CC BY
227
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА
УДК 629.12.03.001.63 А. Г. Даниловский,
д-р техн. наук, профессор, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова;
Л. К. Померанец,
ОАО «Звезда»;
А. В. Бекшаев,
доцент,
ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ГЛАВНЫХ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА С СОД TRANSFORMATION OF THE MAIN SHIP ENGINES DATABASE FOR COMPUTER AIDED DESIGN OF PROPULSIVE COMPLEX WITH SOD
Информационная база данных о главных судовых двигателях включает большое количество информации, непосредственно не используемой в САПР пропульсивного комплекса (ПК). Для разработки САПР из указанной базы производится выборка ограниченного количества характеристик двигателей, необходимого и достаточного для решения главной задачи — выбора технически допустимых двигателей, создания на их базе допустимых ПК и выбора из этой совокупности лучшего варианта по показателям эффективности и качества.
The information database about the main ship engine includes a big amount of information, directly not used in CAD propulsive complex (PC).For development of CAD sampling of limited amount of engine features is made which is necessary and sufficient for solving the main problem — the choice of technically possible engines, creation on their base possible PC and choice from this collection of the best variant by the factors of efficiency and quality.
Ключевые слова: установка, пропульсивная, САПР, банк данных, двигатели, главные, выбор, оптимизация, методика.
Key words: installation, propulsive, CAD, databank, engines, main, choice, optimization, methods.
В СОСТАВЕ САПР судового пропульсивного комплекса база данных по главным двигателям выполняет функцию источника информации для выбора технически допустимых и оптимальных главных двигателей. Поэтому она должна включать необходимую и достаточную для выбора двигателей совокупность параметров — детерминированных, стахости-ческих и неопределенных, в форме конкретных величин, параметров распределений, диапазонов или функциональных связей между искомыми параметрами и главными параметрами пропуль-сивного комплекса.
В состав разрабатываемой в рамках НИР «Передача» базы данных главных среднеоборотных включено избыточное количество параметров. Не все из них используются для проектирования ПУ, некоторые носят информационный характер. В то же время здесь собраны все параметры, необходимые для обоснования технической допустимости и технико-экономической эффективности вариантов ПК.
В работе [1] предложена САПР пропульсивных комплексов с СОД, базирующаяся на типоразмерном ряду цилиндров фирмы “MAN B&W Alpha Diesel A/S”. Использование характеристик цилиндров СОД позволяет сделать базу данных компактной и собирать агрегат СОД из целого,
Выпуск 1
допустимого к реализации числа цилиндров. Концепция базы данных СОД, создаваемой в НИР «Передача», базируется на допустимых агрегатах ДВС, что делает базу в 5-8 раз более объемной. Увеличение размеров базы является следствием того, что агрегаты с одинаковой размерностью цилиндра, отличающиеся, например, на один цилиндр, считаются разными двигателями и хранятся в отдельных столбцах базы данных. Поскольку лишь часть информации из новой базы данных будет использована в САПР пропульсивных комплексов, возникает предложение выбрать из этой базы совокупность параметров, непосредственно необходимых для разработки САПР и проектирования элементов ПУ.
Какие же строки из новой базы следует выделить и поместить в информационный файл данных об агрегатах СОД для их последующего применения в САПР ПК? Вполне очевидно, что первые две информационные строки (после нумерации и обозначения типоразмера) — это данные режима НМДМ (МСЯ); номинальная максимальная длительная мощность Л^н и соответствующая ей частота пн. Эти параметры необходимы для выбора двигателя, обоснования движителя, их числа на судне, передачи и валопровода;
Я у -0,514
N.
треб
Л вал •'Ппер - Л
1пр
N н > N треб;
п -
1Щ
д.
\
Пв=П™=Рт-ТК;
треб
* Рт
^1пер 2 ’
П_
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
М = N н/ пн;
кр е
I треб= пн/п ;
в-
^р = 100\1мт .
