Расчет мощности главных двигателей

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 данного курсового проекта является проектирование судовой энергетической установки. Курсовой проект включает в себя выбор главной энергетической установки, расчет систем обслуживающих ее, расчет общесудовых систем, расчет судовой электростанции, а также расчет затрат на оборудование.

Выбор главных двигателей

Расчет мощности главных двигателей

Так как по заданию необходимо увеличить грузоподъемность судна, то для расчета мощности необходимо воспользоваться формулой адмиралтейских коэффициентов:

где – мощность проектируемого судна, кВт;

– водоизмещение проектируемого судна, т;

– скорость проектируемого судна, км/ч;

– адмиралтейский коэффициент, определяемый по формуле

где – мощность главного двигателя судна-прототипа, кВт;

– скорость судна-прототипа, км/ч;

– водоизмещение судна прототипа, т;

Теперь под рассчитанную мощность необходимо подобрать четыре двигателя.

Для дальнейших расчетов были выбраны двигатели следующих марок:

1. Wä rtsilä 8R22HF-D – это двигатель, который установлен на судне-протатипе. Четырехтактный, с газотурбинным наддувом, применяется в качестве главного судового двигателя. Передача мощности гребному винту осуществляется через реверс-редуктор. Способен работать на тяжелом топливе (Возницкий И. В. Современные судовые среднеоборотные двигатели, 2003г. страница 56).

2. Wä rtsilä 6L20 – четырехтактный, с газотурбинным наддувом, применяется как в качестве главного судового двигателя, так и вспомогательного. Передача мощности гребному винту осуществляется через реверс-редуктор. Так же способен работать на тяжелом топливе (Возницкий И. В. Современные судовые среднеоборотные двигатели, 2003г. страница 70).

3. Weichai CW12V200ZC – это дизель производства китайской фирмы Weichai, являющейся одной из ведущих в мире по производству двигателей. Четырехтактный, с газотурбинным наддувом, применяется в качестве главного судового двигателя или вспомогательного. Передача мощности гребному винту осуществляется через реверс-редуктор (интернет источник: http: //wfyuxing.en.alibaba.com/product/329594544-200469313/Weichai_CW200ZC_Diesel_Engine.html)

4. МАК 8M20 – дизель производства американской фирмы Caterpillar. Четырехтактный, с газотурбинным наддувом, применяется в качестве главного судового двигателя. Передача мощности гребному винту осуществляется через реверс-редуктор (Возницкий И. В. Современные судовые среднеоборотные двигатели, 2003г. страница 106).

Для выбора оптимального двигателя необходимо произвести экономический расчет.

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.

Расчет систем СЭУ

Расчет топливной системы

Топливные системы предназначены для приема, хранения, перекачивания, очистки, подогрева и подачи топлива для сжигания к парогенераторам, газовым турбинам и двигателям внутреннего сгорания, а также для передачи топлива на берег или на другие суда.

4.1.1 Расчет системы легкого топлива

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

где – коэффициент, учитывающий мертвый запас топлива;

– удельный расход топлива главного двигателя, ;

– номинальная мощность главного двигателя, кВт;

– число главных двигателей;

– плотность топлива, .

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

Емкость запасных цистерн

где – запас топлива, т.

Объем расходных цистерн вспомогательного двигателя берется из расчета обеспечения их работы не менее 4 часов

где – удельный расход топлива вспомогательного двигателя, ;

– номинальная мощность вспомогательного двигателя, кВт;

– число вспомогательных двигателей.

Объем расходной цистерны автономного котла

где – удельный расход топлива котла, ;

– число автономных котлов;

– плотность тяжелого топлива, .

Целесообразней объединить расходные цистерны главного и вспомогательного двигателей и автономного котла в одну, что обеспечит металлоемкость и сэкономит место в МО. Таким образом принимаем .

Производительность топливоподкачивающего электронасоса (дежурного) выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 20…30 мин

Производительность резервного ручного насоса выбирается из условия заполнения расходной цистерны в течение 1 час

Производительность сепаратора определяется из условия суточной потребности топлива на 8 час

Мощность насоса

где – к.п.д. насоса;

– напор в магистрали, МПа.

К.п.д. насоса и напор топлива в магистрали выбирается по Таблице 4.1.

Таблица 4.1 – к.п.д. насоса и напор в магистрали

Тип насоса
шестеренный
винтовой

Для системы легкого топлива выбирается винтовой топливоподкачивающий насос для заполнения расходной цистерны главного двигателя.

По результатам расчета составляется таблица.

