Materiały dydaktyczne Siłownie okrętowe Semestr V Wykłady

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie”

Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

1

Materiały dydaktyczne

Siłownie okrętowe

Semestr V

Wykłady




2

Temat 1 (5 godzin): Ogólna charakterystyka siłowni okrętowych

Zagadnienia: A. Klasyfikacja i charakterystyka siłowni okrętowych; (1h) B. Silniki napędów okrętowych; (4h)

Zagadnienie: 1.A Klasyfikacja i charakterystyka siłowni okrętowych

Wiadomości ogólne. Pojęcie siłowni okrętowej, układu napędowego, elektrowni okrętowej. Podział siłowni okrętowych. Wymagania stawiane siłowniom i ich wpływ na zastosowane rozwiązania konstrukcyjne.

1. Pojęcia i podstawowe cechy Ogólnie siłownię statku stanowią zespoły maszyn i urządzeń wraz z łączącymi je rurociągami i armaturą, aparaturą sterowania i zabezpieczeń oraz aparaturą kontrolno-pomiarową. Zespoły te służą do zamiany części energii chemicznej lub jądrowej, zawartej w paliwie) na inne jej postacie (energia mechaniczna, elektryczna, energia w postaci ciepła i sprężonych płynów).

Potocznie pod pojęciem siłowni okrętowej rozumiemy wydzieloną wodoszczelną część kadłuba, w której znajdują się silnik lub silniki napędu głównego, elektrownia statku, urządzenia i maszyny pomocnicze niezbędne do zapewnienia prawidłowej pracy silników napędu głównego, ruchu statku, zasilania urządzeń sterowych nawigacyjnych, ratunkowych, dźwigowych) cumowniczych i innych, zapewnienie działania różnych instalacji okrętowych, a także zapewnienia potrzeb bytowych załogi i ewentualnych pasażerów.

Zdecydowana większość wyposażenia maszynowego statku znajduje się w siłowni. Tylko stosunkowo nieliczne urządzenia i mechanizmy, jak np. maszyna sterowa, wciągarki pokładowe (windy) dźwignice, żurawie ładunkowe (dźwigi), awaryjny zespół prądotwórczy, ewentualnie chłodnia oraz urządzenia klimatyzacyjne, mieszczą się poza siłownią. Na statkach towarowych siłownia mieści się zazwyczaj w jednym przedziale wodoszczelnym. Zasadniczą częścią siłowni jest główny układ napędowy, który dostarcza energię zapewniającą ruch statku. Pozostałe układy energetyczne występujące w siłowni nazywamy pomocniczymi. Ich zadaniem jest dostarczenie energii koniecznej dla pracy urządzeń i mechanizmów obsługujących główny układ napędowy, a także dla wszystkich innych urządzeń i odbiorników energii na statku. W przedziale siłowni wyodrębnia się oddzielne pomieszczenia, w których instaluje się grupy urządzeń o określonym przeznaczeniu, np. przedział centrali manewrowo-kontrolnej (CMK), przedział zespołów prądotwórczych (elektrownia statku), urządzenia oczyszczające paliwo i oleje smarowe, tzw. przedział wirówek. Na zbiornikowcach w oddzielnym pomieszczeniu wodoszczelnym grupuje się pompy ładunkowe tworząc przedział pompowy tzw. pompownie. Wyodrębnianie grup urządzeń i mechanizmów w oddzielnych pomieszczeniach w siłowni ma na celu większe bezpieczeństwo (np. przeciwpożarowe).

2. Kryteria podziału siłowni okrętowych Klasyfikacja siłowni okrętowych:




3

rodzaj używanego paliwa, rodzaj czynnika roboczego w silnikach napędu głównego, rodzaj silników głównych, sposób przeniesienia napędu na pędniki i liczba pędników.

Ze względu na rodzaj paliwa rozróżniamy:

Siłownie konwencjonalne, energię do napędu statków uzyskuje się ze spalania oleju ciężkiego czy też napędowego.

Siłownie jądrowe, stosowany jest wzbogacony izotop uranu, który w kontrolowanej reakcji jądrowej w reaktorze atomowym przekazuje ciepło rozpadu chłodziwu reaktora (np. płynny sód, woda), a ten z kolei udziela go w tzw. wytwornicach pary właściwemu czynnikowi roboczemu - wodzie, wytwarzając parę wodną.

Ze względu na czynnik roboczy siłownie dzielimy na:

Siłownie parowe, czynnik roboczy - para wodna, wytwarzana jest w kotłach siłowni konwencjonalnych czy też w wytwornicach pary siłowni jądrowych. Mając podwyższone ciśnienie i temperaturę para rozpręża się w turbinach parowych, pośrednio dając napęd statku.

Siłownie spalinowe, czynnik roboczy jest spalany, powstałe gazy ze spalania paliwa ciekłego lub gazowego w cylindrach tłokowych silników spalinowych lub komorach spalania turbozespołów spalinowych, mając podwyższone ciśnienie i temperaturę, rozprężają się w cylindrach tłokowych silników spalinowych czy też w turbinach gazowych, dając pośrednio napęd statku.

Siłownie kombinowane o różnych czynnikach roboczych parowo-spalinowe lub spalinowe-parowe. W siłowniach kombinowanych o różnych czynnikach roboczych występują dwa rodzaje czynników, para wodna i spaliny, odpowiednio ekspandujące w turbinach parowych i w tłokowych silnikach spalinowych, bądź w turbozespołach spalinowych.

Ze względu na rodzaj silników napędu głównego rozróżniamy:

siłownie z turbinami parowymi (TZP), siłownie z tłokowymi silnikami spalinowymi (TSS), siłownie z turbozespołami spalinowymi (TZS), siłownie z silnikami turboodrzutowymi (STO), siłownie kombinowane (TSS+TZS;TZS+TZS;TZP+TZS;TSS+STO;TZS+STO).

Ze względu na sposób przeniesienia napędu na pędniki

siłownie o napędzie bezpośrednim, siłownie o napędzie pośrednim, z przełożeniem:

1. mechanicznym, 2. elektrycznym, 3. hydraulicznym.




4

Ze względu na liczbę pędników (śrub napędowych) wyróżniamy:

siłownie jednowałowe, siłownie wielowałowe.

Literatura 1. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom I, Politechnika Gdańska, 1991 – 1992.

Zagadnienie: 1.B Silniki napędów okrętowych

Podział silników spalinowych, tłokowych. Zasada działania, klasyfikacja i ogólna budowa silników tłokowych: dwusuwowego i czterosuwowego o zapłonie samoczynnym. Powiązanie zasady działania z rodzajem zastosowanego paliwa, mechanizmu rozrządu, warunkami uzyskania samozapłonu mieszaniny palnej. Obiegi teoretyczne i porównawcze – podstawy. Wpływ parametrów obiegu na sprawność teoretyczną. Wskaźniki pracy obiegu teoretycznego i porównawczego. Porównanie rzeczywistego i teoretycznego obiegu pracy silnika. Definicje GMP, DMP, stopień sprężania, pojemność skokowa. Obiegi rzeczywiste - podstawy. Wykresy indykatorowe. Parametry podstawowe procesu - cyklu roboczego.

Budowa i klasyfikacja tłokowych silników spalinowych

sposób działania, sposób zapalania mieszaniny paliwowo – powietrznej, teoretyczny obieg porównawczy, rodzaj paliwa, sposób zasilania paliwem i tworzenia mieszaniny palnej, sposób zasilania powietrzem, cechy konstrukcyjne, przeznaczenie.

Podział według sposobu działania

czterosuwowe, w których jeden obieg pracy realizowany jest w czasie czterech suwów tłoka, to znaczy w czasie dwóch obrotów wału korbowego,

dwusuwowe, w których na jeden obieg pracy przypadają dwa suwy tłoka, to znaczy jeden obrót wału korbowego.

Ze względu na kierunek nacisku czynnika roboczego na tłok

silniki jednostronnego działania, silniki dwustronnego działania.

Te ostatnie jako silniki wielkich mocy, dawniej szeroko stosowane na statkach, obecnie nie są już wykorzystywane do napędu statków.

Podział według rodzaju zapłonu Ze względu na sposób zapalania mieszaniny paliwowo-powietrznej wyróżnia się:




5

Z zapłonem samoczynnym - w silnikach z zapłonem samoczynnym, zwanych również silnikami wysokoprężnymi, zapłon następuje po podgrzaniu mieszaniny paliwowo-powietrznej do temperatury samozapłonu. Podgrzanie następuje na skutek sprężania ładunku czynnika roboczego w cylindrze. W silnikach tego typu paliwo doprowadzane jest w końcu suwu sprężania powietrza, gdzie odparowuje i następuje zapłon. Wyjątek stanowią wysokoprężne silniki dwupaliwowe, w których paliwo gazowe doprowadzane jest na początku suwu sprężania.

Z obcym źródłem zapłonu - W silnikach z obcym źródłem zapłonu, zwanych często silnikami z zapłonem iskrowym, zapłon mieszaniny następuje od iskry elektrycznej. Ciśnienie sprężania w nich jest niższe niż w silnikach z zapłonem samoczynnym, a temperatura sprężanego powietrza jest niższa od temperatury zapłonu paliwa. Do grupy silników z obcym źródłem zapłonu należą również silniki dwupaliwowe (gaz i paliwo ciekłe), w których stosuje się dawkę zapłonową paliwa ciekłego.

Podział według obiegu porównawczego Ze względu na teoretyczny obieg porównawczy wyróżnia się silniki ze spalaniem:

przy stałej objętości (V=const) - silniki o niskim stopniu sprężania z obcym źródłem zapłonu, silniki iskrowe (obieg Otto),

przy stałym ciśnieniu (p=const) - silniki o wysokim stopniu sprężania, paliwo rozpylane jest za pomocą sprężonego powietrza (obieg Diesla),

przy stałej objętości i stałym ciśnieniu (obieg Sabathe) - wszystkie współczesne wysokoprężne silniki spalinowe z hydraulicznym rozpylaniem paliwa w cylindrze.

1. Obiegi teoretyczne silników

Rys. 1. obieg Otto obieg Diesla obieg Sabathe

Podział według rodzaju paliwa Według rodzaju stosowanego paliwa wyróżnia się silniki:

gazowe - zasilane gazem ziemnym, generatorowym lub innymi rodzajami gazu, na paliwo ciekłe - zasilane benzyną, naftą, spirytusem, olejem napędowym lub olejem

opałowym, wielopaliwowe - przystosowane do spalania paliw płynnych różnego pochodzenia lub

paliwa gazowego i ciekłego.




6

Do tej ostatniej grupy należą silniki dwupaliwowe stosowane na zbiornikowcach do przewozu gazów LNG (Liquid Natural Gas). Podczas spalania paliwa gazowego w tych silnikach, paliwo ciekłe stosowane jest jako paliwo zapłonowe.

Podział według sposobu zasilania paliwem Według sposobu zasilania paliwem i tworzenia mieszaniny palnej wyróżnia się silniki:

Gaźnikowe - zasilane mieszaniną powietrza i par paliwa ciekłego lub mieszaniną powietrzno-gazową. Ilościowy skład mieszaniny zależy od warunków obciążenia silnika i reguluje samoczynnie urządzenie zwane gaźnikiem (dla paliw płynnych) lub zaworem mieszankowym dla paliw gazowych,

Wtryskowe - zasilane powietrzem i oddzielnie paliwem płynnym; paliwo jest wtryskiwane do komory spalania w końcu suwu.

Wtrysk paliwa stosuje się również w silnikach z zapłonem iskrowym. W tym wypadku wtrysk następuje do kanału dolotowego powietrza lub komory spalania. Skład mieszaniny reguluje elektroniczny układ regulacyjny.

Podział według sposobu zasilania powietrzem Według sposobu zasilania powietrzem wyróżnia się silniki:

Niedoładowane - w których powietrze lub mieszanina palna dopływa do cylindra pod wpływem podciśnienia wywołanego ruchem tłoka - suw ssania (silniki czterosuwowe), lub niewielkiego nadciśnienia wystarczającego do pokonania oporów przepływu ładunku (silniki dwusuwowe). Tego typu silniki nazywa się silnikami wolnossącymi, albo samozasysającymi,

Doładowane - w których ładunek jest wstępnie sprężany przed doprowadzeniem do cylindra za pomocą specjalnych sprężarek. Silniki tego typu niekiedy nazywa się silnikami kombinowanymi, ponieważ obok silnika tłokowego posiadają dodatkową sprężarkę, najczęściej wirnikową, która podaje powietrze do silnika pod zwiększonym ciśnieniem.

Podział według cech konstrukcyjnych W tej grupie wyróżnia się takie cechy, jak:

liczbę i układ cylindrów, sposób prowadzenia tłoka, prędkość obrotową wału, średnią prędkość tłoka, nawrotność.

Ze względu na liczbę i układ cylindrów wyróżnia się silniki:

jednocylindrowe, wielocylindrowe,

Silniki jednocylindrowe budowane są wyłącznie jako silniki małej mocy, zaś silniki wielocylindrowe jako rzędowe, widlaste i w układzie gwiaździstym oraz silniki z tłokami przeciwbieżnymi




7

Silniki rzędowe mogą być ustawione pionowo, poziomo lub pod pewnym kątem, w układzie od 2 do 12 cylindrów.

Silniki widlaste mają kąt rozwidlenia 90, 60 lub 45°, a liczba cylindrów wynosi od 8 do 16. Silniki tego typu są znacznie krótsze od silników rzędowych.

Silniki gwiazdowe budowane są jako jedno i wielorzędowe, o nieparzystej liczbie cylindrów w rzędzie

Ze względu na prędkość obrotową wału korbowego wyróżnia się silniki:

wolnoobrotowe (n <250 obr/min), średnioobrotowe (250 < n < 1200 obr/min), szybkoobrotowe (n > 1200 obr/min).

W literaturze spotyka się także inny podział wyróżniający dodatkowo grupę silników o podwyższonych obrotach 750 < n < 1500 obr/min. W tym wypadku granice silników średnio i szybkoobrotowych są odpowiednio przesunięte.

Ze względu na średnią prędkość tłoka (Cavrg) wyróżnia się silniki: wolnobieżne (Cavrg < 6 m/s), średniobieżne (6 < Cavrg < 9 m/s), szybkobieżne (9 < Cavrg < 15 m/s).

Ze względu na nawrotność wyróżnia się silniki:

nienawrotne o jednym kierunku obrotów w "prawo" lub "lewo" - kierunek obrotów w "prawo" przyjmuje się za zgodny z ruchem wskazówek zegara, widziany od strony koła zamachowego,

nawrotne, mogące się obracać w obu kierunkach - nawrotność jest cechą charakterystyczną silników napędzających śrubę okrętową o stałym skoku.

Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się silniki:

napędu głównego (bezpośredniego i pośredniego) - jako silniki napędu głównego bezpośredniego stosowane są zazwyczaj dwusuwowe, wolnoobrotowe silniki wodzikowe jednostronnego działania, o mocy do 5000 kW/cyl. i średnicy cylindra do 800 mm (rzadziej 1060 mm). Silniki takie wykonuje się jako nienawrotne, jeżeli przeznaczone są do bezpośredniego napędu śruby nastawnej i nawrotne - w wypadku śruby o stałym skoku. Jako silniki napędu głównego pośredniego, tak zwane silniki przekładniowe, wykorzystuje się czterosuwowe, średnioobrotowe silniki doładowane o mocy do 1500 kW/cyl. i prędkości obrotowej od 400 do 1500 obr/min. oraz średnicy cylindra od 250 do 650 mm.

pomocnicze różnego przeznaczenia - zespołów prądotwórczych. Silniki poszczególnych grup, a także wewnątrz tych grup, mogą różnić się cechami konstrukcyjnymi. Wspólną cechą tych silników jest wielo-cylindrowość, wtrysk i samozapłon paliwa, a także rodzaj paliwa (olej napędowy lub opałowy) oraz doładowanie.




8

Obiegi cieplne silników spalinowych Obiegi teoretyczne i porównawcze służą do względnej oceny rzeczywistych procesów termodynamicznych. W obiegach teoretycznych czynnikiem roboczym jest gaz doskonały, co pozwala na porównanie rzeczywistych przebiegów zachodzących w silniku z założeniami, według których silnik powinien pracować. Obiegi teoretyczne:

z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości - obieg Otto, z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu - obieg Diesla, z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości i stałym ciśnieniu - obieg Sabathe.

Obieg porównawczy Do obliczeń cieplnych silnika wykorzystuje się obieg porównawczy, najczęściej obieg Sabathe. Obieg porównawczy umożliwia dokonanie oceny procesów zachodzących w rzeczywistym silniku w sposób bardziej zbliżony do obiegu rzeczywistego niż obieg teoretyczny.

Obieg rzeczywisty Różnice między obiegami teoretycznymi i rzeczywistymi wynikają z warunków w jakich te procesy zachodzą i dotyczą:

napełnianie cylindra powietrzem, procesu sprężania, procesu spalania, procesu rozprężania, wylotu spalin.

Literatura 1. Piotrowski I. Witkowski K, Okrętowe silniki spalinowe, Trademar, Gdynia 2003.

Temat 2 (16 godzin): Podstawowe instalacje siłowni okrętowych

Zagadnienia: A. Podstawowe instalacje siłowni okrętowych; (1h) B. Instalacje chłodzenia silników wodą słodką; (2h) C. Instalacje wody morskiej; (1h) D. Instalacja oleju smarnego; (2h) E. Instalacja paliwowa; (3h) F. Instalacja sprężonego powietrza; (1h) G. Budowa i obsługa kotłów parowych; (2h) H. Instalacja parowa – pomocnicza; (2h) I. Instalacje ogólnookrętowe; (2h)




9

Zagadnienie: 2.A Podstawowe instalacje siłowni okrętowych

Zadania i podział instalacji, schematy ideowe oraz podstawy ich budowy i eksploatacji. Budowa instalacji obsługujących silniki okrętowe tłokowe główne i pomocnicze. Podstawy budowy i eksploatacji instalacji: zasilania paliwem, smarowej, chłodzenia, sprężonego powietrza - rozruchowego.

Literatura 1. Urbański P., Instalacje okrętów i obiektów oceanotechnicznych: instalacje spalinowych

siłowni okrętowych, Politechnika Gdańska, 1994, 2. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom II, Politechnika Gdańska, 1991 –

1992.

