Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА.1 Анализ возможности повышения эффективности эксплуатации судового энергетического комплекса с учетом реальных условий плавания 12
1.1. Изменение внешних условий во время эксплуатации судна 32
1.2 Выводы 41
ГЛАВА 2. Предлагаемые методики и математические модели построения пропульсивных характеристик судна 42
2.1. Анализ существующих методов построения пропульсивных характеристик..44
2.1.1. Использование модельных испытаний винтов в свободной воде 45
2.1.2. Использование модельных испытаний корпуса 48
2.1.3. Использование модельных испытаний корпуса с собственным приводом..57
2.1.4. Использование измерений проводимых на судне 59
2.1.5. Оценка существующих методов построения пропульсивных характеристик 68
2.2. Математические модели построения пропульсивных характеристик систем с ВРШ 71
2.2.1. Численное представление модельных испытаний винта 72
2.2.2. Использование результатов модельных испытаний винтов в свободной воде при построении действительных пропульсивных характеристик .77
2.2.3. Аналитическое представление работы пропульсивного комплекса 79
2.2.4. Методика построения пропульсивных характеристик 88
2.2.5. Резерв мощности ГД 103
2.2.6. Оценка погрешностей новой методики построения пропульсивных характеристик 106
2.3. Выводы 122
ГЛАВА. 3 Предлагаемые методики и математические модели определения теплоты вторичных энергоресурсов и их использование в реальных условиях плавания 124
3.1. Математические модели определения параметров ОГ 125
3.1.1. Методика определения параметров ОГ по стехиометрическим зависимостям 126
3.1.2. Методика определения параметров ОГ двигателей типа МС 127
3.1.3. Методика определения параметров ОГ двигателей типа RTA 133
3.1.4. Компьютерные модели определения параметров ОГ 142
3.1.5. Математические модели использования отбросной теплоты в УК 148
3.2. Предлагаемая методика определения количества теплоты теряемой с водой охлаждающей ГД 162
3.2.1. Оценка относительных показателей теплоты, уходящей с охлаждающей водой от ГД 164
3.2.2. Определение количества изменеий теплоты, уходящей с охлаждающей водой 172
3.2.3. Сопоставления разработанной методики расчета удельных показателей отдачи теплоты в охлаждающую воду с результатами испытаний системы охлаждения двигателя 174
3.2.4. Использование тепловой энергии воды, охлаждающей двигатели для производства пресной воды в вакуумных опреснителях 177
3.2.5. Производство пресной воды с использованием способа обратного осмоса 188
3.2.6. Сравнительный анализ метода производства пресной воды в вакуумных испарителях и установках обратного осмоса 194
3.3. Предлагаемая методика определения количества теплоты, отбираемой охлаждающей водой от наддувочного воздуха ГД 200
3.3.1. Относительные изменения количества теплоты, отбираемой от наддувочного воздуха в воздухоохладителе 202
3.3.2. Оценка количественных изменений теплоты, отбираемой водой от наддувочного воздуха в воздухоохладителе 209
3.3.3. Использование теплоты наддувочного воздуха ГД для подогрева питательной воды вспомогательных котлов 211
3.4. Анализ удельных показателей отдачи теплоты в охлаждающую воду и наддувочный воздух современных ГД 238
3.4.1. Изменение удельных показателей отдачи теплоты в охлаждающую воду 238
3.4.2. Изменение удельных показателей количества теплоты отбираемой от наддувочного воздуха 248
3.5. Выводы 257
ГЛАВА 4. Оценка и анализ возможности повышения эффектив ности эксплуатации энергетического комплекса судна на основании разработанных моделей и экспериментальных исследований 258
4.1. Описание объекта исследований и методики проведения испытаний. Полученные результаты экспериментальных исследований 259
4.2. Действительная винтовая характеристика судна 273
4.2.1. Управление машинно-движительным комплексом в реальных условиях эксплуатации судна 279
4.3. Определение количества теплоты воды охлаждающей ГД, используемой в вакуумном испарителе судна 285
4.3.1. Возвожности использования теплоты содержащейся в воде охлаждающей ГД для производства пресной воды 288
4.4. Оценка использования отбросной теплоты ОГ в УК 291
4.4.1. Возможность увеличения использования отбросной теплоты ОГ и наддувочного воздуха для производства пара в УК 293
4.5. Выводы 297
ГЛАВА.5 Модель оценки эффективности использования располагаемой теплоты в энергетических комплексах 298
5.1. Оценка эксэргетических потерь от передачи теплоты ОГ ГД окружающей среде 306
5.1.1. Анализ изменения теплосодержания продуктов сгорания 307
5.1.2. Анализ изменения энтропии продуктов сгорания 310
5 5.1.3. Анализ изменения эксэргии от передачи теплоты ОГ ГД
окружающей среде 314
5.2. Анализ изменения эксэргетических потерь при утилизации теплоты ОГГД 320
5.2.1. Принятые допущения и основные расчетные уравнения 320
5.2.2. Анализ изменения энтропии ОГ 321
