Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследуемого вопроса 11
Глава 2. Экспериментальное исследование эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов 28
2.1. Методические принципы выполнения исследования 28
2.2. Измерительно-регистрирующий комплекс 36
2.3. Оценка погрешностей измерений основных параметров 45
Глава 3. Методика прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей в составе гидромеханического комплекса 56
3.1. Основные положения методики 56
3.2. Состав предлагаемой прогнозной модели режимов работы гидромеханического комплекса в изменяющихся условиях эксплуатации 62
3.2.1. Дифференциальные уравнения движения судна 62
3.2.2. Расчётные параметры математической модели 70
3.2.3. Методы оценки влияния эксплуатационных факторов и технического состояния элементов гидромеханического комплекса 81
3.3. Проверка адекватности разработанной математической модели гидромеханического комплекса 88
3.4. Информационно-параметрическая модель судового хода 94
Глава 4. Оптимизация эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса 96
4.1. Оптимизация по критерию минимума расхода топлива при ограничении времени рейса 97
4.2. Программная реализация предложенного алгоритма оптимизации 103
4.3. Апробация алгоритма оптимизации 108
Заключение 116
Список используемой литературы 118
Приложение
- Измерительно-регистрирующий комплекс
- Состав предлагаемой прогнозной модели режимов работы гидромеханического комплекса в изменяющихся условиях эксплуатации
- Проверка адекватности разработанной математической модели гидромеханического комплекса
- Программная реализация предложенного алгоритма оптимизации
Введение к работе
В настоящее время проблеме экономии топливно-энергетических ресурсов уделяется особое внимание. На водном транспорте эта проблема должна решаться как в процессе эксплуатации судов и их энергетических установок, так и при их проектировании.
При решении рассматриваемой проблемы в условиях эксплуатации важное место занимает главный дизель в составе гидромеханического комплекса: главный двигатель - передача - движитель - корпус. Режимы работы зависят в первую очередь от воздействия на судно различных эксплуатационных факторов. При этом в любой момент времени уровень нагрузки на главные судовые двигатели определяется положением винтовой характеристики и частотой вращения вала, задаваемой судоводителем для поддержания требуемой скорости движения судна. Следует учитывать также возможные изменения положения винтовых характеристик в результате воздействия ветра, волнения, обрастания и коррозии корпуса и движителей, загрузки судна и др.
Актуальность. Прогнозирование эксплуатационных режимов работы главных двигателей транспортных судов является ключевой задачей в процессе эксплуатации. Решение её позволит планировать оптимальные, с точки зрения экономии топлива, рейсы и тем самым рационально использовать топливно-энергетические ресурсы, сокращать эксплуатационные расходы и, в результате, значительно повысить эффективность перевозок. Располагая информацией о предстоящих районах плавания судов и вероятных условиях их эксплуатации, можно уже на стадии проектирования обоснованно назначать необходимые запасы мощности главных двигателей, обеспечивая тем самым эффективную и безаварийную их работу.
В связи с этим, задача разработки более эффективных методов прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей в изменяющихся условиях эксплуатации, по сравнению с известными, является актуальной и требует дальнейшего изучения.
Режимы работы главных судовых двигателей, как отмечалось раньше, обусловлены совокупным воздействием на судно различных эксплуатационных факторов, а также техническим состоянием элементов гидромеханического комплекса. В предлагаемой новой методике прогнозирования эксплуатационных режимов за счёт использование усовершенствованной математической модели, по сравнению с ранее используемыми моделями, и учёта дополнительных эксплуатационных факторов существенно повышается достоверность результатов прогнозирования, как на стадии проектирования судов, так и в процессе их эксплуатации.
Как известно, эксплуатационные режимы движения судов внутреннего плавания значительно отличаются от соответствующих режимов судов, предназначенных для плавания в морях и океанах. На режим их движения оказывают влияние, например, такие факторы:
- переменная глубина акватории;
- извилистость фарватера;
- узость судового хода.