Zagadnienie: 2.B Instalacje chłodzenia silników wodą słodką

Czynniki wpływające na prawidłowe chłodzenie cylindrów i ich wpływ na rozwiązanie i eksploatację systemu. Chłodzenie silników, układy chłodzenia cylindrów silników wolnoobrotowych i średnioobrotowych, rola zbiornika wyrównawczego, grzanie silnika, odpowietrzanie systemu, wpływ wyparownika próżniowego na eksploatację systemu, parametry ruchowe systemu i ich regulowanie, instalacja chłodzenia cylindrów z ciśnieniowym zbiornikiem wyrównawczym. Zasada przepływu w obiegu nisko-temperaturowym i wysoko-temperaturowym, parametry eksploatacyjne i regulacja instalacji. Chłodzenie tłoków wodą słodką, zalety i wady wody słodkiej jako czynnika chłodzącego tłoki, schemat podstawowy instalacji, jej elementy składowe i aspekty eksploatacyjne. Chłodzenie wtryskiwaczy, instalacje podstawowe na wodę słodką, olej smarowy i olej napędowy, zasady eksploatacji poszczególnych instalacji.

Chłodzenie silników okrętowych - wiadomości podstawowe Chłodzenie silnika wynika z potrzeby utrzymania temperatury elementów tworzących komorę spalania - głowicy, tłoka, tulei cylindrowej na poziomie gwarantującym ich poprawne działanie, niezawodność i trwałość. Chłodzi się także łożyska oraz prowadnice wodzika, to znaczy te elementy silnika, które nagrzewają się kosztem ciepła równoważnego stratom tarcia. Oprócz elementów silnika chłodzi się także powietrze ładujące. Chłodzenie silnika powoduje nieuniknione straty energetyczne wynoszące ok. 25÷30% energii doprowadzanej w paliwie. Jako czynnik chłodzący stosuje się:

1. wodę słodką, 2. olej smarny, do chłodzenia tłoków i łożysk, 3. wodę zaburtową (morską) do chłodzenia powietrza ładującego.

Pobrane z silnika ciepło woda słodka i olej smarny oddają w chłodnicach wodzie zaburtowej.

Zadania układu chłodzenia silników okrętowych Celem chłodzenia silnika spalinowego jest:

1. utrzymanie stałych, dopuszczalnych wartości (niezależnie od obciążenia) średnich temperatur jego elementów,




10

2. wyrównanie, w możliwie największym stopniu, temperatur w różnych punktach chłodzonych elementów.

Podstawowym warunkiem stałości temperatury chłodzonych części silnika są ustalone obciążenia silnika i warunki jego chłodzenia, kiedy to ilość ciepła przejmowana przez silnik równa się ilości ciepła oddawanego czynnikom chłodzącym. W zmiennych warunkach obciążenia występują nieznaczne wahania temperatur elementów chłodzonych. Czynnikami ograniczającymi maksymalną temperaturę elementów chłodzonych są:

1. spadek wytrzymałości materiału, 2. wzrost naprężeń cieplnych, 3. rozszerzalność materiałów i wynikający stąd zanik luzów, których wartość określają

względy ruchowe w stanie zimnym silnika. Ze względu na smarowanie tulei cylindrowej temperatura jej ścianki nie może przekraczać określonej wartości. W zbyt wysokiej temperaturze olej doprowadzony na gładź cylindrową ulegałby koksowaniu i spalaniu. Gdyby elementy silnika, stykające się bezpośrednio ze spalinami nie były chłodzone, ich maksymalne temperatury wynosiłyby, co najmniej 800900°C. Współczesne stosowane materiały konstrukcyjne nie są odporne na tak wysokie temperatury.

Elementy silnika wymagające chłodzenia - czynniki chłodzące We współczesnych silnikach okrętowych chłodzi się te elementy i zespoły, które stykają się bezpośrednio ze spalinami lub, na których powierzchniach powstają znaczne ilości ciepła wskutek tarcia. Chłodzenia wymagają:

tuleje cylindrowe, głowice, korpusy zaworów wylotowych, korpusy turbosprężarek, tłoki (jeśli D>300 mm), wtryskiwacze, prowadnice wodzików, łożyska układu tłokowo-korbowego (łożyska wodzikowe. korbowe, główne i

oporowe). Wymienione elementy, z wyjątkiem łożysk, są chłodzone czynnikami chłodzącymi obiegowym lub przepływającymi w specjalnie do tego celu przewidzianych instalacjach, natomiast. Łożyska układu tłokowo-korbowego chłodzi się olejem, którego głównym zadaniem jest smarowanie współpracujących powierzchni. Oprócz elementów silnika chłodzone są także czynniki z nim współpracujące, jak powietrze ładujące i olej obiegowy. Do chłodzenia elementów silników okrętowych stosuje się głównie wodę słodką. Rolę czynnika chłodzącego spełnia także olej smarowy i w ograniczonym stopniu olej napędowy. Wodą słodką chłodzi się tuleje cylindrowe, głowice, korpusy zaworów wylotowych, korpusy turbosprężarek strony spalinowej, tłoki oraz wtryskiwacze. Woda słodka używana do chłodzenia współczesnych silników musi odpowiadać określonym wymogom jakościowym, a w szczególności nie może powodować powstawania osadów kamienia kotłowego i szlamów oraz korozji na omywanych powierzchniach. Z tych




11

względów zaleca się stosowanie destylatu wody słodkiej, kondensatów z systemu parowego lub wodę odmineralizowaną z dodatkiem odpowiedniej jakości inhibitorów korozji.

Ciepło chłodzenia Ilość ciepła przejmowana przez czynniki chłodzące (straty chłodzenia) zależy od mocy silnika i stopnia jego obciążenia, sposobu pracy silnika (dwu, czy czterosuwowy), stopnia doładowania oraz od wielu innych czynników zarówno konstrukcyjnych, jak i eksploatacyjnych. Straty chłodzenia wyznacza się w stosunku do jednostkowej pracy silnika:

e

chch P

Qq

gdzie: Qch [kJ/h] — godzinowe straty chłodzenia, Pe — moc użyteczna silnika [kW].

Z czynników konstrukcyjnych wpływających na straty chłodzenia należy wymienić: 1. kształt komory spalania, 2. rodzaj materiału tłoka i sposób jego chłodzenia.

Silniki z wtryskiem bezpośrednim, dla których stosunek powierzchni do objętości komory spalania jest mniejszy niż dla silników z komorami dzielonymi, mają z tego powodu mniejsze straty chłodzenia. Chłodzenie tłoków oraz stosowanie do ich budowy stopów lekkich wpływa na wzrost ciepła przenikającego do czynników chłodzących. Ważniejszymi czynnikami eksploatacyjnymi wpływającymi na straty chłodzenia są:

1. moment zapłonu i przebieg spalania, 2. stopień obciążenia silnika, 3. prędkość obrotowa.

Należy dążyć do zachowania prawidłowych warunków zapłonu i spalania, gdyż zarówno przedwczesny zapłon (wzrost maksymalnej temperatury spalania), jak i za późny oraz związane z tym przewlekłe spalanie (duże, odsłonięte przez tłok powierzchnie komory roboczej) wpływają niekorzystnie na wzrost strat chłodzenia. Jeżeli czynniki konstrukcyjne wpływające na straty chłodzenia nie wywierają zasadniczego wpływu na wielkość łączonych strat, a jedynie wpływają na ich przegrupowanie (spadek lub wzrost strat w spalinach kosztem wzrostu lub spadku strat chłodzenia), to wzrost strat chłodzenia wywołany czynnikami eksploatacyjnymi, odbywający się kosztem spadku mocy efektywnej silnika, powoduje spadek jego sprawności. Na straty chłodzenia składają się:

1. straty chłodzenia tulei cylindrowych i głowic, 2. straty chłodzenia tłoków, 3. straty chłodzenia wtryskiwaczy, 4. straty chłodzenia turbosprężarek, 5. straty chłodzenia oleju smarowego, 6. straty chłodzenia oleju smarowego turbosprężarek, 7. straty chłodzenia powietrza ładującego.

Jednostkowe ciepło chłodzenia qch dla doładowanych silników wynosi orientacyjnie:

małej mocy i zespołów prądotwórczych 34003700 kJ/kWh,




12

czterosuwowych średniej mocy 28003100 kJ/kWh, czterosuwowych dużej mocy 23002800 kJ/kWh, dwusuwowych średniej mocy 26002800 kJ/kWh, dwusuwowych dużej mocy 20002600 kJ/kWh.

Najistotniejszym składnikiem strat chłodzenia jest ciepło chłodzenia tulei cylindrowej i głowic. Ciepło to przejmowane przez wodę chłodzącą w obiegu chłodzenia tulei cylindrowych i głowic wynosi orientacyjnie dla doładowanych silników:

czterosuwowych małej mocy 26003100 kJ/kWh, czterosuwowych dużej mocy 2501700 kJ/kWh, dwusuwowych średniej mocy 14002000 kJ/kWh, dwusuwowych dużej mocy 10001400 kJ/kWh.

Jeżeli z tego obiegu chłodzi się korpusy turbosprężarek, to podane wartości są większe o 200230 kJ/kWh. Ciepło chłodzenia tłoków jest znaczącą pozycją strat w bilansie strat chłodzenia, wynosi ono dla:

czterosuwowych silników średniej mocy 230260 kJ/kWh, czterosuwowych silników dużej mocy 230280 kJ/kWh, dwusuwowych silników średniej mocy 230340 kJ/kWh, dwusuwowych silników dużej mocy 340430 kJ/kWh.

Straty chłodzenia wtryskiwaczy są niewielkie i dla wszystkich typów silników mieszczą się w granicach 5070 kJ/kWh. Olej smarowy podgrzewa się kosztem ciepła równoważnego stratom tarcia i ciepła chłodzenia tłoków. Przeciętne wartości wynoszą dla:

czterosuwowych silników z tłokami chłodzonymi olejem 150250 kJ/kWh, dwusuwowych silników z tłokami chłodzonymi olejem 400500 kJ/kWh, dwusuwowych silników z tłokami chłodzonymi wodą 7080 kJ/kWh.

Z powyższego wynika, że decydujący udział w stratach chłodzenia oleju ma ciepło chłodzenia tłoków. Jednym ze sposobów zwiększenia gęstości powietrza ładującego, a przez to masy ładunku doprowadzanego do silnika jest obniżenie jego temperatury. Odbywa się to w chłodnicach powietrza. Ciepło chłodzenia powietrza ładującego zależy głównie od stopnia doładowania silnika i wynosi od 300500 kJ/kWh dla silników umiarkowanie doładowanych do 700900 kJ/kWh dla silników wysokoładowanych.

Instalacje chłodzenia Silniki okrętowe chłodzi się z zasady wodą słodką. Tylko małe silniki napędu głównego na jednostkach pomocniczych - łodziach roboczych lub ratunkowych mogą być chłodzone wodą morską. Wyjątek stanowią silniki chłodzone powietrzem, na wzór niektórych silników pojazdów mechanicznych. W grupie tej spotyka się, między innymi, silniki awaryjne zespołów prądotwórczych. Dalsze rozważania będą dotyczyć chłodzenia silników wodą.

1. Chłodzenie bezpośrednie, 2. Chłodzenie pośrednie.




13



1992.

Zagadnienie: 2.C Instalacje wody morskiej

Ogólna charakterystyka, połączenia szeregowe, równoległe i mieszane elementów chłodzonych, właściwości eksploatacyjne systemu, regulacja parametrów, zapobieganie korozji, erozji i osadom. Centralne instalacje chłodzenia: zalety i wady, układy podstawowe. Zasady eksploatacji pomp stosowanych w tych układach i chłodnic centralnych.



1992.

Zagadnienie: 2.D Instalacja oleju smarnego

Instalacja oleju cylindrowego: budowa i zasada działania. Cechy instalacji konwencjonalnej – lubrykatorowej oraz współczesnej – obiegowej, sterowanej elektronicznie. Instalacja obiegowego smarowania i chłodzenia tłoków: instalacja poboru i transportu oleju. Instalacje obiegowe smarowania silników okrętowych, elementy składowe instalacji ich budowa i zasady eksploatacji (zbiorniki obiegowe, pompy obiegowe, chłodnice, filtry). Instalacje obiegowe smarowania: przekładni, turbosprężarek i wałów śrubowych. Instalacja olejowa oczyszczająca: zbiorniki, układ wirówek oraz dobór wydajności wirówki i krotności wirowania oleju obiegowego przy wirowaniu ciągłym, filtrowanie niepełno-przepływowe, współczesny system oczyszczania oleju obiegowego.

Wiadomości ogólne Instalacje oleju smarowego siłowni spalinowych związane są przede wszystkim z obecnością spalinowych silników tłokowych. Silniki te w odróżnieniu od pozostałych maszyn i urządzeń zainstalowanych na statku charakteryzują się specyficznymi warunkami ich smarowania, czego konsekwencją jest istnienie dość rozbudowanej zewnętrznej instalacji oleju smarowego. Pozostałe maszyny i urządzenia siłowni wymagające smarowania, takie jak np. przekładnie, sprężarki powietrza, sprężarki chłodnicze itp. mają własne niezależne układy smarowania. Jest to podyktowane innymi wymaganiami, jakie muszą spełniać stosowane w tych urządzeniach oleje smarowe. Zadaniem instalacji oleju smarowego jest:

1. przyjmowanie i przechowywanie zapasów potrzebnych rodzajów olejów smarowych, 2. uzupełnianie ubytków oleju, 3. doprowadzanie oleju smarowego i chłodzącego o odpowiednich parametrach,




14

4. oczyszczanie oleju smarowego, 5. przechowywanie i oddawanie oleju nie nadającego się do dalszego użytkowania.

Te wielorakie funkcje w odniesieniu do tłokowych silników spalinowych spełniają następujące instalacje oleju smarowego:

1. Instalacja transportowa, 2. Instalacja oczyszczająca, 3. Instalacja obiegowego smarowania i chłodzenia, 4. Instalacja oleju cylindrowego.

Mimo odrębnych zadań jakie te instalacje spełniają, są one ze sobą w większym lub mniejszym stopniu funkcjonalnie powiązane tworząc system oleju smarowego. W silniku spalinowym olej smarowy służy do smarowania współpracujących ze sobą części i odprowadzania ciepła tarcia, co zabezpiecza te części przed nadmiernym zużyciem. Olej smarowy zabezpiecza smarowane części, głównie łożyska i tuleje cylindrowe, przed korozją oraz utrzymuje je w czystości. W niektórych typach silników wodzikowych i z reguły w silnikach bezwodzikowych o większych średnicach cylindrów olej smarowy jest stosowany do chłodzenia tłoków. Rzadziej olej smarowy jest stosowany do chłodzenia wtryskiwaczy (silniki Sulzera A25).

Wymagania i charakterystyka głównych elementów instalacji oleju smarowego

Zbiornik obiegowy Ściekowy zbiornik obiegowy jest zbiornikiem bezciśnieniowym wstawianym lub kadłubowym umieszczonym w dnie podwójnym. Końce rur ściekowych z miski olejowej silnika do zbiornika ściekowego powinny są tak rozmieszczone, aby podczas pracy silnika były one stale zanurzane w oleju. Zbiorniki oleju smarowego są oddzielone od zbiorników paliwa ciekłego i wody kotłowej przedziałami ochronnymi. Jeżeli takich przedziałów nie przewidziano, to na rurociągach ściekowych z karterów silników są zainstalowane zawory zwrotne lub zaporowe, sterowane znad podłogi maszynowni, celem uniemożliwienia przedostania się wody do silnika i siłowni przy uszkodzeniu poszycia w obrębie zbiornika oleju. Jeżeli zbiornik jest typu kadłubowego, to jest zapewniony swobodny przepływ oleju do końcówek ssących pomp obiegowych oraz oleju, szlamu i wody oraz do końcówek ssących pomp zasilających wirówek, przez zastosowanie odpowiednio dużych otworów w dennikach. Instalacja oleju smarowego obiegowego ze ściekowym zbiornikiem obiegowym, zwana również instalacją z suchą misą olejową (suchym karterem), jest stosowana dla wolnoobrotowych silników większej mocy, napędzających śrubę. W instalacjach tego typu olej po przejściu przez punkty smarne oraz olej spływający z chłodzonych tłoków ścieka rurami ściekowymi do ściekowego zbiornika obiegowego usytuowanego w dnie podwójnym pod silnikiem. Aby zapobiec gromadzeniu się oleju w misie olejowej silnika, w przypadku istnienia przegłębienia rufowego względnie dziobowego, stosuje się, co najmniej dwie rury ściekowe. Połączenie misy olejowej ze zbiornikiem musi być wykonane jako elastyczne, ze względu na drgania występujące w czasie pracy silnika.




15

Zbiornik oleju zużytego Do przechowywania oleju zużytego, tj. oleju, który utracił swoje właściwości w takim stopniu, że nie nadaje się do dalszej eksploatacji instaluje się zbiornik oleju zużytego, zwany również zbiornikiem oleju brudnego. Zbiornik ten powinien mieć taką samą pojemność, co zbiornik obiegowy silnika głównego. Zbiornik ten z reguły umieszcza się w dnie podwójnym. Jest on opróżniany w porcie pompą transportową.

Zbiornik zapasowy oleju obiegowego Na statkach nieograniczonego rejonu i ograniczonego rejonu żeglugi przewiduje się rezerwowy zbiornik o pojemności wystarczającej do napełnienia olejem układu smarowania do stanu roboczego. W zbiorniku tym, noszącym nazwę zbiornika zapasowego, przechowywany jest zapas oleju umożliwiający całkowitą wymianę oleju w obiegu jak również uzupełnianie naturalnych ubytków oleju spowodowanych nieszczelnościami, stratami w procesie wirowania itp. Ponieważ silniki pomocnicze mają własne, niezależne układy smarowania, mają one również odrębny zbiornik zapasowy oleju smarowego. Zbiornik ten jest prawie zawsze zbiornikiem umieszczonym poza dnem podwójnym.

Pompy Jako pompy oleju obiegowego stosowane są z reguły pompy śrubowe napędzane silnikami elektrycznymi, względnie pompy zębate napędzane od silnika. Instalacja oleju smarowego jednego silnika głównego powinna być obsługiwana, przez co najmniej dwie pompy, z których każda powinna mieć wydajność wystarczającą do pracy silnika. Jedna z pomp może być napędzana przez silnik. W silnikach z suchą misą olejową i pompą osuszającą warunek ten uważa się za spełniony, jeżeli możliwa jest awaryjnie praca silnika z mokrą misą olejową i czynnej tylko jednej (dowolnej) pompie oleju smarowego. Zależnie od rozwiązania i usytuowania zbiornika obiegowego rozróżnia się trzy typy instalacji obiegowego smarowania i chłodzenia silników. Na statkach ograniczonego rejonu żeglugi niezależnie od liczby silników głównych, mogą nie być zainstalowane pomp rezerwowe. Jako pompy transportowe stosowane są pompy zębate i łopatkowe (z tłokiem obrotowym) napędzane silnikami elektrycznymi, a jako pompy rezerwowe oraz dla mniejszych wydajności pompy tłokowe z napędem ręcznym. W instalacjach z dwoma silnikami głównymi są przewidziane po jednej pompie dla każdego z silników oraz jedna niezależna pompa rezerwowa o wydajności wystarczającej do pracy każdego silnika.