в \ кр
(6)
(7)
(8)
Зависимости (1)-(8) связывают два указанных параметра с параметрами выбора и проектными характеристиками всех составляющих пропульсивной установки, в которую входят главный двигатель, движитель, редуктор (передача), соединительная муфта, валопровод. Первая зависимость (1) представляет собой способ определения мощности, требуемой для движения судна с заданной скоростью уз на эксплуатационном режиме и при наличии необходимого запаса мощности. Данные о сопротивлении движению судна Я и пропульсивном коэффициенте поступают из подкомплекса «Гидромеханика».
N — мощность, затрачиваемая на привод дополнительных механизмов, приводимых от главного двигателя. Часть вспомогательных механизмов, обеспечивающих работу и приводимых от двигателя, учитывается механическим КПД и в дополнительном учете не нуждается. В данном случае речь идет о таких механизмах, как, например, валогенератор и других механизмах, не обеспечивающих непосредственно работу двигателя, а выполняющих служебную, аварийную или технологическую задачи. Предполагаем привод валогенератора от вала отбора мощности редуктора. Для определения мощности валогенераторов на грузовых судах предполагаем использовать методику ЦНИИМФ [2] и программный комплекс на ее основе [3].
N — мощность утилизационных паровых или газовых турбин, используемых для привода винта. Как показал анализ статистических данных по водоизмещающим грузовым и рыбопромысловым судам с СОД, пропульсивные утилизационные газовые и паровые турбины не находят применения на таких судах, однако мы подготовлены к оживлению интереса к утилизационным турбинам. В работе [1] описаны программные модели для расчета располагаемой мощности утилизационных паровых и газовых турбин.
Зависимость (2) демонстрирует первое использование параметра из базы данных СОД — N ^ . Агрегатная мощность N * технически допустимого двигателя не может быть меньше требуемой мощности ^треб. Вероятно, таких двигателей в базе данных найдется немало, но превышение агрегатной мощности над требуемой нецелесообразно делать больше мощности одного цилиндра данного типоразмера для Х-образных двигателей и двух цилиндров для К-образных. Поэтому цилиндровую мощность ^цил следует поместить в файл данных о двигателях для проверки допустимости превышения номинальной мощности над требуемой. В связи с этим возникает еще одна проблема — на реализованных судах не возят неиспользуемую мощность. При наличии существенного избытка мощности максимальную скорость следует увеличить до полного использования N н.
е
Зависимость (3) рекомендована ведущими специалистами в области теории корабля —
Б. А. Лесюковым, В. Н. Анфимовым, Л. С. Артюшковым. Она позволяет приближенно определить оптимальную частоту винта при его максимально допустимых размерах по осадке (4). По-видимому, из подкомплекса «Гидромеханика» САПР ПК могут быть получены более точные данные об оптимальной частоте винта при его заданных размерах.
Зависимость (5) позволяет определить число движителей на судне, исходя из максимальной нагрузки на лопасти. Значения коэффициентов сопт рекомендованы указанными выше специалистами по гидромеханике. Они также могут быть уточнены из данных подкомплекса «Гидромеханика».
Крутящий момент на выходном фланце двигателя Мкр может быть определен с использованием зависимости (6), куда входят оба параметра, первыми вынесенные в табл. 1. Так же Мкр — один из двух параметров выбора редуктора. Второй параметр — передаточное отношение I треб, определяется с использованием зависимости (7) как частное от деления частоты двигателя на частоту оптимального винта. Требуемое передаточное отношение I треб может не совпадать с фактическим передаточным отношением I факт (из руководства фирмы — производителя редуктора). Согласование этих параметров требует корректировки винта — угла установки его лопастей.
Крутящий момент также является параметром, определяющим размеры валопровода в соответствии с формулами регистра РФ — зависимость (8), а также соединительной муфты.