Эти и другие факторы оказывают существенное влияние на режим работы гидромеханического комплекса и, как следствие, возникают следующие явления:
- перераспределение нагрузки между главными двигателями;
- периодическая работа главных двигателей по ограничительным характеристикам;
- движение судна на малых скоростях и, следовательно, работа главных двигателей на пониженных оборотах;
- работа главных двигателей, передач и гребных винтов на нерасчётных режимах;
- повышенные требования к безопасности движения судов;
- и т.д.
Всё это делает рассматриваемую задачу особенно важной для судов внутреннего плавания.
Центральной задачей, при решении задачи прогнозирования эксплуатационных режимов главных судовых двигателей, является повышение достоверности оценки расхода топлива на любых эксплуатационных режимах. В качестве инструмента такой оценки целесообразно использовать универсальную характеристику.
Для решения рассматриваемой задачи существует необходимость в создании информационно-параметрической модели, которая должна содержать количественные оценки параметров судового хода, а также оперативные и статистические данные о гидрометеорологических условия плавания в планируемом рейсе.
Именно в такой постановке задача и была решена.
Цель работы. Основной целью выполненного исследования является разработка методики получения прогнозной оценки эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания в изменяющихся условиях судового хода.
Достижение намеченной цели потребовало решения следующих задач:
1. Проведения сравнительного анализа методов прогнозирования эксплуатационных режимов работы главных двигателей.
2. Критической оценки существующих методов учёта влияния эксплуатационных факторов на режимы работы гидромеханического комплекса.
3. Оценки точности существующих методов определения расхода топлива, применяемых при математическом моделировании.
4. Проведения анализа существующих методов учёта технического состояния элементов гидромеханического комплекса.
5. Получения математической модели гидромеханического комплекса водоизмещающего судна, ориентированной на решение рассматриваемой задачи.
6. Разработка информационно-параметрической модели судового хода.
Объект исследования. В качестве объектов исследования в работе рассматриваются дизельные двигатели, работающие в составе гидромеханических комплексов транспортных судов внутреннего плавания.
Предмет исследования. Эксплуатационные режимы работы главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания.
Методы исследования.
Работа выполнена с применением методов прогнозирования, математического моделирования, численных методов решения дифференциальных уравнений, математической статистики и оптимизации.
Научная новизна.
Предложена новая методика прогнозирования эксплуатационных режимов работы главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания.
Получена математическая модель гидромеханического комплекса транспортного судна, предназначенная для решения задач прогнозирования эксплуатационных режимов работы главных двигателей в изменяющихся условиях эксплуатации.
Предложен алгоритм оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей по критерию минимума расхода топлива за рейс при ограничении времени перехода судна.
Достоверность результатов обеспечивается удовлетворительным, с точки зрения практического использования, совпадением результатов выполненных расчётов с экспериментальными данными.
Диссертация состоит из четырёх глав и заключения.
В первой главе приводится краткий обзор существующих методов прогнозирования режимов работы главных двигателей транспортных судов. Даётся критический анализ существующих методов учёта влияния эксплуатационных факторов на режимы работы гидромеханического комплекса и изменения его технического состояния. Дана оценка точности существующих подходов к определению расхода топлива, применяемых при математическом моделировании. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Во второй главе приводятся сведения по подготовке и проведению пассивного эксперимента, поставленного на судах типа "Волго-Дон", и, использованной в нём, усилительной и регистрирующей аппаратуре.
Также приводятся сведения по обработке результатов эксперимента, производится оценка статической погрешности измерения режимных параметров работы главных двигателей и движения судна.
В третьей главе представлена предлагаемая методика прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов.
Описывается предлагаемая прогнозная модель режимов работы главных двигателей в условиях эксплуатации, а также производится проверка на адекватность полученной математической модели.
Кроме того, в этой главе описывается информационно-параметрическая модель судового хода, используемая в предложенной методике прогнозирования.
В четвёртой главе приводится описание полученного алгоритма оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей, основанного на использовании предлагаемой методики прогнозирования режимов работы главных двигателей. Данный алгоритм создан для решения задачи нахождения оптимальных по топливной экономичности режимов движения транспортных судов.