Filtry Celem ochrony przed przedwczesnym zużyciem części smarowanych silnika, przekładni oraz samych pomp w instalacjach oleju smarowego instaluje się filtry. Na rurociągach układów smarowania obiegowego powinny być zainstalowane na:

1. rurociągu ssącym pomp przekładni zębatych - filtr magnetyczny, 2. rurociągu ssącym pompy - jeden filtr zgrubny (siatka),




16

3. rurociągu tłoczącym pompy - dwa filtry równoległe, jeden przełączalny filtr podwójny lub jeden filtr samo oczyszczający się.

Wymiar oczek siatek filtrów instalowanych na tłoczeniu pomp obiegowych wynosi 30 do 50 m. Przepustowość każdego filtru oleju smarowego powinna być o 10% większa od wydajności największej pompy w obiegu. Filtry nie powinny być przewymiarowane, ponieważ stwierdzono zjawisko katalitycznego oddziaływania materiału siatki na proces starzenia oleju i związane z tym procesem wyczerpywanie się zawartych w oleju dodatków uszlachetniających. Dodatkowe filtry (zazwyczaj podwójne) instaluje się również w układzie smarowania łożysk turbozespołów doładowujących oraz w odrębnych obiegach smarowania łożysk wału rozrządczego (silniki Burmaister & Wain) i wodzików (np. silniki Szulera typu RND-M)

Chłodnice Zadaniem chłodnic w instalacjach obiegowego smarowania i chłodzenia silników jest odprowadzanie ciepła tarcia części smarowanych oraz ciepła olejowego chłodzenia tłoków. Czynnikiem odbierającym ciepło od oleju smarowego jest woda zaburtowa (morska), a w centralnych układach chłodzenia woda słodka. W instalacjach dużych, wolnoobrotowych silników najczęściej stosowane są dwuprzepływowe chłodnice płaszczowo-rurowe z przegrodami segmentowymi, oraz chłodnice płytowe. W układach obiegowego smarowania silników pomocniczych spotyka się również chłodnice rurowe innych typów, niekiedy konstrukcyjnie zespolone z chłodnicą wody. Chłodnice takie łącznie z pozostałymi elementami instalacji oleju smarowego są dostarczane razem z silnikiem.

Układ rurociągów Jeżeli w siłowni znajdują się dwa lub więcej głównych silników, każdy z nich powinien mieć własny, niezależny układ smarowania z osobnym zbiornikiem obiegowym. Takie rozwiązanie eliminuje możliwość zanieczyszczenia oleju we wszystkich silnikach w wypadku awaryjnego zanieczyszczenia oleju w jednym z obiegów smarowania. Również każdy silnik pomocniczy powinien mieć własny niezależny układ smarowania. W silnikach tych najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest umieszczenie na silniku całej instalacji obiegowego smarowania silnika, składającej się z pompy (lub pomp) napędzanej od silnika, chłodnicy, filtra (filtrów), rurociągów i armatury.

Instalacje oleju cylindrowego silników spalinowych Do smarowania gładzi tulei cylindrowych dużych, wolnoobrotowych silników wodzikowych stosuje się specjalne gatunki olejów smarowych zwane olejami cylindrowymi. Oleje te w porównaniu z obiegowymi olejami smarowymi charakteryzują się wysoką, rzędu około l00 mgKOH/g, wartością całkowitej liczby zasadowej, większą lepkością w granicach 90-150 cSt w 50°C, co odpowiada klasie lepkości SAE 40 i SAE 50, oraz tworzeniem małej ilości osadów po ich spaleniu. Oleje te dzięki dużej alkaliczności zabezpieczają tuleję cylindrową, przed tzw. zużyciem korozyjnym związanym z obecnością siarki w paliwie i umożliwiają spalania w tych silnikach paliw pozostałościowych (olejów ciężkich) o zawartości siarki dochodzącej nawet do 5%.




17

Przy smarowaniu gładzi tulei cylindrowych istotne jest doprowadzanie do cylindrów oleju o określonym ciśnieniu i w odpowiedniej ilości, ponieważ zarówno zbyt małe jak i zbyt intensywne smarowanie pociąga za sobą zwiększone zużycie tulei cylindrowej i pierścieni tłokowych. Przy zbyt małej ilości doprowadzanego oleju może występować lokalnie przerwanie filmu olejowego prowadzące do zwiększonego zużycia, natomiast przy zbyt dużej ilości oleju smarowego pojawia się w cylindrze zwiększona ilość osadów (koksu) pozostających po spaleniu oleju, co prowadzi do zwiększonego zużycia współpracujących części.

Instalacje smarowania tulei cylindrowych – konstrukcje nowej generacji Koszty eksploatacyjne wynikające ze zużycia oleju cylindrowego są bardzo wysokie. Nawet niewielka różnica jednostkowego zużycia oleju cylindrowego wynosząca 0.1 g/kWh może przynieść znaczne oszczędności. Stąd, trwają intensywne poszukiwania sposobów poprawienia skuteczności smarowania tulei cylindrowej i jednocześnie obniżenia jego zużycia. Olej cylindrowy musi być wtryśnięty do wnętrza tulei precyzyjnie i w określonej ilości. Nie można tego uzyskać wykorzystując konwencjonalne układy zaprezentowane wcześniej. Firma MAN B&W w 1998 roku wprowadziła elektroniczny układ smarowania tulei cylindrowych Alpha. Zasada działania tego układu opiera się na zasadzie zmniejszenia ilości wtrysków dawek oleju i mogą one wynosić: jeden wtrysk na cztery lub więcej obrotów silnika.

Instalacja obiegowego smarowania i chłodzenia silników spalinowych Smarowanie łożysk głównych i korbowodowych, łożysk wału rozrządczego, łożysk ślizgowych turbozespołów doładowujących oraz wszelkich pozostałych, wymagających smarowania elementów silnika, jak również chłodzenie olejowe tłoków odbywa się obiegowo pod ciśnieniem. W instalacji obiegowego smarowania i chłodzenia, olej o odpowiednim ciśnieniu i temperaturze, a tym samym lepkości, jest doprowadzany do poszczególnych miejsc wymagających smarowania względnie chłodzenia dzięki ciśnieniu wytwarzanemu przez pompę obiegową. Po spełnieniu przez olej swoich, funkcji smarowania i chłodzenia, olej spływa grawitacyjnie do misy olejowej l silnika, względnie do zbiornika znajdującego się pod silnikiem, skąd jest zasysany i tłoczony do silnika przez pompę, krążąc w obiegu - stąd nazwa smarowania względnie chłodzenia obiegowego. Olej przepływając przez silnik podgrzewa się, odprowadzając w ten sposób ciepło tarcia smarowanych części, a w niektórych silnikach również ciepło chłodzenia tłoków. Dla zapewnienia stałej temperatury, a tym samym i lepkości oleju doprowadzanego do silnika instaluje się na tłoczeniu pompy chłodnicę3, w której woda zaburtowa schładza krążący w obiegu olej do wymaganej temperatury regulowanej zaworem termostatycznym. Takie usytuowanie chłodnicy zapewnia dobre warunki zasysania oleju przez pompę oraz uniemożliwia w czasie pracy silnika zanieczyszczenie oleju obiegowego wodą zaburtową. Ponieważ ciśnienie oleju w obiegu jest wyższe od ciśnienia wody chłodzącej, w przypadku powstania nieszczelności w chłodnicy, spowodowanej np. pęknięciem rurki, obserwować się




18

będzie ubytek oleju w obiegu, a nie jego zanieczyszczenie wodą, prowadzące w konsekwencji do korozji i awarii silnika. Podczas smarowania i chłodzenia silnika w oleju smarowym pojawiają się różnego rodzaju stałe zanieczyszczenia, jak: cząstki metalu, rdzy, piasku, koksu itp. Celem ochrony części smarowanych przed ich przedwczesnym zużyciem w każdym obiegu oleju smarowego jest zainstalowany filtr 5. Jeśli chodzi o usytuowanie filtra w obiegu, spotyka się umieszczanie filtra zarówno przed jak i za chłodnicą. Umieszczenie filtra przed chłodnicą zabezpiecza chłodnicę przed gromadzeniem się w niej zanieczyszczeń oraz pozwala na filtrację oleju przy mniejszej różnicy ciśnień. Takie usytuowanie filtra nie zabezpiecza jednak silnika przed możliwością przedostania się skupisk zanieczyszczeń, które mogą przypadkowo oderwać się w chłodnicy po dłuższym okresie jej eksploatacji. Pełne zabezpieczenie silnika przed możliwością przedostania się zanieczyszczeń, które mogłyby spowodować uszkodzenie smarowych części, zapewnia umieszczenie filtra za chłodnicą, możliwie jak najbliżej silnika. Takie usytuowanie filtra jest zalecane obecnie przez większość producentów silników, wymaga jednak stosowania filtrów dopuszczających większą różnicę ciśnień na siatkach filtracyjnych.



1992.

Zagadnienie: 2.E Instalacja paliwowa

Wymagania norm i wytwórców silników dotyczące paliw okrętowych oraz wpływ własności paliw na budowę i eksploatację systemu. Instalacja paliwowa transportowa: instalacja pobierania, przechowywania i transportu paliwa, zabezpieczenia przed wylewem paliwa, przechowywanie, zdawanie i utylizacja odpadów paliwowych. Instalacja paliwowa oczyszczająca: metody oczyszczania paliw okrętowych, czynniki decydujące o prawidłowym oczyszczaniu paliwa w wirówkach i ich wpływ na budowę i eksploatację systemu oczyszczania, budowa i eksploatacja zbiorników osadowych, zastosowanie niekonwencjonalnych metod oczyszczania i uzdatniania paliwa (homogenizatory, filtry niepełno-przepływowe, dodatki do paliw), współczesny układ oczyszczania. Instalacja paliwowa zasilająca: układ atmosferyczny (konwencjonalny) i ciśnieniowy na olej opałowy, układ elementów układu, rola zbiornika zwrotnego (odpowietrzającego), podgrzewanie i regulacja lepkości paliwa przed silnikiem, filtrowanie paliwa w układzie zasilającym, regulacja ciśnienia paliwa, instalacje zasilające na paliwo zmieszane, instalacje jednopaliwowe siłowni, instalacja zasilająca kotła pomocniczego.

Zadania Zadaniem instalacji paliwa jest:

przyjmowanie - bunkrowanie i przechowywanie paliwa, oczyszczanie paliwa,




19

doprowadzanie odpowiednio przygotowanego paliwa do silników, kotłów i innych urządzeń energetycznych.

Cechą charakterystyczną tych instalacji jest spełnianie określonych wymagań związanych z rodzajem stosowanego paliwa i zasilanymi urządzeniami, przy równoczesnym zapewnieniu pełnego bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Z tych też powodów instalacje paliwa ciekłego na statkach są projektowane szczególnie starannie i uwzględniają zarówno przepisy Towarzystw Klasyfikacyjnych jak i zalecenia producentów urządzeń okrętowych. W skład systemu instalacji paliwa ciekłego siłowni spalinowych wchodzą następujące instalacje:

1. Instalacje transportowe; 2. Instalacje oczyszczające; 3. Instalacje zasilania silników i kotłów pomocniczych.

Paliwa ciekłe stosowane w siłowniach spalinowych Paliwa ciekłe stosowane w silnikach z zapłonem samoczynnym noszą ogólną nazwę olejów pędnych. Aktualnie stosowane paliwa w okrętowych silnikach spalinowych są pochodzenia mineralnego i stanowią produkty przeróbki ropy naftowej. Oleje pędne pochodzenia mineralnego można podzielić na dwie grupy, różniące się w istotny sposób pod względem własności fizycznych, zawartości zanieczyszczeń i ceny, a mianowicie na:

Oleje napędowe lekkie - destylowane, do których zalicza się również oleje gazowe, są paliwami o wyższej jakości, a więc droższymi i stanowią czyste frakcje z procesów destylacji zachowawczej lub rozkładowej ropy naftowej względnie ich mieszaniny. Oleje napędowe charakteryzują się niewielką gęstością, lepkością oraz małą zawartością zanieczyszczeń, dzięki czemu mogą być spalane w silnikach bez konieczności specjalnego ich oczyszczania i podgrzewania przed silnikiem. Silniki o prędkościach obrotowych n > 1000 obr/min. (np. silniki zespołów awaryjnych oraz niektóre typy silników napędzających prądnice) wymagają stosowania paliw charakteryzujących się małą zwłoką zapłonu, a więc wysoką liczbą cetanową, w granicach 45 do 50. Paliwami takimi są oleje napędowe lekkie. Ponieważ lepkość olejów napędowych w temperaturze 20°C zawarta jest w granicach wymaganych dla zapewnienia prawidłowego rozpylenia paliwa, oleje napędowe nie wymagają podgrzewania przed ich doprowadzeniem do pomp wtryskowych. Dla silników średnioobrotowych (n = 500750 obr/min.) liczba cetanową powinna wynosić, co najmniej 35 oznacza to, że w takich silnikach mogą być spalane oleje ciężkie o lepkości nie przekraczającej 500 sec. Red. I w temperaturze 37,8 °C. W silnikach przystosowanych do spalania olejów ciężkich, oleje napędowe lekkie mogą być stosowane jako paliwo przy rozruchu silnika, manewrach i zatrzymaniu silnika (starsze typy). Ciężkie oleje napędowe, zwane również paliwami pozostałościowymi lub niezupełnie słusznie olejami opałowymi, są paliwami gorszej jakości, a więc znacznie tańszymi. Stanowią one mieszaniny pozostałości podestylacyjnych lub po-krakingowych z nieznacznym dodatkiem oleju napędowego lekkiego, którego zadaniem jest zmniejszenie ich lepkości do określonego poziomu. Oleje ciężkie charakteryzuje duża gęstość, lepkość oraz znaczna zawartość zanieczyszczeń, co stwarza konieczność ich oczyszczania i podgrzewania zarówno celem umożliwienia ich bunkrowania, pompowania, oczyszczania, jak i prawidłowego rozpylania w procesie wtrysku.




20

Przy spalaniu olejów ciężkich istotną rolę odgrywają zanieczyszczenia występujące w tych paliwach. Paliwa ciężkie z dużą zawartością popiołu, wanadu i sodu są niekorzystne, ponieważ te zanieczyszczenia zwiększają zużycie tulei cylindrowej i pierścieni tłokowych oraz powodują korozję wysokotemperaturową i niskotemperaturową. Na ten rodzaj korozji (wysokotemperaturowej) są narażone szczególnie zawory wylotowe silników czterosuwowych. Stosunkowo wysoka zawartość siarki występująca w olejach ciężkich wymaga odpowiedniego doboru olejów cylindrowych oraz stwarza niebezpieczeństwo występowania korozji niskotemperaturowej tulei cylindrowych, rurociągów instalacji wydechowych, tłumika i kotła na spaliny odlotowe, szczególnie w przypadku przekroczenia punktu rosy spalin. Duża ilość zanieczyszczeń występujących w paliwach ciężkich oznacza, więc konieczność ich odpowiedniego oczyszczania, które jest realizowane w zbiornikach osadowych, wirówkach i filtrach. W silnikach wolno i średnioobrotowych, zarówno głównych jak i pomocniczych, mogą być spalane oleje ciężkie o tym wyższej lepkości im mniejsza jest prędkość obrotowa silnika. W silnikach wolnoobrotowych liczba cetanowa paliwa powinna wynosić, co najmniej 25, czemu odpowiada lepkość 3500 sec. Red. I w 37,8 °C (max. 6000 sec. Red. I w 37,8°C).

Podstawowe wymagania i charakterystyka głównych elementów instalacji paliwowej

Usytuowanie i konstrukcja zbiorników paliwa Zbiorniki paliwa mogą być usytuowane zarówno w pomieszczeniach maszynowych, lub

też poza nimi, np. na otwartych pokładach i w nadbudówkach. Niezależnie od wielkości i typu statku wybór miejsca umieszczenia zbiorników paliwa podyktowany jest bezpieczeństwem przeciwpożarowym, zarówno w sensie możliwości zapalenia się paliwa ciekłego lub jego par w wyniku zetknięcia się z elementami o podwyższonej temperaturze, iskrami itp., jak i skutków ewentualnego zapalenia się paliwa. Najczęściej spotyka się zbiorniki paliwa umieszczone w obrębie siłowni. Na wszystkich statkach z wyjątkiem towarowych o pojemności brutto poniżej 500 RT zbiorniki paliwa nie powinny w zasadzie znajdować się w pomieszczeniach maszynowych, w których znajdują się:

silniki główne pracujące na paliwie ciekłym, inne silniki pracujące ha paliwie ciekłym o mocy od 375 kW wzwyż, kotły opalane paliwem ciekłym, zespoły paliwowe, oraz szyby wymienionych pomieszczeń (nie dotyczy to zbiorników

w dnie podwójnym). Awaryjne opróżnianie zbiorników Spełnienie warunków bezpieczeństwa przeciwpożarowego stwarza konieczność

wyposażenia wyżej położonych zbiorników paliwa (zbiorników osadowych i rozchodowych) w urządzenia służące bądź do ich szybkiego awaryjnego opróżniania, bądź do szybkiego, zdalnego odcinania poboru paliwa z tych zbiorników. W ten sposób w przypadku pożaru w siłowni ogranicza się możliwość podsycania ognia zapasami paliwa znajdującymi się w wyżej położonych zbiornikach. W zbiornikach umieszczonych w obrębie szybu maszynowego mogą




21

być zainstalowane urządzenia do ich szybkiego opróżniania do zbiorników dennych lub przelewowych.