5.2.3. Анализ изменения удельной выработки пара в УК 323
5.2.4. Анализ изменений энтропии воды и пара в процессе парообразования..330
5.3. Анализ изменения эксэргетических потерь при утилизации теплоты воды охлаждающей ГД 333
5.3.1. Анализ потерь эксэргии при передачи теплоты пресной охлаждающей воды окружающей среде 333
5.3.2. Эксэргетические потери при утилизации теплоты охлаждающей воды в испарителе 339
5.4. Анализ изменений эксэргетических потерь при утилизации теплоты воды, охлаждающей наддувочный воздух ГД 349
5.5. Выводы 354
Основные результаты и выводы 355
Список использованной литературы 357
- Математические модели построения пропульсивных характеристик систем с ВРШ
- Предлагаемая методика определения количества теплоты теряемой с водой охлаждающей ГД
- Действительная винтовая характеристика судна
- Анализ изменения эксэргетических потерь при утилизации теплоты ОГГД
Введение к работе
Проблемы экономии топлива и все более жесткие требования Международных конвенций по предотвращению загрязнения морской среды заставляют организации, занятые проектированием и эксплуатацией судов морского флота, искать новые технические решения и организационные мероприятия, направленные на повышение эффективности использования энергетических ресурсов судовой энергетической установки (СЭУ) в целом и энергетического комплекса (ЭК) главный двигатель (ГД)-винт, в частности. Следует подчеркнуть, что термодинамические возможности повышения экономичности ГД в настоящее время практически исчерпаны, поскольку их эффективный КПД достиг величин 50%. Кроме того наблюдается и тенденция по систематическому снижению качества используемого топлива. Все это приводит к выводу, что глубокая утилизация теплоты отработавших газов (ОГ), охлаждающей воды двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и наддувочного воздуха (НВ) является практически единственным источником повышения экономичности СЭУ. Уместно отметить, что вызванный объективными причинами рост энерговооруженности судов морского флота при всем своем негативном влиянии на экономические показатели их работы одновременно увеличивает абсолютные размеры вторичных энергоресурсов на флоте и было бы нецелесообразно игнорировать возможность полезного их использования в производстве.
Одним из возможных путей решения этой проблемы является оптимизация использования располагаемой теплоты при помощи предлагаемых математических моделей функционирования судового ЭК, которые положены в основу разработанных и реализованных, в виде комплекса, компьютерных программ, позволяющих в режиме реального времени получать величины, определяющие располагаемые энергетические потоки и назначать оптимальные, с точки зрения экономичности, режимы работы судового машинно-движительного комплекса (МДК) с учетом реальных и изменяющихся условий плавания.
Актуальность работы подтверждается основными направлениями научных исследований Департамента развития науки (1999г.) и Секции основ эксплуатации (1999г.) Польской Академии Наук. Тематика диссертационных исследований к.т.н. Цезары Бехрендта была поддержана Комитетом Научных Исследований Европейского Союза в виде гранта EFFORT №GRD2-2001-50117 „European Full-scale Flow Research and Technology", в котором Ц.Бехрендт являлся ответственным исполнителем по разделу „Полномасштабные исследования судовых энереге-тических установок". Разработанные методики оценки располагаемой энергии вторичных ресурсов с целью повышения эксплуатационной эффективности СЭУ внедрены в фирмах Aalborg, Autocomp, CAT, Euro Africa, Stocznia Gtyfia, STN ATLAS ELEKTRONIK, Volvo-Penta, Unity Line.
Об актуальности решаемых проблем говорят и запросы ряда организаций и предприятий, заинтересованных и уже использующих результаты исследований, проведенных автором, в своей проектной и эксплуатационной деятельности.
Целью проведенных исследований является повышение эффективности использования топливо-энергетических ресурсов с учетом реальных условий эксплуатации судна. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать математические модели функционирования судового ЭК с глубокой утилизацией вторичных энергоресурсов.
2. Разработать методику и получить корреляционные зависимости, отража-ющие взаимосвязь параметров работы ЭК с ГД различных типов в реальных условиях их функционирования с величинами располагаемых вторичных энергоресурсов.
3. Разработать математические модели, позволяющие на основе минимального числа данных построить действительные винтовые характеристики, изменяющиеся в связи с условиями эксплуатации и сроком службы судна.
4. Получить математические модели и построить на их основе алгоритмы определения значений составляющих теплового баланса располагаемой теплоты ЭК, учитывающие особенности функционирования СЭУ и параметры окружающей среды.