Даётся описание реализации предложенного оптимизационного алгоритма в разработанной компьютерной программной системе REJIMOPT.
В заключении приводятся основные результаты диссертационного исследования, к числу которых можно отнести:
1. Разработана методика прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов внутреннего плавания в реальных условиях эксплуатации.
2. Получена и проверена математическая модель, ориентированная на решение задач прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей, позволяющая учитывать влияние основных эксплуатационных факторов и ухудшение технического состояния гидромеханического комплекса.
3. Для информационной поддержки решения задач имитационного моделирования режимов движения водоизмещающих судов создана компьютерная информационно-параметрическая модель судового хода реки Волга.
Разработан и апробирован алгоритм оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей. Решаемая задача оптимизации трактуются как задача нахождения программного управления режи мами главных двигателей обеспечивающего минимальный расход топлива за рейс при заданном времени перехода судна.
5. Создана компьютерная программная система REJIMOPT, в которой реализуется предложенная методика прогнозирования и разработанный алгоритм оптимизации.
6. Результаты исследования внедрены в ОАО "Судоходная компания "Волжское пароходство".
7. Полученная математическая модель является достаточно универсальной и может быть рекомендована к применению для различных типов водоизмещающих судов.
8. Предложенная методика прогнозирования и алгоритмы оптимизации эксплуатационных режимов главных двигателей, при определённых изменениях, могут быть использованы не только для судов внутреннего плавания.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на десяти международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях, а также, опубликованы в трёх научных сборниках.
Измерительно-регистрирующий комплекс
Измерительно-регистрирующий комплекс, разработанный в рамках проведённого исследования, включал в себя отдельные датчики, аппаратурные блоки, соединительные жгуты. Питание аппаратуры осуществлялось от бортовой сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
Измерительно-регистрирующий комплекс был укомплектован следующими датчиками: Динамометр Талреп Рычаги Гребной вал Торсиометр Рис. 2.3. Тарировочное приспособление V Рис. 2.4. Образцовый динамометр типа ДОР-3 1) для замера давления наддувочного воздуха применялись индуктивные датчики давления ИДТ-3 с пределами измерения 0...300 кПа, работавшие в комплекте с согласующими устройствами СУ-1; 2) для замера температуры наддувочного воздуха после охладителей использовались термометры сопротивления П-1 с пределами измерения 0... 100 С; 3) температура газов перед турбинами замерялась с помощью термопар с хромель-копелевыми термоэлектродами и компенсационными проводами с пределами измерения 0 ... 600 С; 4) положение реек топливных насосов высокого давления определялось с помощью потенциометрических датчиков линейных перемещений МУ-611 с диапазоном перемещения 0 ... 24 мм; 5) определение часового расхода топлива проводилось по объёмным расходомерам (штихпроберам) и датчикам расхода топлива типа ДО-0,3-2. Как показал сравнительный анализ полученных данных, погрешность определения расхода топлива по импульсному расходомеру (датчик ДО 0,3-2) и объёмному расходомеру (штихпроберу) достаточно мала и не превышает 2-3%. Расхождение показаний штихпробера и датчика ДО-0,3-2 составило менее 1% на всех рассмотренных режимах работы главных судовых дизелей (табл.2.4); Таблица 2.4 Оценка погрешностей определения расхода топлива по показаниям объёмного и импульсного расходомеров № п/п Режим работыглавного двигателя,мин"1 Расход топлива, кг/ч по штихпроберу по датчику ДО-0,3-2 1 2 3 287 329 347 80,2121,4141,0 79,7122,0141,5 6) определение и регистрация частоты вращения вала в процессе испытаний производились импульсным и амплитудным методами одновременно. Наиболее точным является импульсный метод, который получил наибольшее распространение в практике теплотехнических испытаний СЭУ.