Przelewy i zbiornik przelewowy Wszystkie zbiorniki, w których znajduje się paliwo, (za wyjątkiem zbiornika

przelewowego) są wyposażone w rurociągi przelewowe. Rur odpowietrzających będących zarazem rurami przelewowymi nie doprowadza się do rury odpowietrzającej zbiornik przelewowy, lecz bezpośrednio do tego zbiornika lub do innej doprowadzonej do niego rury przelewowej o wystarczającej średnicy. Jeżeli zbiornik przelewowy nie służy do awaryjnego opróżniania zbiorników umieszczonych w obrębie szybu maszynowego, wówczas pojemność zbiorników przelewowych paliwa jest nie mniejsza od 10-minutowej wydajności pompy transportowej paliwa.

Rury odpowietrzające Każdy zbiornik do przechowywania paliwa ciekłego jest wyposażony w rury

odpowietrzające, zwane również odpowietrzeniami. Rury odpowietrzające wszystkich zbiorników usytuowanych w dnie podwójnym i zbiorników przyległych do zewnętrznego poszycia kadłuba są wyprowadzone powyżej pokładu grodziowego. Rury odpowietrzające zbiorniki wyprowadza się z górnej części zbiorników i w zasadzie z miejsca najbardziej oddalonego od rurociągu napełniającego. Liczba i rozmieszczenie rur są dobrane w zależności od kształtu i wielkości zbiorników i powinny uniemożliwiać tworzenie się przestrzeni powietrznych.

Rurociągi paliwowe Rurociągi paliwowe powinny są oddzielone od innych instalacji celem całkowitego

wyeliminowania możliwości przypadkowego przedostania się paliwa do innych instalacji. Rurociągów paliwa w zasadzie nie prowadzi się nad silnikami spalinowymi, rurociągami gazów spalinowych, rurociągami pary (z wyjątkiem rurociągów do podgrzewania paliwa), kotłami parowymi i ich przewodami spalinowymi. W wyjątkowych przypadkach rurociągi paliwa są prowadzone nad tymi mechanizmami i urządzeniami - pod warunkiem, że rurociągi w ich obrębie nie będą posiadały rozbieralnych złączy lub w odpowiednich miejscach są zainstalowane wanny ściekowe uniemożliwiające przedostanie się paliwa na te mechanizmy i urządzenia.

Instalacje transportowe paliwa Zadaniem instalacji transportowej paliwa jest:

1. pobieranie (bunkrowanie) paliwa, 2. przechowywanie w zbiornikach zapasowych, 3. przepompowywanie paliwa pomiędzy tymi zbiornikami, 4. napełnianie zbiorników osadowych lub rozchodowych, 5. podawanie paliwa na pokład (oddawanie paliwa).

Pobieranie paliwa ciekłego na statek odbywa się przez stały rurociąg zaopatrzony w

niezbędną armaturę zapewniającą doprowadzenie paliwa do wszystkich głównych zbiorników paliwa. Rurociąg do napełniania zbiorników paliwem doprowadzony jest możliwie jak najbliżej do dna zbiornika. Na statkach pasażerskich napełnianie zbiorników paliwem dokonywane jest przez specjalne stacje poboru paliwa, oddzielone od pozostałych




22

pomieszczeń i posiadające rury ściekowe doprowadzone do zbiorników ściekowych paliwa. Przykładowy schemat ideowy instalacji transportowej paliwa przedstawia rysunek. Paliwo pobierane jest na statek przez dwa, umieszczone na głównym pokładzie, po obu burtach, króćce wlewowe. Na głównym rurociągu poboru, połączonym z otworami wlewowymi, zainstalowany jest zgrubny filtr siatkowy, którego zadaniem jest usunięcie grubych zanieczyszczeń mechanicznych, jakie mogą się znaleźć w pobieranym paliwie.

Instalacje oczyszczające paliwa Spotykane rozwiązania instalacji oczyszczających paliwa w siłowniach spalinowych

zależeć będą od rodzaju paliwa spalanego w silnikach głównych oraz od wielkości statku. Instalacja oczyszczania olejów ciężkich w porównaniu z instalacją oczyszczania olejów napędowych lekkich wykazuje istotne różnice ze względu na znacznie większą lepkość paliwa i ilość występujących zanieczyszczeń. Zwiększona lepkość paliwa wymaga podgrzewania oczyszczanego paliwa do odpowiedniej temperatury, uzależnionej od lepkości wymaganej dla prawidłowego prowadzenia procesu odstawania lub wirowania. Zbiorniki osadowe i rozchodowe oleju ciężkiego muszą być, zatem wyposażone w wężownice grzewcze i izolowane podobnie jak rurociągi łączące, poszczególne elementy całej instalacji. Sedymentacja zanieczyszczeń odbywa się w dwóch zbiornikach osadowych, których pojemność wystarcza dla 24 do 48 godzin pracy silnika głównego. Dla uzyskania właściwych efektów osadzania zanieczyszczeń lepkość paliwa w zbiornikach osadowych powinna być utrzymywana na poziomie 230 cSt. W zależności od gatunku oleju ciężkiego wymaga to jego podgrzania do temperatury w granicach 40 do 70°C.

Instalacje zasilające paliwem

Instalacje zasilające na paliwo destylowane Najprostsze pod względem rozwiązania są instalacje zasilania silników spalających wyłącznie oleje napędowe lekkie. Jeżeli istnieje możliwość umieszczenia zbiorników rozchodowych (dla silników mniejszej mocy jednego zbiornika rozchodowego) na dostatecznej wysokości, powyżej poziomu wtryskowych pomp paliwowych silnika, wówczas stosuje się grawitacyjną instalację zasilającą. Stosowanej najczęściej dla silników niewielkiej mocy (silniki zespołów awaryjnych, silniki napędowe małych jednostek, silniki zespołów prądotwórczych). Silniki zespołów, prądotwórczych są zasilane olejem napędowym najczęściej grawitacyjnie, z osobnego zbiornika rozchodowego lub też z głównych zbiorników rozchodowych osobnym rurociągiem poboru paliwa. Jeżeli usytuowanie silników pomocniczych w stosunku do zbiorników rozchodowych nie pozwala na ich grawitacyjne zasilanie, stosuje się pompy podające. Zespoły awaryjne są zawsze zasilane z osobnego zbiornika paliwa. W instalacjach, w których paliwo jest doprowadzane do silników głównych przez pompę podającą, z wyjątkiem instalacji składających się z więcej niż dwóch silników, z których każdy wyposażony jest we własną pompę podającą, przewidziane są możliwości zapewniające doprowadzenie paliwa do silników w przypadku awarii pompy podającej. Wymagania te nie dotyczą statków ograniczonego rejonu żeglugi II i III Spełnienie tych wymagań prowadzi do instalowania na statkach nieograniczonego rejonu żeglugi i ograniczonego rejonu żeglugi I rezerwowej pompy podającej.




23

Instalacje zasilające na paliwo pozostałościowe Konieczność umożliwienia spalania oleju napędowego w silnikach, które mogą być uruchamiane na paliwie ciężkim wynika z zaleceń producenta silnika, stosowania lżejszego paliwa w przypadkach, gdy instalacja paliwowa, pompy wtryskowe i zawory mają być poddane przeglądowi oraz dla przepłukania całej instalacji przed dłuższymi postojami w portach. Wszystkie zbiorniki łącznie z pompami wtryskowymi w instalacji zasilania silnika olejem ciężkim są podgrzewane parą oraz starannie zaizolowane. Rurociągi, którymi przepływa olej ciężki, są izolowane cieplnie, a przy stosowaniu paliw o większych lepkościach również ogrzewane. Do pomiaru zużycia paliwa stosowane są przepływomierze typu objętościowego, ponieważ zbiorniki pomiarowe me zapewniają dostatecznie dokładnego pomiaru przy większych lepkościach paliwa.

Regulacja lepkości paliwa W podgrzewaczach instalowanych w siłowniach okrętowych stosuje się ręczną lub automatyczną regulację efektów działania danego urządzenia. Szczególnie prosta, dokładna i bezstopniowa jest regulacja w podgrzewaczach zasilanych parą. Regulacja ręczna polega na odpowiednim dławieniu przelotu pary grzewczej zaworem wlotowym do podgrzewacza według wskazań termometru na wylocie ogrzewanego czynnika. System taki jest jednakże kłopotliwy w działaniu dla obsługi i nie zapewnia stałości temperatury podgrzania, szczególnie zmieniającej się wartości wydajności przepływu czynnika ogrzewanego. Regulacja automatyczna podgrzewacza może być sterowana impulsem pochodzącym:

1. bezpośrednio od temperatury ogrzewanego czynnika, 2. od lepkości czynnika, która jest funkcją temperatury, 3. od ciężaru właściwego w funkcji temperatury.

W praktyce stosowane są w regulacji dwa pierwsze rodzaje impulsów. Elementem sterującym jest tam termostat wmontowany na rurociągu wylotowym podgrzewanego oleju (lub wody), który działa bezpośrednio na zawór termostatyczny wlotu pary grzewczej. W razie uszkodzenia termostatu lub zaworu termostatycznego możliwa jest ręczna regulacja procesu podgrzewania poprzez zamknięcie i otwarcie odpowiednich zaworów tak, by para przepływała przewodem omijającym zawór termostatyczny. W podgrzewaczach oleju napędowego lub opałowego w instalacjach okrętowych regulacja procesu podgrzewania sterowana jest wskazaniami wiskozystatu, tj. przyrządu regulującego lepkość czynnika,. gdyż celem podgrzewania paliwa jest uzyskanie odpowiedniej lepkości, a nie temperatury. Dzięki stosowaniu wiskozystatu jako nadajnika impulsów regulacyjnych, instalacja podgrzewania paliwa jest bardziej uniwersalna i może być stosowana do różnego rodzaju olejów, bez konieczności. jej każdorazowego przystosowywania.

Zasada działania i eksploatacja instalacji zasilania paliwem pozostałościowym. Przed uruchomieniem silnika podgrzewa się parą całą instalację. Następnie uruchamia się pompę podającą, która w pierwszym etapie wymusza obieg na drodze pompa podająca, podgrzewacz, zbiornik powrotny, a w drugim etapie pompa podająca, podgrzewacz, filtr, pompy wtryskowe, zbiornik powrotny. Odpowietrzenie i przepłukanie gorącym paliwem przewodów i zaworów wtryskowych przed uruchomieniem silnika przeprowadza się dławiąc przepływ paliwa zaworem umieszczonym na przelewie z pomp wtryskowych.




24

Instalacje zasilania paliwem kotłów pomocniczych Wykonanie instalacji zasilania paliwem kotłów pomocniczych w dużej mierze zależy od rodzaju spalanego paliwa i typu zastosowanych w kotle palników. Nowoczesne, w pełni zautomatyzowane palniki kotłowe (przykład rozwiązania takiego palnika przedstawia rysunek poniżej są przystosowane do spalania wszelkich rodzajów paliwa, począwszy od lekkich olejów napędowych aż do olejów ciężkich o lepkości 3500 sec. Red. I w temperaturze 37.8°C. Paliwa o lepkości do 16.5°E w 37.8°C, tj. oleje napędowe i lekkie oleje opałowe ani nie wymagają podgrzewania przed ich doprowadzeniem do palników, ani też nie ma trudności z zasysaniem takich gatunków paliwa przez pompę palnika. Paliwa o większych lepkościach są podgrzewane w zbiornikach zapasowych do około 35°C - i w zbiorniku rozchodowym do około 60°C, a w podgrzewaczu parowym lub elektrycznym umieszczonym bezpośrednio przed palnikiem do takiej temperatury, by uzyskać lepkość nie mniejszą od 16°E.

Szczególne zastosowania instalacji paliw W niektórych typach silników starszych konstrukcji (B&W, Deutz) wtryskiwacze są chłodzone olejem napędowym. Paliwo do chłodzenia wtryskiwacza l dopływa ze zbiornika rozchodowego oleju napędowego do dwóch pomp obiegowych (jedna z tych pomp jest pompą rezerwową), które wymuszają przepływ przez wtryskiwacze (po stronie ich chłodzenia). Ponieważ najwyższa temperatura podgrzewanego paliwa w zbiornikach powinna być co najmniej o 10° C niższa od temperatury zapłonu paliwa, w obiegu chłodzenia wtryskiwaczy paliwem instaluje się chłodnicę. Paliwo po schłodzeniu jest kierowane z powrotem do zbiornika rozchodowego.



1992.

Zagadnienie: 2.F Instalacja sprężonego powietrza

Odbiory okrętowe sprężonego powietrza, zapotrzebowanie powietrza na rozruch silnika, ilość i objętość zbiorników głównych i pomocniczych powietrza, Ogólna budowa sprężarek głównych, awaryjnych i pomocniczych, sterowanie i eksploatacja. Budowa instalacji i jej przygotowanie do pracy. Nastawy parametrów roboczych. Uruchomienie instalacji. Praca sprężarek powietrza w czasie manewrów silnika głównego: pojedyncza i zespołowa.

Przeznaczenie instalacji Zadaniem instalacji sprężonego powietrza jest przygotowanie powietrza jako czynnika

roboczego o odpowiednim ciśnieniu, temperaturze i czystości, przechowywanie jego oraz doprowadzanie do urządzeń (odbiorników). Przeznaczenie instalacji sprężonego powietrza jest następujące:




25

Instalacja sprężonego powietrza na statku służy przede wszystkim do rozruchu głównych i pomocniczych tłokowych silników spalinowych i do przesterowywania silników głównych, - jeśli są nawrotne.

Poza tym służy do celów pomocniczych: 1. przedmuchiwania kingstonów, 2. przedmuchiwania instalacji chłodzenia wtryskiwaczy i instalacji przeciw

pożarowej CO2, 3. zasilania zdmuchiwaczy sadzy w kotłach, 4. zasilania tyfonu (syreny), 5. doładowywania poduszek powietrznych w hydroforach, 6. zasilania układów automatyki okrętowej, 7. celów warsztatowych (napęd narzędzi pneumatycznych), 8. celów gospodarczych.

W przypadku silników szybkoobrotowych (mały moment bezwładności) dla mocy około 300 kW bywa niekiedy stosowany rozruch elektryczny (rozrusznikiem elektrycznym pobierającym energię z akumulatorów elektrycznych). Jednakże zdecydowanie dominującym sposobem uruchamiania silników okrętowych jest rozruch sprężonym powietrzem. Minimalne ciśnienie powietrza rozruchowego, które zdolne jest jeszcze uruchomić silnik zależy od konstrukcji, stanu technicznego i typu silnika. Orientacyjnie wynosi ono około 12 MPa dla silników w stanie zimnym i około 0,81,5 dla silników podgrzanych. Ilość powietrza zużywanego na l rozruch silnika zależy głównie od jego prędkości obrotowej, a konkretnie od mas ruchu obrotowego i posuwisto-zwrotnego. Poza tym zależy od konstrukcji silnika, liczby cylindrów i stopnia jego wyeksploatowania. W siłowniach z tłokowymi silnikami spalinowymi sprężone powietrze jest przechowywane, co najmniej w dwóch zbiornikach. W przypadku siłowni statków z silnikami głównymi wolnoobrotowymi i średnioobrotowymi ciśnienie w tych zbiornikach wynosi 3 MPa.

Opis instalacji Każdy ze zbiorników powinien być wyposażony w:

zawór zaporowo-zwrotny ładowania, zawór zaporowo-zwrotny poboru sprężonego powietrza, zawór bezpieczeństwa, zawór manometru, zawór odwadniający.

Zazwyczaj umieszcza się je na głowicy zbiornika. Muszą one być montowane bezpośrednio na głowicy, czy też na płaszczu zbiornika, nie może być odcinków rur między płaszczem zbiornika a zaworami. W siłowniach zautomatyzowanych, sprężone powietrze do układów sterowania (automatyki) może być pobierane ze zbiorników głównych, z tym, że zbiorniki te winny być automatycznie doładowywane już w razie spadku ciśnienia w nich o 0,5 MPa względem ciśnienia znamionowego. Sprężarki w siłowni statku muszą być, co najmniej dwie, przy czym jedna musi być z napędem niezależnym, np. elektrycznym lub spalinowym, (druga może być zawieszona na silniku).




26

W siłowniach, gdzie zbiorniki sprężonego powietrza są duże, naładowanie ręczne jednego z nich jest mało realne. Wtedy jako awaryjna sprężarka rozruchowa stosowany jest zespół silnik+sprężarka lub silnik+prądnica, gdzie silnik jest uruchamiany ręcznie, np. korbą. Czasami w siłowniach, gdzie awaryjna sprężarka jest z napędem ręcznym, stosuje się dodatkowa mały zbiornik sprężonego powietrza (awaryjny), którego objętość powinna zapewnić trzykrotne uruchomienie spalinowego silnika pomocniczego najmniejszej sprężarki powietrza rozruchowego (przeważnie awaryjnej), lub jednego z niezależnych zespołów prądotwórczych siłowni. Zależnie od ciśnienia sprężonego powietrza w zbiornikach, stosowane są sprężarki 2-stopniowe (p > 3 MPa).

Układy rozruchowe Układy rozruchowe silników składają się ze źródła energii (akumulatora energii) oraz

zespołu sterującego powietrzem rozruchowym. Wymienione urządzenia tworzą następujące zespoły funkcjonalne: 1. instalację roboczego powietrza rozruchowego. 2. instalację powietrza sterowania wstępnego. instalację powietrza sterowania zaworem

rozruchowym. Samoczynne zawory manewrowe Zadanie samoczynnego zaworu manewrowego polega na otwarciu dolotu powietrza

rozruchowego ze zbiornika sprężonego powietrza do silnika wyłącznie w okresie rozruchu i odpowietrzeniu kolektora powietrza rozruchowego po rozruchu silnika. Samoczynny zawór manewrowy jest, zatem otwarty tylko przez okres ustawienia członu sterującego rozruchem w pozycji „rozruch". Zwiększa to bezpieczeństwo ruchu silnika i zmniejsza ilość zużywanego powietrza. W okresie manewrów, kiedy z konieczności zawór główny na zbiorniku powietrza rozruchowego musi być otwarty, samoczynny zawór manewrowy zapobiega dolotowi do cylindra nie kontrolowanych ilości sprężonego powietrza w razie nieszczelności lub uszkodzenia zaworu rozruchowego.

Zawory rozruchowe Zawory rozruchowe współczesnych silników okrętowych są sterowane pneumatycznie.

Zależnie od sposobu ich sterowania zawory te można podzielić na:

sterowane powietrzem z oddzielnego obiegu sterującego, sterowane bezpośrednio powietrzem roboczym. Zawory rozruchowe pierwszej grupy stosuje się powszechnie w układach rozruchowych

silników głównych i silników zespołów prądotwórczych. W zawory sterowane bezpośrednio wyposażone są niekiedy układy rozruchowe silników zespołów prądotwórczych i silników napędu głównego małych mocy.

