Гребные электрические установка (ГЭК)

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

Гребные электрические установки

1. Исходные данные 

 

Вариант №93

 

тип судна – транспортное;

длина между перпендикулярами по главной  ватерлинии: L = 153 м;

ширина судна В  = 24 м;

осадка средняя Т  = 7,6 м;

водоизмещение D = 20850 т;

скорость судна V_s = 13,8 уз;

коэффициент К  =  2,6;

принцип регулирования - по схеме постоянства  мощности (ПМ).

 

2. Расчёт буксировочной  мощности

 

Э. Э. Папмель предложил  следующую формулу для определения  буксировочной мощности N_R, (в лошадиных силах), судна нормальных обводов при заданной скорости судна V_S, уз. [15]:

=

где , м³ - объёмное водоизмещение;

V_s - скорость хода в узлах;                

Х – множитель, зависящий от числа валов. Для одновинтового судна Х=1, для двухвинтового Х=1,05;

           – поправочный множитель, зависящий от длины судна.

- характеристика остроты корпуса;                   

- коэффициент общей полноты;                             

Т, м – среднее значение осадки судна;

с = f ( V ^/) = 91 – эмпирический расчётный коэффициент по диаграмме Папмеля  [8] (Приложение 1);

– приведенная скорость, уз.                                

3. Расчет гребного  винта.

Выбор числа и мощности гребных электродвигателей,

главных генераторов и первичных  двигателей

 

3.1. Выбор ГЭД 

 

Выбор типа гребных электродвигателей  в ГЭУ постоянного тока сводится к определению типа корпуса двигателя, числа якорей, характера возбуждения и средств улучшения коммутации.

Тип корпуса определяют принятой системой вентиляции и числом якорей электродвигателя. Для принудительной вентиляции по замкнутому циклу выбирают закрытые двигатели, а при разомкнутом цикле охлаждения двигатели открытого исполнения.

Одноякорные двигатели обладают меньшими: массой, объемом и длиной, а также позволяют упростить распределительное устройство.

Двухъякорные двигатели имеют  меньший момент инерции и выбираются в тех случаях, когда одноякорный двигатель по конструктивным соображениям не удается разместить в корме судна или когда необходимо обеспечить повышенную живучесть судна, пониженное напряжение на коллекторе или экономичные ходы при мощности на гребных валах, не превышающей 25% мощности полного хода.

Возбуждение двигателей обычно независимое.

Чтобы улучшить условия коммутации, выбирают двигатели с дополнительными полюсами и компенсационной обмоткой. Число гребных двигателей обычно равно числу гребных валов. [3-4, 11-12].

Количество ГЭД выбирается из условия, что суммарная мощность всех ГЭД должна быть приблизительно вдвое больше буксировочной мощности:

Р_ГЭД = 2·0,736·N_R,=2·0,736·4106 кВт.

 

Если мощность ГЭД оказывается  недостаточной для выполнения этого  условия, то следует проектировать  двухвальную установку.

 

P_ГЭД = 7200 кВт;

U = 1200 B;

n_ном = 150-215 об/мин;

η_ГЭД = 93,8 %;

m_общ = 103 т;

I_а = 2x3200 A;

p = 9;

I_в = 110 A;

М_М = 18 м².

R_а = 0,0051 Ом;

R_д.п. = 0,0016 Ом;

R_в = 1,88 Ом;

R_к = 0,0032 Ом;

N = 595;

a = 1,25.

 

После выбора ГЭД необходимо привести его основные параметры: номинальные значения мощности, напряжения, тока, частоты вращения, кпд, номинальные значения напряжения и тока возбуждения, сопротивления обмоток возбуждения и суммарное якорной цепи, которое определяется по формуле

 Ом,

где R_a – сопротивление обмотки якоря;

      R_д.п. – сопротивление обмотки дополнительных полюсов;

      R_к – сопротивление компенсационной обмотки,

а также число пар полюсов, параллельных ветвей, количество витков на пару полюсов обмоток возбуждения и якоря, номинальное значение магнитного потока, момент инерции.