Таблица 4.2 – Результаты расчета системы легкого топлива

Агрегат	Наименование характеристики	Численное значение характеристики
Насос топливный	Марка	ВКС 5/24
Подача, м³/ч
Напор, м
Мощность, кВт	8, 3
Частота вращения, мин^-1
Цена, руб.
http: //www.vmz-nasos.ru/nasos/vk_vks.html http: //www.hms-pumps.ru/vk1.shtml

Ручной топливный насос	Марка	РН-3
	Подача, м³/ч
Справочник серийных судов Т.2 стр. 203
Сепаратор	Марка	СЦ-1, 5/1—11
Подача, м³/ч	1, 5
Мощность, кВт
Частота вращения, мин^-1
Массовая доля воды в очищенном продукте (при начальном обводнении 3%), %	0, 05
Объем грязевого пространства барабана, м³	0, 0017
Цена, руб.
http: //seabay.ru/? r=separator-sc-1_5

Расчет масляной системы

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.

При проектировании масляной системы необходимо учитывать расход

масла во всех перечисленных системах.

Производительность нагнетательного масляного насоса

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;

– температура масла перед двигателем, °С.

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

– удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг;

– дизельное топливо, кДж/кг;

– моторное топливо, кДж/кг;

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

– номинальная мощность двигателя, кВт.

Дальше необходимо произвести расчет масляной системы при работе двигателя на легком и тяжелом топливе.

4.2.1 Расчет масляной системы при работе двигателя на легком топливе

Производительность откачивающего насоса должна быть на 25…30% больше подачи нагнетательного насоса для осушения картера двигателя

Емкость маслосборной цистерны

где – коэффициент, учитывающий мертвый запас топлива и увеличение объема масла при его нагреве;

– кратность циркуляции масла для МОД и СОД.

Объем сточной цистерны отработавшего масла

где – число смен масла за период автономного плавания.

Объем расходной цистерны

Объем запасной цистерны

где – запас масла, т.

где – запас топлива, т.

Поверхность охлаждения масляного холодильника

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

– средняя температура масла и воды, .

где – температура забортной воды перед холодильником. Принимается в зависимости от бассейна плавания (Таблица 4.4), ;

– температура забортной воды за холодильником, .

Таблица 4.4 – Температура забортной воды

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

Производительность насоса забортной воды для прокачки масляного холодильника

где – коэффициент запаса подачи воды;

– теплоемкость пресной речной воды, ;

– теплоемкость морской воды, ;

– плотность пресной воды, т/м³;

– плотность морской воды, т/м³.

Производительность насоса для пресной забортной воды

Производительность насоса для морской забортной воды

Выбираем производительность насоса прокачки масляного холодильника для морской забортной воды, так как она выше чем для пресной воды.

Производительность масляного сепаратора

где – кратность очистки масла;

– время работы сепаратора в сутки, час.

4.2.2 Расчет масляной системы при работе двигателя на тяжелом топливе

Количество теплоты, отбираемое маслом у трущихся пар двигателя

Производительность нагнетательного масляного насоса

Производительность откачивающего насоса

Емкость маслосборной цистерны

Объем сточной цистерны отработавшего масла

Объем расходной цистерны

Объем запасной цистерны остается таким же, как и для системы с легким топливом.

Поверхность охлаждения масляного холодильника

Производительность насоса прокачки масляного холодильника для пресной забортной воды

Производительность насоса прокачки масляного холодильника для морской забортной воды

Производительность масляного сепаратора

По результатам расчетов принимаем масляную систему для двигателя, работающего на легком топливе, так как все показатели для этой системы выше, чем для двигателя, работающего на тяжелом топливе.

По результатам расчета составляется таблица.

Таблица 4.5 – Результаты расчета масляной системы

Агрегат	Наименование характеристики	Численное значение характеристики
Насос масляный, нагнетательный	Марка	ПНШ 24/3
Подача, м³/ч
Напор, кг/см²
Мощность, кВт	5, 5
Частота вращения, мин^-1
Цена, руб.
http: //www.uugm.ru/cgi-bin/catalog/viewgroup.cgi? prigroup=906& seller=& city=& made=
Продолжение Таблица 4.5
Насос масляный, откачивающий	Марка	ПНШ 30/6
Подача, м³/ч
Напор, кг/см²
	Мощность, кВт
Частота вращения, мин^-1
Цена, руб.
http: //www.uugm.ru/cgi-bin/catalog/viewgroup.cgi? prigroup=906& seller=& city=& made=

Сепаратор	Марка	СЦ-1, 5/1—11
Подача, м³/ч	1, 5
Мощность, кВт
Частота вращения, мин^-1
Массовая доля воды в очищенном продукте (при начальном обводнении 3%), %	0, 05
Объем грязевого пространства барабана, м³	0, 0017
Цена, руб.
http: //seabay.ru/? r=separator-sc-1_5

Насоса прокачки масляного холодильника не представлен, так как он прокачивает не только масляный холодильник, но и водный. Поэтому необходимо рассчитать подачу насоса для системы охлождения.