Суть этого метода заключается в том, что на ленту осциллографа одновременно с отметками времени записываются электрические сигналы (импульсы). Последние могут быть записаны различными способами. Из всего многообразия этих способов определения частоты вращения в процессе испытаний был применён следующий, сравнительно простой, способ. На гребном валу был закреплён постоянный магнит, а вблизи от него была установлена катушка, включённая на шлейф (вибратор) осциллографа К20-22. Во время вращения вала постоянный магнит, проходя вблизи катушки, возбуждал в ней ЭДС. Электрический сигнал передавался на вибратор осциллографа, и на осциллограмме появлялась отметка, соответствующая одному обороту гребного вала. Однако, несмотря на простоту записи и высокую точность, получаемую при определении частоты вращения вала импульсным методом, более удобным для анализа на эксплуатационных режимах движения судна является амплитудный метод.
Состав предлагаемой прогнозной модели режимов работы гидромеханического комплекса в изменяющихся условиях эксплуатации
Классические дифференциальные уравнения движения судна, предложенные A.M. Васиным [3], ориентированы на решение задач ходкости и управляемости. Они позволяют смоделировать работу элементов гидромеханического комплекса и их взаимодействие, учитывать влияние основных эксплуатационных факторов, моделировать движение отдельных судов и их составов при больших углах поворота, циркуляции, крене и деференте. Но использование этих уравнений при решении рассматриваемой задачи прогнозирования эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса без дополнительных преобразований и некоторых допущений затруднительно по следующим основным причинам.
Первой причиной является то, что судно движется не строго по предполагаемой траектории, а рыскает, поэтому математической моделью необходимо постоянно управлять вручную, либо использовать для этой цели авторулевой. Но к настоящему времени авторулевых по криволинейной траектории не существует. В то же время, продолжительность рейса может измеряться неделями и сотнями километров, поэтому невозможно постоянно управлять судном (моделью) в режиме реального времени вручную.
К следующей причине относится привязка путевых условий (глубины, скорости течения, повороты и т.п.) к километражу, а при дифференцировании по времени для того, чтобы узнать текущий километр пути, приходится производить дополнительные расчёты.
Третьей причиной является скорость расчётов, т.к. есть необходимость быстро просчитать весь прогнозируемый рейс, а возможно и разные его варианты. Для этого необходимо, чтобы шаг интегрирования был достаточно крупным. В то же время, при дифференцировании по времени шаг интегрирования получается малым, что замедляет расчёт. Все эти причины обосновывают уход от дифференцирования по времени. Одним из выходов из сложившейся ситуации могло бы быть дифференцирование по безразмерному времени: u0t где i)0- скорость судна относительно воды на расчётном режиме; t - время; L - длина судна. Но это не помогает избежать перечисленных выше недостатков дифференцирования по времени. Исходя из выше сказанного, актуальна задача создания математической модели, ориентированной на решение задач прогнозирования эксплуатационных режимов гидромеханического комплекса.
Ограничимся рассмотрением работы гидромеханического комплекса судна при движении его без крена и дифферента, а также при небольших углах поворота. Для рассмотрения примем дизельную установку с двигателями, работающими на винты фиксированного шага, такой тип ГЭУ в настоящее время является основным для судов внутреннего, смешанного плавания и большинства морских судов транспортного флота.
К трём дифференциальным уравнениям движения судна, следуя рекомендациям В.И.Небеснова [34], необходимо добавить дифферен циальные уравнения движения системы двигатель - передача - гребной винт. Рассмотрим случай жесткого соединения двигателя и вала гребного винта. В этом случаи дополнительные дифференциальные уравнения системы двигатель - передача - гребной винт приводится к виду: 2 (JBi +4) = ! -MxPj -Мв; -МтРі (3.2) В уравнениях системы (3.1) и (3.2) приняты следующие обозначения (рис.3.3): zB, гдв - количество гребных винтов и главных двигателей в ГМК; m, J2 - масса судна и момент инерции массы судна относительно вертикальной оси GZ) проходящей через центр тяжести; іь 22 - обобщённые присоединённые массы корпуса в направлении осей Gx и Gy; 26, 66 - присоединённый статический момент и присоединённый момент инерции воды относительно вертикальной оси Gz; и - скорость движения центра тяжести судна относительно воды; t - время; z - угловая скорость вращения судна относительно оси Gz; (3 - угол дрейфа по центру тяжести судна; Nx, Ny - суммы проекций внешних сил на оси Gx и Gy; Mz - момент суммы проекций внешних сил, действующих на судно относительно оси Gz; JBJ- - приведенный к оси /-го гребного вала момент инерции движущихся частей, связанных с ним механически; Хві - присоединенный момент инерции массы воды z-го гребного винта; n,- - частота вращения /-го гребного винта; Мщу - момент на валууЧо двигателя; Мш - момент на валу /-го винта; Міру - момент сил трения в механизмаху-го двигателя; Мтрг - момент сил трения в передаче /-го винта. Сумма проекций внешних сил и их момента: i=l " j=i Ny=YK-Pyj+EQi+Yal j=i І=І Mz =MK +EPyjLpj + PXjbpj -\\ -XQiLBi + i=i j=i i=i i=i M„ где ]Гтв. - суммарная полезная тяга движителей; Рис.3.3. Схема сил, действующих на судно при криволинейном движении VQ. - суммарная поперечная сила движителей; Хк, YK, Мк - вязкостные составляющие гидродинамических сил и их момент, действующие на корпус судна; Ха, Ya, Ма - аэродинамические силы и их момент воздействия ветра на надводную часть корпуса судна; zp - количество рулей; J]PX. суммарная продольная сила на рулях; Yp - суммарная поперечная сила на рулях ; Z_( yj Lp. - координата по оси Gxj-ro руля; Ьр - координата по оси Gyy-ro руля; LB. - координата по оси Gx /-го гребного винта; Ъ - координата по оси Gy z-ro гребного винта. Принимаем, что судно движется при установившейся циркуляции. Введём в исходную систему дифференциальных уравнений движения (3.1) допущения о малости угла дрейфа р. В этом случае допустимо положить Cos р = 1, a Sin р = р. Для решения задачи прогнозирования по выше приведённым причинам необходимо отказаться от дифференцирования по времени t, в этом случае решение системы уравнений (3.1) будет более стройным и удобным для анализа, если дифференцирование производить по пути S.
Проверка адекватности разработанной математической модели гидромеханического комплекса
Математическая модель должна обеспечивать достаточно близкое соответствие выходных данных реальным значениям, полученным при непосредственном их измерении на технически нормальном двигателе.
Результаты моделирования работы гидромеханического комплекса т/х "Волго-Дон" (проект 507Б), представленные в таблице 3.1, показали удовлетворительную сходимость с данными паспортной характеристики (табл.3.2).
При этом учитывалась глубины на мерной линии, отличные от проектных характеристик гребных винтов, а также изменение технического состояния гидромеханического комплекса. Также, проведена проверка математической модели при моделировании движения т/х "Волго-Дон 155" в балласте, с осадкой 2,0 м (табл.3.4 и рис.3.8).
В обоих случаях максимальная относительная погрешность при определении эффективной мощности и часового расхода топлива составила 4,7% и 1,7% соответственно, что удовлетворяет допустимым значениям отклонений [47]. Таблица 3.3 Общие сведения и основные технические данные гребных винтов т/х "Волго-Дон 155" Параметры Левого вращения ГВ левый (зав.№100) Правого вращения ГВ правый (зав. №3038) Число лопастей 4 4 Дисковое отношение 0,62 0,62 Материал лопастей 20ХГНДЛ РТМ 2120079-78 20ХГНДЛ РТМ 2120079-78 Дата изготовления 28.04.89 14.03.90 Диаметр винта, мм 1800 1800 Шаг, ммпо черт./фактич.отклонен. % от четёжн. 1520/1527 + 0,5 1520/1530 + 0,6 Масса, кгпо черт./фактич.отклонен. % от четёжн. 710/733 + 3,2 710/725 + 2,1 Таблица 3.4 Результаты моделирования движения "Волго-Дон 155" Частота Экспериментальные значения Расчётные значения вращения, п, об/мин Эффективная мощность, Часовой расход топлива, Эффективнаямощность, Относит.погреши.,% Часовой расход топлива Относит.погреши.,% Ne, кВт Вч, кг/ч Ne, кВт /и Вч, кг/ч J\J С грузом 5000 т (осадка 3,45) 150 44,1 18,4 45,5 3,2 18,7 -1,6 196 101 31,7 104,6 3,6 32,2 -1,5 254 227,9 61,7 221,3 2,9 62,5 -1,3 302 419 108,7 399,9 4,5 109,8 -1,0 356 698,3 170,7 665,4 4,7 171,7 -0,6 В балласте (осадка 2,0 м) 192 83,1 30,3 80,1 3,6 30,8 -1,7 246 189,6 59,0 182,4 3,8 59,8 -1,4 303 376,2 96,1 359,6 4,4 97,1 -1,0 348 585,7 145,7 558,3 4,7 146,8 -0,8 350 596,2 145,8 568,1 4,7 146,9 -0,8 экспериментальные значения А расчётные значения f-m Q) z 800 700 600 500 400 300 200 100 150 200 250 300 n, об/мин 350 400 Рис. 3.7. Результаты проверки математической модели при моделировании движения "Волго-Дон 155" с грузом 5000 т (осадка 3,45 м) экспериментальные значения 250 (D Z 800 700 600 500 400 300 200 100 2 300 n, об/мин 350 400 Рис. 3.8. Результаты проверки математической модели при моделировании движения "Волго-Дон 155" в балласте (осадка 2,0 м) Анализ полученных результатов указывает на хорошую сходимость результатов математического моделирования и экспериментального исследования. Это позволяет сделать вывод о возможности применения разработанной математической модели при прогнозировании эксплуатационных режимов главных двигателей.
Для информационной поддержки решения задач имитационного моделирования режимов движения водоизмещающих судов создана компьютерная информационно-параметрическая модель судового хода реки Волга.
В основу созданной модели положена информация из Атласа единой глубоководной системы европейской части России, Правил Российского Речного Регистра и других нормативных документов, а также необходимые данные из справочных и периодических изданий.
Компьютерная информационная система, в которой реализована информационно-параметрическая модель, включает: - карту судового хода реки Волга; - перечни естественных ориентиров (населённых пунктов, отдельных строений, устьев притоков, убежищ и др.) и искусственных сооружений (гидроузлов, плотин, шлюзов, дамб, портовых сооружений, аванпортов, подходных, обходных и соединительных каналов и др.); - указатели навигационных знаков на протяжении судового хода; - информацию по значениям скорости течения на участках судового хода; сведения об условиях судоходства на магистральных участках рек с указанием установленных ограничений по скорости движения судов, а также параметры судового хода (характерные глубины при проектном уровне воды, радиусы закругления оси с соответствующими им углами); - краткие метеорологические и гидрометеорологические сведения по участкам водного пути (направление и сила ветра, скорости течений при различных уровнях воды и др.), сведения по продолжительности навигации.
Обеспечение оптимальных по топливной экономичности режимов работы гидромеханического комплекса в реальных условиях плавания - одна из основных задач эксплуатации флота.
Разработка метода прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей транспортных судов позволила перейти к решению задачи оптимизации режимов работы гидромеханического комплекса.
Для судовых экипажей и диспетчерского аппарата судоходных компаний и пароходств рассматриваемая задача является типовой. Её решение связано с нахождением программы управления главными двигателями, в результате которого целенаправленно изменяется скорость судна на отдельных участках трассы. При существующей практике для каждого из участков устанавливается своя зависимость расхода топлива от скорости с использованием обычно либо паспортных данных, не отражающих изменение технического состояния дизелей, либо экспериментально определённых зависимостей, получение которых представляет известные трудности [32]. Важно обратить внимание и на то, что для различных участков судового хода характерен свой режим работы главных двигателей, вызванный условиями плавания. Винтовая характеристика, которая отражает результирующее воздействие на судно эксплуатационных факторов, изменяет своё положение в широких пределах - от облегченной до утяжелённой, привнося тем самым дополнительную погрешность в оценку расхода топлива.
Экономичная работа главных двигателей в конкретном рейсе может быть достигнута в результате целенаправленного поиска значений режимных параметров, оптимальных по критерию расхода топлива в изменяющихся условиях судового хода.
Необходимо отметить, что при решении задачи оптимизации режимов работы главных двигателей следует оперировать значениями часового, а не удельного расхода топлива. Это связано с тем, что при заданном скоростном режиме движения судна может оказаться выгоднее работать не в точке минимального удельного расхода при некоторой мощности, а в точке повышенного удельного расхода, но при меньшей мощности. В этом случае расход топлива на трассе и его расход на единицу пути могут иметь меньшие значения, чем в точке минимального удельного расхода.
Программная реализация предложенного алгоритма оптимизации
Предложенный алгоритм оптимизации эксплуатационных режимов работы главных двигателей реализован в компьютерной системе "REJIMOPT", блок-схема которой представлена на рис.4.2. Данная система состоит из: - базы данных характеристик судов и их элементов; - базы данных, содержащей информацию об изменении технического состояния гидромеханического комплекса; - информационно-параметрической системы, описывающей судовой ход; - модуль расчёта параметров состояния судна в зависимости от загрузки; - модуль ввода гидрометеорологических условий плавания; - модуль оптимизации эксплуатационных режимов работы гидромеханического комплекса в предполагаемом рейсе; - модуль прогнозирования эксплуатационных режимов главных двигателей; - модуль вывода результатов. Работа с системой начинается с выбора нужного судна из базы данных судов и их элементов. В случае если необходимое судно отсутствует в базе данных, то пользователю предоставляется возможность ввести данные о судне (рис.4.3).
Следующим шагом является задание маршрута движения судна в предполагаемом рейсе. Пользователь задаёт пункты отправления и назначения. При известном оперативном прогнозе гидрометеорологических условий в районе плавания существует возможность внести эти данные. В случае если таковых нет, то используется статистическая информация, соответствующая данному месяцу года. Исходя из данных о судовом ходе и гидрометеорологических условиях плавания, система разбивает всю трассу на участки с одинаковыми параметрами: 1)ветра и волнения; 2) скоростями течения воды; 3) извилистостью судового хода; 4) глубинами и др. Далее система предлагает задать загрузку судна и в соответствии с этим пересчитывает параметры состояния (такие как осадка, водоизмещение и т.п.). После ввода всех необходимых данных пользователь может перейти к использованию модуля оптимизации эксплуатационных режимов работы элементов гидромеханического комплекса судна в заданном рейсе (рис.4.4).
Проверка работы предложенного алгоритма произведена на участке Горьковского водохранилища от буя №135 до буя №101, по которому имеются экспериментальные данные о режимах работы главных двигателей, скорости движения, времени прохождения и количестве израсходованного топлива.
Длина участка около 75 км, глубина меняется от 4,1 м до 12 м, средняя скорость течения во время проведения эксперимента составляла 4,5 км/ч, а волнение не превысило 1 балла, при этом судно двигалось вверх по течению.
Во время проведения эксперимента теплоход "Волго-Дон 155" часть пути (до буя №115) шёл со средней скоростью 16,0 км/ч (320 об/мин), а оставшуюся часть - 13,8 км/ч (280 об/мин). Весь участок был пройден за 5 часов 2 минуты, при этом расход топлива составил 1005 кг.
В результате работы алгоритма оптимизации получена программа движения судна, представленная в таблице 4.1.
При сохранении времени перехода судна достигнута экономия топлива около 51 кг, что составило 5,1%. За сутки экономия может достигать 240 кг, что доказывает эффективность предположенного алгоритма оптимизации.
