Расчет и построение паспортной диаграммы

Севастопольский национальный

технический университет

М Е Т О Д И Ч Е С К И Е У К А З А Н И Я

для выполнения курсовой работы по дисциплине

«Управление режимами СЭУ» для студентов всех

форм обучения специальности 7.100301 «Судовождение»

 

Севастополь

 

УДК 629

 

Методические указания разработаны в соответствии с утверждённой кафедрой Судовождения рабочей программой по дисциплине «Управление режимами СЭУ» и отражают ныне действующие требования стандартов компетентности к плавсоставу, содержащиеся в Кодексе подготовки и дипломирования моряков и несения вахты.(IMO-STCW 78/95). Сост. В.В.Капустин, И.И.Рыбалов ― Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. – 26 с.

 

Целью методических указаний является оказание помощи студентам в выполнении и оформлении курсовой работы, связанной с построением и использованием паспортной диаграммы судна для выбора и управления режимами судовой энергетической установки.

 

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры Судовождения ___ _______ 2007 года, протокол № ____.

 

Допущено учебно-методическим центром и научно-методическим советом СевНТУ в качестве методических указаний.

 

Рецензент: профессор, д.т.н. Комаров В.П.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………….………………………………….. 4

 

1 Объём и содержание курсовой работы…………………….....4 2. Расчёт буксировочного сопротивления и

буксировочной мощности……………………………………………...5 3.Определение предельного диаметра винта и

числа лопастей………………………………………………………….9

4. Расчёт коэффициентов взаимодействия винта и

корпуса ………………………………………………………….10

5. Определение частоты вращения и дискового

отношения винта………………………………………………………10

6 Расчёт оптимальных размеров винта и мощности

двигателя……………………………………………………………….11

7. Выбор главного двигателя и установление поля его

рабочих режимов………………………………………………………12

8. Расчёт и построение паспортной диаграммы судна…….…14

 

Приложение А.. 17

Приложение Б...………………………………………………18

Библиографический список.………………………………….26

 

 

 

В В Е Д Е Н И Е

Целью настоящей работы является закрепление знаний, получаемых в процессе изучения дисциплины и приобретение практических навыков в расчете и рациональной эксплуатации пропульсивного комплекса судна, в построении поля рабочих режимов двигателя, паспортной диаграммы судна и использовании их при управлении режимами СЭУ

В указаниях даётся объём и содержание работы, последовательность её выполнения и методика расчёта и выбора элементов гребного винта, главного двигателя, а так же согласование всех характеристик пропульсивного комплекса, обеспечивающего его заданную скорость.

 

ОБЪЁМ И СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

Курсовая работа оформляется в виде пояснительной записки объёмом 20-25 стр., по тексту которой на листах того же формата А4 (210 х 296мм) выполняются графики:

- буксировочного сопротивления и мощности;

- поля рабочих режимов (поле параметров двигателя);

- паспортной диаграммы судна.

Пояснительная записка должна последовательно включать в себя:

- задание на курсовую работу, выданное кафедрой;

- оглавление;

- введение, в котором, исходя из полученного задания, формулируются задачи работы, даётся краткая характеристика судна и основные исходные данные;

- расчётную часть;

- заключение, содержащее результаты работы;

- перечень использованной литературы.

Расчётная часть должна содержать разделы:

а) определение буксировочного сопротивления и буксировочной мощности;

б) определение предельного диаметра винта и числа лопастей;

в) расчёт коэффициентов взаимодействия винта и корпуса;

г) определение частоты вращения и дискового отношения винта;

д) установление оптимальных размеров винта и мощности двигателя;

е) выбор главного двигателя и установление поля его рабочих режимов;

ж) расчёт паспортной диаграммы судна.

При выполнении расчётов, построения графиков и оформления пояснительной записки желательно использование компьютерной техники и имеющихся на кафедре компьютерных программ. Так для расчёта буксировочной мощности рекомендуется использование программы R_STUD, выполненной в виде листа электронных таблиц М. S.Excel 7.0

 

2. РАСЧЁТ БУКСИРОВОЧНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И

БУКСИРОВОЧНОЙ МОЩНОСТИ

 

2.1. Расчёт площади смоченной поверхности

 

При наличии теоретического чертежа корпуса судна площадь смоченной поверхности определяется по периметрам погруженных шпангоутов с последующим их интегрированием по длине.

