MATHEMATICAL MODEL FOR STUDY OF FUEL CONSUMPTION IN VARIOUS OPERATIONAL MODES OF THE VESSEL WITH WHEELED PROPULSION-STEERING COMPLEX
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
Volume 2014 № 1
, 2014
Rubrics: MANAGEMENT, MODELING, AUTOMATION
Authors:
1.
Volga State University of Water Transport
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Radio Electronics)
2.
Volga State University of Water Transport
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Radio Electronics)
Nizhniy Novgorod, Russian Federation
Nizhniy Novgorod, Russian Federation
3.
Volga State Academy of Water Transportation
Type:
Article
Pages:
from 29
to 36
Status:
Published
Received:
05.01.2014
Accepted:
25.01.2014
Published:
25.01.2014
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 629.1.07:51-74
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK 39.455-042:22.183.5
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 629.1.07:51-74
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK 39.455-042:22.183.5
Language:
Russian
Keywords:
fuel consumption, vessel with paddle wheels, modeling of the dynamics of the vessel
Abstract (English):
Monitoring of fuel consumption is one of the most pressing problems in the operation of the fleet. Mathematical model of the complex corpus – power energy plant – propeller of the vessel with wheeled propulsion-steering complex "Sura", allowing connection of the fuel consumption with the dynamic characteristics of the vessel is proposed. The model gives an opportunity to evaluate the value of fuel consumption under different operating conditions (acceleration and deceleration, maneuvering of the vessel, subject to external perturbations) at the design phase. The results achieved by modeling fuel consumption dependence on regimes of the vessel movement, allow us to make a conclusion about the adequacy of the proposed approach.
Monitoring of fuel consumption is one of the most pressing problems in the operation of the fleet. Mathematical model of the complex corpus – power energy plant – propeller of the vessel with wheeled propulsion-steering complex "Sura", allowing connection of the fuel consumption with the dynamic characteristics of the vessel is proposed. The model gives an opportunity to evaluate the value of fuel consumption under different operating conditions (acceleration and deceleration, maneuvering of the vessel, subject to external perturbations) at the design phase. The results achieved by modeling fuel consumption dependence on regimes of the vessel movement, allow us to make a conclusion about the adequacy of the proposed approach.
Keywords:
fuel consumption, vessel with paddle wheels, modeling of the dynamics of the vessel
fuel consumption, vessel with paddle wheels, modeling of the dynamics of the vessel
Стоимость топлива – одна из основных статей эксплуатационных расходов флота. Контроль расхода топлива является актуальной задачей, весьма сложной для решения как в организационном, так и в техническом плане. Существует несколько способов оценки расхода топлива: - расчётные, основанные на анализе среднестатистических данных, полученных за длительный период эксплуатации [1]; - прямые, основанные на использовании мерных баков, расходомеров, датчиков уровня топлива и пр. [2]; - косвенные, основанные на вычислении расхода топлива по измеренным параметрам судовой энергетической установки (положение рейки топливного насоса, обороты дизеля и т. п.) [3]. Указанные способы имеют свои достоинства и недостатки. Они используются на отдельных судах, находящихся в эксплуатации. Однако абсолютное большинство судов в настоящее время не имеет эффективных средств контроля расхода топлива, поэтому представляет интерес теоретическое изучение зависимостей расхода топлива от различных эксплуатационных режимов судна. Цель исследований – разработка математической модели комплекса корпус – силовая энергетическая установка – движитель судна, позволяющей установить связь динамических характеристик судна с расходом топлива. В последние годы строятся суда с колесными движительно-рулевыми комплексами (КДРК). Нами для исследований за основу взята математическая модель такого судна [4]: (1) где n1 – частота вращения левого гребного колеса; n2 – частота вращения правого гребного колеса; – максимальная частота вращения колеса; fpr(τ, U) – кривая разгона частотного привода (программируется при его настройке); V – линейная скорость движения судна; m – масса судна; J – момент инерции судна с учетом присоединенных масс воды относительно центра масс; MR – момент силы сопротивления воды; ω – угловая скорость поворота судна относительно центра масс; U1, U2 – управляющие воздействия; Ωсм – площадь смоченной поверхности корпуса судна; ζ – коэффициент сопротивления; ρ – плотность воды; Cp (n, V) – коэффициент упора, полученный в результате модельных испытаний на этапе проектирования судна; А, В – коэффициенты, зависящие от конструкции и размеров гребных колес и корпуса судна; ψ – угол курса судна; k – коэффициент, зависящий от момента, создаваемого воздействием ветра на корпус судна; v– константа, определяемая скоростью ветра, аэродинамическим коэффициентом и площадью надводной части корпуса судна; φ – угол, определяющий направление силы ветрового воздействия. По методике, разработанной в Новосибирской академии водного транспорта, построены графики зависимости мощности , потребляемой гребным колесом, от скорости движения судна V при различных значениях частоты вращения колеса n (рис. 1). Рис. 1. Зависимость