5. Разработать математические модели, алгоритмы и рабочие компьютерные программы, позволяющие на борту судна оперативно анализировать и на этой основе назначать наиболее эффективные режимы эксплуатации ЭК с целью глубокого использования располагаемой теплоты. 6. Получить методики, алгоритмы и прикладные компьютерные программы, позволяющие при проектировании, эксплуатации и модернизации СЭУ провести количественный сравнительный анализ энергетической эффективности их различных вариантов.
7. Разработать математическую модель, отражающую взаимосвязь степени использования потерь теплоты ЭК с особенностями функционирования и параметрами окружающей среды.
8. Провести экспериментальные исследования работоспособности, адекват-ности и надежности разработанного комплекса компьютерных программ.
Объектом исследований являлась СЭУ и ее элементы - энергетический комплекс в составе главный двигатель-винт регулируемого шага, утилизационный котел, охладитель наддувочного воздуха и водоводяной охладитель, опреснитель, а также физические и математические модели судового ЭК.
Методики исследований основывались на использовании принципов системного анализа, термодинамического анализа судового ЭК, математического и экс-периментального моделирования функционирования его отдельных элементов и комплекса в целом.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами сопоставления с многочисленными экспериментальными данными, полученными автором диссертации в течение более 20-лет эксплуатационной практики. Достоверность научных результатов обеспечивается корректным применением методов математической статистики, планирования эксперимента, термодинамическим анализом и проведением проверок на адекватность результатов аналитических и экспериментальных исследований.
Основные положения и результаты диссертационной работы:
1. Математическая модель и алгоритм построения действительных винтовых характеристик, позволяющих при использовании минимального числа новых данных, учитывать изменяющиеся условия эксплуатации и состояние корпуса судна.
2. Математические модели и построенные на их основе алгоритмы определения значений составляющих теплового баланса располагаемой теплоты ЭК (выхлопные газы, вода, охлаждающая ГД и НВ), учитывающие особенности его функционирования и параметры окружающей среды.
3. Разработанный пакет прикладных компьютерных программ, позволяющих для реальных условий функционирования судового ЭК: построение действительных пропульсивных характеристик судна; комплексных характеристик ГД различных типов; определение количественных и качественных параметров ОГ, воды, охлаждающей ГД и НВ, НВ; расчет паропроизводи-тельностей УК и испарителей, а также параметров подогрева питательной воды.
4. Математическая модель для оперативной оценки эффективности использования располагаемой теплоты ЭК в реальных условиях эксплуатации, основанная на эксергетическом методе.
Наиболее существенными новыми научными положениями и результатами, полученными лично соискателем, являются следующие:
- впервые разработано математическое описание работы судового ЭК, учитывающее действительные условия эксплуатации судна, изменение КПД винта в зависимости от угла поворота лопастей и влияние действительных значений коэффициента попутного потока. Это потребовало разработки также следующих новых математических моделей:
- построения действительных винтовых характеристик с учетом изменяющихся условий плавания судна и технического состояния корпуса;
- построения действительных комплексных характеристик ГД;
- определения количества вторичных энергоресурсов, находящихся в охлаждающей воде и наддувочном воздухе мало- и среднеоборотных двигателей при их работе с постоянной и переменной частотой вращения в диапазоне 50-100% нагрузки с учетом изменения условий окружающей среды;
- определения параметров отработавших газов ГД с учетом изменяющихся условий эксплуатации и параметров окружающей среды;
- работы утилизационных водо- и огнетрубных котлов (УК) с целью определения их паропроизводительности при учете параметров ОГ и конструктивных особенностей котлов; - определения температуры подогрева воды на входе в УК при совместной работе с охладителем наддувочного воздуха для учета вторичных энергоресурсов наддувочного воздуха в зависимости от особенностей конструкции охладителя (подогревателя);
- определения производительности вакуумного опреснителя с учетом изменения количества теплоты воды охлаждающей ГД и при изменении параметров окружающей среды;
- расчета эффективности использования располагаемых потоков вторичных энергоресурсов на основе применения эксергетического метода.
Для расширения возможностей разработанной модели судового ЭК была отдельно разработана математическая модель определения производительности опреснителя, работающего по принципу обратного осмоса, позволяющая учитывать изменение условий окружающей среды и возможную экономию энергоресурсов.
Практическая ценность работы состоит в следующем: разработанные модели, реализованные в виде комплекса компьютерных программ, позволяют оперативно оценивать и выбирать наиболее экономичные режимы работы судового ЭК (с точки зрения затрат топлива на производство энергоресурсов) с учетом возможных нагрузок и технического состояния судна в реальных условиях плавания. Полученные результаты могут быть использованы при эксплуатации судна, на стадиях проектирования и модернизации СЭУ, при создании тренажерных комплексов СЭУ, в учебном процессе при подготовке инженеров-судомехаников и повышении их квалификации, а также при проектировании систем автоматического контроля и управления СЭУ.