При известных основных размерениях корпуса можно с погрешностью, не превышающей 2-3%, использовать приближенные формулы В.А.Семеки, С.П.Мурыгина, В.А. Ерошина [3] стр.221. Так для транспортных судов смоченная поверхность может быть определена по формуле

W=[2d + 1.37(d-0,274)В] L,

где W - площадь смоченной поверхности, м²;

d - осадка судна, м;

d - коэффициент общей полноты;

L, B - длина и ширина корпуса, м.

 

2.2. Выбор систематических серий моделей морских судов

 

Сопротивление движению судна складывается из сопротивления трению, остаточного сопротивления, включающего в себя сопротивление формы и волновое, сопротивления выступающих частей и сопротивления воздуха. Определение всех составляющих частей отдельно представляет большие трудности, поэтому используют способы, основанные на определении сопротивления трения по формулам, а остаточного сопротивления - по результатам систематических серийных испытаний моделей судов данного типа.

Перечень основных систематических серий моделей морских транспортных судов приведён в Справочнике [ 3 ] стр. 342, Табл. VIII. I.

Для расчета судов с умеренной полнотой обводов (d = 0,60 - 0,80) могут быть применены результаты испытаний,,Серии морских судов’’ ЦНИИ им. Крылова А.Н. / поз. 2 /. Расчетные графики по результатам этих испытаний приведены в Приложении к настоящим указаниям.

Для расчёта сопротивления судов с низкими значениями коэффициента полноты корпуса (d=0,50-0,60) могут быть использованы результаты испытаний отечественной серии моделей быстроходных универсальных сухогрузных судов / поз. 6 указанной выше таблицы [ 3 ]/.

 

2.3 Вычисление буксировочного сопротивления и буксировочной мощности

 

Буксировочное сопротивление, исходя из принципов подобия судна и модели, используемых в гидромеханике (модельном эксперименте), вычисляется по общей формуле

 

R=(r/2)×W×V²×C,

где R – буксировочное сопротивление, кН;

r= 1,025 кН с²/м⁴ - удельная плотность морской

воды;

W - площадь смоченной поверхности судового

корпуса, м² ;

V – скорость судна, м/с.;

C – суммарный коэфициент сопротивления.

 

Буксировочная мощность судна Р_е в кВт определяется в зависимости от найденного буксировочного сопротивления и скорости по формуле

Р_е = V×R,

 

Расчёт удобно выполнять в табличной форме, задаваясь численными значениями скоростей судна в диапазоне 0,8 – 1,20 от заданной заданием скорости. Для удобства и рациональности выполнения расчётов следует значения скоростей принимать кратными целому числу узлов. Например для заданной скорости 16,7 узлов принять: 15, 16, 17, 18, 19)

Форма расчётной таблицы для судов с умеренной полнотой корпуса представлена на стр.7 (Таблица 1).

Ниже даются пояснения к вычислению табличных коэффициентов сопротивления с использованием расчётных графиков и диаграмм, приведённых в Приложении Б. к настоящим методическим указаниями.

 

 

Таблица 1 - Расчёт буксировочной мощности

Расчётные величины и их обозначение	Численные значения
1) Скорость, VS узл 2) Скорость, V м/с. 3) Квадрат скорости, V м /с 4) Число Фруда Fr = V / 5) Коэффициент остаточного сопротивле-ния CR(δ)103 без учёта поправок. 6) Коэффициент влияния на остаточное сопротивление kXc 7) Коэффициент влияния на остаточное сопротивление ky = ay / ay° 8) Коэффициент влияния на остаточное сопротивление kB/d × aB/d 9) Коэффициент остаточного сопротивле-ния с учётом поправок CR×103 =× CR (d)103 kx ×ky×kB/d ×aB/d 10) Число Рейнольдса Re×10-8 =(VL/n)×10-8 11) Коэффициент сопротивления трения CFO×103 =[ 0.455/ (lgRe)2,58 ]×10 12) Надбавка на шероховатость (корреляционная) CA×103 13) Коэффициент сопротивления выступающих частей CAP×103 14) Суммарный коэффициент сопротивле-ния C×103=CR×103+CFO×103+CA×103+CAP×103 15) Буксировочное сопротивление R=(r/2)×W×V2×C, кН 16) Буксировочная мощность Ре = V×R, кВт

 

Коэффициент остаточного сопротивления C_R(d)10³ снимается с диаграммы на рис. VII.12 стр. 355 [3] в зависимости от коэффициента полноты корпуса d. (Рис. 4 Приложения Б настоящих указаний)*..