Таким образом могут быть определены все элементы пропульсивной установки. В состав файла данных о типоразмерах агрегатов СОД из состава базы данных, разработанной в НИР «Передача», следует вынести строки, представленные в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики агрегатов СОД, выносимые в информационный файл САПР ПУ
№ Характеристики Обозначение, № п/п агрегатов СОД
п/п агрегатов СОД размерность 1 2
1 Модель двигателя —
2 Номинальная мощность N н, кВт е 7
3 Цилиндровая мощность Nцил, кВт е
4 Номинальная частота пн, об/мин
5 Среднее эффективное давление, максимальное ртгк, бар
6 Среднее эффективное давление, минимальное р тт, бар
Выпуск 1
Таблица 1 (Окончание)
7 Удельный расход топлива Ь н, г/кВт • ч е 7
8 Удельный расход масла Ь н, г/кВт • ч м7
9 Масса агрегата, приготовленного к действию О , кг р
10 Габаритная длина на уровне коленчатого вала £габ, мм кв’
11 Габаритная ширина Вгаб, мм
12 Расстояние между осями соседних двигателей В™, мм
13 Габаритная высота Ягаб, мм
14 Ремонтная высота Нрем, мм
Заданное в п. 7 табл. 1 значение удельного расхода топлива относится к режиму НМДМ. Однако до 90-95 % ходового времени двигатель эксплуатируется на режиме эксплуатационной мощности, и этот режим определяет расходы на топливо и его запасы G входящие в состав полной массы двигателя: Gп = Gр + Gз. Обычно в проспектах фирм — производителей двигателей задается несколько значений удельного расхода топлива в нескольких точках вдоль номинальной винтовой характеристики — линии 2, проходящей через точку МСЯ — точку 1, см. рис. 1. Их можно использовать для получения аппроксимирующих зависимостей Ъе от режима эксплуатации.
Например, для двигателя 6W20/28 фирмы ‘^айзПа” эти данные приведены в табл. 2 и соответствуют первой ступени регламента МО.
Таблица 2
N / ЫМСК ее 1 0,85 0,75 0,50
Ь , кг/кВт • ч е 0,191 0,188 0,188 0,196
Рис. 1. Обобщенная характеристика среднеоборотного двигателя во взаимодействии с винтом фиксированного шага:
1 — характеристика номинальной максимальной длительной мощности (МСЯ);
2 — номинальная винтовая характеристика; 3 — легкие винтовые характеристики;
А — диапазон нормальной эксплуатации; Б — диапазон тяжелых винтовых характеристик
Удельный расход топлива, представленный в табл. 2, можно описать следующей формулой в функции мощности, отнесенной к мощности на режиме НМДМ (МСЕ):
0,20^ + 0 042061. еХр]уе, кг/(кВт • ч). (9)
е ехрЛГе
А Г цт / хт МСИ
хе=меше .
Таблица 1 и формула (9) составляют полный комплект данных для выбора из типоразмерных рядов базы данных ГД совокупности двигателей, обеспечивающих движение судна со скоростью не ниже заданной, и выбора из этой совокупности двигателя, предпочтительного по показателям качества и критериям эффективности — свертке показателей качества, позволяющим оценить комплексную эффективность выбранного двигателя.
Важная совокупность параметров двигателя представлена на его нагрузочной характеристике. Для двигателя W20 такая характеристика представлена на рис. 2.
"е>
%
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
30 40 50 60 70 80 90 100 П, %
Рис. 2. Эксплуатационные диапазоны среднеоборотного двигателя Ь20/28 с винтом фиксированного шага:
1 — максимальная цикловая подача топлива; 2 — диапазон периодических перегрузок;
3 — линия предельной перегрузки; 4 — минимальная частота;
5 — ограничение по частоте
На рис. 2 приведена номинальная винтовая характеристика — кубическая парабола, проходящая через точку МСЕ.. Винтовая характеристика 85 % МСЕ. рекомендована для легких судов типа яхт. Более тяжелые винтовые характеристики (95 % МСЕ) рекомендованы для грузовых судов. Также представлены ограничительные характеристики, в частности внешняя характеристика.
Графические зависимости недоступны ЭВМ. Они должны быть описаны аналитическими зависимостями или заданы таблицами с определенным алгоритмом интерполяции. Степенные зависимости описываются просто, но сложные зависимости требуют применения аппарата аппроксимации и даже разделения на участки, например внешняя характеристика двигателя W20. Такие зависимости должны содержаться в базе данных САПР в форме программных комплексов, описывающих определенные процессы, например взаимодействие двигателя с винтом на спектре режимов эксплуатации — квазистационарных, переменных и переходных. Для анализа последних в состав исходных данных следует включить зависимость присоединенных масс воды от скорости, темп набора скорости и другие данные.