Справочные данные приведены  в Приложении 2.

 

3.2. Расчет гребного винта

 

Буксировочное сопротивление R или равная ему полезная тяга P_е, кг:

 

Р_е ⁼ 75·N_R/v=75·4106,24/7,21=42714 кг,

 

где v  = 0,515 ·13,8=7,21 м/с – скорость судна из условия, что 1 уз = 1 миля/ч= 1852 м/3600 с = 0,515, м/с.                        

Коэффициент попутного потока w по эмпирическим формулам Тейлора:

— для одновинтовых судов:

w= 0,5

- 0,1=0,5·0,73-0,1=0,26 рад/с;

Коэффициент засасывания t по формулам Шенхерра:

— для одновинтовых судов

t= kw=(0,5¸1,05)w=1,05·0,26=0,28 с;

Полная сила упора Р, кг, создаваемая гребным винтом, равна:

P = P_e/(1- t)=42714/(1-0,28)=59133,7 кг.

Осевая скорость винта V_p, м/с, относительно обтекающей струи воды

V_p = v·(1–w)=7,21·(1-0,26)=5,3 м/с.

Диаметры гребных винтов из условий размещения в кормовом подзоре:

— для одновинтовых судов

D = (0,6¸0,75) · Т = 0,7·7,6=5,32 м;

 

3.3. Определение оптимальной частоты вращения ГЭД

 

Оптимальная скорость вращения гребного винта выбирается в зависимости от конкретных обстоятельств из условий обеспечения:

• максимального КПД установки или минимального расхода топлива;
• минимальной массы установки;
• минимальных первоначальных затрат на оборудование ГЭУ;
• минимальных годовых эксплуатационных расходов.

На судах гражданского флота  наиболее важным показателем работы ГЭУ часто бывает экономия топлива  при полном ходе судна. Поэтому для  таких судов оптимальную скорость ГЭД рационально определять из условий получения максимального КПД гребной установки. Методика определения заключается в следующем. Вращаясь со скоростью, соответствующей максимальному КПД, винт может обеспечить постоянную скорость хода суда, если потребляемая им мощность N_p (как функции скорости вращения) будет равна

, л.с.,

где N_R1 – буксировочная мощность на одном гребном валу;

       n – частота вращения ГЭД, об/с.

С другой стороны, мощность гребного двигателя, габариты которого выбраны  в соответствии с размерами машинного отделения и всегда должны оставаться постоянными, изменяется пропорционально скорости вращения винта:

, кВт,

где D_a=(0,63¸0,68)D=0,65·194,8=132,5 см – диаметр ротора ГЭД;

      , см;

       g – относительный вес ГЭД, равный 7¸12 кг/л.с.;

      N – мощность ГЭД, л.с.;

      2р – число пар полюсов;

      а = 1,25 – отношение диаметра ротора к длине активного железа;

      с =28,4 машинная постоянная.

 

n	60	70	80	90	100	110	120	130	140
NP	5474.98	5648.42	5839.61	6290.26	6560.44	6871.16	7234.89	7670.79	8210.5
PДВ	3977.47	4640.38	5303.29	5966.2	6629.11	7292.02	8617.85	11932.4	9943.6

 

 

3.4. Проверка правильности выбора  ГЭД

 

КПД изолированного винта  можно рассчитать по формуле

,

где - коэффициент упора винта;

       n_опт =140/60=2,33 об/с – оптимальная частота вращения винта;

      D – диаметр гребного винта, м;

      - коэффициент момента винта;

      - относительная поступь гребного винта;

      Н·м величина момента упора винта;

      N_p – мощность винта, л.с.;

      Р – сила упора, кг;

      r =1025 кг/м³ - плотность воды.

Пропульсивный КПД

,

где i = 0,97¸1 – множитель, учитывающий неравномерность потока воды при различном положении лопастей винта по отношению к обводам корпуса судна.

Мощность на гребном валу, необходимая для  движения судна с требуемой скоростью

 кВт,

где z_в – число гребных валов.

Мощность на валу ГЭД 

 кВт,

где h_е = (0,95—0,98) – КПД валопровода.

 

Если после выполненного проверочного расчета мощность ГЭД будет отличаться от расчетного значения более, чем на 20%, то следует выбрать другой двигатель и проделать расчет снова.

 

3.5. Выбор главных генераторов

 

Число главных генераторов будет  выбрано правильно, если удастся  обеспечить высокий КПД установки  и ее небольшую стоимость, простоту обслуживания и надежность работы.

В ГЭУ постоянного тока мощностью более 1500 кВт обычно устанавливают два генератора и более.

Мощность главных генераторов  определяют по мощности гребных электродвигателей и числу генераторов

 

P_ГГ = 2160 кВт;

U = 600 B;

n_ном = 330 об/мин;

η_ГЭД = 94,3 %;

m_общ = 24,2 т;

I_а = 3600 A;

p = 4;

U_в=220 В;

R_а = 0,0022 Ом;

R_д.п. = 0,0024 Ом;

R_в.пар. = 1,88 Ом;

R_в.пос. = 0,0099 Ом;

 

 

Скорость генераторов выбирают в соответствии со скоростью первичных двигателей. [3-4, 11-12].

Конструктивное исполнение корпуса главных генераторов должно быть брызгонепроницаемым или водозащищенным с вентиляцией по замкнутому или разомкнутому циклу.

Справочные данные приведены в  Приложении 3.

После выбора генераторов необходимо привести их основные параметры, как это делалось для ГЭД.

4. Разработка схемы  главной цепи ГЭУ

 

Схемы соединения генераторов могут  быть последовательные, параллельные и попеременно-последовательные. Перед разработкой схемы главной цепи необходимо проанализировать достоинства и недостатки каждого из возможных вариантов. Затем составить схему главного тока и таблицу замыканий контактов избирательных переключателей главной цепи с учетом требований Регистра и возможности обеспечения экономических и аварийных режимов работы ГЭУ [1-10].

 

 

 

5. Построение  желаемых статических характеристик [1-10]

 

5.1. Построение рабочих  характеристик винта

 

Все типы судов в соответствии с  исходными данными подразделяются на транспортные суда (ТР) и рыболовные траулеры (РТ).

Для ТР рабочие характеристики строятся при ходе судна в свободной воде и в швартовном режиме работы , причем характеристика хода в свободной воде считается основной.

Примерный вид характеристик показан  на рис. 1-2.

5.2. Построение желаемой  механической характеристики ГЭД

 

Желаемая механическая характеристика ГЭД строится в относительных единицах на графике характеристик винта, полученном в предыдущем пункте расчёта.

Для обеспечения постоянства мощности ГЭУ при работе в режимах от хода в свободной воде до швартовного желаемая механическая характеристика ГЭД в номинальном режиме строится в виде гиперболы постоянства мощности (ГПМ) в соответствии с зависимостью М_* . После этого графически определяются значения моментов и оборотов ГЭД в точках пересечения характеристик винта и ГПМ (точки А, В, С рис. 1-2). Это точки работы ГЭД в установившихся режимах. Номинальный момент и обороты соответствуют точке пересечения ГПМ и основной характеристики винта.

Из точки А проводится отрезок, соответствующий участку механической характеристики ГЭД, обеспечиваемому регулятором напряжения. Значение частоты холостого хода в соответствии с требованиями Регистра не должно превосходить 20% от номинального.

Участок механической характеристики ГЭД от ГПМ до точки на оси ординат, соответствующей моменту стоянки ГЭД под током M_ст определяется в зависимости от заданного принципа регулирования следующим образом:

• для ГЭУ по схеме постоянства мощности задаётся момент стоянки М_ст =(1,5-2,5)М_н, и из этой точки проводится отрезок до пересечения ГПМ со швартовной характеристикой;

Построение желаемой механической характеристики ГЭД заканчивается  пересчетом ее из относительных единиц в именованные. При этом

 

, Н*м.