____________________________________________________________

*) Здесь и в дальнейшем по тексту ссылки на используемые расчётные диаграммы даются как по литературным источникам [1, 2, 3], так и по Приложению Б настоящих методических указаний .

Коэффициент k_xc снимается с графика на рисунке VII.15 стр.358 [3 ]в зависимости от d, числа Фруда F_r и относительного расчётного значения абциссы центра величины X_c=x_c/L (Рисунок 8 Приложения Б)

Коэффициент k_Y, учитывающий влияние относительной длины судна на остаточное сопротивление, вычисляется как отношение коэффициентов a_Y и a_Yо. Их значения снимаются с графика на рис.VII.13 стр.356 [3] (Рисунок 6 Приложения Б) в зависимости от расчётной относительной длины судна y = L/ , где D =dLBd-водоизмещение судна, и от стандартного значения относительной длины Y (d), определяемого по графику на рис. VII.12 на стр.355 [3] (Рисунок 4 Приложения Б) в зависимости от коэффициента общей полноты корпуса d.

Коэффициенты k и a , произведение которых учитывает влияние отличия расчётного значения B/d от принятого в серии, определяется по графику на рис.VII.14, стр. 357 [3].(Рисунок 7.Приложения Б) в зависимости от числа Фруда и отношения В/d.

Коэффициент сопротивления трению C ×10 можно определять как по формуле Шлихтинга, приведённой в табл. 1., так и по графику на рис.4.3 стр. 238 [1], (Рисунок 5.Приложения Б) в зависимости от числа Рейнольдса. При этом коэффициент кинематической вязкости морской воды следует принимать равным n =1,605 х 10 м /с.

Надбавку на шероховатость (корреляционную поправку) С ×10 для судов с умеренной полнотой (d = 0,6 - 0,8) можно принять равной 0,2; для более скоростных судов (d < 0,60) – 0,3.

Коэффициент сопротивления выступающих частей С ×10 - соответственно 0,10 и 0,15.

По результатам вычислений,произведенных в таблице 1, строится график зависимости от скорости судна его буксировочного сопротивления R(V ) и буксировочной мощности P(V ).

Для упрощения вычислений буксировочной мощности можно воспользоваться компьютерной программой R_STUD, интерфейс которой представлен на рисунке 1.

 

Рис.1. Интерфейс программы R_STUD.

 

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО ДИАМЕТРА

ВИНТА И ЧИСЛА ЛОПАСТЕЙ

Предварительно устанавливается предельный диаметр гребного винта D_пр, который для одновинтовых судов из условия его безопасного расположения в кормовом подзоре может быть найден как

D _пр= (0,70 – 0,75) d,

а для двухвинтового

D_пр= (0,60 - 0,70) d,

где d - осадка судна.

Устанавливается число лопастей гребного винта Z, которое принимается в целях предотвращения недопустимой вибрации кормовой оконечности корпуса для одновинтовых судов равным 4, для двухвинтовых судов - 3 или 4 (в зависимости от характера неравномерности поля скоростей за корпусом судна).

Следует иметь в виду, что с увеличением числа лопастей вибрация уменьшается. На промысловых и среднескоростных транспортных судах можно рекомендовать установку четырёхлопастных винтов (Z=4).

 

4. РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ВИНТА И КОРПУСА

 

Корпус при движении увлекает за собой массы воды, создавая попутный поток. Винт работает в этом потоке, средняя скорость которого V_А меньше скорости судна V_S. Отношение (V_S-V_A) / V_S=W - носит название коэффициента попутного потока.

Для транспортных судов коэффициент попутного потока можно определить по формуле Тейлора

W= 0,50 d - 0,05,

для траулеров - по формуле Хекшера

W = 0,77j - 0,28,

где j - коэффициент продольной полноты корпуса, принимаемый

для крупных траулеров L = /130 - 160/ м. равным 0,60 - 0,67

для средних траулеров L = /40 - 60/ м равным 0,67 - 0,73.

Коэффициент засасывания t определяют экспериментально или по приближенным формулам.

Для одновинтовых транспортных судов с обтекаемым рулём можно принять

t = 0.6 W

Коэффициент влияния корпуса

h_к = (1 - t) / (1 - W).

