Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов повышения эффективности СЭУ и постановка задач исследования 16
1.1 Современные методы повышения эффективности СЭУ 16
1.1.1 Повышение эффективности СЭУ за счёт увеличения эффективности работы главных судовых двигателей 16
1.1.2 Повышение эффективности СЭУ за счёт применения дополнительных устройств в составе СЭУ 19
1.1.3 Повышение эффективности СЭУ за счёт оптимизации взаимодействия главных судовых двигателей и движительного комплекса судна 21
1.2 Эффективность работы движительного комплекса судна 22
1.2.1 Критерии эффективности работы движительного комплекса судна 22
1.2.2 Гребные винты регулируемого шага и эффективность их применения на судах речного флота 26
1.2.3 Гребные винты дискретно регулируемого шага 33
1.3 Выводы и постановка задач исследования 37
Глава 2 Исследование вопросов оптимизации взаимодействия главных двигателей и движительного комплекса судна 40
2.1 Совместная работа гребных винтов и главных судовых двигателей 40
2.2 Эффективность работы дизеля на различных режимах 42
2.2.1 Сравнение параметров работы дизеля при работе по различным винтовым характеристикам 42
2.2.2 Оценка эффективности работы дизеля на различных режимах 43
2.2.3 Повышение эффективности работы дизеля при применении гребного винта с системой ДРШ 44
2.3 Теоретическая оценка повышения эффективности СЭУ на примере судов пр. 1741А и пр. Р96А при применении гребного винта с системой ДРШ 45
2.3.1 Оценка эффективности ВДРШ для судна пр. 1741А 45
2.3.2 Оценка эффективности ВДРШ для судна пр. Р96А 80
2.4 Результаты исследования и выводы 102
Глава 3 Разработка конструкции гребного винта с системой ДРШ 105
3.1 Исходные данные для проектирования 105
3.2 Определение углов поворота лопастей ГВДРШ 106
3.3 Механизм поворота лопастей ГВДРШ 108
3.4 Дистанционный привод поворота лопастей ГВДРШ 114
3.5 Технологические указания по изготовлению ГВДРШ для судна пр. Р96А 114
3.6 Результаты и выводы 116
Глава 4 Оценка эффективности внедрения гребных винтов с системой ДРШ в качестве движителей речных судов 117
4.1 Проведение сравнительных испытаний теплохода пр. 1741А,
оборудованного проектными ГВФШ и ГВДРШ 117
4.1.1 Процедура проведения испытаний 117
4.1.2 Результаты испытаний 118
4.1.3 Анализ результатов 121
4.2 Оценка экономической эффективности применения гребных винтов с системой ДРШ 121
4.3 Результаты и выводы 124
Заключение 126
Библиографический список использованной литературы 128
Приложение 133
- Повышение эффективности СЭУ за счёт применения дополнительных устройств в составе СЭУ
- Гребные винты регулируемого шага и эффективность их применения на судах речного флота
- Оценка эффективности ВДРШ для судна пр. 1741А
- Технологические указания по изготовлению ГВДРШ для судна пр. Р96А
Введение к работе
Сегодня одной из основных проблем внутреннего водного транспорта России является проблема естественного сокращения флота на фоне его старения. На регистрационном учете Российского Речного Регистра (РРР) состоит около 30 тыс. судов, средний возраст которых составляет около 28 лет. Самый большой удельный вес в группе самоходного флота (36%) занимают суда старше 30 лет; в группе несамоходного флота - 33%. По данным РРР ежегодно количество поднадзорного ему флота из-за списания сокращается примерно на 1000 единиц, такое же количество судов по их техническому состоянию переводятся инспекциями Регистра в категорию «негодное» [9, 35, 39].
Так на примере наиболее успешного в бассейне рек Сибири и Дальнего Востока пароходства ОАО «Енисейское речное пароходство» можно увидеть следующую возрастную структуру флота, представленную в таблице 1.
Таблица 1 - Возрастная структура флота ОАО «ЕРП»
Мероприятия по обновлению транспортного флота для данного предприятия основаны на идеологии максимального продления срока службы судов из рабочего ядра с использованием системы планово-предупредительного ремонта, нового судостроения, судостроения с ограниченным использованием элементов эксплуатируемых судов. Предполагается, что основным методом является перевозка грузов в толкаемых и буксируемых составах. В связи с этим первоочередное внимание обращено на несамоходный нефтеналивной и сухогрузный тоннаж и буксиры-толкачи [57].
Если рассматривать современные темпы судостроения в России, то они характеризуются постройкой (10-15) судов в год, поэтому в таких условиях замена устаревшего флота новым займет не одно десятилетие и потребует значительных финансовых и трудовых затрат, что могут позволить себе только крупнейшие судоходные компании. Вследствие этого на первый план выходят мероприятия связанные с модернизацией и реновацией флота. Реновация подразумевает восстановление технического состояния «возрастного» судна до уровня эквивалентного (в части безопасной и надежной эксплуатации) более молодому судну с выдачей соответствующих регистровых документов и возможностью его эксплуатации в течение планируемого судовладельцем срока [9, 35, 39].