Расчет системы охлаждения

Система водяного охлаждения дизельных установок, как правило, двухконтурная. Она состоит из замкнутой системы внутреннего контура, вода которой охлаждает дизель, и открытой системы внешнего контура, в которой через холодильник циркулирует забортная вода. 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.

4.3.1 Расчет системы охлаждения при работе двигателя на легком топливе

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

– температура забортной воды за холодильником, .

– коэффициент запаса подачи воды;

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

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

Производим расчет подачи забортного насоса для пресной воды

Производим расчет подачи забортного насоса для морской воды

Из расчетов видно, что подача забортного насоса для морской воды ваше, чем для пресной. Поэтому принимаем подачу забортного насоса для морской воды.

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

Расчет производим для морской воды

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

4.3.2 Расчет системы охлаждения при работе двигателя на тяжелом топливе

Подача насоса забортной воды. Рассчитывается для морской воды

Подача насоса для прокачки забортной водой масляного и водяного холодильника

Емкость расширительного бака такая же, как и для двигателя работающего на легком топливе.

По результатам расчетов принимаем систему охлаждения для двигателя, работающего на легком топливе, так как все показатели для этой системы выше, чем для двигателя, работающего на тяжелом топливе.

Таблица 4.6 – Результаты расчета системы охлаждения

Агрегат	Наименование характеристики	Численное значение характеристики
Насос прокачки масляного и водяного холодильника	Марка	1НЦВ - 63/20Б
Подача, м³/ч
Напор, м
Мощность, кВт	7, 5
Частота вращения, мин^-1
Цена, руб.
http: //www.mnkom.ru/catalog/category/1000001173

Расчет общесудовых систем

Все основное оборудование общесудовых систем является составной частью СЭУ. К общесудовым системам относят противопожарную, осушительную, балластную, санитарную и др.

Система осушения

Внутренний диаметр осушительной магистрали и приемных отростков D₀ непосредственно присоединяемых к насосу, должен определяться по формуле

где – длина судна, м;

– ширина судна, м;

– высота борта, м.

Округляем внутренний диаметр осушительной магистрали до ближайшего большего стандартного размера. Принимаем мм.

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

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

– ширина осушаемого отсека, м.

Внутренний диаметр приемных отростков определим для МО, так как это самый большой отсек, подлежащий осушению. Для остальных отсеков приемные отростки примем такими же.

Округляем внутренний диаметр приемных отростков до ближайшего большего стандартного размера. Принимаем мм.

Производительность осушительного насоса

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

По найденной производительности подбираем насос с напором м.

Таблица 5.1 – Результаты расчета системы осушения

Агрегат	Наименование характеристики	Численное значение характеристики
Насос осушительный	Марка	1НЦВ - 25/20Б
Производительность, м³/ч
Напор, м
Мощность, кВт
Цена, руб.	289 913
http: //www.mnkom.ru/catalog/category/1000001173

Система балластная

Балластная система служит для приема балластной воды на судно и ее откачивания.

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

где – вместимость балластной цистерны, .

Полученный диаметр округляем до ближайшего большего стандартного размера. Принимаем мм.

По формуле (5.3) рассчитываем производительность балластного насоса

По найденной производительности подбираем насос с напором м.

Таблица 5.2 – Результаты расчета балластной системы

Агрегат	Наименование характеристики	Численное значение характеристики
Насос балластный	Марка	НЦВ – 250/20А
Производительность, м³/ч
Напор, м
Мощность, кВт
Цена, руб.	956 528
http: //www.mnkom.ru/catalog/category/1000001173

Системы противопожарные

5.3.1 Система водотушения

Суммарную подачу основных пожарных насосов следует определять из условия одновременного обеспечения 15 % количества всех установленных на судне пожарных кранов, но не менее трех, а для судов с двигателями суммарной мощностью 220 кВт и менее – не менее двух при подаче струй самыми большими насадками, применяемыми на судне. Таким образом, подача пожарного насоса должна удовлетворять двум требованиям:

(5.5)

где – количество пожарных кранов, установленных на судне;

– расход воды на один шланг, м³/ч.

