Проектирование гребной электрической установки научно-исследовательского судна

Введение

В 1838 году жители Петербурга могли наблюдать, как по Неве двигалась небольшая лодка без парусов, весел и трубы. Это и был первый в мире электроход, построенный академиком  Б. С. Якоби. Моторы судна потребляли энергию от аккумуляторных батарей. Изобретение ученого почти на целый век опередило мировую судостроительную науку.

Использование на судах гребных электрических установок (ГЭУ) получило определенное распространение на различных судах морского торгового, промыслового, технического и вспомогательного, а также речного флота, благодаря ряду достоинств:

-отсутствие жесткой связи между первичным двигателем и гребным валом, что устраняет передачу вибрации и ударов от гребного винта; позволяет рационально разместить элементы ГЭУ;

-высокая надежность и живучесть энергетической установки;

-возможность применения легких быстроходных  нереверсивных первичных двигателей;

-относительная экономичность в долевых режимах;

-возможность создания единой энергетической установки;

-обеспечение судну отличных маневренных и тяговых качеств;

-низкий уровень шума и вибрации;

-больший моторесурс  ДГ

ГЭУ также имеют ряд недостатков, главными из которых являются меньшая экономичность на полном ходу и более высокая начальная стоимость установки, а так же сложность энергоустановки и соответствующая подготовка обслуживающих лиц. Эти недостатки ограничивают широкое применение ГЭУ.

В настоящее время электродвижение применяется на судах, от которых требуется высокая маневренность, отличные тяговые качества, возможность создания единой энергетической установки. Поэтому ГЭУ получило применение на ледоколах и судах ледового плавания, паромах, буксирах, судах технического флота, транспортных и производственных рефрижераторах, рыбопромысловых и рыбоперерабатывающих судах, судах для производства буровых работ, научно-исследовательских и пассажирских.

В значительной степени использование судов-электроходов способствовало в некоторые периоды хозяйственной деятельности нашей страны и дальневосточного региона повышению эффективности работы промыслового и рефрижераторного флота. В восьмидесятые годы двадцатого века численность рыбопромысловых электроходов достигала на Дальнем Востоке нашей страны более ста единиц, что составляло около 60% от общей численности всех дальневосточных судов с электродвижением.

На дальневосточном бассейне суда с электродвижением это:  дизель-электрических железнодорожных паромы, буксиры-спасатели и кабелеукладчики, плавкраны и землечерпалки, научно-исследовательские суда, киллекторные суда и нефтемусоросборщики.

Целью данного курсового проекта является разработка ГЭУ научно-исследовательского судна.

Исходные данные:

Вариант  20

Тип судна: научно-исследовательское;

L=92,3 м;

В=12,6 м;

T=5,5 м;

V=3900 м³;

U=16 узл.

1.Определение мощности, необходимой для обеспечения заданных режимов работы ГЭУ.

 Для определения мощности на гребном валу, необходимой для обеспечения заданных режимов работы ГЭУ судна (заданной скорости хода или требуемого упора), необходимо определить величину сопротивления воды движению судна и буксировочную мощность, выбрать основные параметры гребного винта и проверить гребной винт на отсутствие кавитации.

 1.1. Расчет буксировочной мощности.

Определение сопротивления воды движению судна и буксировочной мощности можно производить любым известным способом. Ниже применяется способ Э. Э. Папмеля для расчёта буксировочной мощности и сопротивления воды движению судна. Метод Э. Э. Папмеля даёт хорошие результаты для судов со средней скоростью хода и широким диапазоном изменения основных характеристик теоретического чертежа, т.е. заданное судно должно удовлетворять следующим соотношениям:

Ψ = 0,35 ÷ 1,2                 δ = 0,35 ÷ 0,8

 ÷ 3,5                         ÷ 0,25

где L, B, T – соответственно длина, ширина и осадка судна в метрах;

      δ – коэффициент полноты корпуса судна, определяемый по формуле

,

где V – объёмное водоизмещение судна, м³;

       Ψ – коэффициент остроты корпуса, определяемый по формуле:

        .

       Буксировочная мощность N_δ для судна нормальных обводов с нормальными выступающими частями определяется по формуле:

           , КВт

где U_c – скорость судна в узлах.

  - множитель, зависящий от числа гребных валов. Для одновинтового   судна

 = 1,0.

  – множитель, зависящий от длины судна:

 = 0,7 +   

  C – коэффициент, значения которого определяют по диаграмме Папмеля [1]:

 ,

 где  – приведённая скорость

 ;

 Сопротивление воды движению судна определяют по формуле:

 , кг.

В качестве примера рассчитаем N_δ  для номинальной скорости:

U_c =16 узл.   

;

;

С=62;

Расчёт буксировочной мощности и сопротивления воды движению судна для трех значений скоростей показаны в  таблице 1.

Таблица 1 - Расчёт буксировочной мощности и сопротивления  воды движению судна.

Величина	Скорость судна, узлы
	Uc - 1	Uc	U + 1c
Uc , узлы	15	16	17
U’	1,42	1,52	1,61
С	64	62	60
Nδ ,КВт.	1288,14	1613,76	2000,17
Rx , кг.	9205,94	10812,2	12612,8

1.2. Выбор гребного винта

В курсовом проекте не преследуется цель полного расчёта гребного винта, а только производится определение некоторых параметров его, частоты вращения и пропульсивного к.п.д. Ниже применяется способ Э.Э. Папмеля, в основу которого положена снятая опытным путём диаграмма гребного винта. Расчёт производится  в следующей последовательности для номинальной скорости:

Находим приведённое значение силы тяги. Диаграмма Э.Э. Папмеля построена для трёхлопастных винтов с дисковым отношением 0,55. Для гребных винтов с другим дисковым отношением и другим числом лопастей необходимо делать пересчёт значений действительной тяги P_e на приведённое её значение по формуле:

              , кг ,

где P_e = P(1-t)= 10812,2*(1-0,16)=9040,21,

где P- упор винта, P = R_x .

t – коэффициент засасывания.

Для транспортных судов t≈ 0,8ω=0,8*0,20=0,16 ,

где ω – коэффициент попутного потока:

ω = 0,5δ – 0,1=0,5*0,61-1=0,2 ,

 Z_л – число лопастей гребного винта. Для научно-исследовательского судна принимаю      Z_л = 4,

θ– дисковое отношение, принимаю θ=0,5 ;

Вычисляем  значение относительной скорости гребного винта:

где U – скорость судна в м/с,  U= 0,514·U_c=0,514*16=8,22 м/с;

Определяем величину коэффициента диаметра тяги:

 ,

где D – диаметр гребного винта. Первоначально в приближённых расчётах принимаю

ρ – массовая плотность морской воды, равна 104,5∙;

На диаграмме Папмеля [1] нахожу точку пересечения кривой  со штриховой кривой, этой точке соответствует значение относительной поступи λ_р и шагового отношения H/D:

λ_р=0,94;   H / D=1,38.

Подсчитываю частоту вращения гребного винта :

   об/с;

Нахожу шаговое отношение нулевого упора :

,

где t₀ – коэффициент засасывания в швартовном режиме:

Определяем по диаграмме [1]  к.п.д. винта как функцию величин относительной поступи и шагового отношения нулевого упора H₁ / D (точка пересечения линий, соответствующих этим значениям):