АГСЯ
Выпуск 1
Не все перечисленные параметры необходимы одновременно. На начальном этапе выбора технически допустимых двигателей, способных развить мощность, не менее требуемой для движения с заданной скоростью при наличии требуемого запаса мощности, список исходных параметров невелик и представлен в табл. 3. Важную часть из них составляют характеристики судна.
Таблица 3
Таблица исходных данных для выбора из типоразмерных рядов базы данных
альтернативных вариантов главного двигателя для заданного судна
№ п/п Наименование Обозначение Размерность Значение
1 Сопротивление движению судна R кН
2 Заданная скорость v км/ч
3 Коэффициент запаса мощности k з -
4 Число движителей Z в -
5 Пропульсивный коэффициент h -
6 Частота оптимального винта п в -
7 Мощность навешенных механизмов N вг кВт
8 Мощность приводных турбин кВт
9 Использование мощности Ыдои > Жтреб (0/1) k доп -
10 Выбран агрегат с типоразмером цилиндра J J -
Перечисленных в табл. 3 данных достаточно для выбора из базы данных совокупности технически допустимых двигателей в соответствии с методикой, рассмотренной выше. В пояснении нуждаются только следующие переменные (остальные описаны выше в тексте статьи): k — коэффициент запаса мощности используется, кроме своей основной функции, еще для кодирования того, какие параметры заданы выше, R и v могут быть заданы на длительном эксплуатационном режиме, тогда k меньше единицы. Если R и v заданы на режиме максимальной скорости (скорость на испытаниях), то k больше единицы; kNдoп — безразмерная величина — признак допустимости использования превышения номинальной мощности агрегата для увеличения скорости — для всех типов грузовых судов это типовой случай. Если задан 0 — дополнительная мощность не используется. В этом случае при значительном избытке мощности следует устанавливать режим специфи-кационной длительной мощности, ограничивающий располагаемую мощность, но повышающий энергетическую эффективность на эксплуатационном режиме. Если задан признак, равный 1, то скорости увеличиваются в пределах располагаемой мощности; J — если в строке 11 задано J = 0, то анализируется вся база данных и находятся все допустимые агрегаты с мощностью, минимально превышающей требуемую мощность. В файл результатов выводятся сведения, помогающие выполнить анализ и в первом приближении наметить ряд предпочтительных агрегатов, заслуживающих дальнейшего анализа [4; 5]. В случае задания в 11-й строке табл. 3 JФ 0, то есть задано какое-то число, анализ ведется только для типоразмера цилиндра с порядковым номером, равным этому числу. Для этого агрегата подготавливается таблица исходных данных для выбора из типоразмерного ряда редуктора с требуемым передаточным отношением и допустимым по моменту на входном валу. В табл. 4 приведены исходные данные для выбора редуктора, подготовленные моделью выбора двигателя при заданном типоразмере цилиндра J.
Таблица 4
Исходные данные для выбора типоразмера редуктора
J Наименование переменной Обозначение Размерность Значение
1 Частота вращения винта NW об/мин
2 Частота вращения двигателя (Ь 1) Ж1 об/мин
3 Мощность двигателя на режиме НМДМ NEL1 кВт
4 Тип редуктора TR —
В 4-й строке табл. 4 приведена целочисленная переменная, кодирующая тип передачи, способная принимать следующие значения: 1 — простой переборный понижающий редуктор с вертикальным взаимным расположением осей; 2 — то же, с горизонтальным взаимным расположением осей; 3 — то же, что и 1, но с отбором мощности; 4 — то же, что и 2, но с отбором мощности;
5 — простой переборный редуктор; 6 — то же, что и 5, но с двумя отборами мощности; 7 — переборный редуктор соосного типа; 8 — реверсивный редуктор.