Zawory sterowane z oddzielnego obiegu sterującego wykonuje się w dwóch odmianach: a) jednostronnie pneumatycznie sterowane, czyli otwierane powietrzem sterującym, a

zamykane sprężyną po odpowietrzeniu przestrzeni sterującej, b) dwustronnie pneumatycznie sterowane, czyli otwierane i zamykane powietrzem

sterującym. Sprężyna, jeśli jest, spełnia rolę pomocniczą. Rozdzielacze powietrza




27

Zadaniem rozdzielaczy powietrza jest sterowanie otwarciem i zamknięciem zaworów rozruchowych w funkcji kąta położenia wału korbowego. Zależnie od zadania spełnianego przez sprężone powietrze kąty rozrządu zaworu rozruchowego:

pr - otwarcia i kr - zamknięcia wynoszą: - podczas rozruchu pr = 50° przed GMP

kr = 75—100° po GMP

- podczas hamowania pr = 10075° przed GMP kr = 0° przed GMP

Ze względu na to, że rozdzielacze spełniają swoje zadanie wyłącznie w okresie rozruchu, stosuje się takie ich rozwiązanie konstrukcyjne, które umożliwia samoczynne załączenie się członu sterującego rozdzielacza jedynie na okres rozruchu. Czas rozruchu jest bardzo mały w porównaniu z okresem pracy silnika, celowe, zatem jest wyłączenie elementów sterujących rozdzielacza podczas pracy silnika, to znaczy w czasie, kiedy rozdzielacz nie wykonuje żadnej funkcji.

Literatura 1. Piotrowski I. Witkowski K, Okrętowe silniki spalinowe, Trademar, Gdynia 2003, 2. Urbański P., Instalacje okrętów i obiektów oceanotechnicznych: instalacje spalinowych

siłowni okrętowych, Politechnika Gdańska, 1994, 3. Wajand J.A,, Wajand T., Tłokowe silniki spalinowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,

2005. 4. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom II, Politechnika Gdańska, 1991 –

1992.

Zagadnienie: 2.G Budowa i obsługa kotłów parowych

Budowa i zasada działania kotła opalanego. Budowa i zasada działania kotła utylizacyjnego. Schematy podstawowe obiegów parowo-wodnych; System zabezpieczeń pracy kotła. Metodyka wprowadzenia nastaw w układzie wodnym – zasilającym kotła. Zasada działania palnika kotła. Metodyka przygotowania kotła opalanego do uruchomienia. Ustalenie nastaw w układzie spalania.

Opis i funkcje instalacji kotła pary - pomocniczej Na statkach napędzanych silnikami spalinowymi obecność instalacji parowych wynika głównie z korzystnych właściwości pary wodnej jako czynnika grzewczego. Para na tych statkach jest stosowana do ogrzewania najróżniejszych czynników znajdujących się w instalacjach okrętowych, a przede wszystkim w instalacjach siłowni.

1. W instalacjach chłodzenia wodą słodką dużych wolnoobrotowych silników spalinowych, które wymagają podgrzewania przed ich uruchamianiem ze stanu zimnego, para służy do podgrzewania wody chłodzącej, cyrkulowanej przez silnik oraz tłoki. W ten sposób zarówno silnik jak i woda chłodząca zostają doprowadzone




28

do takiej temperatury, przy której można uruchomić silnik bez obawy o jego trwałość. Podobne jest zadanie podgrzewania wody chłodzącej wtryskiwacze, realizowane za pomocą wężownicy grzewczej umieszczonej w zbiorniku wyrównawczo-obiegowym. Podgrzewanie wody chłodzącej tuleje cylindrowe i głowice jest wyłączane przed rozruchem silnika, natomiast podgrzewacz wody chłodzącej wtryskiwacze w niektórych silnikach, może być czynny przez cały czas pracy silnika ze względu na konieczność dość ścisłego utrzymywania temperatury tej wody na poziomie określonym przez producenta silnika.

2. W instalacjach oleju smarowego para służy do podgrzewania oleju smarowego oraz wody słodkiej przed ich doprowadzeniem do wirówek, a ponadto do ogrzewania zawartości wszelkich zbiorników wchodzących w skład tej instalacji. Podgrzewanie olejów ma na celu zmniejszenie ich lepkości bądź dla umożliwienia względnie ułatwienia ich przepompowywania, bądź też polepszania efektów ich oczyszczania.

3. W instalacjach paliwowych siłowni spalających oleje ciężkie, paliwo przed jego doprowadzeniem do silnika jest podgrzewane parą w zbiornikach zapasowych (dennych i wysokich), w zbiornikach osadowo-rozchodowych i powrotnych. Właściwą lepkość, wymaganą dla uzyskania prawidłowego rozpylenia, paliwo uzyskuje w podgrzewaczu, do którego dopływ pary jest regulowany wiskozymetrem. Parą ogrzewane są również rurociągi, którymi jest transportowane paliwo. W instalacji oczyszczającej paliwo, podobnie jak w instalacji oleju smarowego, para służy do podgrzewania paliwa i wody przed wirówkami oraz odpadów z wirówek. Para służy również do podgrzewania oleju opałowego w zbiornikach zapasowych oraz w podgrzewaczu przed kotłem i zawartości zbiorników gromadzących ścieki i przelewy paliwa.

4. W instalacji zęzowo-balastowej parę doprowadza się do odolejacza wody zęzowej celem podgrzewania wydzielonego z wody oleju oraz do zbiorników celem uniemożliwienia zamarznięcia w nich wody balastowej.

5. Para jest również stosowana w instalacjach ogólno-okrętowych do podgrzewania wody w instalacjach hydroforowych, podgrzewania powietrza w centralnym zestawie klimatyzacyjnym, a przy braku klimatyzacji - do parowego ogrzewania pomieszczeń.

6. Na uprzemysłowionych statkach rybackich para jest stosowana dodatkowo do celów technologicznych (wytwórnia mączki rybnej, tranownia itp.) oraz może służyć jako czynnik grzewczy dla wyparowników w tych przypadkach, gdy nie wystarcza ich ogrzewanie wodą chłodzącą silnik lub w czasie postoju silnika głównego.

7. Para jest niezbędna jako czynnik grzewczy na zbiornikowcach przewożących ropę naftową względnie jej produkty. W tym ostatnim przypadku wymagane są znaczne ilości pary służącej dodatkowo do podgrzewania wody morskiej w instalacji służącej do mycia zbiorników ładunkowych.

8. Oprócz celów grzewczych para na statkach napędzanych silnikami spalinowymi może być stosowana jako czynnik roboczy do napędu niektórych maszyn i urządzeń pomocniczych siłowni (zwłaszcza urządzeń obsługujących instalację parową, takich jak np. pompy zasilające, instalacja eżektorowa skraplacza), pomp ładunkowych i niektórych pokładowych maszyn pomocniczych na zbiornikowcach.




29

9. W siłowniach spalinowych o większej mocy, w których poza potrzebami grzewczymi dysponuje się dodatkową ilością pary uzyskanej z utylizacji ciepła odpadkowego silnika głównego, coraz powszechniej stosuje się turboparowe zespoły prądotwórcze, co pozwala uzyskać znaczne oszczędności paliwa.

Kotły parowe – pomocnicze Na statkach napędzanych silnikami spalinowymi para wytwarzana jest przede wszystkim w kotłach ogrzewanych spalinami odlotowymi z silnika. Kotły takie zwane kotłami utylizacyjnymi są instalowane na przewodzie wydechowym spalin głównego silnika napędowego i w konwencjonalnych rozwiązaniach służą do wytwarzania pary nasyconej do celów grzewczych i technologicznych. Kotły te wykonywane są jako kotły z przymusowym obiegiem, a najczęściej, spotykanym typem jest kocioł typu La Monta. Całość powierzchni ogrzewalnej kotła, którą tworzą wężownice ustawione jedna nad drugą, jest podzielona na trzy sekcje, które mogą być włączane i wyłączane i tym samym umożliwiają regulację wydajności kotła stosownie do istniejącego na statku zapotrzebowania pary. Ponieważ kocioł La Monta nie ma ani przestrzeni parowej, ani wodnej, musi on być połączony ze znajdującym się poza kotłem izolowanym zbiornikiem (walczakiem) lub też z kotłem opalanym paliwem płynnym, którego przestrzeń parowa i wodna są wspólne dla obu kotłów. To drugie rozwiązanie możliwe jest wówczas, gdy przestrzeń parowa kotła pomocniczego jest wystarczająca dla pracy równoległej obu kotłów z ich pełną wydajnością. W czasie jazdy w morzu, przy pełnej mocy głównego silnika napędowego wydajność kotła utylizacyjnego zainstalowanego na pełnomorskich statkach towarowych zwykłego typu jest całkowicie wystarczająca do pokrycia zapotrzebowania na parę grzewczą. Przy zwiększonym zapotrzebowaniu pary, występującym np. w okresie zimowym, oba kotły utylizacyjny i opalany niezależnie, mogą pracować równolegle. W czasie postoju statku w porcie lub też przy częściowych obciążeniach silnika głównego pracuje tylko kocioł pomocniczy opalany olejem. Ze względu na stosunkowo niskie temperatury spalin wylotowych z silnika oraz dobrą kompensację wydłużeń cieplnych przez poszczególne wężownice, kocioł typu La Monta nie wymaga stosowania rurociągu omijającego dla spalin w stanach pracy, gdy jest on nieczynny. Konieczność wyłączania kotła z pracy przy częściowych obciążeniach silnika głównego wynika z możliwości zbytniego ochłodzenia spalin wylotowych z silnika i tym samym przekroczenie punktu rosy spalin, co mogłoby spowodować korozję niskotemperaturową kotła i przewodów wydechowych znajdujących się za kotłem. Cyrkulację wody w kotle La Monta wywołuje pompa obiegowa o wydajności 810 razy większej od wydajności kotła. Oznacza to, że w kotle utylizacyjnym tego typu jest odparowywana tylko pewna część wody tłoczonej pompą obiegową, a do zbiornika pary i wody dopływa mieszanina parowo-wodna, która ulega tam separacji. Z tego też powodu zbiornik ten nazywany jest separatorem. Para w siłowniach spalinowych może być również wytwarzana w kotłach przystosowanych zarówno do opalania olejem, jak i gazami odlotowymi z silnika. Powierzchnia ogrzewalna takich kotłów jest podzielona na dwie części: dolną opalaną palnikiem olejowym oraz górną ogrzewaną spalinami wylotowymi z silnika. Każdy ze sposobów opalania kotła może być stosowany niezależnie, lub też oba łącznie.




30

Na zbiornikowcach służących do przewozu ropy naftowej wymagane są znaczne ilości pary do ogrzewania ładunku. Do wytworzenia pary grzewczej oraz pary do napędu maszyn pomocniczych stosuje się na tych statkach kotły ogrzewane olejem opałowym, charakteryzujące się znacznymi wydajnościami.



1992.

Zagadnienie: 2.H Instalacja parowa - pomocnicza

Budowa i zasada działania instalacji. Konwencjonalna instalacja parowo-wodna, odbiory pary wodnej, bilans parowy statku, czynniki wpływające na wydajność kotła utylizacyjnego oraz regulacja jego wydajności, połączenia kotła opalanego paliwem z kotłem utylizacyjnym. Schemat podstawowy instalacji parowej pomocniczej i jej budowa. Schemat podstawowy instalacji skroplinowej, elementy instalacji (zawory, kontrola przepływu, zbiorniki obserwacyjne skroplin, chłodnice skroplin, skraplacz nadmiarowy). Schemat podstawowy instalacji zasilającej kotła, elementy instalacji (skrzynia cieplna, zbiorniki zapasowe wody kotłowej, pompy zasilające, kontrola i uzdatnianie wody, regulacja zasilania kotłów). Zasady eksploatacji instalacji parowo-wodnej (rozruch instalacji, kontrola w trakcie ruchu, odstawianie instalacji, konserwacja i czyszczenie).

Instalacje parowe grzewcze

Do celów grzewczych stosowana jest para nasycona o ciśnieniach 0.41.2 MPa. Odpowiadające tym ciśnieniom temperatury nasycenia wynoszą odpowiedni 144188 C. Stosowanie jako czynnika grzewczego pary nasyconej wynika ze znacznie korzystniejszych warunków wymiany ciepła (wyższych współczynników przejmowani ciepła) aniżeli w przypadku stosowania pary przegrzanej. Niższe ciśnienia pary rzędu 0,4 MPa wystarczają normalnie do ogrzewania wszelkich czynników znajdujących się w zbiornikach i podgrzewaczach siłowni. Większe ciśnienia pary grzewczej stosuje się w instalacjach kotłów pomocniczych produkujących parę do ogrzewania ładunku na zbiornikowcach. Stosowanie wyższych ciśnień w tym ostatnim przypadku jest podyktowane większymi spadkami ciśnienia w instalacji ze względu na większe długości rurociągów, możliwością zmniejszenia średnic rurociągów doprowadzających pary, zmniejszeniem powierzchni wymiany ciepła (z uwagi na wyższe temperatury czynnik grzewczego) oraz dążeniem do zapewnienia przepływu czynnika grzewczego i skroplin bez dodatkowych urządzeń. Para nasycona, zwykle o ciśnieniu około 0,7 MPa może być wytwarzana w kotle utylizacyjnym, w kotle opalanym paliwem płynnym lub w obu kotłach łącznie. W zależności od sposobu pracy instalacji para jest pobierana ze zbiornika pary i wody kotła utylizacyjnego, z przestrzeni parowej kotła lub też równolegle z obu urządzeń. Wytworzona w kotle (kotłach)




31

para jest doprowadzana do kilku kolektorów, grupujących odbiorniki wymagające takiego samego ciśnienia par i zapewniających możliwie najmniejszą długość rurociągów. Na rurociągach pary świeżej instaluje się zawsze odwadniacze celem zabezpieczenia rurociągów, maszyn i urządzeń przed możliwością ich uszkodzeń spowodowanych uderzeniami wodnymi. Dla ochrony instalacji przed zanieczyszczeniami instaluje się niekiedy na rurociągach dolotowych pary filtry-osadniki, których zadaniem jest zatrzymywanie drobnych, porywanych z parą zanieczyszczeń. Jeżeli wymaga się, aby ciśnienie pary doprowadzonej do poszczególnych urządzeń było niższe od ciśnienia kotłowego, instaluje się zawory redukcyjne. Zadaniem zaworu redukcyjnego jest zmniejszenie ciśnienia w rurociągu i utrzymywanie jego wartości w przybliżeniu na stałym poziomie, bez względu na wahania natężenia przepływu lub ciśnienia dolotowego przepływającego czynnika.

Ogrzewanie zbiorników i rurociągów Głównym celem ogrzewania zbiorników, w których znajdują cię ciecze o znacznej lepkości (ropa naftowa, paliwa ciężkie, oleje smarowe, oleje roślinne, oleje zwierzęce) jest zmniejszenie ich lepkości do takiego poziomu, aby możliwe było ich przepompowywanie. Podgrzewanie paliw i oleju smarowego w zbiornikach osadowych zwiększa efektywność osadzania (sedymentacji) zanieczyszczeń, natomiast podgrzewanie wody balastowej w zbiornikach, a często również i w dnie podwójnym ma zapobiec zamarznięciu wody przy niskich temperaturach otoczenia. Podgrzewanie produktów naftowych w zbiornikach umieszczonych w siłowni lub dnie podwójnym jest realizowane za pomocą wężownic grzewczych wykonanych z rur stalowych, najczęściej o średnicy 4050 mm. Ciśnienie pary stosowanej do podgrzewania zbiorników paliwa nie powinno przekraczać 0,7 MPa. Dolot pary umieszczony jest w miejscu, skąd będzie zasysane paliwo, a końcówka rurociągu ssącego jest dodatkowo ogrzewana dwoma małymi zwojami wężownicy. Wężownice do podgrzewania paliwa należy umieszczać w najniższych częściach zbiorników. Końcówki rur paliwowych w zbiornikach rozchodowych i osadowych należy umieszczać nad wężownicami grzewczymi w taki sposób, aby w miarę możliwości nie następowało wynurzanie się wężownic. Jeżeli powierzchnia dna zbiornika jest niewystarczająca dla umieszczenia wężownicy grzewczej, co czasami występuje w zbiornikach osadowych i rozchodowych paliwa, wówczas umieszcza się na odpowiedniej wysokości zbiornika drugą wężownicę grzewczą. Wężownica ta musi mieć dodatkowe zasilanie parą i odprowadzanie skroplin tak, aby możliwe było jej wyłączenie z pracy przy spadku poziomu ogrzewanej cieczy. Prędkość przepływu pary w wężownicach grzewczych powinna wynosić około 30 m/s. Jeżeli ten warunek nie może być spełniony dla jednej wężownicy, stosuje się wówczas układ równoległy wężownic, a dla zapewnienia równomiernego rozdziału pary na poszczególne wężownice instaluje się kryzy dławiące. Najwyższa temperatura podgrzanego paliwa w zbiornikach powinna być co najmniej o 10C niższa od temperatury zapłonu paliwa. Odlot skroplin z wężownic grzewczych należy odprowadzić do zbiornika kontrolnego, wyposażonego we wziernik obserwacyjny.




32

Zbiorniki ładunkowe na zbiornikowcach służących do przewozu ropy naftowej i jej produktów mogą być wyposażone w układy grzewcze zróżnicowane pod względem konstrukcyjnym. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem są wężownice grzewcze umieszczone na dnie zbiorników oraz na zewnętrznych ścianach zbiorników bocznych. Wężownice denne i boczne mają oddzielne zasilanie parą, a dla ułatwienia zasysania ładunku, przy jego wypompowywaniu ze zbiorników, końcówki rurociągu ładunkowego i resztkowego są dodatkowo ogrzewane.