Расход воды на один шланг определяется по уравнению истечения воды из спрыска

где – коэффициент истечения из спрыска пожарного ствола (брандспойта);

– ускорение свободного падения, м/с²;

– площадь сечения отверстия спрыска ствола диаметром , м²;

– напор воды у спрыска ствола, м. вод. ст.

Площадь сечения отверстия спрыска ствола можно определить по формуле

где – диаметр спрыска, м.

Стандартные диаметры насадок следует принимать равными 12, 16 и 19 мм или близкими к этим размерам.

Диаметр насадки ручных стволов на открытых палубах судов грузоподъемностью 1000 т и более, на пассажирских судах длиной 50 м и более, судах технического флота и плавучих доках должен быть не менее 16 мм.

Таким образом, принимаем диаметр насадок 16 мм.

Общий напор у спрыска ствола можно определить по формуле

где – коэффициент, зависящий от диаметра спрыска ствола, при этом меньшие значения коэффициента соответствуют большим значения диаметрам ствола;

– общая высота вертикальной струи, м. вод. ст.

где – коэффициент, учитывающий раздробленную часть струи;

– высота компактной части струи, принимаемой над уровнем палубы самой верхней надстройки или рубки, независимо от места установки пожарного крана, м. вод. ст.

Подача пожарного насоса по первому условию

Подача пожарного насоса по второму условию

Таким образом принимаем подачу пожарного насоса по первому условию.

5.3.2 Система воздушно-механического пенотушения

Общее количество эмульсии в литрах, необходимое для локализации пожара в том или ином помещении, определяется по выражению

где – площадь, покрываемая пеной, м²;

– интенсивность подачи эмульсии, ;

– расчетное время непрерывной работы установки, мин.

В системе пенотушения в качестве огнетушащего вещества может вырабатываться пена кратности: низкой – около 10: 1; средней – между 50: 1 и 150: 1; высокой – около 1000: 1. Интенсивность подачи эмульсии для получения пены и расчетное время непрерывной работы принимается согласно Таблица 5.1. Принимаем пену средней кратности 100: 1.

За расчетную площадь следует принимать площадь горизонтального сечения наибольшего защищаемого помещения.

Таблица 5.3 – Зависимость интенсивности подачи раствора и продолжительности работы системы от кратности пенообразования

Наименование помещений	Интенсивность подачи раствора, м³/(ч∙ м²), при кратности пенообразователя	Расчетное время непрерывной работы, мин.
10: 1	100: 1	1000: 1
Грузовые цистерны (танки) для воспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки паров 60 °С и ниже и палубы этих цистерн (танков)	(0, 36; 0, 036; 0, 18)¹	0, 36³	–	30²
Грузовые цистерны (танки) для воспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки паров выше 60 °С и топливные цистерны	0, 36³	0, 27³	–
Трюмы для сухих опасных грузов	–	0, 24³	–
Машинные и другие помещения, оборудование которых работает на жидком топливе	– –	0, 27³ –	– 0, 06	Продолжительность работы должна быть достаточной для обеспечения пятикратного заполнения объема защищаемого помещения
Кладовые для хранения воспламеняющихся жидкостей, материалов и веществ, сжиженных и сжатых газов	–	0, 27³	–
¹Интенсивность подачи раствора выбирается такой, при которой обеспечивается наибольшая производительность системы, и должна быть не менее следующих значений: 0, 36 м³/ч на 1 м² площади горизонтального сечения цистерны (танка), имеющей наибольшую площадь; 0, 036 м³/ч на 1 м² площади палубы грузовых цистерн (танков), определяемой как произведение максимальной ширины судна на длину палубы, занимаемой цистернами (танками); 0, 18 м³/ч на 1 м² площади, защищаемой лафетным стволом наибольшей производительности и полностью расположенной в нос от него, однако не менее 75 м³/ч. ² На нефтеналивных судах, оборудованных системой инертного газа, расчетное время работы системы должно быть не менее 20 мин. ³ За расчетную следует принимать площадь горизонтального сечения наибольшего защищаемого помещения.

Количество воды, необходимой для образования эмульсии

где – коэффициент, учитывающий процентное содержание пенообразователя в эмульсии.

Часовая подача насоса, подающего воду в систему

Количество пены, поданной за период времени t определяется как

где – коэффициент расширения пены.

Расход пенообразователя

Вода в систему пенотушения может подаваться самостоятельным насосом с подачей Q_в или пожарным насосом.

Если системы водотушения и пенотушения будут питаться от одного насоса, то его подача должна удовлетворять одновременной работе двух пожарных кранов (стволов) при полном расходе воды на систему пенотушения, т.е.

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