 

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ДИСКОВОГО

ОТНОШЕНИЯ ВИНТА

 

Рациональная частота вращения винта n предварительно может быть определена по графику на рис. VIII.II на стр. 605 [3] (Рисунок 9 Приложения Б) в зависимости от заданной скорости V_S, в узлах, и мощности главной энергетической установки

N_e= P_{e /} h,

где N_e – мощность главного дизеля, в кВт;

Р_е - буксировочная мощность для заданной скорости снимае-мая с ранее построенного в подразделе 2.1 графика Р_е = (V_S) в кВт;

h = h_p×h_k××h_в×h_п - пропульсивный коэффициент, который предварительно можно принять равным 0,6. (Значения h_p, _××h_в×,h_п см. ниже на стр. 12).

Возможно определение числа оборотов и по приближенной формуле Л.С.Артюшкова

n=130 /D²,

где n – частота вращения винта в об./мин.,R - буксировочное сопротивление в кН., а D - диаметр винта в м.

Дисковое отношение q может быть определено по диаграммам, приведённым в [3] стр.606 (Приложение Б рисунок 10) в зависимости от

расчётной скорости V_p в узлах,

числа оборотов n в минуту,

мощности установки N_e в кВт,

или по графику на рис. 16.12 [9] стр. 217 в зависимости от погружения оси гребного вала h = (0,6 – 0,5) d и удельного давления

р = Р/ ,

где р – удельное давление в кН/м²,

Р = R / (1 - t) - упор винта в кН,

R - буксировочное сопротивление в кН,

t – коэффициент засасывания.

Полученное по графику дисковое отношение, чтобы не было кавитации винта, следует увеличить в 1,5 - 1,7 раза.

 

6 РАСЧЁТ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ВИНТА

И МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

 

Расчетные диаграммы выбранной серии моделей в разделе 2.2 могут быть использованы при реализации различных практических схем расчёта винтов [2] табл.16.1 стр. 218. При известных V,R, W, t, z, q и n расчёт следует вести по схеме I в следующей последовательности.

Определить упор винта в Н Р = R/(1 - t).

Определить расчётную скорость в м/с V_A = (1 - W) V.

Вычислить безразмерный коэффициент упора - частоты вращения К^`_n

K^`_n = ,

где = 1025 Нс²/м⁴ , плотность морской воды.

По диаграмме на рис 16.18 [2] стр. 208 (Приложение Б, рисунок 9) следует определить:

относительную поступь = f (K^`_n)

шаговое отношение Н/D = f (K^`_n)

к.п.д. винта в свободной воде = f (K^`_n)

Вычислить оптимальный диаметр винта

D_opt = V_A / ( ×n)

где V_A - расчётная скорость движения судна в м/мин.

и согласовать его с предельным значением, вычисленным в подразделе 3. из условия размещения движителя в кормовом подзоре корпуса.

Определить к.п.д. винта за корпусом _д = _{к р}

Определить мощность двигателя на гребном валу

N_p = RV / _д

Определить мощность на валу двигателя

N_e = RV / = RV / ( _{д в п}),

где N_e – мощность в кВт;

- пропульсивный коэффициент установки (его к.п.д.);

_в = 0,95 - 0,99 - к.п.д. валопровода;

_п = 0,94 - 0,98 - к.п.д. редуктора.

(При прямой передаче мощности _п = 1,0).

 

7.ВЫБОР ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТАНОВЛЕНИЕ

ПОЛЯ ЕГО РАБОЧИХ РЕЖИМОВ

По определенным ранее величинам мощности на валу двигателя N_е и числу оборотов n подбирают по каталогу двигатель отечественного или импортного производства с запасом мощности в 10-15%.

Некоторые, наиболее распространенные марки малооборотных дизельных двигателей приведены в Приложении А настоящих методических указаний.

Внешняя характеристика двигателя N_е(n) может быть построено по нескольким точкам, полученным из условия постоянства крутящих моментов, задаваясь различным числом оборотов nⁱ в диапазоне минимально устойчивых и максимальных оборотов выбранного двигателя

N_eⁱ = M_кр×nⁱ,

где М_кр = N_e^ном/n^ном.

 

Поле рабочих режимов (Рис.2) в координатах мощность – число оборотов, (N_e-n) представляет собой площадь неправильного четырёхугольника, верхней стороной которого является внешняя характеристика двигателя, а положение остальных сторон определяется условиями эксплуатации дизелей. Так, из условия устойчивой работы двигателя, минимальные обороты равны 0,3 n^ном. Максимально возможные обороты равны (1,03-1,05) n^ном. Нижняя сторона неправильного четырёхугольника будет представлять собой характеристику холостого хода, положение которой будет представлять собой минимальный уровень съёма мощности (0,2 N^ном при максимальных числах оборотов)

 

 

Рис.2 Поле рабочих режимов (параметров двигателя)

 

 

РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ПАСПОРТНОЙ ДИАГРАММЫ

 

Паспортная диаграмма представляет собой совокупность взаимно согласованных характеристик корпуса, двигателя и гребного винта, построенных в зависимости от скорости судна. В верхней части в виде кривых в координатах Р_е – V, в нижней – в координатах N_e – V.