Математические модели построения пропульсивных характеристик систем с ВРШ
Практика эксплуатации судов, данные литературных источников [2, 16-18, 33-35, 131-135], а также результаты, полученные автором [48-52, 71, 85, 92, 94], свидетельствуют о том, что во время морских приемо-сдаточных испытаний очень часто основные технические характеристики судна не соответствуют проектным. Об этом свидетельствует разница в этих результатах даже для судов одной серии [71, 85, 87]. Чаще всего это касается получения меньшей скорости судна при эксплуатационной мощности и частоте вращения ГД, встречаются также случаи достижения проектной скорости при меньших эксплуатационных параметрах ГД. Для систем с ВРШ при работе с постоянной частотой вращения такая ситуация может иметь место при различном шаге винта. Автор имел возможность сравнения прогнозируемых величин на основании модельных испытаний [114, 144, 178, 227, 230] с результатами ходовых испытаний судов [64-66, 69-71, 78, 79, 82-88]. Такой анализ представлен в 1-ой главе диссертации. Кроме этого, наблюдается и большая разница в пропульсивных характеристиках - теоретических и полученных на конкретном судне. Следует отметить, что получение достоверных, то есть соответствующих реальным, теоретических характеристик является крайне важной задачей, непосредственно связанной с повышением эффективности эксплуатации СЭУ, поскольку именно эти характеристики позволяют иметь информацию о мощности, развиваемой ГД, и ее резерве, возможным для передачи на ВГ, скорости судна, шаге винта, расходе топлива, крутящему моменту и упоре на винте.
Компьютеризация процессов проектирования корпуса судна, всего комплекса СЭУ, систем привода и выбора винта позволяет ввести необходимые изменения в методики расчетов этих элементов, что в конечном итоге позволяет приблизить результаты теоретических исследований к реальным.
В институте Вагенинген (Голландия) были проведены исследования более 120 моделей винтов группы В, результаты которых представлены в виде полиномов при помощи регрессионного анализа [111, 117, 163, 182, 186, 232]. Величины коэффициента момента KQ И упора винта Кт зависят от коэффициентов поступи J, шага H/D и поверхности винта Sg/S, а также количества лопастей z и числа Рейнольдса Re:
Для исследованных винтов со стандартными коэффициентами ступицы и толщины лопастей, а также при числе Рейнольдса Re= 2-Ю6, полиномы, представляющие Кт и KQ имеют вид: 2 Математический анализ этих данных позволил провести исследования по влиянию чисел Реинольдса на величины упора и крутящего момента на винте. При этом установлено, что приращение коэффициентов AKQ И АКТ являются не толькофункцией чисел Рейнольдса Re, но зависят от геометрии винта (от числа лопастей z), коэффициентов поступи J, поверхности Sf/S и шага винта H/D. При их известных значениях возможно получить исходную информацию для определения полиномов приращений АКТи АКд для чисел Рейнольдса, отличных отRe= 2-Ю6.
При этом полиномы AKQ и AKxt описанные зависимостями (2.64) и (2.65) принимают следующий вид:, для которого были получены полиномиальные зависимости, величины АКд и АКТ расчитанные по уравнениям (2.66) и (2.67), должны быть равны нулю. Однако этого не происходит, что может быть объяснено сущностью поиска аппроксимационных функций - компромисса между точностью представления и степенью сложности математических зависимостей. Вышеприведенные полиномы соответствуют этим требованиям и могут быть использованы при выполнении условия Re Ф 2-Ю6. Величину числа Рей-нольдса можно расчитать по:где: vp = v0 - w0 - поступательная скорость судна,boj5r - длина хорды лопасти винта на радиусе 0,75 rs. Полиномы, определяемые уравнением (2.63) для коэффициентов, представленных в табл.2.3, справедливы для винтов со стандартной толщиной лопастей, то есть толщиной, определяемой зависимостью:
Если толщина лопасти отлична от стандартной, описанной уравнением (2.69), использование уравнения (2.63) возможно при учете изменения толщины за счет изменения числа Рейнольдса с использованием полиномов (2.66) и (2.67). Используя методику эквивалентного профиля Лербса [120, 122, 164], сечение лопасти на радиусе г = 0,15rs принимается как эквивалентное для всего профиля лопасти. Одним из результатов этой методики, принятой в технике модельных исследований винтов, является утверждение, что изменение толщины лопасти е/Ь при г = 0,75 может быть представлено изменением числа Рейнольдса. Минимальный коэффициент сопротивления профиля можно представить как:
Подставляя расчитанную на основании (2.72) величину числа Рейнольдса RJo,75r в полиномы (2.66) и (2.67), можно расчитать приращения &КТ и АКд связанные с изменениями толщины лопасти по отношению к этой толщине стандартного винта. Необходимо обратить внимание на тот факт, что винты, у которых толщина лопасти может быть больше, чем у стандартного винта, используются для ледоколов, буксиров, грузовых судов, работающих в зонах арктического климата, речных судов со сварными винтами, а также скоростных судов (военно-морского и патрульного флота).