На примере ОАО «ЕРП» можно наблюдать следующий график мероприятий на период с 2005 по 2015 годы, связанных со строительством, модернизацией и капитальным ремонтом судов, график представлен в таблице 2 [57].
Анализируя вышеуказанные данные можно прийти к следующим выводам:
а) в ближайшие годы большинством судоходных компаний Западной и
Восточной Сибири планируется проведение модернизации и капитальных
ремонтов судов самоходного флота.
б) в большинстве случаев модернизация самоходных судов будет
затрагивать, в том числе, и судовую энергетическую установку.
Таблица 2 - График обновления флота ОАО «ЕРП», ед. [57]
Судовые энергетические установки отечественных речных судов, спроектированных более тридцати лет назад, в настоящее время имеют большой потенциал по увеличению эффективности их работы. Проведя соответствующие исследования и разработав необходимые мероприятия, можно произвести их внедрение во время модернизации или капитального ремонта судов. Так как повышение эффективности работы судовой энергетической установки (СЭУ) напрямую влияет на снижение эксплуатационных затрат на содержание судна, что в современных условиях имеет особую актуальность, и как следствие проведение соответствующих исследований на сегодняшний день также крайне актуально.
На основе анализа литературных источников, а также опыта эксплуатации грузовых судов в бассейнах рек Сибири установлено, что имеются предпосылки для проведения исследования по повышению эффективности работы СЭУ данных судов. Большинство речных судов в настоящее время в
качестве движителей оснащены гребными винтами (рабочими колесами водометного движителя) фиксированного шага, соответственно, при изменении режима работы судна, данные винты не могут обеспечить согласованность совместной работы с СЭУ, при этом существенно снижается эффективность использования последней.
В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.
Объектом исследования являются энергетические установки и движительный комплекс речных транспортных судов.
Предметом исследования являются гребные винты дискретно регулируемого шага (ГВДРШ), как средство повышения эффективности использования СЭУ.
Идея работы заключается в установлении особенностей работы СЭУ речных транспортных судов при различных режимах нагрузки судна, учитывая которые можно разработать средство повышения эффективности использования СЭУ.
Целью работы является повышение эффективности использования СЭУ речных транспортных судов путем применения в качестве движителя ГВДРШ.
В соответствии с идеей и целью работы ставились и решались следующие взаимоувязанные научно-технические задачи:
- показать возможность повышения эффективности работы СЭУ речных
транспортных судов путем применения в качестве движителя гребного винта
дискретно регулируемого шага.
- при этом найденное решение удовлетворяет следующим требованиям:
а) при проведении исследования были учтены современные особенности
эксплуатации речных самоходных транспортных судов;
б) материалы исследования могут быть использованы при проектировании
и постройке новых судов;
в) материалы исследования могут быть использованы при проведении
модернизации существующих судов, при этом изменения, вносимые в
конструкцию и компоновку основных элементов судна минимальны;
г) материалы исследования применимы к различным типам самоходных
судов, используемым в настоящее время судоходными компаниями;
установить зависимость эффективности работы дизеля (в качестве судового главного двигателя) от параметров гребного винта.
разработать конструкцию гребного винта с системой дискретного регулирования шага, при этом предложенная конструкция должна отвечать всем необходимым требованиям государственных стандартов.
Методы исследования. Проведены теоретические исследования вопросов оптимизации совместной работы движителей и энергетической установки судна. В соответствии с результатами исследования разработаны теоретические модели ГВДРШ для судов пр. 1741А и пр. Р96А. Для определения параметров работы главного двигателя судна пр. Р96А были смоделированы внешняя и частичные характеристики дизельного двигателя типа ЧН15/18. Разработана конструкция ГВДРШ для судна пр. Р96А и полный комплект необходимой для его изготовления документации. Проведены сравнительные испытания судна Р618 (пр. 1741 А), на основании результатов которых, проведен детальный анализ режимов эксплуатации и сделан расчёт экономической эффективности применения ГВДРШ.
Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов. Проведённые исследования базируются на традиционных методиках определения параметров работы дизельных двигателей и расчёта оптимальных гребных винтов. Исследования проводились на современной поверенной аппаратуре с применением компьютерных технологий.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
1 Результаты исследования методов повышения эффективности судовой энергетической установки.
2 Результаты исследования методов повышения эффективности
движительного комплекса судна.
3 Концепция гребных винтов дискретно регулируемого шага.
Результаты исследования влияния параметров гребного винта на эффективность работы главных двигателей;
Результаты теоретического исследования повышения эффективности судовой энергетической установки при применении гребных винтов дискретно регулируемого шага в качестве движителя речных судов.
6 Конструкция гребного винта с системой дискретного регулирования шага
для судна пр. Р96А.
7 Оценка экономической эффективности внедрения результатов работы.