Расчет ведется в таблице 2 для ряда постоянных значений чисел оборота и для ряда значений относительной поступи l_р (от 0 до 1,0). В качестве одного из первых значений поступи следует принять расчетное и для него выполнить все вычисления во всём диапазоне принятых чисел оборотов, что позволит избежать возможных ошибочных расчётов.

Диапазон чисел оборотов должен содержать округленные до 10 значения (с интервалом в 20 или 30 об/мин), возрастающие в последней колонке до 1,1 n^ном..

В формулах полезной тяги Р_е и мощности N_е коэффициенты влияния неравномерности потока на упор (i₁) и на момент (i₂) можно принять равными единице.

По результатам расчета строится диаграмма, её вид приведён на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3- Паспортная диаграмма судна

 

Таблица 2 - Расчёт паспортной диаграммы

Параметры расчёта	Обозначение расчётных величин ----------------------------- n=nm/60 об/сек. n2 n	Числа оборотов nm,об/мин
__	__	__	__	__
lр=0 К1=f(lр, H/D) K2= f(lр, H/D)	Vs= ,узл. Ре=(1-t)i1ρn2D4K1,кН Ne= кВт
lр=0.2 К1=f(lр, H/D) K2= f(lр, H/D)	Vs= ,узл. Ре=(1-t)i1ρn2D4K1,кН Ne= кВт
................	Vs= ,узл. Ре=(1-t)i1ρn2D4K1,кН Ne= кВт
lр=0.8 К1=f(lр, H/D) K2= f(lр, H/D)	Vs= ,узл. Ре=(1-t)i1ρn2D4K1,кН Ne= кВт

 

Последовательность построения диаграммы следующая.

1) В верхней части диаграммы по данным таблицы 2 строятся кривые полезной тяги Р_е(V_s, n).

2) В нижней части диаграммы строятся кривые мощности N_e (V_s, n).

3) На диаграмму наносится кривая буксировочного сопротивления R (V_s), полученная ранее в подразделе 2.1.

4) Точки пересечения R (V_s) с кривой Р_е(V_s, n) сносятся на нижние кривые N_e (V_s, n) и по полученным точкам строится кривая мощности N_e (V_s), необходимой для преодоления сопротивления движению.

5) На нижней части диаграммы вычерчивается внешняя характеристика двигателя N_e(n) /см. раздел 7/.

6) Точки пересечения внешней характеристики двигателя с кривыми N_e (V_s, n) сносятся на верхнюю часть диаграммы до пересечения с кривыми Р_е(V_s, n) и по полученным точкам строится кривая полезной тяги Р_е(n), ординаты которой дают максимальные значения тяги, достижимой при данном винте и двигателе.

На паспортной диаграмме получаются три характерных точки, позволяющие судить о правильном выборе винта и двигателя для заданного корпуса.

Точка пересечения кривой необходимой мощности N_e (V_s) с внешней характеристикой двигателя N_e(n) должна лежать на кривой номинального числа оборотов.

Точка пересечения буксировочного сопротивления R (V_s) с кривой полезной тяги Р_е(n) имеет абциссу, соответствующую наибольшей скорости судна.

Пересечение кривой R (V_s) с перпендикуляром из заданной скорости дает номинальное число оборотов.

На построенной диаграмме следует найти положение характерных точек и сделать выводы по расчёту.

П р и л о ж е н и е А

 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ

СУДОВЫХ ГЛАВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ДИЗЕЛЕЙ)

 

Марка дизеля	Номинальная мощность, кВт	Номинальное число оборотов в минуту
5ДКРН 35/70 8ДР 43/61 8ДРН 43/61 16ДН 23/30 5ДКРН 50/110 9ДКРН 50/110 7ДКРН 74/160 6ДКРН 67/170 (тип 6-Р) 8ДКРН 60/195-10 (тип I) 8ДКРН 60/195-10 (тип 3) 9ДКРН 84/180 (тип 9-Р) 12ДКРН 85/17

П р и л о ж е н и е Б

 

ГРАФИКИ,

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: