THE IMPROVEMENT OF COMPUTER-AIDED DESIGN SYSTEM FOR PROPULSION COMPLEXES WITH MEDIUM-SPEED ENGINES
Authors:
1.
Saint Petersburg State Marine Technical University
Type:
Article
Pages:
from 87
to 92
Status:
Published
Received:
20.08.2018
Accepted:
25.08.2018
Published:
25.08.2018
Subject area:
UDK 629.12.03.001.63
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
ship propulsion complex, medium-speed engine, computer-aided design system, development, oscillation, location
Abstract (English):
The article gives an overview of the directions for the further development of software for computer-aided design systems for propulsion complexes with medium-speed engine. There has been proposed the system of CAD PC with electronic data processing based on the existing development and including the development of electronic data processing and gearbox databases, location of PC equipment on board the ship, determination of the stable dimensions of the shaft line according to the rules of the RF Register and oscillations of the console and span of the maximum length, justification of technical solutions using performance criteria. A typical scheme of computer-aided design has been considered, which includes new sections of computer-aided design with electronic data processing.
The article gives an overview of the directions for the further development of software for computer-aided design systems for propulsion complexes with medium-speed engine. There has been proposed the system of CAD PC with electronic data processing based on the existing development and including the development of electronic data processing and gearbox databases, location of PC equipment on board the ship, determination of the stable dimensions of the shaft line according to the rules of the RF Register and oscillations of the console and span of the maximum length, justification of technical solutions using performance criteria. A typical scheme of computer-aided design has been considered, which includes new sections of computer-aided design with electronic data processing.
Keywords:
ship propulsion complex, medium-speed engine, computer-aided design system, development, oscillation, location
ship propulsion complex, medium-speed engine, computer-aided design system, development, oscillation, location
Разработка системы автоматизированного проектирования (САПР) пропульсивных комплексов (ПК) со среднеоборотными двигателями (СОД), реализованная ОАО «Звезда» по заказу Минпромторга в 2012-2014 гг., была первым опытом создания промышленной САПР в данной предметной области, которая в настоящее время нуждается в дальнейшем усовершенствовании. На рис. 1 представлена блок-схема новой разработки САПР ПК с СОД (сплошными линиями обозначены блоки, взятые из прежней разработки; штриховыми - блоки, создаваемые или развиваемые в настоящей работе). Значительной переработке подвергнута база данных по главным СОД и передачам мощности. Исходная база данных по СОД с частотой до 1000 об/мин включала 119 типоразмеров с диапазоном мощности от 800 до 21600 кВт. Новая база включает 245 типоразмеров с тем же диапазоном мощностей. Число промежуточных типоразмеров возросло более чем в 2 раза. База данных реверсивных редукторов включала 172 типоразмера с диапазоном крутящего момента на входном валу от 0,21 до 2,51 кНм. Новая база таких же редукторов включает 632 типоразмера с диапазоном крутящего момента от 0,21 до 24 кНм. То есть число доступных типоразмеров возросло в 3 раза, а располагаемый момент увеличился в 10 раз. Новые базы могут найти применение при проектировании ПК морских судов, в то время как исходные могли использоваться лишь для небольших речных и рыбопромысловых судов. Ранее разработанная САПР ПК с СОД [1, 2] не включает анализ конструктивных и тепловых схем судовых энергетических установок (СЭУ): наличие навешенных и утилизационных устройств различных типов движителей. Предлагаемая в данной работе САПР предусматривает анализ наличия навешенных механизмов: валогенераторов и утилизационных турбин. Их мощность добавляется к мощности, отдаваемой на движение судна, и учитывается при выборе главных двигателей. По-прежнему, мы рассматриваем лишь движители, расположенные за валопроводом соосно с последним. Действующая САПР не включает моделей оценки важных характеристик: устойчивости валопровода и его собственных частот колебаний, кроме низших частот поперечных колебаний [3-5] характерных участков валопровода. В предлагаемую САПР включена специальная разработка по оценке собственных частот пролётов валопровода, его консольного участка, а также модель анализа устойчивости при продольном изгибе. Существующая САПР не включает моделей проектирования расположений ПК с СОД в машинно-котельном отделении [6] и размещения линии валопровода. Для одновальной установки это не имеет большого значения, т. к. валопровод располагается в диаметральной плоскости, но для двухвальных установок, которые часто используют СОД, эта проблема становится существенной. Рис. 1. Блок-схема новой разработки САПР ПК с СОД: ИБД - информационные базы данных; ПУ - пропульсивная установка; ВП - валопровод И, безусловно, важной проблемой, которая не нашла разработки в существующей САПР, является создание моделей экономического обоснования принимаемых технических решений, важных для транспортных и рыбопромысловых судов, оборудованных ПК с СОД. Методы исследования Для выбора агрегата СОД из типоразмерного ряда сначала определяется мощность главного двигателя, требуемая для движения судна с наибольшей скоростью, с учётом коэффициента запаса мощности, по следующей зависимости [1, 2]: (1) где R - сопротивление движению судна на длительном эксплуатационном режиме, кН; vэ - скорость на длительном эксплуатационном режиме, уз; hпр, hвал, hпер - КПД пропульсивный (определяется из расчёта винта наибольшего допустимого диаметра и соответствующей оптимальной частоты вращения), валопровода и редукторной передачи (определяется из соотношения диаметра винта, его упора и частоты (формула Л. С. Артюшкова и В. А. Лесюкова [7, 8]); kз - коэффициент запаса мощности; Nнав - мощность механизмов, приводимых от главного двигателя и не учитываемых мощностью на выходном валу двигателя, кВт (поскольку агрегат СОД включает основные навешенные механизмы (насосы систем СЭУ), то их мощность не учитывается Nнав, т. к. они учтены при определении Nе, фактически это мощность валогенератора, если он предусмотрен); NУТ - мощность утилизационных турбины (газовых и паровых, если они применены), кВт; Zв - число линий валопровода и движителей в составе ПУ. На рис. 2 представлены варианты конструктивных схем ПУ с СОД. В принципе, СОД реверсивны (при наличии второго комплекта кулачковых шайб на распределительном валу и механизма перестановки толкателей), но реверсирование снижает ресурс главных двигателей - СОД, и так в 3-4 раза меньший по сравнению с МОД. Поэтому нами созданы отдельные модели для выбора СОД в случае применения реверсивных и нереверсивных редукторов. Применение первых увеличивает ресурс агрегатов СОД и поэтому данный вариант считается основным. Рис. 2. Конструктивная схема среднеоборотной дизельной установки и одновальной дизель-редукторной установки с валогенератором и винтом регулируемого шага: ДВ - движитель; В/ВП - валопровод; РЕД - редуктор; М - муфта; СОД - среднеоборотный двигатель; Р - газовыпускной коллектор; ГТН - газотурбонагнетатель; ЗП - зубчатая передача; ВРШ - винт регулируемого шага; ВГ - валогенератор; ГД - главный двигатель Результаты исследования На рис. 3 представлены результаты автоматизированного выбора СОД, которые получают с помощью программного обеспечения. Главный двигатель выбирается из ранжированной по мощности базы данных главных двигателей с использованием следующей модели: где D - допуск, задаваемый проектировщиком на превышение мощности агрегата (ограничительное требование). Фактически можно было ограничиться одним вариантом - ближайшим большим по мощности, но тогда не остаётся возможности сравнения и выбора оптимального двигателя. NETR = 1217. REIS = 1 JSOD = 9 MARK = 8L23/30A NESOD = 1 280. NSOD = 900. REID = 1 BESOD = 194. GSOD = 13 500. LSOD = 3802. BSOD = 1 660. HSOD = 2 467. KIZ =1.05153 VSU1 = 10.677 NM = 246.879 KPROP = 0.41331 JSOD = 10 MARK = 6L21/31 NESOD = 1 290. NSOD = 1 000. REID = 1 BESOD=195. GSOD = 16 000. LSOD = 3432. BSOD = 1 695. HSOD=3113. KIZ = 1.05909 VSU1 = 10.703 NM = 247.469 KPROP = 0.41331 JSOD = 11 MARK = 6EY22AW NESOD = 1 330. NSOD = 900. REID = 1 BESOD = 193. GSOD = 10 000. LSOD = 2947. BSOD = 1 618. HSOD = 2 366. KIZ = 1.09216 VSU1 = 10.813 NM = 250.081 KPROP = 0.41331 JSOD = 12 MARK = 8M20C NESOD = 1 360. NSOD = 900. REID = 1 BESOD = 189. GSOD = 13 800. LSOD = 3 858. BSOD = 1 693. HSOD = 2 866. KIZ = 1.11672 VSU1 = 10.894 NM = 251.879 KPROP = 0.41331 Рис. 3. Результаты автоматизированного выбора СОД На рис. 3 представлены четыре варианта главных двигателей. По каждому представлены следующие параметры: NETR - требуемая мощность главного двигателя, необходимая для достижения заданной скорости, кВт; REIS - требуемый рейтинг главного двигателя; JSOD - порядковый номер двигателя в базе данных; MARK - его марка; NESOD - номинальная мощность двигателя, кВт; NSOD - номинальная частота, об/мин; REID - рейтинг двигателя (характеристика величины годовой наработки на режиме длительной эксплуатационной мощности (ДЭМ)), который не должен быть больше рейтинга судна (REIS), лучше REID = REIS; BESOD - удельный расход топлива главным двигателем, г/кВт∙ч; GSOD, LSOD, BSOD, HSOD - массогабаритные характеристики двигателя: масса, кг; длина, м; ширина, м; высота, м; KIZ - коэффициент превышения мощности над требуемой; VSU1 - достижимая скорость при сохранении заданного коэффициента запаса мощности, уз; NM - оптимальная частота движителя, об/мин; KPROP - пропульсивный коэффициент. Главными параметрами редукторов являются: вращающий момент двигателя , где Ne1 - мощность главного двигателя на режиме максимальной длительной мощности (МДМ), кВт; nmax - частота вращения главного двигателя на режиме МДМ, об/мин, и передаточное отношение , где nДВС - частота вращения главного двигателя на режиме МДМ, об/мин; nопт.винта - оптимальная частота вращения винта на режиме ДЭМ, об/мин. На рис. 4 представлены результаты автоматизированного выбора реверсивного редуктора из базы данных. Редукторы в базе ранжированы по допустимому моменту и выбирается один - ближайший больший по моменту, в то же время обладающий близким передаточным отношением к требованию. Число передаточных отношений для каждого типоразмера варьируется и обычно не превышает десяти реализаций. NETR = 1 217. REIS = 1 JSOD = 11 MARK = 6EY22AW NESOD = 1 330. NSOD = 900. REID = 1 BESOD = 193. GSOD = 10 000. LSOD = 2 947. BSOD = 1618. HSOD = 2 366. MRTR = 1.478 IRTR = 4.148 J = 150 MARKRED = MMW18 000 MMAX = 1.56 NEMAX 2 574 NMAX = 1 650 G = 3 650 L = 1 524 B = 1 080 H = 1 623 REIR = 1 J = 150 RAT = 3.976 RAT = 0.000 RAT = 0.000 RAT = 0.000 RAT = 0.000 RAT = 0.0000 RAT = 0.000 RAT = 0.000 RAT = 0.000 Принято IR = 3.976 Рис. 4. Результаты автоматизированного выбора реверсивного редуктора На рис. 4 приведены данные судна: требуемая мощность на один вал и рейтинг. Далее повторяются характеристики выбранного двигателя. Третья строка рис. 4 - требуемые характеристики редуктора: момент MRTR и передаточное отношение IRTR. Далее идёт строка с характеристиками выбранного редуктора: порядковый номер в базе данных J; марка MARKRED; допустимый момент MMAX; допускаемые мощность и частота NEMAX и NMAX; массогабаритные характеристики G, L, B, H и рейтинг редуктора REIR, который не должен превышать рейтинг судна и двигателя. Предпоследняя строка - данные о передаточных отношениях типоразмеров выбранного редуктора. В последней строке приведены данные о выбранном передаточном отношении IR. Требуется контроль проектировщика за располагаемым значением передаточного отношения. В данном случае принят не ближайший больший по моменту редуктор (им является 147 редуктор из базы ZFW11230 с Мкр (максимально допустимым крутящим моментом) = 1,490 кНм), а 150-й MMW18000 с MMAX = 1,56 кНм, поскольку у него передаточное отношение близко к требуемому. По известному диаметру винта определяются характеристики оптимального винта [7, 8] с использованием следующей зависимости: (2) где Dв - диаметр винта, м; n - частота вращения винта, об/мин; t - коэффициент засасывания; pТ - характеристика туннельности кормовой части судна - допустимое отношение диаметра винта к осадке; Tк - расчётная осадка судна, м. На рис. 5 приведены результаты расчёта двух вариантов винта: оптимального винта, параметры которого соответствуют зависимости (2), и винта с измененной частотой в соответствии с принятым передаточным отношением. Во втором случае диаметр и упор сохраняются неизменными. Так как передаточное отношение, принятое близкое к требуемому, и частота изменилась на 2 %, пропульсивный КПД в пределах точности расчёта не изменился. Выбор двигателя можно не уточнять. Оптимальный винт DW = 2.5001 LP = 0.5328 P = 118.77 VA = 8.9450 KT = 0.2490 KDE = 1.5490 KW = 0.5377 CTA = 2.2333 IQ = 1.0000 WT = 0.1481 TP = 0.3451 KPR = 0.4133 NM = 207.09 Винт после выбора редуктора и изменения угла установки лопастей DW = 2.5001 LP = 0.5138 P = 118.77 VA = 8.9450 KT = 0.2315 KDE = 1.5490 KW = 0.5377 CTA = 2.2333 IQ = 1.0000 WT = 0.1481 TP = 0.3451 KPR = 0.4133 NM = 214.76 Рис. 5. Результаты винта до и после выбора редуктора На рис. 5 приведены следующие характеристики: DW - диаметр винта, м; LP - относительная поступь; P - упор винта, кН; VA - скорость воды в диске винта, м/с; KT - коэффициент упора; KDE - коэффициент упора-скорости; KW - КПД винта в свободной воде; CTA - коэффициент нагрузки по упору; IQ - коэффициент влияния неравномерности на момент; WT - коэффициент попутного потока; TP - коэффициент засасывания; KPR - пропульсивный коэффициент; NM - наибольшая частота при DWmax. Заключение В работе представлено развитие баз данных СОД и передач мощности. Рассмотренные базы обеспечивают проектирование большинства ПК морских и речных судов с СОД. В форме САПР реализована методика автоматизированного выбора главных СОД, движителей и передач мощности. Система обеспечивает проектирование пропульсивной установки с различными вариантами конструктивных и тепловых схем. Перспективным представляется изучение вопросов автоматизированного проектирования расположений, валопровода и экономического обоснования ПК.
1. Danilovskiy A. G. Avtomatizirovannoe proektirovanie sudovyh energeticheskih ustanovok. Celi i zadachi. Metodologiya i struktura // Sudostroenie. 2008. № 3. S. 33-35.
2. Danilovskiy A. G. Proektirovanie sudovyh energeticheskih ustanovok na osnove SAPR: ucheb. posobie. SPb.: Izd-vo SPbGMTU, 2014. 140 s.
3. Rumb V. K. Prochnost' sudovogo oborudovaniya. Konstruirovanie i raschety prochnosti sudovyh valoprovodov: ucheb. SPb.: Izd-vo SPbGMTU, 2008. 298 s.
4. Minasyan M. A. Kolebaniya valoprovodov sudovyh dizel'nyh ustanovok: ucheb. posobie. SPb.: Izd-vo SPbGMTU, 2006. 109 s.
5. Rumb V. K. Osnovy proektirovaniya i rascheta sudovogo valoprovoda: ucheb. posobie. SPb.: Izd. centr SPbGMTU, 1996. 106 s.
6. Danilovskiy A. G., Andronov D. A., Orlov M. A. Proektirovanie raspolozheniy energeticheskih ustanovok transportnyh sudov: monogr. SPb.: SPGUVK, 2006. 181 s.
7. Artyushkov L. S., Achkinadze A. Sh., Ruseckiy A. A. Sudovye dvizhiteli. L.: Sudostroenie, 1988. 296 s.
8. Lesyukov V. A. Teoriya i ustroystvo sudov vnutrennego plavaniya. M.: Transport, 1982. 303 s.