Научная новизна работы в рамках сформулированных научно-
технических задач характеризуется тем, что впервые:
установлено, что применение гребных винтов с дискретным регулированием шага целесообразно для повышения эффективности пропульсивного комплекса речных судов;
разработан алгоритм оптимизации совместной работы главных двигателей и гребных винтов, повышающий эффективность использования судовой энергетической установки на (6 - 11) %;
доказана эффективность применения гребных винтов дискретно регулируемого на транспортных судах речного флота;
- разработана универсальная конструкция гребных винтов с дискретным
регулированием шага для различных типов судов.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение её результатов в производство может дать значительный экономический эффект, за счёт повышения эффективности использования СЭУ, и как следствие снижение затрат на топливо или увеличение провозной способности судов.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения рекомендованы для внедрения в ОАО «Западно-Сибирское речное пароходство».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференциях профессорско-преподавательского состава НГАВТ 2004 - 2009 г.г. и были доложены на Новосибирской межвузовской научной конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» в 2005 г. Полученные результаты использованы в учебном процессе ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» на кафедре «Технологии металлов и судостроения».
Личный вклад. Постановка задач исследования, выбор способов их решения, экспериментальные исследования и основные научные результаты принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50 %.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных трудов, в том числе 2 статьи в периодических изданиях по перечню ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников, включающего 78 наименований, и приложения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 45 рисунков и 69 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основе литературных источников осуществлена постановка задач исследования.
Показано, что в данное время для отечественного речного транспорта актуальна следующая проблема: наличие предпосылок для повышения эффективности работы СЭУ речных транспортных судов и недостаток внимания этому вопросу.
Проведён анализ современных исследований в области повышения эффективности СЭУ. При этом в качестве направления исследования определено повышение эффективности СЭУ путём оптимизации работы с ДК судна.
В результате анализа мероприятий по повышению эффективности ДК, мероприятий по оптимизации работы ДК и СЭУ, а также предварительных расчётов и анализа особенностей эксплуатации судов речного флота сформулирована концепция гребных винтов дискретно регулируемого шага.
Показано, что использование, в качестве метода повышения эффективности работы ДК грузовых речных судов, ГВДРШ позволит, благодаря оптимизации совместной работы главных двигателей, движителей и корпуса судна, повысить эффективность работы СЭУ.
Вторая глава посвящена исследованию вопросов оптимизации взаимодействия главных двигателей и ДК судна.
Проведен анализ эффективности работы дизельного двигателя на различных режимах.
В результате проведенного сравнения таких параметров как: эффективная мощность - Ре, частота вращения коленчатого вала п, среднее индикаторное давление рті для этих режимов, следует, что Цма— Уме* Чмв- После чего были сделаны следующие выводы:
1 Режим работы дизеля на лёгкий гребной винт характеризуется
недоиспользованием мощности двигателя, снижением среднего индикаторного
давления и, как следствие, уменьшением механического КПД. Что в свою
очередь вызывает снижение эффективного КПД и увеличение удельного
расхода топлива. Работа двигателя в режиме повышенной частоты вращения
коленчатого вала опасна возможностью «перекрута» дизеля, а также может
вызывать уменьшение срока его службы.
2 Работа дизеля на тяжёлый гребной винт характеризуется опасностью
теплового перегруза двигателя и поэтому ограничивается номинальной подачей
топлива, соответственно эффективная мощность для этого режима ниже номинальной. Снижения эффективного КПД для данного режима не наблюдается, удельный расход топлива несколько снижается относительно номинального [минимальный удельный расход топлива наблюдается при п — (0,8 - 0,9) пном].
Так как гребные винты фиксированного шага для речных судов в основном проектируются согласованными с СЭУ для наиболее тяжёлого режима, при работе в более лёгких условиях, винт будет лёгким для силовой установки. Значит, будут наблюдаться недоиспользование мощности двигателя (потеря в скорости судна), сниженный КПД работы дизеля и уменьшение его моторесурса. Особенно это актуально на судах имеющих несколько сильно отличающихся режимов работы, например буксиры - толкачи, грузовые суда. Причём, чем больше разница в режимах нагрузки судна, тем больше негативное влияние неоптимальности гребного винта фиксированного шага (ГВФШ) на СЭУ, особенно для дизельных двигателей.
Проведена теоретическая оценка повышения эффективности СЭУ при применении ГВДРШ для судов пр. 1741А и пр. Р96А.
При проведении оценки повышения эффективности СЭУ при применении ГВДРШ для судна пр. Р96А для получения эффективных показателей главного судового двигателя 12ЧН15/18 было выполнено моделирование его внешней и частичных характеристик.
Анализ полученных данных показал:
1 Оптимальный гребной винт обеспечивает судну самую высокую
скорость для каждого из режимов.
2 Однако, учитывая особенность зависимости потребляемой мощности от
скорости движения судна (кубическая зависимость) и принимая во внимание
найденные значения расхода топлива, можно придти к выводу, что режим
движения судна с максимальной скоростью не является самым экономичным.
Тяжёлые и лёгкие винты, потребляющие меньшую мощность, показывают более низкое значение расхода топлива на километр пути.