мощности, потребляемой гребным колесом: 1 – n = 0,5 1/с; 2 – n = 0,4666 1/с; 3 – n = 0,4333 1/с; 4 – n = 0,4 1/с; 5 – n = 0,3666 1/с; 6 – n = 0,3333 1/с; 7 – n = 0,3 1/с; 8 – n = 0,2666 1/с; 9 – n = 0,2333 1/с; 10 – n = 0,2 1/с; 11 – n = 0,1666 1/с; 12 – n = 0,1333 1/с; 13 – n = 0,1 1/с; 14 – n = 0,0666 1/с; 15 – n = 0,0333 1/с; 16 – n = 0,0167 1/с; 17 – n = 0,0083 1/с Аппроксимация семейства кривых рис. 1 единственным полиномом не представляется возможной, поскольку высокая точность для одних кривых приводит к значительным отклонениям для других. В связи с этим область аппроксимации была разбита кривыми D и E на 3 зоны, в каждой из которых был подобран аппроксимирующий полином более низкого порядка. Кривым D и E на плоскости (, V) соответствуют прямые d, e на плоскости (V, n) (рис. 2). Их уравнения имеют соответственно следующий вид: ; Рис. 2. Границы областей аппроксимации d и e В зоне 1 (V < 2,3562 n) значение функции Pk (n, V) описывается полиномом где коэффициенты имеют следующие значения: В зоне 2 значение функции Pk (n, V) описывается полиномом где коэффициенты имеют следующие значения: В зоне 3 (V ≥ 6,2833n) значение мощности рассчитывается при V = 6,2833n: Таким образом, общую зависимость для определения мощности, потребляемой гребным колесом, можно представить в виде В динамическом режиме для двух дизель-генераторов (с учетом инерционности дизелей) получим следующие уравнения: (2) где P1, P2 – текущее значение мощности, потребляемой левым и правым гребными колесами; – постоянная времени, определяемая инерционными характеристиками дизеля. Для связи расчетных значений мощности с расходом топлива воспользуемся зависимостью удельного расхода топлива от мощности по нагрузочным характеристикам. Минимум расхода топлива смещается в сторону малых нагрузок по мере снижения частоты вращения [2]. Вид этих характеристик для дизеля TBD226B-6CD, используемого на судах с КДРК типа «Сура», приведён на рис. 3. Рис. 3. Зависимость удельного расхода топлива от мощности при разных значениях частоты вращения дизеля: 1 – nд = 700 об/мин; 2 – nд = 800 об/мин; 3 – nд = 900 об/мин; 4 – nд = 1000 об/мин; 5 – nд = 1100 об/мин; 6 – nд = 1200 об/мин; 7 – nд = 1300 об/мин; 8 – nд = 1400 об/мин; 9 – nд = 1500 об/мин Аппроксимирующий полином, который описывает семейство кривых, изображенных на рис. 3, будет иметь вид , (3) где – агрегатная мощность дизеля; (учитываются потери между двигателем и движителем); nд – частота вращения вала дизеля. Значение часового расхода топлива равно [2]: В динамическом режиме для двух дизель-генераторов получим следующие уравнения: (4) где – мгновенное значение часового расхода топлива дизель-генератора без нагрузки с фиксированной агрегатной мощностью (при n = 0, = 0); – постоянная времени, определяемая инерционными характеристиками дизеля; G1, G2 – мгновенное значение часового расхода топлива дизеля для левого и правого гребного колеса. После подстановки (3) в (4) имеем: (5) Дополнив (1) уравнениями (2), (5), получим систему уравнений, позволяющую связать расход топлива с динамическими характеристиками судна: На рис. 4–6 приведены результаты моделирования разгона судна при прямолинейном движении (оба колеса работают синхронно) в отсутствие ветровых воздействий. При изменении частоты вращения колёс с нулевого значения до максимального (n = 0,5 1/с) судно примерно за 60 с набирает скорость V = 3,5 м/с. Время набора частоты вращения колёс (примерно 7 с) определяется функцией, программируемой при настройке частотного преобразователя. Рис. 4. Изменение скорости судна с КДРК при изменении частоты вращения гребного колеса с нулевого значения до «Полный вперед»: 1 – линейная скорость судна, V, м/с; 2 – частота вращения гребного колеса, n, 1/c На рис. 5 приведены зависимости мощности, потребляемой колесом P1, и мгновенного часового расхода топлива G1 (для одного контура дизель – генератор – преобразователь – электродвигатель – редуктор – колесо). При малых значениях частоты вращения потребляемая мощность и мгновенный часовой расход топлива резко возрастают, затем снижаются по мере набора скорости (рис. 6) и стремятся к установившемуся значению, что соответствует реальному процессу. Рис. 5. Зависимость мощности, потребляемой гребным колесом, и мгновенного значения часового расхода топлива от времени: 1 – мощность, потребляемая гребным колесом, Р, кВт; 2 – мгновенное значение часового расхода топлива, G, кг/ч Рис. 6. Зависимость мощности, потребляемой гребным колесом, и мгновенного значения часового расхода топлива от скорости: 1 – мощность, потребляемая гребным колесом Р, кВт; 2 – мгновенное значение часового расхода топлива G, кг/ч Таким образом, разработанная математическая модель позволяет исследовать зависимость расхода топлива в различных реальных эксплуатационных режимах (при разгоне и торможении, маневрировании судна, с учётом внешних возмущающих воздействий).
1. Platov A. Yu. Metody operativnogo planirovaniya raboty rechnogo gruzovogo flota v sovremennyh usloviyah / A. Yu. Platov. Nizhniy Novgorod: VGAVT, 2009. 154 s.
2. Bruk M. A. Rezhimy raboty sudovyh dizeley / M. A. Bruk, A. A. Rihter. Leningrad: Sudpromgiz, 1963. 484 s.
3. Grosheva L. S. Operativnyy kontrol' nagruzki dizelya / L. S. Grosheva, V. I. Plyuschaev / Dvigatelestroenie. 1996. № 2.
4. Grosheva L. S. Modelirovanie dinamiki sudna s kolesnym dvizhitel'no-rulevym kompleksom s uchetom vetrovogo vozdeystviya / L. S. Grosheva, V. I. Plyuschaev, D. S. Solov'ev // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2013. № 2. S. 21-26.