Как было показано ранее, для построения действительных пропульсивных характеристик необходимо иметь результаты испытаний судна в реальных условиях эксплуатации и окружающей среды, причем достоверность характеристик повышается с увеличением количества проведенных исследований. Предлагаемая методика и ее математическое представление, основанные на использовании результатов измерений на судне и модельных испытаниях винта в свободной воде, позволяют получить реальные и достоверные характеристики для МДК, состоящего из ГД, ВГ и ВРШ при работе с постоянной частотой вращения. При этом достаточно иметь результаты измерений на судне только для одних условий плавания. Следует подчеркнуть, что математическое описание представляет реальные условия работы МДК, поскольку при построении пропульсивных характеристик используютсяданные экспериментальных исследований на судне, когда вращение винта происходит в неоднородном потоке.
Проведенные автором исследования показали достаточную для практики сходимость результатов при использовании данных по модельным испытаниям винта в свободной воде. В предлагаемой методике используется мнимая характеристика винта, полученная в результате испытаний винтов в свободной воде, которая замещает действительную в диапазоне эксплуатационных нагрузок ГД (то есть в диапазоне действительных изменений коэффициента поступи винта. Мнимая характеристика выбирается из множества характеристик данной группы винтов, для которых угол наклона кривых коэффициента момента KQ(J) В диапазоне изменения AJ является таким же самым, как и для действительной характеристики. Такая процедура была названа идентификацией характеристики. Для этой цели наиболее подходящим является использование коэффициента шага винта H/D из множества характеристик винтов в свободной воде, который соответствовал бы результатам измерений на судне. Естественно, мнимый коэффициент шага винта
Предлагаемая методика определения количества теплоты теряемой с водой охлаждающей ГД
Количество теплоты, отбираемой пресной охлаждающей водой от ДВС можно установить с помощью уравнения:
Обработка результатов исследований проводилась с помощью современных методов анализа экспериментальных данных, с использованием соответствующих компьютерных программ. Это позволило автору впервые получить сложные математические зависимости, описывающие комплексное влияние на количество теплоты, отбираемой охлаждающей водой от ГД, различных определяющих параметров, в том числе особенностей нагрузки двигателя и реальных условий окружающей среды.
Определение этого количества теплоты не представляет серьезных проблем в процессе испытаний и экспериментов. Необходим только монтаж в системе охлаждения на выходе из двигателя счетчика расхода воды и термометров для измерения ее температуры на входе и выходе из него. Исследования этой составляющей теплового баланса ГД проводились автором во время ряда научно-исследовательских работ [58-66, 73, 75-84, 104, ПО]. Полученные при этом результаты, обобщенные с теоретическими выкладками и данными фирм-изготовителей, яви лись материалом для разработки методики расчетов количества теплоты, отбираемой охлаждающей водой от ГД и оценки ее точности.
На судах морского флота в качестве главных применяются двухтактные и четырехтактные двигатели, изготовленные различными фирмами, работающие на винты регулированного и фиксированного шага. Для каждого из таких типов двигателей, работающих по винтовым или нагрузочным характеристикам, соответствуют свои особенности протекания процессов охлаждения водой, особенно с количественной стороны. Автором было сделано предположение о том, что для определения общих закономерностей, описывающих особенности связи количества теплоты, отбираемой охлаждающей водой от ДВС с эксплуатацйшнымй" условие ями необходимо использование относительных параметров. В результате ряда предварительных исследований в качестве таких параметров были приняты:kws - коэффициент относительного количества теплоты, отбираемой охлаждающей водой от ДВСгде Qwt и QWn - количество теплоты, отбираемой охлаждающей пресной водой от двигателя при его /- ой и номинальной нагрузках;.kt - коэффициент, учитывающий влияние на процесс температуры воздуха tos на входе в турбонагнетатель;кк - коэффициент, учитывающий влияние типа двигателя и изменение его относительной нагрузки N;
На первом этапе была поставлена задача определения на основе экспериментальных исследований и данных различных фирм-изготовителей ГД математических зависимостей, описывающих связь относительных показателей количества теплоты, отбираемой охлаждающей пресной водой от ДВС с параметрами, характеризующими особенности условий эксплуатации ГД. В результате обработки данных современными методами при помощи компьютерных программ Table Curve 3D и Curve Expert были получены следующие уравнения:для среднеоборотных двигателейдля малооборотных двигателейгде n - относительная частота вращения ГД: n= Коэффициент, учитывающий влияние на величину передаваемой теплоты температуры воздуха tos на входе в турбонагнетатель оказалось возможным представить уравнением:где tos - температура воздуха на входе в турбонагнетатель двигателя, С.
Анализ полученных данных показал, что тип ГД и особенности его работы (по винтовой - с переменной частотой вращения или нагрузочной - с постоянной частотой вращения характеристикам), с высокой степенью точности можно учесть значениями коэффициентов кк:для малооборотных двигателей:- при их работе по винтовой характеристике- - при их работе по нагрузочной характеристике для среднеоборотных двигателей: при их работе по винтовой характеристике - - при их работе по нагрузочной характеристике
Подстановка коэффициентов, учитывающих влияние отмеченных параметров, представленных при помощи уравнений (3.48-3.52) в выражения (3.46-3.47) позволило автору впервые установить универсальные зависимости для определения изменений количества теплоты, теряемой с охлаждающей водой в реальных условиях эксплуатации. Указанные уравнения универсальны, так как позволяют оценить эти потери как в зависимости от реальной температуры окружающей среды на входе в турбонагнетатель, оборотов двигателя, так и от развиваемой мощности и особенностям его работы - с постоянной или переменной частотой вращения вала.
Полученные уравнения представлены ниже. Для малооборотных двигателей:- при их работе по вшгговой характерйстакёля среднеоборотных двигателей:- при их работе по винтовой характеристикепри их работе по нагрузочной характеристике kwss =(0.995 + tos -Ю-3)-(0.745+ Используя известную зависимость, отражающую связь мощности ГД с оборотами при его работе по винтовой характеристике: где т = 3 для крупнотоннажных транспортных судов, можно упростить представленные выше уравнения (3.53) и (3.55). Исключая значения относительной частоты вращения вала п, получим:
Так же как и представленные ранее выражения, уравнения (3.58) и (3.59) справедливы для тех же самых границ изменений значений нагрузок ГД, его оборотов и температуры воздуха на входе в турбонагнетатель.Таким образом, выполнена поставленная в исследовании задача разработки методики определения относительных (в %) изменений потерь теплоты с уходящей охлаждающей водой для современных двигателей (выше 1990 г. выпуска) фирм Wartsila, MAN-B&W, Caterpillar, Sulzer.
Графическое представление полученных зависимостей (3.53-3.56) исключается из-за использования в них трех аргументов: температуры воздуха tos, относительной нагрузки N и относительных оборотов двигателя п. Однако в последних уравнениях для расчета коэффициентов к 52 и к ш (3.58, 3.59) для двигателей, работающих по винтовым характеристикам, при использовании известной связи оборотов и мощности двигателя, остаются два независимых аргумента tos, N. Благодаря этому, построение трехмерных графиков оказывается возможным, что, в свою очередь, может значительно упростить с их помощью оперативную оценку общего характера изменения количества теплоты, теряемой с охлаждающей водой.
Проведенный автором соответствующий анализ результатов экспериментов и данных фирм-производителей мощных ГД показал, что включенные в общее уравнение, в определенной степени частные, зависимости (3.57) могут быть исключены и рассчитаны общие корреляционные уравнения.
Обработка показала, что наибольшие значения коэффициентов корреляции имеют уравнения общего вида:На рис. 3.23, 3.24 представлены графики вида 3D, отражающие новые полученные зависимости, а ниже, в табл.3.12, - соответствующие каждому из них значения коэффициентов а, Ъ, с уравнений, коэффициенты корреляционной связи и стандартные ошибки.
Действительная винтовая характеристика судна
Для определения действительных винтовых характеристик необходимо проведение испытаний судового МДК. Из материалов, представленных в табл. 4.2, сделана выборка результатов экспериментальных исследований, достаточных для построения комплексных винтовых характеристик судна. Полученные исходные данные представлены в табл. 4.3.коэффициентов cSitiUiV (табл. 2.3) являлись исходными данными для разработанной программы, алгоритм которой показан на рис.2.16. Результаты проведенных расчетов позволили представить в трехмерном изображении комплекс характеристик МДК и получить следующие зависимости:- мощность ГД передаваемая на винт в функции скорости судна и отн. шага ВРШ (рис. 4.2) Ns=Ns(v,H/D);- упор на винте в функции скорости судна и отн. шага (рис. 4.3) Т = T(v, H/D);- момент на винте в функции скорости и отн. шага (рис. 4.4) Qs = Qs(v,H/D);- КПД винта в функции скорости судна и отн. шага (рис. 4.5) ц = r\(v, H/D).