Наименьший удельный расход топлива, а следовательно более высокий КПД, обеспечивают «утяжелённые» винты (n ~ 0,9пном). Разница по удельному эффективному расходу топлива между «лёгкими» и номинальными режимами составляет, соответственно, от 0,5 до 1,5 % , между излишне «тяжёлыми» и номинальными режимами также (0,5 - 2) %. Отсюда уменьшение эффективного КПД дизеля от 0,5 до 2 %.
Применяя гребной винт фиксированного шага, оптимальный только для одного из режимов движения судна, судоводитель теряет от 1 до 13 % скорости судна в других условиях движения. Следовательно, при использовании в качестве движителя судна ГВДРШ, спроектированный с глубоким анализом статистики эксплуатации судна, можно увеличить провозную способность судна за период навигации на (3 - 6) % и, соответственно, использовать СЭУ с большей эффективностью. Также применение ГВДРШ позволяет возможность специального утяжеления винта и, следовательно, работу судна в более экономичном режиме с большим КПД СЭУ.
В третьей главе проводятся разработка конструкции ГВДРШ и связанные с этим исследования.
Гребной винт дискретно регулируемого шага проектировался с условием установки на судно пр. Р96А.
При этом:
Предложенная конструкция ГВДРШ отвечает всем необходимым требованиям государственных стандартов.
Использование, в качестве материалов для изготовления ГВДРШ, низколегированных сталей позволяет увеличить срок службы ГВ. Ориентировочный срок службы ГВДРШ — 15 лет, в то время как стандартные винты, по статистике эксплуатации, в среднем служат не более 8 лет.
3 Использование дополнительных противокавитационных мер:
сегментного профиля цилиндрических сечений лопасти, увеличенного
дискового отношения ГВ, также положительно сказываются на сроке службы
ГВДРШ.
4 Конструкция механизма поворота лопастей ГВДРШ зарегистрирована в
Патентном ведомстве РФ (Роспатент).
Четвертая глава посвящена оценке эффективности внедрения ГВДРШ. На основании проведённых сравнительных испытаний судна «РТ 618» пр. 1741А были получены следующие данные:
1 Применение ГВДРШ позволяет даже в условиях «работы» судна в
режиме экономии топлива получить дополнительную экономию.
Для условий сравнительных испытаний:
при движении вниз по течению - 19 кг на 100 км пути;
при движении вверх по течению - 63 кг на 100 км пути.
Для маршрутов значительной протяжённости от 0,5 до 2 % затраченного топлива.
2 При необходимости применение ГВДРШ позволяет повысить провозную
способность судна (вследствие получения максимально возможной скорости
при номинальных параметрах работы главных двигателей) при этом обеспечить
оптимальные затраты топлива на тонну груза.
На основании результатов сравнительных испытаний и теоретических расчётов, сделанных в предыдущих главах, была произведена возможная экономическая эффективность применения ГВДРШ.
При этом на примере перевозки шлака составом буксир-толкач пр. 1741 А, две баржи пр. 459А по маршруту Ташара - Нижневартовск использование ГВДРШ позволит сэкономить до 2% от количества затраченного топлива, что в денежном эквиваленте составит порядка 47 тысяч рублей за навигацию.
Так как ориентировочная стоимость изготовления одного гребного винта с системой ДРШ для судна пр. 1741А 100 тысяч рублей за каждый винт, при
этом изготовление одного стандартного ГВФШ для этого судна обойдется в 60 тысяч рублей, то дополнительные затраты на установку ГВДРШ окупятся меньше чем за два эксплуатационных периода.
Так же увеличение срока службы гребного винта позволяет почти в два раза увеличить срок замены ГВ и снизить связанные с этим расходы.
Повышение эффективности СЭУ за счёт применения дополнительных устройств в составе СЭУ
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференциях профессорско-преподавательского состава НГАВТ 2004 - 2009 г.г. и были доложены на Новосибирской межвузовской научной конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» в 2005 г. Полученные результаты использованы в учебном процессе ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» на кафедре «Технологии металлов и судостроения».
Личный вклад. Постановка задач исследования, выбор способов их решения, экспериментальные исследования и основные научные результаты принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50 %.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных трудов, в том числе 2 статьи в периодических изданиях по перечню ВАК. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников, включающего 78 наименований, и приложения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 45 рисунков и 69 таблиц. Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы основные положения, выносимые на защиту. В первой главе на основе литературных источников осуществлена постановка задач исследования. Показано, что в данное время для отечественного речного транспорта актуальна следующая проблема: наличие предпосылок для повышения эффективности работы СЭУ речных транспортных судов и недостаток внимания этому вопросу. Проведён анализ современных исследований в области повышения эффективности СЭУ. При этом в качестве направления исследования определено повышение эффективности СЭУ путём оптимизации работы с ДК судна. В результате анализа мероприятий по повышению эффективности ДК, мероприятий по оптимизации работы ДК и СЭУ, а также предварительных расчётов и анализа особенностей эксплуатации судов речного флота сформулирована концепция гребных винтов дискретно регулируемого шага. Показано, что использование, в качестве метода повышения эффективности работы ДК грузовых речных судов, ГВДРШ позволит, благодаря оптимизации совместной работы главных двигателей, движителей и корпуса судна, повысить эффективность работы СЭУ. Вторая глава посвящена исследованию вопросов оптимизации взаимодействия главных двигателей и ДК судна. Проведен анализ эффективности работы дизельного двигателя на различных режимах. В результате проведенного сравнения таких параметров как: эффективная мощность - Ре, частота вращения коленчатого вала п, среднее индикаторное давление рті для этих режимов, следует, что ЦМА— Уме Чмв- После чего были сделаны следующие выводы: 1 Режим работы дизеля на лёгкий гребной винт характеризуется недоиспользованием мощности двигателя, снижением среднего индикаторного давления и, как следствие, уменьшением механического КПД. Что в свою очередь вызывает снижение эффективного КПД и увеличение удельного расхода топлива. Работа двигателя в режиме повышенной частоты вращения коленчатого вала опасна возможностью «перекрута» дизеля, а также может вызывать уменьшение срока его службы. 2 Работа дизеля на тяжёлый гребной винт характеризуется опасностью теплового перегруза двигателя и поэтому ограничивается номинальной подачей топлива, соответственно эффективная мощность для этого режима ниже номинальной. Снижения эффективного КПД для данного режима не наблюдается, удельный расход топлива несколько снижается относительно номинального [минимальный удельный расход топлива наблюдается при п — (0,8 - 0,9) пном]. Так как гребные винты фиксированного шага для речных судов в основном проектируются согласованными с СЭУ для наиболее тяжёлого режима, при работе в более лёгких условиях, винт будет лёгким для силовой установки. Значит, будут наблюдаться недоиспользование мощности двигателя (потеря в скорости судна), сниженный КПД работы дизеля и уменьшение его моторесурса. Особенно это актуально на судах имеющих несколько сильно отличающихся режимов работы, например буксиры - толкачи, грузовые суда. Причём, чем больше разница в режимах нагрузки судна, тем больше негативное влияние неоптимальности гребного винта фиксированного шага (ГВФШ) на СЭУ, особенно для дизельных двигателей. Проведена теоретическая оценка повышения эффективности СЭУ при применении ГВДРШ для судов пр. 1741А и пр. Р96А. При проведении оценки повышения эффективности СЭУ при применении ГВДРШ для судна пр. Р96А для получения эффективных показателей главного судового двигателя 12ЧН15/18 было выполнено моделирование его внешней и частичных характеристик. Анализ полученных данных показал: 1 Оптимальный гребной винт обеспечивает судну самую высокую скорость для каждого из режимов. 2 Однако, учитывая особенность зависимости потребляемой мощности от скорости движения судна (кубическая зависимость) и принимая во внимание найденные значения расхода топлива, можно придти к выводу, что режим движения судна с максимальной скоростью не является самым экономичным. Тяжёлые и лёгкие винты, потребляющие меньшую мощность, показывают более низкое значение расхода топлива на километр пути. 3 Наименьший удельный расход топлива, а следовательно более высокий КПД, обеспечивают «утяжелённые» винты (n 0,9пном). Разница по удельному эффективному расходу топлива между «лёгкими» и номинальными режимами составляет, соответственно, от 0,5 до 1,5 % , между излишне «тяжёлыми» и номинальными режимами также (0,5 - 2) %. Отсюда уменьшение эффективного КПД дизеля от 0,5 до 2 %. 4 Применяя гребной винт фиксированного шага, оптимальный только для одного из режимов движения судна, судоводитель теряет от 1 до 13 % скорости судна в других условиях движения. Следовательно, при использовании в качестве движителя судна ГВДРШ, спроектированный с глубоким анализом статистики эксплуатации судна, можно увеличить провозную способность судна за период навигации на (3 - 6) % и, соответственно, использовать СЭУ с большей эффективностью. Также применение ГВДРШ позволяет возможность специального утяжеления винта и, следовательно, работу судна в более экономичном режиме с большим КПД СЭУ.
Гребные винты регулируемого шага и эффективность их применения на судах речного флота
Различают гребные винты фиксированного и регулируемого шага. Если лопасть по отношению к ступице во время работы винта остается в неизменном положении, т. е. является жестко скрепленной со ступицей или отлитой с ней заодно, то такой винт называется гребным винтом фиксированного шага. Если же лопасть может поворачиваться по отношению к ступице, то такой винт называется гребным винтом регулируемого шага (ГВРШ). С помощью различных механизмов во время движения судна можно менять угол установки лопастей ГВРШ в широком диапазоне, включая отрицательные углы, благодаря чему реверс судна, т.е. изменение движения на обратное, можно осуществлять без изменения направления вращения вала винта.
Преимущества и недостатки использования ГВРШ, применительно к морским судам, подробно рассмотрены в следующих источниках [16, 64]. Некоторые из них актуальны и при применении ГВРШ на судах речного флота.
ГВФШ проектируется для определенной скорости судна при соответствующем этой скорости сопротивление движению. При увеличении буксировочного сопротивления судна по какой-либо причине произойдет снижение его скорости хода. Лопасти гребного винта будут работать на увеличенных углах атаки относительно набегающего потока. Это вызовет, в свою очередь, снижение числа оборотов и, следовательно, мощности главного двигателя. В таких случаях говорят, что винт стал «тяжёлым» для главного двигателя.
Наоборот, при уменьшении буксировочного сопротивления судна произойдет уменьшение сопротивления вращению винта. Двигатель разовьет большее число оборотов. Скорость хода судна увеличится. Лопасти гребного винта будут работать на уменьшенных углах атаки. Гребной винт станет «лёгким» для главного двигателя. Такая особенность ГВФШ дает возможность снимать полную мощность двигателя лишь на одном расчётном режиме. В противоположность ГВФШ ГВРШ позволяет использовать наиболее полно мощность двигателя на любых режимах, так как можно привести его шаг в соответствие с любой скоростью судна и выбрать наиболее выгодный режим работы главного двигателя. Так как ГВРШ позволяет регулировать нагрузку на главный двигатель изменением шага, то можно поддерживать число оборотов главного двигателя постоянным при различных скоростях судна. Главный двигатель может работать на любой точке, расположенной внутри зоны его внешней и винтовой характеристик. Указанные достоинства ГВРШ видны из рассмотрения рисунка 1, на котором с помощью кривых Ne-f(V), составленных для различных сопротивлений движению буксира, показан выигрыш в скорости за счёт более эффективного использования мощности при работе с ГВРШ (горизонтальная линия NHOM=eonsf). Заштрихованная площадь есть недоиспользованная мощность двигателя при его работе с ГВФШ; кривая 1 - сопротивление при свободном ходе; z/F? - прибавка в скорости при работе с ГВРШ; кривая 2 -сопротивление при ходе с возом в сложных условиях (при встречном ветре, на волне, мелководье и т. п.); А V] - прибавка в скорости при работе с ГВРШ в этом случае; средняя кривая - расчётная (ход с возом в обычных условиях). При расчёте ГВФШ для буксира или ему подобного судна, имеющего несколько основных режимов хода, конструкторам приходится учитывать особенности эксплуатации судна и делать выбор между целесообразностью получения или максимальной скорости, или максимальной тяги (упора) при буксировке воза. Существует еще и третий путь, когда рассчитывают «компромиссный» винт, который будет обладать средними характеристиками. На рисунке 2 показаны возможные варианты использования гребного винта для портового ледокола мощностью 1200 л.с. Кривая а соответствует работе ГВРШ, который как это следует из рисунка, обладает наилучшими свойствами. Работа компромиссного ГВФШ характеризуется кривой с; кривыми Ъ и d—работы «лёгкого» и «тяжёлого» ГВФШ. Практика эксплуатации судов, оборудованных ГВРШ, показывает, что их использование дает выигрыш в упоре по сравнению с судами, на которых установлены ГВФШ, примерно на 30— 40%, если последние рассчитаны на полную скорость судна. Из рисунка 4 видно, что выигрыш в упоре от использования ГВРШ на мощном буксире равен примерно 36% (при V =0). Изменение упора у буксира, оборудованного ВРШ или ВФШ, в зависимости от скорости хода [64] Заштрихованная площадь на рисунке соответствует величинам избыточных упоров, которые могут быть получены при использовании ГВРШ на режимах, отличных от режима свободного хода судна. Ниже по данным испытаний портового ледокола с ГВРШ показан выигрыш в тяге в зависимости от скорости хода: На швартовом режиме ГВРШ позволяет работать на любом числе оборотов, предусмотренном для данного двигателя, в то время как ГВФШ вынуждает ограничивать наибольшее число оборотов по допустимой тепловой нагрузке двигателя. Если ГВФШ подбирается по максимальному упору на швартовых, то для соответствующего ГВРШ при свободном ходе можно получить увеличение скорости судна до 35 %. У судов, осадка которых изменяется значительно, при их ходе порожнем сопротивление воды движению судна уменьшается. При работе двигателя с полной мощностью можно несколько увеличить скорость хода. Увеличив шаг ГВРШ при переходах порожнем, можно работать при заданном числе оборотов и с полным использованием крутящего момента, который способен развить двигатель при достаточном погружении гребного винта. Например, для судна «Александер Т. Вуд» водоизмещением около 20000 т. при переходах порожнем выигрыш в скорости благодаря применению ГВРШ составил (0,7 — 0,9) узла (полная скорость судна при осадке в грузу равна 13,5 узла). Применение ГВРШ позволяет использовать наиболее полно мощность двигателя на режимах, отличных от расчётного, что приводит к существенной экономии топлива.
Оценка эффективности ВДРШ для судна пр. 1741А
Как уже отмечалось, эффективность использования СЭУ, а в частности главных двигателей судна, в значительной степени зависит от согласованности их совместной работы с движительным комплексом судна [58, 59, 60, 62, 63, 78].