Niekonwencjonalne rozwiązania instalacji parowych Poczynając od mocy silnika głównego około 6000 kW ilość pary uzyskiwanej w kotle lub kotłach utylizacyjnych w czasie normalnej jazdy w morzu wystarcza dla określonych typów silników i statków nie tylko do pokrycia potrzeb grzewczych, ale również do pokrycia istniejącego na statku zapotrzebowania na energię elektryczną poprzez zastosowanie turboparowych kondensacyjnych zespołów prądotwórczych. Uzyskanie żądanej mocy turbiny napędzającej prądnicę wymaga zastosowania zmodyfikowanych typów kotłów utylizacyjnych pozwalających na maksymalne wykorzystanie ciepła spalin odlotowych z silnika i zapewniających odpowiednie parametry (ciśnienie i temperaturę) pary dolotowej. Równocześnie zmianie ulega cała instalacja parowa, zwłaszcza po stronie skroplinowo-zasilającej, co jest spowodowane koniecznością zastosowania skraplacza powierzchniowego chłodzonego wadą morską, oraz wprowadzeniem podgrzewania wody zasilającej kocioł utylizacyjny. Zastosowanie turboprądnic utylizacyjnych pociąga za sobą znaczne podwyższenie sprawności energetycznej siłowni, ponieważ eliminuje w morzu konieczność pracy spalinowych zespołów prądotwórczych i spalania w nich dodatkowych ilości droższego oleju napędowego. Ogólnie instalacje parowe stosowane w takich układach można podzielić na dwie grupy:

1. instalacje jednociśnieniowe, 2. instalacje dwuciśnieniowe.

W instalacjach jednociśnieniowych ciśnienie pary nasyconej stosowanej do celów grzewczych jest takie samo jak ciśnienie pary przegrzanej zasilającej turbinę. W instalacjach dwuciśnieniowych ciśnienie pary przegrzanej zasilającej turbinie jest wyższe od ciśnienia pary nasyconej.



1992.

Zagadnienie: 2.I Instalacje ogólnookrętowe

Instalacja balastowa; Funkcje instalacji balastowej i zasady eksploatacji. Ogólna budowa i zasada działania pomp balastowych i zbiorników balastowych, schemat podstawowy systemu. Instalacje automatycznego balastowania. Instalacja wody sanitarnej; Schematy podstawowe systemów sanitarnych wody, ich budowa i eksploatacja. Pobieranie, przechowywanie i




33

uzdatnianie wody. Sposoby wytwarzania wody słodkiej na statku, urządzenia i ich zasada działania. Zasady bieżącej kontroli, jakości wody. Wykorzystanie wody wytworzonej w wyparownikach próżniowych do celów sanitarnych. Wymagania stawiane wodzie do picia oraz wodzie do higieny osobistej. Wymagania stawiane wodzie technicznej: do instalacji chłodzenia, zasilania kotłów parowych i innych celów. Instalacje zęzowe; Schematy ideowe instalacji zęzowej. Zabezpieczenia przed zalaniem pomieszczeń. Rozmieszczenie studzienek zęzowych, koszy ssących i osadników oraz ich połączenia z główną magistralą i pompami zęzowymi. Awaryjne ssanie zęz siłowni. Gromadzenie i postępowanie ze ściekami zaolejonymi. Odolejanie wód zęzowych. Rodzaje instalacji

Spośród wymienionych uprzednio instalacji okrętowych dodatkowo w siłowniach zainstalowane są urządzenia instalacji ogólno okrętowych takich jak:

1. Zęzowa, 2. Balastowa, 3. Przeciw pożarowa – wodna.

Instalacja zęzowa Instalacja zęzowa jest często w starszych rozwiązaniach powiązana funkcjonalnie z balastową. Pompy i ważniejsze urządzenia tych instalacji oraz ich obsługa mieszczą się w siłowni statku. Powiązane są one funkcjonalnie z instalacjami siłownianymi wody zaburtowej, a niektóre są ich pompami awaryjnymi. Pobierają też liczące się ilości energii - przeważnie elektrycznej. Zadaniem instalacji zęzowej jest zapewnienie możliwości skutecznego usuwania wody i ścieków z wszystkich przedziałów wodoszczelnych statku, zaś instalacji balastowej - napełnianie lub opróżnianie zbiorników balastowych. Oba te zadania mogą spełniać te same pompy, więc też obie instalacje przedstawiane są przeważnie jako wspólna instalacja zęzowo-balastową. Jednakże te dwie instalacje muszą być konstrukcyjnie oddzielone od siebie, gdyż ewentualność przedostania się wody z instalacji balastowej (wody zaburtowej) do instalacji zęzowej, gdzie otwarte są zakończenia rurociągów w poszczególnych przedziałach wodoszczelnych, grozi zalaniem tych przedziałów.

Wymagania Przepisy towarzystw klasyfikacyjnych szczegółowo określają wydajności pomp, ich liczbę, średnice rurociągów i stosowaną armaturę instalacji zęzowych, przede wszystkim zależnie od wielkości statku. Wymagania przepisów, zależnie od typu statku (jego przeznaczenia) mogą nieco się różnić. Przedstawione zasady doboru dotyczyć typowych statków towarowych przewożących ładunki suche. W przypadku statków pasażerskich, pogłębiarek, zbiornikowców czy innych statków specjalnych, uzyskane wartości obliczeniowe mogą być nieco inne.

Średnica magistrali zęzowej i dobór pompy zęzowej Stosownie do wymagań przepisów, średnica wewnętrzna magistrali zęzowej (główny rurociąg zęzowy w siłowni) i jej odgałęzień nie może być mniejsza od 49 mm.




34

Zgodnie z wymaganiami w siłowni muszą być dwie pompy zęzowe (główna i rezerwowa), każda o wydajności, co najmniej wynikającej ze wzoru. Jako pompa rezerwowa może być stosowana pompa balastowa. Poza głównymi pompami zęzowymi, w siłowni przeważnie instalowana jest również niewielka pompa tłokowa lub śrubowa, zwana zęzową pompą resztkową. Jej wydajność jest stosunkowo nieduża, około 5-15% wydajności głównej pompy zęzowej.

Separator zęzowy Dobór separatora zęzowego (odolejacza) na ogół dokonywany jest przez porównanie z wielkością separatorów siłowni podobnych statków podobnej wielkości. Przy założeniu prawidłowej konstrukcji i prawidłowej eksploatacji części oczyszczającej instalacji zęzowej, powinna wynosić:

1. dla statków do 1000 RT - ok. 0.5 m3/h, 2. dla statków 1000-10000 RT - ok. 0.5-3 m3/h, 3. dla statków powyżej 10000 RT - ok. 3-5 m3/h.

Instalacja balastowa

Opis instalacji W celu wyrównywania przegłębień i przechyłów statku, czy też zwiększania jego zanurzenia, gdy jest bez ładunku, trzeba zapełniać bądź opróżniać okrętowe zbiorniki denne, bądź też zbiorniki skrajnika dziobowego i rufowego. Odgałęzienia do poszczególnych zbiorników balastowych prowadzone są w podwójnym dnie statku (poprzez otwory ulżeniowe w dennikach) i dopiero w siłowni wyprowadzane są ponad dno — do skrzynek zaworowych (zawory odcinające). Te same rurociągi służą do zapełniania zbiorników balastowych, jak i do ich opróżniania. Końcówki są w postaci rozszerzających się (odwróconych) lejków, co daje możliwość większej średnicy u wylotu i tym samym przybliżenia ich do dna zbiornika - a więc dokładniejszego opróżniania. Końcówki rurociągów w zbiornikach są otwarte, a cała obsługa instalacji odbywa się w siłowni. Zbiorniki balastowe denne zalewane są wodą morską zwykle bez udziału pomp. Pompy balastowe pełnią więc głównie zadanie opróżniania zbiorników balastowych. Tłoczą wodę jedynie do zbiorników sięgających ponad linię wodną, to znaczy do zbiorników skrajnika dziobowego i rufowego. Wydajność pompy balastowej zależy od pojemności największego zbiornika balastowego. W przypadku stosowania podziału balastów na zbyt małe zbiorniki, wypadają małe średnice rurociągów i mała wydajność pompy balastowej. W praktyce przyjmuje się taką wydajność pompy balastowej, by opróżnić wszystkie zbiorniki najwyżej w ciągu 46 godzin.

Instalacja przeciw pożarowa wodna

Opis Instalacja ta nazywana jest również wodno-hydrantową instalacją przeciw pożarową. Zadaniem jej jest przede wszystkim podawanie wody zaburtowej do hydrantów na statku w celu gaszenia pożaru. Poza tym zazwyczaj jest wykorzystywana do zasilania eżektorów zęzowych i odwadniających na statku, dostarcza wody do instalacji przeciw pożarowej pianowej. Bywa, że dostarcza także wody dla celów bytowych na statku. Pompy tej instalacji




35

mogą ewentualnie służyć jako balastowe, a przy odpowiednich rozwiązaniach konstrukcyjnych także jako zęzowe. Natomiast nie można ich wykorzystywać w żadnym wypadku do pompowania paliwa i oleju smarowego.

Wymagania podstawowe W odniesieniu do instalacji przeciw pożarowej wodnej przepisy towarzystw klasyfikacyjnych stawiają szereg wymagań, które muszą być spełnione, jeśli statek ma uzyskać prawo żeglugi. Przepisy określają również niezbędne wydajności pomp przeciw pożarowych i wysokości ich podnoszenia. Poza tym przepisy określają sposób zainstalowania pomp - poniżej linii wodnej, a dla siłowni dwuprzedziałowych - w różnych przedziałach. Określają również sposób ich napędu - niezależne źródło energii mechanicznej z tym, że dopuszczalny jest także napęd elektryczny i parowy - jeśli w każdych warunkach eksploatacyjnych będzie zapewnione zasilanie.



1992.

Temat 3 (9 godzin): Urządzenia pomocnicze siłowni okrętowych

Zagadnienia: A. Pompy i układy pompowe; (2h) B. Sprężarki; (2h) C. Systemy hydrauliki okrętowej; (2h) D. Urządzenia do oczyszczania paliw i olejów; (2h) E. Wymienniki ciepła; (1h)

Zagadnienie: 3.A Pompy i układy pompowe

Podział i klasyfikacja. Bilans energetyczny pompy i układu pompowego. Wydajność, moc i sprawność pompy. Pompy: wyporowe tłokowe, zębate, śrubowe, z wirującymi cylindrami, łopatkowe – budowa i zastosowanie. Pompy wirowe kręte, przepływ cieczy przez wirnik, wysokość podnoszenia wirnika. Charakterystyki przepływu, mocy i sprawności pomp wirowych i wyporowych. Wyróżniki szybkobieżności pomp wirowych. Praca szeregowa i równoległa pomp, współpraca pomp z instalacjami. Kawitacja pomp i siły poosiowe. Pompy wirowe krążeniowe: zasada pracy, budowa. Elementy konstrukcyjne i eksploatacja pomp. Pompy strumieniowe: zasada pracy, budowa i eksploatacja.

Literatura 1. Górski Z., Budowa i działanie pompo okrętowych, Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły

Morskiej w Gdyni, Gdynia 2001.




36

Zagadnienie: 3.B Sprężarki

Wiadomości teoretyczne na temat procesu sprężania, sprawność wolumetryczna. Budowa sprężarek tłokowych, śrubowych i łopatkowych. Rozrząd sprężarek. Eksploatacja sprężarek wyporowych. Przepisy towarzystw klasyfikacyjnych dotyczące sprężarek. Sprężarki wirowe: podział i zastosowanie. Podstawy teoretyczne pracy sprężarek wirowych i wentylatorów. Wentylatory i instalacje wentylacyjne, współpraca wentylatora z siecią przewodów. Charakterystyki dławienia, mocy i sprawności. Współpraca sprężarki z przewodem i zbiornikiem. Pompowanie turbosprężarek, przyczyny, skutki i zapobieganie.

Literatura 1. Górski Z., Budowa i działanie okrętowych sprężarek, dmuchaw i wentylatorów, Fundacja

Rozwoju Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia 2006.

Zagadnienie: 3.C Systemy hydrauliki okrętowej

Hydraulika siłowa, przegląd elementów: pompy, silniki, zawory, rozdzielacze, przewody. Podstawowe schematy i przykładowe rozwiązania instalacji: pokryw lukowych, wind ładunkowych, urządzeń transportu pionowego, drzwi wodoszczelnych, symbole stosowane w hydraulice. Urządzenia sterowe, podział; zwrotność i stateczność kursowa statku. Teoria płata i obciążenia układu sterowego. Rodzaje uszkodzeń urządzeń sterowych; budowa i obsługa elektrohydraulicznej maszyny sterowej: tłokowej, łopatkowej, toroidalnej; regulacja maszyny sterowej. Przepisy towarzystw klasyfikacyjnych, eksploatacja maszyny sterowej. Śruby nastawne, budowa mechanizmów, systemy sterowania i eksploatacja.

Literatura 1. Górski Z., Wstęp do okrętowej hydrauliki siłowej, SDKO Wyższej Szkoły Morskiej w

Gdyni, Gdynia 1992.

Zagadnienie: 3.D Urządzenia do oczyszczania paliw i olejów

Zanieczyszczenia paliw i olejów oraz ich wpływ na eksploatację silników i urządzeń. Metody oczyszczania paliw, sedymentacja grawitacyjna, wirowanie, filtrowanie. Podstawy teoretyczne procesu wirowania, budowa wirówek, dobór parametrów, eksploatacja wirówek paliwowych i wirowanie olejów smarowych. Filtry; filtracja i oczyszczanie. Podstawy teoretyczne filtracji. Przegrody filtracyjne. Budowa i eksploatacja filtrów paliwowych i olejowych.

Literatura 1. Górski Z., Perepeczko A., Okrętowe filtry i wirówki, Wydawnictwo Wyższej Szkoły





37

Zagadnienie: 3.E Wymienniki ciepła

Budowa wymienników, podział, charakter wymiany ciepła, dane charakterystyczne wymienników i ich eksploatacja; Wyparowniki: rodzaje, budowa, obsługa i eksploatacja; Rodzaje korozji w wymiennikach ciepła, sposoby zapobiegania; Wpływ czynników eksploatacyjnych na sprawność wymiennika ciepła.

Literatura 1. Górski Z., Perepeczko A., Okrętowe wymienniki ciepła, Wydawnictwo Wyższej Szkoły


Temat 4 (15 godzin): Budowa i zasady eksploatacji okrętowych układów napędowych

Zagadnienia: A. Okrętowy układ energetyczny; (3h) B. Wybrane zagadnienia napędu statku; (2h) C. Charakterystyki silników okrętowych; (3h) D. Podstawowe wiadomości o pędnikach okrętowych; (2h) E. Charakterystyki napędowe statku; (2h) F. Praca głównego układu napędowego przy manewrowaniu; (2h) G. Współczesne siłownie okrętowe - tendencje rozwojowe; (1h)

Zagadnienie: 4.A Okrętowy układ energetyczny

Moc potrzebna do napędu, elektrownia okrętowa, sposoby wytwarzania energii elektrycznej na statku, energia cieplna wytwarzana na statku. Energetyka siłowni okrętowej. Sprawności okrętowych układów energetycznych. Energia zapotrzebowana do napędu statku. Zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną - bilanse. Ogólna sprawność energetyczna siłowni i sposoby jej podwyższania. Sprawność ogólna napędu i jej części składowe. Układy energetyczne siłowni okrętowych.

Układy energetyczne siłowni okrętowych Ogólne zasady Punktem wyjścia dla rozpatrzenia różnych możliwych rozwiązań układu energetycznego statku są wzajemne proporcje pomiędzy różnymi rodzajami energii zapotrzebowanej przez statek oraz ograniczenia, jakie wynikają z praktycznej realizacji poszczególnych przemian różnych rodzajów energii, Jest rzeczą oczywistą, że te proporcje i ograniczenia kształtować się będą indywidualnie dla każdego rozpatrywanego statku, jednak dla statków towarowych można przeprowadzić pewne rozważania o charakterze ogólnym, różnicując je w zależności od typu silnika napędzającego śrubę okrętową.




38

Specyfika okrętowego układu energetycznego Spełnianie przez statek znajdujący się w eksploatacji różnorodnych zadań, specyficznych dla środków długotrwałego transportu, wymaga ciągłego doprowadzania do zainstalowanych urządzeń odpowiednich rodzajów i ilości energii. Zapotrzebowanie energii, jakie stwarza istniejący na statku system energetyczny, pokrywane jest wyłącznie z zapasów paliwa znajdujących się na statku, natomiast w czasie postoju statku w porcie może być częściowo, a niekiedy i w całości, pokrywane z lądowej sieci energetycznej. Rozpatrując zapotrzebowanie energii występujące na statku z punktu widzenia funkcji, jakie spełniają poszczególne odbiorniki energii, można wyróżnić cztery ich zasadnicze grupy:

1. Odbiorniki energii napędu głównego. Uzyskanie przez statek odpowiedniej prędkości wymaga ciągłego przekazywania do pędnika lub pędników określonej energii -w formie pracy mechanicznej, której miarą jest moc głównego lub głównych silników napędowych. Moc tę uzyskuje się w silnikach cieplnych, które napędzają pędnik bądź bezpośrednio, bądź też pośrednio przez przekładnię mechaniczną, elektryczną lub hydrauliczną.

2. Odbiorniki energii urządzeń pomocniczych napędu głównego. Do tej grupy odbiorników należy zaliczać wszelkie pompy i urządzenia związane bezpośrednio z pracą silnika głównego oraz oświetlenie siłowni, wentylatory nadmuchowe i wyciągowe siłowni, sprężarki powietrza, maszynę sterową oraz napęd sterów aktywnych. Jako kryterium przynależności do tej grupy odbiorników energii można przyjąć zasadę, że obecność tych urządzeń na statku wynika z konieczności zapewnienia prawidłowych warunków eksploatacji i efektów pracy głównego silnika napędowego.

3. Odbiorniki energii urządzeń pomocniczych ogólnookrętowych. Grupę urządzeń pomocniczych ogólnookrętowych, zwanych również urządzeniami obsługi statku, stanowią te urządzenia, których zadaniem jest zapewnienie załadunku i wyładunku towarów, właściwego stanu przewożonego ładunku, bezpieczeństwa przeciwpożarowego, prawidłowej nawigacji itp.

4. Odbiorniki energii urządzeń hotelowych i sprzętu gospodarczego. Grupę urządzeń hotelowych i sprzętu gospodarczego stanowią te urządzenia, które związane są bezpośrednio z obecnością załogi i pasażerów na statku. Zadaniem tej grupy urządzeń jest zapewnienie ludziom na statku odpowiednich warunków bytowych, a nawet pewnego komfortu.

Zapotrzebowanie energii do napędu statku Miarą zapotrzebowania energii do napędu statku jest moc na wale, przez którą należy rozumieć moc na wale lub wałach napędowych netto, uzyskiwaną z głównego lub głównych silników napędowych z uwzględnieniem obecności wszelkich urządzeń redukujących prędkość obrotową, sprzęgieł, łożysk oporowych oraz napędów pomocniczych. Moc dostarczona do pędnika, czyli moc na stożku śruby jest mniejsza od mocy na wale o straty występujące we wszystkich łożyskach linii wału. Moc na wale jest zawsze mniejsza od mocy użytecznej silnika o straty występujące w przekładni oraz moc potrzebną do napędów pomocniczych.




39

Statki napędzane wysokoprężnymi silnikami spalinowymi Dla współczesnych statków towarowych napędzanych wysokoprężnymi silnikami spalinowymi maksymalne zapotrzebowanie energii elektrycznej w czasie jazdy w morzu nie przekracza kilku ( 5%) energii potrzebnej do napędu statku, a zapotrzebowanie ciepła (z wyłączeniem potrzeb na podgrzewanie ładunku na zbiornikowcach) nawet do 20% energii potrzebnej do napędu statku. Pokrycie tego zapotrzebowania na statkach może być realizowane w różny sposób. Najprostszym, lecz równocześnie najmniej ekonomicznym sposobem, jest przetwarzanie energii w niezależnych urządzeniach — silniku głównym, zespołach prądotwórczych i kotle. Każde z tych urządzeń pracując z określoną sprawnością wymaga doprowadzenia odpowiedniej energii w postaci paliwa. Uzyskany w ten sposób układ energetyczny jest układem bez utylizacji ciepła odpadowego i charakteryzuje się tym, że straty energetyczne układu są równe sumie strat energetycznych poszczególnych urządzeń. Analizując rozpływ energii i proporcje występujące pomiędzy poszczególnymi rodzajami energii, można dojść do wniosku, ze układ taki nie wyczerpuje wszystkich możliwości (rys. 1).

Mainpropulsion unit

Auxiliaryengine

Steamboiler

Exhausts and cooling

Exhaustsand cooling

Steam

Electric

Mechanical Exhaustsand coolng

Fuel

Fuel

Fuel

Rys. 2. Podstawowy układ energetyczny siłowni okrętowe

Statki napędzane turbinami parowymi Na statkach napędzanych turbiną parową udziały poszczególnych rodzajów zapotrzebowanej energii kształtują się nieco inaczej niż dla statków napędzanych wysokoprężnymi silnikami spalinowymi. Maksymalne zapotrzebowanie energii elektrycznej dla mocy napędowych rzędu 10 000 kW nie przekracza wartości 5% i maleje przy większych mocach do około 3%. Również zapotrzebowanie ciepła (pomijając potrzeby związane z podgrzewaniem ładunku na zbiornikowcach) jest mniejsze i zawiera się w granicach do ok. 10% energii potrzebnej do napędu statku. Charakterystyczną cechą układów energetycznych stosowanych na statkach o napędzie turbinowym jest stosowanie daleko posuniętej zasady regeneracji strat cieplnych. Mniejsze zapotrzebowanie energii elektrycznej w siłowniach parowych w porównaniu z siłowniami spalinowymi wynika ze stosowania napędu parowego urządzeń pomocniczych zamiast napędu elektrycznego. Parowy napęd urządzeń pomocniczych jest zawsze korzystniejszy pod




40

względem energetycznym od napędu elektrycznego we wszystkich tych przypadkach, gdzie istnieje możliwość wykorzystania energii pary odlotowej z tych urządzeń.

Wskaźniki i parametry siłowni W czasie projektowania i eksploatacji siłowni okrętowych występuje potrzeba ich analiz, porównywania różnych rozwiązań oraz oceny merytorycznej. Pomocne w tym są wskaźniki charakteryzujące (umownie) układy napędu głównego, elektrownie okrętowe i całe siłownie. Wskaźniki te nie są uniwersalne, a każdy z nich charakteryzuje siłownię, czy też tylko układ napędowy, w jakimś aspekcie (tylko pod jakimś względem). Najważniejsze wskaźniki z nich to: Ekonomiczne - decydują o wynikach finansowych statku, a przede wszystkim o kosztach

paliwa, oleju smarowego, amortyzacji, kosztach załogowych i innych kosztach materiałowych.

Eksploatacyjne - niezawodność pracy siłowni, przeciążalność silników napędu głównego, zdolność wykonywania manewrów, dopuszczalne okresy między-remontowe i koszty tych remontów.

Energetyczne – główne techniczne parametry: sprawności, jednostkowe zużycie paliwa, moce i momenty, jako ze decydują o prędkości statku, tym samym - chociaż pośrednio decydują także o jego efektach ekonomicznych.

Dla tak złożonych i różnorodnych układów technicznych, jakimi są siłownie okrętowe, wskaźniki energetyczne muszą być ściśle zdefiniowane i jednoznacznie interpretowane. W przeciwnym razie mogą zaistnieć poważne przekłamania, tym bardziej, że występują także pewne zbieżności w nazewnictwie (np. sprawność napędowa i sprawność napędu). Dla silników wolnoobrotowych napędzających bezpośrednio śrubę, moc na sprzęgle równa jest mocy oddawanej na wał napędowy. W przypadku silników średnio i szybkoobrotowych zwykle jest konieczne stosowanie przekładni, a wówczas moc przekazywana na wał jest mniejsza od mocy na sprzęgle o straty w przekładni. Moc przekazywana śrubie okrętowej jest mniejsza od mocy na wale o straty linii wału, moc tę nazywamy mocą na stożku śruby. Z kolei dalsze straty napędowe są związane z pracą śruby i tylko część mocy dostarczanej do śruby, zostaje efektywnie wykorzystana do napędu statku, tzn. do pokonania jego oporów ruchu. Ta część mocy jest określana jako moc holowania. Moc użyteczną lub efektywną (zewnętrzną), tłokowych silników spalinowych, jeśli ma być dokładnie pomierzona, mierzy się na hamowniach. W warunkach eksploatacyjnych siłowni okrętowych, moc określa się na wale pośrednim za pomocą torsjometru, poprzez pomiar momentu obrotowego i prędkości obrotowej. Ten sposób pomiaru może być obarczony błędem nawet do ok. 3%. Podobnie jak moc, dzielimy moment obrotowy silnika i wyróżniamy:

moment użyteczny, moment na wale, moment na stożku śruby.

Wskaźniki energetyczne siłowni konkretnego statku przeważnie odnoszone są do mocy jego napędu głównego. Nie są one wielkościami stałymi - zależą od aktualnie rozwijanej mocy napędu. Na rysunku (w dalszej części) zobrazowano zależność dwóch wskaźników




41

energetycznych siłowni w funkcji mocy rozwijanej przez napęd główny. Maksimum sprawności energetycznej siłowni a tym samym minimum jednostkowego zużycia paliwa przez siłownię odpowiada mocy napędu głównego (0,80,9), co jest prawidłowością dla statków towarowych. Poza wymienionymi trzema rodzajami wskaźników występuje wiele innych, dotyczących siłowni okrętowych, takich jak wskaźniki:

masowe i gabarytowe (jednostkowe masy i jednostkowe gabaryty) silników, mechanizmów, urządzeń, instalacji oraz całych siłowni - szczególnie przydatne na etapie projektowania,

technologiczności, standaryzacji, unifikacji, ergonomiczne, dopuszczalnych poziomów drgań w siłowni, hałasu, mikroklimatu, to znaczy temperatury, wilgotności i zanieczyszczeń powietrza.

Literatura 1. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom I, Politechnika Gdańska, 1991 – 1992, 2. Urbański P., Gospodarka energetyczna na statkach, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk

1978.

Zagadnienie: 4.B Wybrane zagadnienia napędu statku

Opory pływania, charakterystyka oporowa okrętu. Opór konstrukcyjny, czynniki wpływające na opory eksploatacyjne statku, zależność oporu okrętu od prędkości statku.

Charakterystyka oporowa statku

Podstawowe pojęcia i określenia Typy statków Zależnie od właściwości przewożonego ładunku, a czasami od sposobu jego przewożenia, załadunku lub rozładunku statki mogą się dzielić na różne kategorie i klasy. Kategoria statków największych zawiera:

1. Tankowce – w tym do przewozu: produktów płynnych, gazowych i produktów chemicznych,

2. Masowce – do przewozu: ziarna, rud i węgla, 3. Kontenerowce.

Mogą występować też statki spełniające kombinację funkcji transportowych. Linie załadowania statku Linia załadowania statku (wodnica) oznaczona jest przez znak wolnej burty (Plimsoll Mark) w połowie długości statku. Odnosi się do przepisów IMO wskazując bezpieczne załadowanie statku do określonej pory roku i zasolenia wody. Znaki zawierają, więc punkty odpowiadające




42

wodzie słodkiej i morskiej z dalszymi podziałami dla warunków tropikalnych, letnich i zimowych. Zgodnie z międzynarodowym prawem wolnej burty zanurzenie letnie, wolnej burty odpowiada zanurzeniu konstrukcyjnemu (wymiarowanie konstrukcyjne kadłuba statku).

Wielkość statku – wskaźniki Wyporność i nośność Kiedy statek w stanie załadowanym pływa w określonym stanie zanurzenia – do linii zanurzenia, jego wyporność (displacement) jest równoważna masie wody wypartej przez zanurzoną część jego kadłuba. Wyporność określa, więc całkowitą wagę równoważną załadowanego statku w wodzie morskiej o gęstości 1.025 t/m3. Wyporność zawiera: część odpowiadającą masie statku (light weight) i jego nośność (deadweight), gdzie nośność jest równa pojemności (ciężar wypartej wody) załadowanego statku, wliczając w to paliwo i inne materiały niezbędne eksploatacyjne. Nośność (deadweight) przedstawia, zawsze różnicę pomiędzy aktualną wypornością i wyporem odpowiadającym wadze statku (light weight) – wyrażoną w tonach. Wypór (ciężar pustego statku) statku zwyczajowo nie określa jego wielkości, w przeciwieństwie do nośności (dwt), bazując na jego pojemności ładunkowej z uwzględnieniem paliwa i materiałów eksploatacyjnych, wyrażonej w tonach przy zanurzeniu konstrukcyjnym (do wodnicy konstrukcyjnej). Nieraz nośność ładunkowa (dwt) może odnosić się wodnicy projektowej, lecz wtedy jest to podawane. Zasadnicze związki pomiędzy wypornością statku, wyporem i jego nośnością przy letnim zanurzeniu pokazują wartości współczynników w tabeli poniżej. Wyporność statku może być także wyrażona jako objętość wypartej wody w m3.

Wskaźniki opisu kadłuba Jest oczywistym, że dla określenia właściwości napędu istotną jest zanurzona część kadłuba statku (poniżej wodnicy). Wymiary kadłuba, które to opisują odnoszą się do zanurzenia projektowego, który jest mniejsze lub równe zanurzeniu konstrukcyjnemu. Wybór zanurzenia projektowego zależy od założeń dotyczących: stopnia załadowania statku. Najczęściej zawiera się w przedziale pełnego załadowania i stanu pod balastem. Długości statku – LOA, LWL, LPP.

1. Całkowita długość statku LOA – odległość pomiędzy najbardziej wysuniętymi elementami dziobu i rufy statku, mierzona wzdłuż osi symetrii statku.

2. Długość statku po wodnicy konstrukcyjnej LWL – odległość pomiędzy punktami przecięcia wodnicy konstrukcyjnej i najbardziej wysuniętymi elementami dziobu i rufy statku, mierzona wzdłuż osi symetrii statku.

3. Długość statku miedzy pionami LPP – długość pomiędzy pionami: dziobowym (przecięcie wodnicy konstrukcyjnej) i rufowym (oś steru).

Zanurzenie konstrukcyjne – D. Zanurzenie (draught - często oznaczane w literaturze też przez T), jest definiowane jako odległość od wodnicy konstrukcyjnej do punktu najgłębszej zanurzonej części kadłuba. Zanurzenie dziobowe - DF i rufowe - DA ma taką samą wartość przy załadowanym statku i trymie zerowym – równej stępce. Szerokość konstrukcyjna( po wodzie) – BWL.




43

Szerokość kadłuba po wodzie – największa szerokość statku na wodnicy konstrukcyjnej w osi prostopadłej. Współczynnik pełnotliwości – CB Używa się wiele współczynników do opisu kształtu kadłuba. Jednym z najważniejszych jest współczynnik pełnotliwości (block coefficient), określający stosunek objętości równej wyporności i objętości sześcianu utworzonego przez wymiary statku na wodnicy konstrukcyjnej (długości, szerokości i zanurzenia). Współczynnik przekroju wodnicowego - CWL Współczynnik przekroju wodnicowego (Water plane area coeficient) wyraża zależność; powierzchni pola na wodnicy konstrukcyjnej kadłuba AWL do pola prostokąta o bokach równych długości LWL i szerokości BWL. Współczynnik owręża – CM. Współczynnik owręża wyraża stosunek pola powierzchni owręża (zanurzona część kadłuba na śródokręciu w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej) – AM i pola powierzchni prostokąta o bokach BWL i D. Współczynnik pełnotliwości wzdłużnej – CP. Współczynnik ten wyraża zależność pomiędzy wypornością kadłuba do iloczynu pola owręża AM i długością statku po wodnicy LWL. Wzdłużny środek wyporu – LCB. Współczynnik ten wyraża położenie środka wyporu zdefiniowanego jako odległość do połowy dystansu pomiędzy pionami; rufowym i dziobowym. Odległość ta zwykle podawana jest jako wartość procentowa długości pomiędzy pionami. Może mieć wartość dodatnią gdy znajduje się na odcinku do dziobu lub ujemną gdy znajduje się na odcinku do rufy. Dla statków szybkich takich jak kontenerowce LCB będzie ujemne, a dla statków wolnych (masowce i tankowce) LCB będzie dodatnie. Wartość LCB zawiera się zwykle w przedziale +3% -3%. Współczynnik smukłości – CLD. Współczynnik ten nazywany również jako stosunek długości do wyporności określony jest przez zależność długości statku po wodzie (wodnicy konstrukcyjnej) do pierwiastka trzeciego stopnia z wartości wyporności statku.

Opór kadłuba statku

Charakterystyki ustalonych stanów pływania Rozróżniamy dwie różne postacie ruchu statku:

1. z jednostajną prędkością po linii prostej - stan ustalony pływania, 2. niejednostajny, ze zmieniającą się prędkością na przykład w czasie manewrów

ruszania statku, przyspieszania, hamowania, przejścia na ruch w przeciwnym kierunku, wykonywania cyrkulacji itp., to znaczy procesy przejściowe pływania.

Ruch na fali, nawet ze średnią ustaloną prędkością, także jest właściwie w jakimś stopniu dynamiką pływania - istnieje przecież ruch statku „na falę" i „z fali". Zrozumiałe, że w pierwszym przypadku, urządzenia pracują z ustalonymi parametrami (statyka pracy), zaś w drugim wskutek zmian obciążenia zmieniają się parametry ich pracy, zachodzą procesy




44

przejściowe (dynamika pracy). W czasie procesów przejściowych występują zazwyczaj duże obciążenia, a nawet przeciążenia podzespołów układów napędowych, w tym przede wszystkim silników głównych napędu.

Siły oporu Na kadłub statku z własnym napędem, poruszający się ruchem jednostajnym, z

prędkością v po spokojnej wodzie, działają siły poziome: R - siła oporu kadłuba statyki pływania działająca przeciwnie do kierunku ruchu

statku; T - siła ssania jako skutek pracy śruby, która wywołuje obniżone ciśnienie wody w

obszarze rufy statku - jest skierowana w kierunku odwrotnym do ruchu statku; T - siła naporu śruby jako efekt działania śruby napędowej - działa zgodnie z

kierunkiem ruchu statku. Siła T, jest to zapotrzebowany (konieczny) napór śruby, by zapewnić ruch statku z ustaloną, prędkością v. Dla ruchu ustalonego, wyżej wymienione siły wzajemnie się równoważą. Mówimy, że w czasie pracy okrętowego układu napędowego śruba wytwarza siłę naporu T, której tylko część TN jest siłą napędzającą statek (pokonywanie oporu R). Pozostała część T, zwana siłą ssania śruby, równoważny wzrost oporu wywołany obniżonym ciśnieniem wody za rufą wskutek pracy ssania śruby. Wyznaczenie siły oporu R odgrywa istotna rolę w prawidłowym doborze układu napędowego – śruby i silnika głównego. Opór statku dla ruchu z ustaloną prędkością zależy od następujących czynników:

prędkości statku, wymiarów głównych (wielkości statku) i kształtu kadłuba, zanurzenia statku (stanu załadowania) oraz jego przegłębień, stanu powierzchni kadłuba, głębokości i szerokości akwenu pływania, warunków pogodowych (stanu morza, siły i kierunku wiatru).

Oddziaływanie wody na ciało poruszające się z prędkością V związane jest z siłą ciśnienia dynamicznego. Wartość siły ciśnienia dynamicznego służy do określenia i pomiaru oporu kadłuba R przy pomocy bezwymiarowego współczynnika oporu C. Dalej, współczynnik C pozostaje w określonej relacji do siły odniesienia K, zdefiniowanej jako siła ciśnienia dynamicznego wody, przy prędkości statku V oddziałuje na powierzchnię równą powierzchni zwilżonej kadłuba AS. Aby dokonać oceny wielkości oporu całkowitego można wyróżnić trzy podstawowe składowe:

1. opór tarcia, części zanurzonej kadłuba, 2. opór powietrza, części wynurzonej kadłuba, 3. opór pozostałościowy.

1. Opór tarcia – RF zanurzonej w wodzie części kadłuba zależy od wielkości powierzchni zwilżonej kadłuba AS i jednostkowego współczynnika tarcia CF. Opór tarcia ulega zwiększeniu w przypadkach: porastania powierzchni kadłuba, zmianie chropowatości itd. Opór tarcia nie ma wartości stałej i zmienia się wraz z prędkością statku. Przyjmuje się w uproszczeniu: RF V2




45

2. Opór powietrza - RA, przy spokojnej pogodzie jego wielkość jest proporcjonalna do kwadratu prędkości i proporcjonalna do powierzchni przekroju poprzecznego nadwodnej części statku. Z reguły opór powietrza ma wartość około 2% całkowitego oporu.