Компьютерная обработка полученных данных позволила получить математические выражения, отражающие корреляционную связь отмеченных параметров работы машинно-движительного комплекса и графические зависимости, представленные на рис. 4.2 - 4.5. Полученные уравнения, их коэффициенты корреляционной связи г2 и стандартные погрешности представлены в табл. 4.4.
На основе полученных зависимостей и расчетов, проведенных в соответствии с изложенным в главе 2 алгоритмом, получены данные, позволившие построить действительные винтовые характеристики машинно-движительного комплекса рассматриваемого судна. Полученные комплексные винтовые характеристики представлены на рис. 4.6.
Полученная в соответствии с разработанной методикой диаграмма действительных характеристик МДК была дополнена линиями постоянного удельного расхода топлива главным двигателем - gs. Значения удельного расхода топлива получены в ходе экспериментальных испытаний. Методика построения универсальных характеристик двигателя, представленная в разделе 2.2, не использовалась,так как в ходе испытаний главный двигатель работал с постоянной частотой вращения п.
Винтовые характеристики построены для скоростей движения судна v выше 6 узлов, так как вопросы повышения эффективности работы МДК за счет использования вторичных ресурсов теплоты, рассматриваются для наиболее вероятных, установившихся в процессе эксплуатации судов, скоростей движения.
Разработанная методика установления зависимости между реальным относительным шагом гребного винта H/D и показаниями выносного указателя шага (ВУШ), измеренных в условных единицах - dz (деления), сделала возможным нанесение на диаграмму винтовой характеристики этих двух значений.
Представленная в разд. 2.2 методика построения кривых сопротивления R дала возможность нанести их на диаграмму действительной винтовой характеристики. В качестве значений сопротивления R = R0 приняты сопротивления, замеренные в процессе экспериментальных исследований.
Условия окружающей среды во время испытаний, в частности состояние моря и сила ветра, оказывающие значительное влияние на сопротивления R, отражены в табл. 4.2.
Анализируя результаты экспериментальных исследований, с использованием данных полученной действительной комплексной винтовой характеристики, можно сделать следующие выводы:- в условиях испытаний, совпавших с заложенными при проектировании (осадка по ватерлинии - конструкционная, состояние моря - 2, сила ветра - 2 В), судно развивает скорость больше проектной;- при движении по ветру судно развивало скорость на 1 узел больше, а во время движения против ветра - на 0,7 узла больше скорости полученной в проекте;- во время проведения эксперимента нагрузка главного двигателя оказалась ниже расчетной, и он имел резерв мощности NR = 1324,4 кВт. Этого значения оказалось вполне достаточно для получения на ВГ мощности, равной 1000 кВт.
При эксплуатационной паспортной нагрузке ГД генератор отбирает от него Npzp =1176 кВт;- действительный максимальный относительный шаг гребного винта H/Dсоставил 0,925 и оказался ниже заложенного в проекте, равного 0,9462. Макси 279 мальный относительный шаг гребного винта бел ограничен во время предварительных испытаний и не изменялся в ходе эксперимента.
Влияние эксплуатационных условий на параметры работы МДК проявляется прежде всего в изменении положения винтовой характеристики в поле изменений характеристик МДК судна.Возрастание сопротивления связано не только с ухудшением условий плавания (состояние моря, сила ветра) и увеличением осадки судна, но и является результатом непрерывного процесса ухудшения технического состояния корпуса судна. Следовательно, необходимо считаться со сроком эксплуатации судна. Чем длительнее срок эксплуатации судна, тем большим будет сопротивление движению, что вызовет не только снижение скорости судна, но и уменьшение резерва мощности для использования валогенератора.
Главной проблемой в процессе эксплуатации судна является определение сопротивления, оказываемого судном, т.е. идентификация положения действительной кривой сопротивления в поле характеристик МДК в соответствии с реальными условиями эксплуатации судна и окружающей среды.
С использованием результатов расчетов, проведенных при помощи компьютерной программы для построения винтовых характеристик, получена представленная на рис. 4.7, связь сопротивления корпуса судна, мощности, передаваемой на гребной винт и скорости судна. Соответствующее корреляционное уравнение (коэф. корреляционной связи = 0,982, ст. ошибка = 0,08) имеет вид:Представленное выражение применимо для скорости судна от 6 до 21 узла и нагрузок ГД от 1800 до 8750 кВт.
Анализ изменения эксэргетических потерь при утилизации теплоты ОГГД
При проведении анализа влияния на величины эксергетических потерь при использования располагаемой теплоты ОГ в УК, температур окружающей среды и ОГ были приняты следующие допущения:- в утилизационном котле нет значительных тепловых потерь;- в элементах систем (УК и трубопроводах) отсутствуют потери давления;- неиспользованная теплота выбрасывается в окружающую среду (в атмосферу).