Каждый из перечисленных типов передач хранится в отдельном файле базы данных, разрабатываемой в рамках НИР «Передача».
В работе [1], где рассмотрены САПР СЭУ с МОД и СОД, таблица исходных данных унифицирована для обеих типов главных двигателей. Ее вариант представлен в табл. 5.
Как видно из таблицы, в последней строке задано TRGD = 0 (типоразмер цилиндра не выбран). В этом случае программа осуществляет поиск всех типоразмеров цилиндров из типоразмерного ряда фирмы “MAN B&W Alpha Diesel A/S”, на основе которых можно создать агрегаты СОД с мощностью, превышающей требуемую для движения заданного судна с заданной скоростью и запасом мощности в пределах заданного. Число одинаковых цилиндров в составе агрегата является допустимым.
Таблица 5
Исходные данные для выбора среднеоборотного двигателя из типоразмерного ряда
J Наименование переменной I R Значение
1 Код типа судна CY — 4
2 Полное водоизмещение судна DPR т В000
3 Водоизмещение судна порожнем D0 т З000
4 Сопротивление движению судна на УРЯ RPR кН 1З2
З Скорость судна-прототипа VPR уз 12
б То же, проектируемого судна (0.-УБи = УРЯ) VSU уз 12
7 Коэффициент запаса мощности (>1-УБи = Уэкс) КЗ — 1,12З
В Мощность электростанции на ходу (0.= ?) NEG кБт 340
9 Осадка судна в грузу TSU м З,З
10 Высота борта HB м В
11 Длина судна между перпендикулярами LCYD м 11З
12 Коэффициент общей полноты корпуса KOB — 0,З7
13 Допустимое отношение ^в/Т8и KD — 0,бЗ
14 Мощность двигателя на УРЯ NEPR кВт 1ЗЗ0
1З Частота двигателя на УРЯ NPR об/мин 700
1б Удельный расход топлива-прототипа BEGD кг/кВтч 0,2
17 Масса двигателя-прототипа GDB т 20,
1В Дальность плавания LPL мили 4000
19 Код класса ледового усиления LEDUS — 1
20 Код типа винта (1 — ВФШ, 2 — ВРШ) WINT — 1
21 Наличие и тип ТКС (0, 1, 2) TCS — 1
22 Наличие и тип валогенератора (0, 1, 2) TWG — 0
23 Скорость задана жестко (0 — ДА,1 — НЕТ) IZVR — 0
24 Выбран типоразмер цилиндра (0 — НЕТ) TRGD — 0
Гм]
Выпуск 1
В табл. 6 приведен результат работы программы выбора СОД из указанного ряда с исходными данными, приведенными в табл. 5.
В табл. 6 приведены данные по четырем агрегатам СОД, найденным САПР в типоразмерном ряду и способным обеспечить на анализируемом судне заданную скорость. Агрегаты различаются типоразмерами цилиндров (от V20/27 до L28/32H) и числом цилиндров, от 8 для рядного двигателя до 12 и 18 для V- образных конструкций.
Для каждого двигателя в табл. 6 приведены следующие характеристики: J — индекс типоразмера цилиндра, далее следует его обозначение; ZC — число цилиндров в составе агрегата; NEZ — цилиндровая мощность на режиме МДМ, кВт; VD — достижимая скорость при работе на МДМ, уз; NETR — требуемая мощность для движения с заданной наибольшей скоростью (на режиме испытаний на скорость), кВт; NEL — максимальная длительная мощность, кВт; NEG — мощность электростанции на ходовом режиме, кВт; NTC — мощность газовой турбины на выхлопных газах, отдаваемая на винт, кВт; BEN — удельный расход топлива на режиме МДМ, кг/кВт.ч; GGD, HR, LGD — масса, т, длина и ремонтная высота, м, агрегата; KPROP — пропульсивный коэффициент.