В настоящее время на грузовых речных судах в качестве судовых главных в основном применятся дизельные двигатели внутреннего сгорания (далее дизели).
Зависимость параметров работы дизеля от частоты вращения при работе на гребной винт называется винтовой характеристикой. На рисунке 7 представлены винтовые характеристики водоизмещающего судна (кривые 1 -3), внешняя (кривая 4), регуляторная (кривая 5) и ограничительная (кривая 6) характеристики дизеля [25, 28, 29, 33, 53, 70]. Гребной винт, характеризующийся кривой 1, является гидродинамически согласованным с дизелем, Кривые 2 и 3 характеризуют гидродинамически лёгкий и тяжёлый гребные винты соответственно.
Гидродинамически согласованный гребной винт при номинальной частоте вращения потребляет мощность равную номинальной мощности дизеля Рен (пересечение с внешней характеристикой дизеля, точка А рисунок 1). При этом обеспечиваются наибольшая скорость для данного режима движения судна и оптимальные характеристики работы дизеля [19, 20, 26, 32, 34, 60].
Гидродинамически лёгкий гребной винт, при номинальной частоте вращения потребляет мощность меньшую, чем номинальная мощность дизеля Реи (точка В). В результате наблюдается недоиспользование мощности дизеля и, следовательно, скорость судна оказывается меньше, чем при работе с оптимальным для данного режима движения гребным винтом. Работа дизеля характеризуется опасностью превышения допустимого числа оборотов. В тяжёлых условиях работает всережимный регулятор дизеля, непрерывно воздействующий на рейки топливных насосов, а при его отсутствии или неисправности включается в действие предельный регулятор (или автомат предельных оборотов), наблюдается повышенный износ, появляется возможность выхода дизеля из строя. Производители дизельных двигателей (на примере дизеля М470 АО «Звезда», поле допустимых нагрузок которого представлено на рисунке 8) рекомендуют общее время работы дизеля в режиме превышения номинального числа оборотов не более 5% от ресурса до первой переборки [19,20, 26, 32, 34, 60, 66].
Гидродинамически тяжёлый гребной винт, при номинальной частоте вращения потребляет мощность, превышающую номинальную мощность дизеля. Так как максимально — рекомендуемая мощность дизеля определяется его внешней характеристикой, то число оборотов гребного винта (соответственно и дизеля) ограничивается (точка С, рисунок 7). Превышение данного числа оборотов чревато перегрузкой дизеля и также влечет за собой уменьшение его срока службы [19, 20, 26, 32, 34, 60, 66]. Каждый из режимов А,В и С работы дизеля (см. рисунок 7) характеризуется определенными параметрами. Произведем относительное сравнение таких параметров как: эффективная мощность - Ре, частота вращения коленчатого вала п, среднее индикаторное давление р„а для этих режимов. Для удобства сравнения примем, что Рвс=Рев, тогда получим: Режимы А и С характеризует номинальная топливоподача а режим В топливоподача принудительно сниженная регулятором, следовательно, Снижение индикаторного давления вызывает снижение г/д/ р это следует из формулы (3) [15, где Ртм - среднее давление механических потерь где ртр - потери на трение; рнас - «насосные» потери; р6Сп - потери на привод вспомогательных механизмов; рвент — вентиляционные потери. Рнас-, Респ И Рвент ДЛЯ реЖИМОВ А, В И С МОЖНО ПрИНЯТЬ рЭВНЫМИ, Ртр ДЛЯ упрощения сравнения отличиями в значении ртр также можно пренебречь, так как согласно [29, 33, 38, 45, 73] данный параметр зависит как от удельных давлений так и скоростей перемещения компонентов дизеля. Отсюда следует, что Г}МА= УМС ЧМВ 2.2.2 Оценка эффективности работы дизеля на различных режимах Анализируя результаты сравнения, можно придти к следующим выводам: 1 Режим работы дизеля на легкий гребной винт характеризуется недоиспользованием мощности двигателя, снижением среднего индикаторного давления и как следствие уменьшением механического КПД. Что в свою очередь вызывает снижение эффективного КПД и увеличение удельного расхода топлива. Работа двигателя в режиме повышенной частоты вращения коленчатого вала опасна возможностью «перекрута» дизеля, а также характеризуется уменьшение срока службы. Уменьшение срока службы является следствием увеличения рабочих циклов в единицу времени, что линейно повышает скорость износа компонентов дизеля. 2 Работа дизеля на тяжелый гребной винт характеризуется опасностью теплового перегруза двигателя и поэтому ограничивается номинальной подачей топлива, соответственно эффективная мощность для этого режима ниже номинальной.
Технологические указания по изготовлению ГВДРШ для судна пр. Р96А
Оптимальный гребной винт обеспечивает судну самую высокую скорость для каждого из режимов. 2 Однако, учитывая особенность зависимости потребляемой мощности от скорости движения судна (кубическая зависимость) и принимая во внимание найденные значения расхода топлива g, можно придти к выводу, что режим движения судна с максимальной скоростью не является самым экономичным. Тяжёлые и лёгкие винты, потребляющие меньшую мощность, показывают более низкое значение расхода топлива на километр пути.
При анализе кривых Ье, представленных на рисунках (33 - 35), видно, что наименьший удельный расход топлива (следовательно, более высокий КПД) обеспечивают «утяжелённые» винты (n 0,9пном). Разница по удельному эффективному расходу топлива между «лёгкими» и номинальными режимами составляет соответственно (0,5 - 1) %. Отсюда уменьшение эффективного КПД дизеля на (0,5 - 1) %.
Применяя гребной винт фиксированного шага, оптимальный только для одного из режимов движения судна, судоводитель (для судна пр. Р96А) теряет от 1 до 4 % скорости судна в других условиях движения. Следовательно, при использовании в качестве движителя судна пр. Р96А ГВДРШ, спроектированный с глубоким анализом статистики эксплуатации судна, можно увеличить провозную способность судна за период навигации до 2 % и, соответственно, использовать СЭУ с большей эффективностью. Также применение ГВДРШ позволяет возможность специального утяжеления винта и, следовательно, работу судна в более экономичном режиме с большим КПД СЭУ.
Режим работы дизеля на лёгкий гребной винт характеризуется недоиспользованием мощности двигателя, снижением среднего индикаторного давления и как следствие уменьшением механического КПД. Что в свою очередь вызывает снижение эффективного КПД и увеличение удельного расхода топлива. Работа двигателя в режиме повышенной частоты вращения коленчатого вала опасна возможностью «перекрута» дизеля, а также характеризуется уменьшение срока службы. Уменьшение срока службы является следствием увеличения рабочих циклов в единицу времени, что линейно повышает скорость износа компонентов дизеля.
Работа дизеля на тяжёлый гребной винт характеризуется опасностью теплового перегруза двигателя и поэтому ограничивается номинальной подачей топлива, соответственно эффективная мощность для этого режима ниже номинальной. Снижения эффективного КПД для данного режима не наблюдается, удельный расход топлива несколько снижается относительно номинального [согласно [44, 45, 52, 73, 78] минимальный удельный расход топлива наблюдается при п = (0,8 - 0,9) ппом]. Гребные винты фиксированного шага для речных судов в основном проектируются согласованными с СЭУ для наиболее тяжёлого режима [19, 20], следовательно, при работе в более лёгких условиях, винт будет лёгким для силовой установки, а значит, будет наблюдаться недоиспользование мощности двигателя (потеря в скорости судна), сниженный КПД работы дизеля и уменьшение его моторесурса. Особенно это актуально на судах имеющих несколько сильно отличающихся режимов работы, например бусиры - толкачи, грузовые суда, причем, чем больше разница в режимах нагрузки судна, тем больше негативное влияние неоптимальности ГВФШ на СЭУ и в частности дизельные двигатели [27, 30, 47, 59, 62, 64, 66]. 3 Применение ГВДРШ позволяет обеспечить оптимальное шаговое отношение гребного винта для наиболее частых режимов нагрузки судна, и соответственно оптимальный режим работы СЭУ. Применение данной системы позволяет дизельным двигателям работать в режиме близком к номинальному, предотвращая снижение КПД двигателей (повышение удельного расхода топлива), опасность работы двигателей в неблагоприятных режимах и обеспечивая сохранение их моторесурса. Теоретические исследования для судов 1741А и Р96А показали: 1 Оптимальный гребной винт обеспечивает судну самую высокую скорость для каждого из режимов. 2 Однако, учитывая особенность зависимости потребляемой мощности от скорости движения судна (кубическая зависимость) и принимая во внимание найденные значения расхода топлива g, можно придти к выводу, что режим движения судна с максимальной скоростью не является самым экономичным. Тяжёлые и лёгкие винты, потребляющие меньшую мощность, показывают более низкое значение расхода топлива на километр пути. 3 Наименьший удельный расход топлива ( а следовательно более высокий КПД) обеспечивают «утяжелённые» винты (n 0,9пном). Разница по удельному эффективному расходу топлива между «лёгкими» и номинальными режимами составляет соответственно (0,5 — 1,5) % , между излишне «тяжёлыми» и номинальными режимами также (0,5 — 2) %. Отсюда уменьшение эффективного КПД дизеля на (0,5 - 2) %. 4 Применяя гребной винт фиксированного шага, оптимальный только для одного из режимов движения судна, судоводитель теряет от 1 до 13 % скорости судна в других условиях движения. Следовательно, при использовании в качестве движителя судна ГВДРШ, спроектированный с глубоким анализом статистики эксплуатации судна, можно увеличить провозную способность судна за период навигации на (3 — 6) % и, соответственно, использовать СЭУ с большей эффективностью. Также применение ГВДРШ позволяет возможность специального утяжеления винта и, следовательно, работу судна в более экономичном режиме с большим КПД СЭУ.