Указанные допущения значительно уменьшают громоздкость расчетов и последующего анализа. Первые из принятых допущений вносят некоторые незначительные погрешности в результаты расчетов, однако, вследствие того, что они носят односторонний характер, при проведении сопоставлений вариантов они вообще отсутствуют.
При использовании располагаемого тепла выхлопных газов для получения насыщенного пара в утилизационном котле суммарные эксергетические потери уменьшатся и составят [14]
Для определения изменений энтропии ОГ ГД в процессе их прохождения через УК следует воспользоваться зависимостями, полученными в разделе 5.1.2, посвященном анализу эксергетических потерь при передаче теплоты ОГ окружающей среде. При этом остаются в силе принятые ранее допущения. В соответствии с этим для определения энтропии ОГ используется уравнение: Asg =0,0037-( - )-5,0117-10-6 - - )+3,931-10 \2) кДж/(кг-К). (5.29)
На рис. 5.15 представлен график, отражающий представленную зависимость. Обработка данных описанными выше методами дала возможность получения 3-D зависимости, представленной нарис. 5.16.
Корреляционное уравнение, отражающее представленную на рис.5.16 поверхность взаимосвязи параметров (при средней ошибке 0,0031) имеет вид:
Для анализа влияния температуры окружающей среды на эксергетические потери, связанные с выходом горячих газов из УК, использовалось уравнение, полученное в разделе 5.1 при анализе аналогичных потерь выхлопных газов, выходящих в атмосферу без утилизации тепла в УК с температурой tgj
На рис. 5.17 показаны графики изменений энтропии газов, выходящих из УК, от их температуры и температуры окружающей среды, рассчитанные с помощью уравнения (5.31). Как видно из представленных зависимостей, наибольшее влияние на уменьшение энтропии оказывает снижение температуры окружающей среды. Характер изменения энтропии (градиент) не зависит от значения температур газов на выходе из котла.
Рис. 5.17 Зависимость изменений энтропии газов выходящих из УК от температур воздуха и газов на выходе из УК
Необходимое для определения значения удельной выработки пара тр количество теплоты, отдаваемое одним кг ОГ в УК воде в процессе парообра зования, может быть рассчитано с использованием полученного ранее в разделе 5.1 уравнения (5.13):
На рис. 5.18 представлены кривые, отражающие зависимость удельной передачи теплоты продуктами сгорания к воде в УК от их начальной и конечной температур.
Обработка представленных зависимостей изложенными ранее методами и проведенный анализ показали, что для расчета удельного количества теплоты, передаваемой в УК выхлопными газами воде, может быть использована зависимость, аналогичная полученной ранее (5.14):
При принятом предположении об отсутствии потерь УК излучением в окружающую среду вся переданная газами теплота будет воспринята водой в котле. В этом случае для определения удельного количества пара, которое может быть получено от утилизации теплоты одного кг ОГ необходимы значения теплосодержаний пара и питательной воды, зависящих от давления в УК, степенисухости пара и температуры питательной воды. Параметры пара и питательнойводы на судах различных проектов могут иметь различные значения. В конкретнойЭУ изменения параметров в процессе работы незначительны, и поэтому могутбыть приняты по паспортным данным или таблицам водяного пара. Вместе с этим,для универсализации модели и возможности проведения автоматизированногоконтроля за работой элементов СЭУ с помощью ПК были найдены зависимости,отражающие связи энтропии, теплосодержания пара и воды от указанныхпараметров.
В частности, зависимость энтальпии сухого насыщенного пара от давления(для диапазона значений от 0,4 до 1,1 МПа) может быть выражена уравнением«рациональной функции»:гдерр- давление насыщенного пара, МПа.
При стандартной ошибке корреляционного уравнения 0,046 коэффициенты имеют следующие значения:Значение теплосодержания воды практически не зависит от давления (в диапазоне от 0,1 до 1,2 МПа) и полностью определяется ее температурой
Большинство вспомогательных судовых паровых установок вырабатывают насыщенный пар с давлением от 0,5 до 1,0 МПа, при температуре подаваемой питательной воды от 50 до 80 С.Удельный расход теплоты на получение одного кг пара составит
На рис. 5.19 представлены графики, отражающие зависимость количества теплоты, требуемой для получения одного кг сухого насыщенного пара, от его давления и температуры воды.
Как видно из представленных графиков, изменение температуры питательной воды оказывает значительно большее влияние на удельный расход теплоты на получение одного кг пара, чем изменение его рабочего давления. Так, при изменении давления пара от 0,6 до 0,9 МПа, т.е. в полтора раза, удельный расход теплоты
