Проектирование судовых энергетических установок на основе САПР: Учебное пособие

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ. . . 4                                                                                                            

ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1. Расчеты ходкости и характеристик гребного винта. . . . . . . . . .11

2. Выбор главного малооборотного двигателя из типоразмерного ряда фирмы MAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3. Выбор агрегата главного среднеоборотного двигателя

из типоразмерных рядов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4. Комплексное проектирование валопровода. . . . . . . . . . . . . . . . 35

5. Функциональное проектирование энергетических систем . . . 53

6. Проектирование вспомогательной котельной установки . . . . .65

7. Определение потребности судна в электрической энергии и

выбор генераторов судовой электростанции  . . . . . . . . . . . . . . 80

8. Выбор утилизационной опреснительной установки . . . . . . . . .92

9. Модели технико-экономического анализа . . . . . . . . . . . . . . . . .96

10. Проектирование расположения оборудования СЭУ в МКО.106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

ЛИТЕРАТУРА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119

ПРИЛОЖЕНИЕ. База данных оборудования СЭУ – в отдельном томе

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ПК – судовой пропульсивный (движительный) комплекс;

СЭС – судовая электроэнергетическая установка (электростанция);

ВГ     – валогенератор;

ДГ – дизель-генератор;

УГТ  – утилизационная газовая турбина, эквивалент ТКС;

УТГ  – турбогенератор, работающий на паре утилизационного котла;

ГРЩ – главный распределительный щит;

ВКУ – вспомогательная котельная установка;

ВК – вспомогательный котел, работающий на топливе;

УК – утилизационный котел, использующий теплоту выпускных газов главного двигателя;

КИ    – котел – инсениратор;

ОУ    – судовая водоопреснительная установка;

ГД     – главный судовой двигатель;

ДВС  – двигатель внутреннего сгорания;

МОД – малооборотный ДВС;

СОД  – среднеоборотный ДВС;

ВОД  – высокооборотный ДВС;

МКО – машинно-котельное отделение;

N_e – мощность на фланце двигателя, кВт;

N_R– буксировочная мощность, кВт;

D – полное водоизмещение судна, т;

D0 – водоизмещение судна порожнем, т;

DW– дедвейт – полная  грузоподъемность судна, т;

v –  наибольшая скорость судна на испытаниях, узлы;

v_э –  скорость судна на эксплуатационном режиме, узлы;

C_R  –  адмиралтейский коэффициент;

d –  коэффициент общей полноты;

b – коэффициент полноты миделя;

a – коэффициент полноты ватерлинии;

X_c – абсцисса центра величины (в % от длины);

L_пп  – длина судна между перпендикулярами, м;

B_нб  – ширина судна на миделе, м;

H_б    – высота борта до главной палубы, м;

T – расчетная осадка судна (T_к – кормой; T_н – носом), м;

Z_в – число движителей;

D_в – диаметр гребного винта, м;

p_T – коэффициент туннельности кормы;

l_p – относительная поступь винта;

q –  дисковое отношение винта;

n_в – частота вращения винта, об/мин;

R – сопротивление движению судна, Н;

k_з – коэффициент запаса мощности;

h_вал – КПД валопровода;

h_пер – КПД передачи;

h_пр – пропульсивный коэффициент;

N_нав – мощность навешенных механизмов не учитываемых механическим КПД двигателя, кВт;

N_УТ – мощность утилизационных турбин, работающих на винт; кВт;

J – индекс типоразмера цилиндра;

W_тц – подача циркуляционного топливного насоса, м³/ч;

W_тп – подача топливоподкачивающего насоса, м³/ч;

W_пр – подача насоса пресной воды, м³/ч;

W_зв – подача насоса забортной воды, м³/ч;

W_м  – проток забортной воды через маслоохладитель, м³/ч;

W_м – подача главного масляного насоса, м³/ч;

G_воз – расход продувочного воздуха, кг/сек;

G_газ – pасход выхлопных газов, кг/сек;

T_газ – температура газов, ^оС;

Q_во – отвод теплоты от продувочного воздуха, кВт;

Q_мо – отвод теплоты с циркуляционным маслом, кВт;

Q_пр – отвод теплоты от пресной воды, кВт;

МДМ – максимальная длительная мощность главного двигателя, кВт;

НМДМ – номинальная МДМ;

СМДМ – спецификационная МДМ;

ДЭМ – длительная эксплуатационная мощность;

ВФШ – винт фиксированного шага;

ВРШ – винт регулируемого шага;

ПУ    – подруливающее устройство;

СТС  – сложная техническая система;

ISO   – международная организация по стандартизации;

k_гп – коэффициент технического использования грузоподъемности в круговом рейсе;

L_пл  – дальность плавания судна, мили;

Z_р  –  среднее число рейсов, совершаемых судном за год;

Z_эк  – число членов экипажа, чел;

Z    – число людей на судне, включая членов экипажа и пассажиров, чел;

b_e    – удельный расход топлива, г/кВт час;

b_м     – удельный расход масла, г/кВт час;

G_раб – рабочая масса оборудования, приготовленного к действию, т;

L–   длина оборудования, м;

B  – ширина оборудования по фундаментной раме, м;

H – габаритная высота, м;

H_рем – ремонтная высота, м;

G^п    – полная масса оборудования, т.

