате утилизации тепла главных двигателей; SFC_ME, SFC_AE – удельный эффективный расход топлива главными и вспомогательными двигателями; С_FMEi , C_FAEi– выбросы CO₂ главными и вспомогательными двигателями; f_eff – коэффициент эффективности инновационных технологий получения энергии; P_eff – мощность, развиваемая в результате примененияинновационных технологий получения энергии; C_eff – выбросы CO₂ в результате примененияинновационных технологий получения энергии.

Для судов без ледового усиления, без валогенератора и без гибридной установки формула приобретает более простой вид:

. (9)

В данной формуле C_F соответствует топливу, используемому на судне, причем принимается, что главные и вспомогательные двигатели работают на одном сорте топлива. Значение C_F определяется по табл. 5.

SFC_FME– удельный эффективный расход топлива главными двигателями найден в разделе 4 и подставляется в г/(кВт∙ч);

SFC_AE – удельный эффективный расход топлива вспомогательными двигателями находится по справочным данным или из приложений 1 и 2 или 4 и подставляется в г/(кВт∙ч), если данные по вспомогательным двигателям не найдены, то, согласно рекомендациям MEPC.212(63), можно принимать SFC_AE = 215 г/(кВт∙ч);

N– число главных двигателей;

Р_МЕ – мощность главного двигателя, равная 75% от приведенной в справочнике при описании судна.

В качестве Р_АЕ можно принять мощность, определенную для ходового режима из таблицы нагрузок электростанции (см. табл.4).

Скорость судна V_ref определяется по результатам расчета буксировочного сопротивления (рис.1) для режима мощности главного двигателя, равном 75% от номинала (показана зеленой линией). Скорость при подстановке в формулу (9) переводится из км/ч в узлы.

Таблица 5 – Значения величины C_F для разных типов топлива

Тип топлива	Ссылка	Содержание углерода	СF, г СО2 / г топлива
1. Дизельное/ Газойль	ИСО 8217	0,8744	3,206
2. Легкое жидкое топливо (ЛЖТ - LFO)	ИСО 8217	0,8594	3,151
3. Тяжелое жидкое топливо (ТЖТ - НFO)	ИСО 8217	0,8493	3,114
4. Сжиженный нефтяной газ (СНГ - LPG)	Пропан	0,8182	3,000
	Бутан	0,8264	3,030
5. Сжиженный природный газ (СПГ - LNG)		0,7500	2,750
6. Метанол		0,3750	1,375
7. Этанол		0,5217	1,913

Полученное по формуле (9) значение ЕЕDI сравнивается с требуемым EEDI.

Требуемый EEDI должен определяться произведением величины Базовой линии для конкретного типа судна на множитель «(1-Х/100)», в котором учитывается величина уменьшающего фактора Х, зависящего от типа судна, его размеров и четырёх временных фаз применения этого фактора (табл. 6):

=(1-0/100)·52,92=52,92.

где Х – уменьшающий фактор, определяемый из табл. 6 временных фаз применения этого фактора. Принимаем Х=0.

Таблица 6 – Уменьшающий фактор, определяемый из временных фаз применения фактора

Тип судна	Дедвейт (DWT)	Фаза 0 1 янв 2013 - 31 дек 2014	Фаза 1 1 янв 2015 - 31 дек 2019	Фаза 2 1 янв 2020 - 31 дек 2024	Фаза 3 1 янв 2025 и далее
Балкер	20,000 DWT и выше	0	10	20	30
	10,000 -20,000 DWT	n/a	0-10*	0-20*	0-30*
Газовоз	10,000 DWT и выше	0	10	20	30
	2,000 -10,000 DWT	n/a	0-10*	0-20*	0-30*
Танкер	20,000 DWT и выше	0	10	20	30
	4,000 -20,000 DWT	n/a	0-10*	0-20*	0-30*
Контейнеровоз	15,000 DWT и выше	0	10	20	30
	10,000 -15,000 DWT	n/a	0-10*	0-20*	0-30*
Генгруз	15,000 DWT и выше	0	10	15	30
	3,000 -15,000 DWT	n/a	0-10*	0-15*	0-30*
Рефрижератор	5,000 DWT и выше	0	10	15	30
	3,000 -5,000 DWT	n/a	0-10*	0-15*	0-30*
Комбинир. судно	20,000 DWT и выше	0	10	20	30
	4,000 -20,000 DWT	n/a	0-10*	0-20*	0-30*

.
Значение Базовой линии является функцией от дедвейта судна:

=1218,8·618,9^-0,488=52,92

где и – постоянные величины, определяемые в соответствии с табл. 7, – дедвейт судна.

Полученные результаты отображаются графически, как показано для примера на рис.4.

Таблица 7 – Значения постоянных величин для расчета базовой кривой

Тип судна	a	b	c
Балкер	961.79	DWT судна	0.477
Газовоз	1120.00	DWT судна	0.456
Танкер	1218.80	DWT судна	0.488
Контейнеровоз	174.22	DWT судна	0.201
Судно для генгруза	107.48	DWT судна	0.216
Рефрижератор	227.01	DWT судна	0.244
Комбинированное судно	1219.00	DWT судна	0.488

Рисунок 4 – Пример сравнения значения EEDI судна проекта Р42М с базовой кривой

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Басин А.М., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна (сопротивление воды, движители, управляемость и качка). – Л.: Речной транспорт, 1961.
   
2. 
   Ходкость и управляемость судов / Под ред. В.Г. Павленко – М.: Транспорт, 1991.
   
3. 
   www.russrivership.ru.
   
4. 
   MEPC.212(63). Руководство по методу расчета EEDI Energy Efficiency Design Index (конструктивный коэффициент энергетической эффективности - ККЭЭ).
   
5. 
   2014 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships. Resolution MEPC 66/21/Add 1 Annex 5, MEPC [Электронный ресурс]. – 2015. – 245 (66). 30 с. – Режим доступа: URL: www.schonescheepvaart.nl/downloads/regelgeving/doc_1400076573.pdf (дата обращения: 02.02.2015).