Таблица б
Результат работы модуля WYB_SOD при TRGD = О
J = 2 V20/27 VD = 12,666 NEG = 340,000 GGD = 14,400 KPROP = 0,6350 ZC = 18 NETR = 1722,138 NTC = 0,000 HR = 2750,000 NEZ =100,000 NEL = 1800,000 BEN = 199,000 LGD = 4,650
J = 4 V23/30H VD = 12,941 NEG = 340,000 GGD = 10,000 KPROP = 0,6350 ZC = 12 NETR = 1722,138 NTC = 0,000 HR = 0,000 NEZ = 160,000 NEL =1920,000 BEN = 194,000 LGD = 4,280
J = 5 L25/30 VD = 12,571 NEG = 340,000 GGD = 15,330 KPROP = 0,6350 ZC = 8 NETR = 1722,138 NTC = 0,000 NR = 2650,00 NEZ = 220,000 NEL = 1760,000 BEN = 200,000 LGD = 5,150
J = 7 L28/32H VD = 12,571 NEG = 340,000 GGD = 25,400 KPROP= 0,6350 ZC = 8 NETR = 1722,138 NTC = 0,000 HR = 3185,000 NEZ = 220,000 NEL = 1760,000 BEN = 193,000 LGD = 8,194
Из найденных четырех двигателей, по нашему мнению, наиболее удачен типоразмер 8L28/ 32H (TRGD = 4). У этого двигателя небольшой удельный расход топлива, номинальная частота — 900 об/мин, масса — 10,3 т, наименьшая длина из всех агрегатов — 4,28 м.
При расчете с заданной в поз. 24 табл. 6 TRGD = 4 в рабочем директории одновременно создается файл ISX-RED.DAT, представленный в табл. 7.
Таблица 7
Исходные данные для выбора типоразмера редуктора
J Наименование переменной I R Значение
1 Частота вращения винта NW об/мин 151,056
2 Частота вращения двигателя (МСЯ) NL1 об/мин 900,000
3 Мощность двигателя на режиме МДМ NEL1 кВт 1920,000
4 Тип редуктора TR — 1
Переменные N0 и КЕЬ1 приняты машиной по данным табл. 6 (I = 4). Для определения NW модуль обращается к модели проектирования винта. Исходные данные и результаты проектирования винта наибольшего допустимого для данного судна диаметра приняты в соответствии с результатами работы модели WINT. Возможно уточнение характеристик винта заданием их из результатов подкомплекса «Гидромеханика».
Список литературы
1. Даниловский А. Г Автоматизированное проектирование судовых энергетических установок: учеб. пособие / А. Г. Даниловский. — СПб.: СПбГМТУ, 2006.
2. ЯКУТ 28-004-96. Технико-эксплуатационные требования по оптимальной комплектации электростанций морских транспортных судов. — Л.: ЦНИИМФ, 1996.
3. Свидетельство о гос. рег. программы для ЭВМ № 2008614298: Расчет нагрузки судовой электростанции вероятностным методом по корреляционным зависимостям / А. Г. Даниловский, И. А. Боровикова ^И).
4. Даниловский А. Г. Оптимизация судового пропульсивного комплекса: моногр. / А. Г. Даниловский, М. А. Орлов, И. А Боровикова. — СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2007.
5. Свидетельство о гос. рег. программы для ЭВМ № 2008614326: Оптимизация судового пропульсивного комплекса с использованием согласованного критерия / А. Г. Даниловский ^И).
УДК 621.436:621 Е. В. Ерофеева,
канд. экон. наук, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова
ИННОВАЦИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА РОССИИ
INNOVATIVE ENERGY EFFICIENCY MEASURES FOR WATER TRANSPORT IN RUSSIA
Статья затрагивает вопросы гармонизации требований российского и международного законодательства в области повышения энергетической и экологической эффективности применительно к судам водного транспорта, а также рассматривает инновационные мероприятия в указанной сфере.
The article deals with the harmonization requirements of the Russian and international legislation to improve energy efficiency and environmental performance in relation to water transport vessels, as well as to the d innovative activities in this area.
Ключевые слова: инновации, энергоэффективность, водный транспорт, показатели, требования ИМО, энергетический менеджмент.
Key words: innovation, energy efficiency, water transport, ships, indicators, IMO requirements, energy management.
Выпуск 1