ВВЕДЕНИЕ

В работе [1] приводится систематическое изложение целей, задач и принципов организации САПР СЭУ транспортных судов. Рассматривается информационное обеспечение САПР СЭУ, модели экономического анализа, а также два основных этапа проектирования СЭУ – эскизное и техническое проектирование. В последние годы разработано большое количество программных пакетов общего назначения, позволяющие реализовать этап технического проектирования СЭУ – разработку трубопроводов систем СЭУ. Поэтому вопросы технического проектирования здесь не рассматриваются. Внимание уделено проектным работам этапа эскизного и контрактного проектирования. Это этапы обеспечивающие решение наиболее важных проблем в создании СЭУ судна нового проектирования.

Как известно на этапе эскизного проектирования практически окончательно принимаются важнейшие технические решения по СЭУ – выбор главных двигателей, конструктивной и тепловой схемы, системы передачи мощности от двигателя к движителю, комплектования вспомогательных установок основным оборудованием, комплектация энергетических систем, расположение комплекта оборудования в МКО и определения размеров МКО и центра масс СЭУ. На этапе контрактного проектирования согласовывается контрактная цена судна, которая должна быть обоюдовыгодной и для заказчика и для строителя. Указанные важные и сложные проблемы должны решаться с применением САПР – для обоснования принимаемых решений, для рассмотрения необходимого числа альтернативных вариантов, для решения задач проектирования в реальном масштабе времени с демонстрацией заказчику на экране дисплея изменений в проекте от принятия тех или иных решений.

Для решения этих задач в СПбГМТУ с начала 70-х годов проводились работы по созданию САПР, реализующие этап эскизного проектирования, опирающегося на методы анализа эффективности принимаемых решений, системный анализ, методы согласованной эффективности. Основной объем работ был успешно завершен в середине 90-х годов. Принятая в самом начале методология создания программного обеспечения в виде модулей – законченных разделов проектирования, взаимодействующих с другими программными пакетами только по приему информации в начале проектирования и по выдаче результатов в конце, обеспечила разработку независимых модулей, способных не только взаимодействовать в САПР, но и иметь самостоятельное применение. Кроме того программное обеспечение проектировалось независимо от информационного обеспечения. Последнее позволило сохранять программное обеспечение на протяжении значительного периода времени, несмотря на регулярный пересмотр информации, особенно характеристик типоразмерных рядов оборудования СЭУ.

Каждый программный пакет – раздел эскизного проектирования СЭУ реализуется в САПР одинаково: заполняется, или получается из предыдущей модели, файл(ы) исходных данных. Данные в нем должны быть оформлены соответствующим образом: целочисленные переменные (признаки, кодируемые варианты и др.) не должны включать в свой состав десятичную точку и должны располагаться вплотную к правой границе ввода. Действительные переменные обязательно должны включать десятичную точку, отмечающую нулевую позицию числа, а их расположение в пределах диапазона ввода произвольно. Далее файл исходных данных под прежним именем записывается в директорий, в котором ведется проектирование. Запускается исполняемый файл – Windows-приложение, который вводит в основную память компьютера файл(ы) исходных данных, а также все файлы баз данных, используемых в проектировании данным пакетом. В процессе отработки программной модели формируется файл результатов, а также файл(ы) исходных данных для ряда последующих пакетов проектирования, которые сохраняются в этом же директории. В задачу проектировщика входит правильное заполнение файла исходных данных в соответствии с прилагаемыми инструкциями и анализ файла(ов) полученных результатов.

На рис.1 приведена блок-схема САПР эскизного проектирования СЭУ с главными двигателями внутреннего сгорания. Эскизное проектирование ЭУ с ДВС для транспортного судна разделено на следующие программные пакеты:

1) Пакет расчетов ходкости, элементов гребного винта и ко­эффициентов влияния корпуса на винт;

2) Пакет выбора главного малооборотного двигателя из типоразмерного ряда фирмы MAN;

3) Пакет выбора главного среднеоборотного двигателя и редукторной передачи из типоразмерных рядов;

4) Пакет проектирования судового валопровода;

5) Пакет проектирования энергетических систем;

6) Пакет анализа вторичных энергоресурсов главных двигателей и определения возможного количества тепловой энергии, получаемой в системе утилизации тепловых потерь. Пакет определения необходимого количества тепловой энергии на судне и комплектование вспомогательной котельной установки основным оборудованием;

7) Пакет определения количества электрической энергии необходимой на судне и комплектования судовой электростанции основным оборудованием;

8) Пакет определения потребности судна в технической пресной воде и выбора агрегата утилизационной опреснительной установки;

9) Пакет базовых моделей экономического анализа. Пакет расчетных вариантов экономического анализа;

10) Пакет программ для расположения комплекта оборудования СЭУ в МКО.

В процессе реализации процесса эскизного проектирования проектные задачи, представленные пакетами 1 – 10, выполняются в указанной последовательности. Нарушение нормальной последовательности возможно в случае вариантных проработок, когда один пакет выполняется многократно при варьировании исходных данных с целью получения результатов исследования