3. Opór pozostałościowy – RR zawiera dwa główne składniki: opór falowania i opór wirów. Pierwszy składnik odnosi się utraty energii spowodowanej falami wytworzonymi przez statek poruszający się w wodzie. Drugi ma związek z rozdziałem strug wywołujących wiry, szczególnie w części rufowej statku

Opór holowania będzie sumą trzech omówionych składników: ARFT RRRR

Odpowiadająca sile holowania, moc nazywana jest przez analogię mocą holowania Pe jest zdefiniowana jako moc niezbędna do holowania statku z prędkością V, można to wyrazić:

TE RVP Na sfalowanym morzu opór kadłuba okresowo się zmienia, jednakże w praktyce zwykło się przyjmować wartości uśrednione i proces traktować jako pływanie z ustaloną prędkością. Wielkość oporów pływania zazwyczaj określa się bądź drogą obliczeniową, bądź dokładniej poprzez badania modelowe. Dla celów praktycznych opór całkowity R można podzielić na opór konstrukcyjny RK oraz na dodatkowe opory eksploatacyjne R. Opór konstrukcyjny RK jest to opór statku w ściśle określonych warunkach pływania, precyzowanych z reguły w umowie pomiędzy armatorem a stocznią w trakcie kontraktowania. Opór ten odnosi się do statku:

nowego, zanurzonego do wodnicy konstrukcyjnej (w dobrym stanie technicznym, o gładkiej, nie obrośniętej powierzchni),

w dobrych warunkach pogodowych (siła wiatru do 3°B, stan morza do 2), na wodzie nieograniczonej (głębokość wody na ogół powyżej 8 zanurzeń statku,

szerokość wody nieograniczona). RRR K

Opór konstrukcyjny można uważać za cechę konstrukcyjną statku, którą armator otrzymuje wraz ze statkiem. Przedmiotem umowy (kontraktu) nie jest jednak opór konstrukcyjny statku, zwłaszcza, że jego pomiar w trakcie prób zdawczo-odbiorczych byłby przedsięwzięciem bardzo skomplikowanym. Umowa kontraktu określa prędkość kontraktową statku VK przy kontraktowym obciążeniu silnika PEK. Znajomość oporu konstrukcyjnego przy prędkości kontraktowej jest niezbędna dla doboru napędu.

Ponieważ próba morska statku nowego jest przeprowadzana pod balastem, to prognoza z badań modelowych obejmuje zarówno zanurzenie konstrukcyjne jak też zanurzenie balastowe statku. Porównując wyniki próby prędkości statku i obciążenia silnika w warunkach balastowych z prognozą dla statku załadowanego można ocenić, czy zostały spełnione warunki kontraktu.

Dodatkowe opory eksploatacyjne R są wywołane czynnikami eksploatacyjnymi różniącymi się od warunków konstrukcyjnych. Do tych czynników można zaliczyć:

1. Pogarszanie stanu technicznego kadłuba. Wywołane jest ono czynnikami fizykochemicznymi i biologicznymi, do których zalicza się: korozję, nieprawidłowe wykonanie zabiegów konserwacyjnych, uszkodzenia powłok ochronnych, uszkodzenia




46

miejscowe kadłuba ogólne odkształcenia wywołane oddziaływaniem fali i starzeniem kadłuba oraz obrastanie kadłuba organizmami żywymi.

2. Mniejsze od konstrukcyjnego zanurzenie statku. Ten przyrost oporu może być ujemny na skutek zmniejszenia powierzchni zwilżonej kadłuba.

3. Pogorszenie warunków pogodowych. Wzrost oporu z tego powodu zależy z jednej strony od warunków pogodowych to jest; od siły i kąta kursowego wiatru oraz od stanu morza, kąta kursowego fali, jej długości i wysokości.

4. Pływanie na wodzie o ograniczonej głębokości i szerokości. Przyrosty oporu na wodzie o ograniczonej głębokości zależą przede wszystkim od stosunku średniego zanurzenia do głębokości wody oraz od szybkości statku.

5. Szczególne warunki pływania: na rzekach, pływanie w lodach, nieprawidłowe sterowanie.

Charakterystyka oporowa statku Charakterystyką oporową (krzywą oporów) statku z różnymi prędkościami v, nazywa się zbiór zależności R = f(v), przy założeniu ustalonych stanów pływania. Pogorszenie warunków pływania, powoduje, że przy tej samej prędkości statku następuje zwiększenie oporu jego ruchu i tym samym przesunięcie punktów charakterystyki oporowej ku górze - charakterystyka przesuwa się w lewo. W razie polepszenia warunków pływania następuje zjawisko odwrotne - charakterystyka oporowa przesuwa się w prawo. Przy wyższych prędkościach statku opór falowania a więc i całkowity wzrasta zmieniając funkcyjnie moc zapotrzebowaną. Rzeczywiste charakterystyki oporowe nie są regularnymi parabolami, a więc także charakterystyki śrubowe mocy i momentu nie są regularnymi krzywymi trzeciego i drugiego stopnia. Pracę śruby napędowej i obciążenie silnika określają następujące parametry:

napór wytwarzany przez śrubę, moment zapotrzebowany przez śrubę, moc zapotrzebowana przez śrubę, prędkość obrotowa śruby, prędkość dopływu wody do śruby.

Współzależność pomiędzy wyżej wymienionymi pięcioma parametrami śruby określają krzywe odpowiadające określonej śrubie na wykresie charakterystyk hydrodynamicznych danej serii śrub swobodnych. Spośród wielu możliwych charakterystyk oporowych R= (v) (zależnie od warunków zewnętrznych), jedna jest przyjęta, jako projektowa (konstrukcyjna). Wtedy charakterystyki śrubowe mocy i momentu sporządzone dla tej charakterystyki oporowej, także noszą nazwę projektowych (konstrukcyjnych) charakterystyk śrubowych mocy czy też momentu. Jeśli natomiast bazą dla krzywej śrubowej byłyby np. krzywe oporów w pogorszonych warunkach pływania statku, wówczas i krzywe śrubowe mocy czy też momentu także będą przesunięte w lewo względem projektowej. Odwrotnie jest w razie warunków lżejszych od nominalnych (np. mniejsze załadowanie statku, wiatr od rufy).




47

Literatura 1. Chachulski K., Podstawy napędu okrętowego, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1988, 2. Rawson, K.J.; Tupper, E.C., Basic Ship Theory, Elsevier, 2001, 3. Tupper, Eric C., Introduction to Naval Architecture, Elsevier, 2004, 4. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom III, Politechnika Gdańska, 1991 –

1992.

Zagadnienie: 4.C Charakterystyki silników okrętowych

Rodzaje charakterystyk pracy silników okrętowych. Charakterystyki: w funkcji prędkości i obciążenia, regulacyjne oraz specjalne (uniwersalna – ogólna). Pola pracy silników głównych. Pojęcie obciążenia znamionowego silnika, pola doboru silników napędu głównego, deklarowane przez wytwórców pola obciążeń silników głównych. Ograniczenia eksploatacyjne minimalnych i maksymalnych obciążeń silników, czynniki eksploatacyjne wpływające na te ograniczenia, dopuszczalne przeciążenie silników głównych.

Charakterystyki silników okrętowych Charakterystykę silnika obrazuje wykreślne lub analityczne przedstawienie jednego lub kilku wskaźników pracy silnika w funkcji innego wskaźnika, wpływającego na pracę silnika. Charakterystyki służą do oceny wybranych własności silnika w całym zakresie jego pracy. Ze względu na zmienną niezależną, charakterystyki dzieli się na:

1. prędkościowe, w funkcji prędkości obrotowej silnika, 2. obciążeniowe, w funkcji obciążenia silnika, 3. regulacyjne, w funkcji wielkości regulacyjnej silnika, 4. ogólne, zwane również uniwersalnymi.

Charakterystyki prędkościowe W grupie charakterystyk prędkościowych wyróżnia się charakterystyki:

1. Wykonane dla stałej nastawy paliwa, nazywane są również charakterystykami stałego momentu.

2. Wykonane dla zmiennej nastawy, nazywane charakterystykami śrubowymi. W pierwszym wypadku dawka paliwa na cykl pozostaje stała (bc=const), natomiast w drugim (bc=var) dobierana jest tak, aby moc rozwijana przez silnik była równa mocy zapotrzebowanej przez śrubę okrętową. Pod względem sposobu regulacji układów zasilających silnik, rozróżnia się charakterystyki:

1. mocy maksymalnej, 2. granicy dymienia, 3. eksploatacyjne i biegu jałowego.

Ten typ charakterystyk najczęściej przedstawiany jest w postaci wykresów funkcji: nfPe

Uzupełniane są one na ogół wykresami takich funkcji, jak:

nfTtq nfpe nfB nfb




48

gdzie: Ttq - moment obrotowy silnika, pe — średnie ciśnienie użyteczne, B - godzinowe zużycie paliwa, b - jednostkowe zużycie paliwa

Charakterystyka mocy maksymalnej, nazywana również absolutną lub bezwzględną, jest określona zależnością największej osiągalnej mocy użytecznej Pe=f(n) przy wydatku paliwa odpowiadającym tej mocy oraz optymalnej regulacji urządzeń zasilających silnik dla poszczególnych prędkości obrotowych silnika. Jest ona pojęciem teoretycznym, ponieważ praktycznie nie istnieje możliwość optymalnej regulacji urządzeń zasilających dla wszystkich prędkości obrotowych, szczególnie zaś okresów rozrządu wymiany ładunku (otwarcie i zamknięcie zaworów) i układu wtryskowego paliwa (parametry wtrysku). Charakterystyka dymienia jest to zależność Pe=f(n) przy stałej nastawie dawki paliwa odpowiadającej umownym objawom dymienia silnika (widoczne zanieczyszczenie spalin sadzami). Ogranicza ona pole rzeczywistych, możliwych do realizacji stanów silnika o określonym stopniu zadymienia spalin. Sporządza się ją w ten sposób, że dla różnych prędkości obrotowych silnika wyznacza się moc, przy której w spalinach zaczynają się pojawiać sadze. Charakterystyki eksploatacyjne leżą poniżej krzywej dymienia i przedstawiają zależność trwałej mocy użytecznej silnika Pe=f(n) przy ograniczonej nastawie paliwa i optymalnej regulacji dokonanej dla mocy znamionowej. Charakterystykę mocy znamionowej wykonuje się przy stałej nastawie paliwa odpowiadającej mocy znamionowej, przy znamionowej prędkości obrotowej. Do analizy charakterystyk prędkościowych wykorzystuje się następujące zależności:

npCP ee

nTCP tq1e

e2tq pCT

mvi

3e Cp

o

o

tp

d3 T

PLR

WC

gdzie:

C1, C2, C3, C4 - wielkości stałe dla danego silnika, v - współczynnik napełnienia, m - sprawność mechaniczna silnika, R - uniwersalna stała gazowa, Ltp - teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania, Po i To - ciśnienie i temperatura otoczenia.




49

W silniku bez doładowania, średnie ciśnienie (pe) osiąga wartość maksymalną dla niższych prędkości obrotowych. Zmiany współczynnika nadmiaru powietrza spowodowane są tym, że dla mniejszych prędkości obrotowych zmniejsza się ilość gazów spalinowych doprowadzonych do turbiny, co powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej sprężarki i ciśnienia doładowania, co powoduje zmniejszenie gęstości i współczynnika nadmiaru powietrza. Charakterystyki prędkościowe przedstawia się na ogół w postaci pęku krzywych dla różnych wskaźników obciążenia. Odmienny charakter mają charakterystyki prędkościowe dla zmiennej nastawy paliwa (ht = var), do których należą charakterystyki śrubowe. W takiej sytuacji stany robocze silnika określają punkty przecięcia charakterystyki odbiornika – czyli śruby, z charakterystykami prędkościowymi silnika. Na krzywej śrubowej praca silnika może się odbywać przy zmieniającej się dawce paliwa na cykl, zgodnie z punktami przecięcia krzywej śrubowej z charakterystykami prędkościowymi silnika. Dla bezpośredniego napędu śruby okrętowej, prędkość obrotowa silnika jest równa prędkości obrotowej śruby. Oznacza to, że moment obrotowy silnika (Ttqs)jest równy momentowi obrotowemu (Ttqś) śruby napędowej (pomijając straty transmisji mocy), a moc rozwijana przez silnik (Pe - mocy pobieranej przez śrubę Ps).

2tqśtqs nKTT

se PP gdzie:

K - współczynnik proporcjonalności zależny od wymiarów geometrycznych śruby (H/D), H - skok śruby. D - średnica śruby.

Charakterystyki obciążeniowe Charakterystyki obciążeniowe przedstawiają zależność wybranych parametrów pracy silnika w funkcji parametru charakteryzującego obciążenie silnika. Parametrem niezależnym może być w tym wypadku moc efektywna (Pe), moment obrotowy (Ttq), średnie ciśnienie efektywne (pe), nastawa paliwa (ht) itp. Pęk charakterystyk na wykresie zawiera takie krzywe, jak:

1. Jednostkowego i godzinowego zużycia paliwa: ePfb ePfB

2. Zużycia powietrza: ep PfG

3. Maksymalnego ciśnienia spalania: emax PfP

4. Sprawności mechanicznej i ogólnej: em Pf ee Pf

Charakterystyki obciążeniowe silnika Sulzer typu 6Al25/30 przedstawione na rysunku wskazują, że najkorzystniejsze wskaźniki ekonomiczne i energetyczne uzyskuje silnik w przedziale obciążeń eksploatacyjnych. Charakterystyki obciążeniowe silnika służą do oceny ekonomiczności silników pracujących przy stałej prędkości obrotowej.




50

Charakterystyki regulacyjne Charakterystyki regulacyjne przedstawiają zależność wybranych parametrów pracy silnika w funkcji wielkości regulowanej. Zmienną niezależną może być każda wielkość regulowana w silniku, na przykład kąt wyprzedzenia wtrysku, ciśnienie wtrysku, współczynnik nadmiaru powietrza, temperatura powietrza za chłodnicą, temperatura wody chłodzącej cylindry itp. Charakterystyki regulacyjne zawierają informacje wykorzystywane przy regulacji silników podczas okresowej obsługi lub remontu, a ich przebieg (płaski lub stromy) stanowi jednocześnie wskaźnik wymagań w zakresie stopnia dokładności nastawy poszczególnych parametrów regulacyjnych.

Charakterystyki uniwersalne Charakterystyki uniwersalne, zwane również ogólnymi, stanowią wykresy stałych wartości mocy użytecznej, jednostkowego zużycia paliwa, maksymalnego ciśnienia spalania i innych parametrów. Sporządzane są one w układzie współrzędnych Pe - n lub pe - n. Krzywe stałych mocy, w układzie współrzędnych pe - n, są hiperbolami o równaniu:

CPnp e

e

Natomiast w układzie Pe - n, średnie ciśnienie efektywne jest wprost proporcjonalne do współczynnika kierunkowego prostej:

nAnpCP ee gdzie:

constpCA e Krzywe zmienności poszczególnych parametrów sporządza się na podstawie wyników pomiarów, bądź odpowiedniej liczby uprzednio sporządzonych charakterystyk obciążeniowych dla różnych prędkości obrotowych i obciążeń silnika.

Pole pracy silnika Warunki współpracy silnika z odbiornikiem zależą w istotny sposób od charakterystyki odbiornika. Na wał napędowy działają momenty silnika (Ttqs) i odbiornika (Ttqś), równe co do wielkości i przeciwnie skierowane. Punkt pracy układu napędowego wyznacza punkt przecięcia się charakterystyk silnika i odbiornika, to znaczy równość momentów:

tqśtqs TT Warunkiem stabilnej pracy układu napędowego jest przecinanie się charakterystyk silnika i odbiornika pod możliwie dużym kątem, przy jednoczesnym spełnieniu następujących nierówności:

1. w zakresie prędkości obrotowej (n) mniejszych od eksploatacyjnej (ne), to znaczy dla n<nn moment obrotowy silnika (Ttqs) musi być większy od momentu odbiornika (Ttqś), czyli musi być spełniona nierówność Ttqs>Ttqś w przeciwnym razie każde zakłócenie równowagi mogłoby spowodować zatrzymanie silnika,

2. w zakresie prędkości obrotowych n>nn momenty muszą spełniać warunek odwrotny do Ttqs<Ttqś w przeciwnym razie zakłócenie równowagi mogłoby spowodować rozbieganie się silnika.




51

Utrzymanie stabilnej pracy zespołu napędowego przy zmiennym zapotrzebowaniu przez odbiornik mocy wymaga, zatem bieżącej regulacji momentu obrotowego silnika, to znaczy regulacji nastawy paliwa. Obszar współpracy silnika i odbiornika ograniczają od góry (wartości maksymalne) i od dołu (wartości minimalne) ich charakterystyki graniczne, z uwagi na warunki pracy tych zespołów. Silnik okrętowy napędu głównego może pracować ze śrubą o stałym i zmiennym skoku. Pole pracy silnika ograniczone jest: charakterystykami mocy dla znamionowej lub eksploatacyjnej nastawy paliwa, charakterystyką śrubową dla pracy na uwięzi, charakterystykami regulatorowymi dla minimalnej i maksymalnej prędkości obrotowe, charakterystyką granicy pompowania oraz charakterystyką minimalnej wartości momentu obrotowego. Ponadto pole pracy silnika mogą dodatkowo ograniczać inne charakterystyki, na przykład obciążeń cieplnych w strefie tropikalnej (wysoka wilgotność powietrza). W polu pracy zazwyczaj wyznaczony jest obszar dla pracy ciągłej (nieograniczonej w czasie) oraz dla ograniczonej w czasie. Ten drugi obszar obejmuje warunki, w których mogą występować przeciążenia cieplne silnika. Praca w tym obszarze dopuszczana Jest tylko z ograniczeniem czasowym, podanym przez producenta.

Literatura 1. Piotrowski I. Witkowski K, Okrętowe silniki spalinowe, Trademar, Gdynia 2003, 2. Wajand J.A,, Wajand T.,Tłokowe silniki spalinowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,

2005.

Zagadnienie: 4.D Podstawowe wiadomości o pędnikach okrętowych

Śruby napędowe, geometria śruby i charakterystyki napędowe, śruba nastawna: Przegląd współczesnych układów napędowych oraz pędników. Parametry konstrukcyjne śrub, Charakterystyki obrotowe i hydrodynamiczne śruby. Śruba nastawna jej zalety i możliwości.

Pędniki jednostek pływających Napęd jednostek pływających – wprowadzenie Dla zapewnienia statkowi ruchu jednostajnego z określoną prędkością V musi zostać przyłożona do niego siła napędzająca T (siła naporu), przeciwnie skierowana do siły oporu R. Dla ruchu ustalonego:

R = T W napędach jednostek pływających siłę napędzającą T wytwarza pędnik. Przekształca on energię ruchu obrotowego dostarczoną przez silnik napędowy – główny, na energię ruchu postępowego statku. Wykonanie tego zadania odbywa się ze stratami, których miarą jest sprawność napędowa D. W fazie projektowania napędu statku mając do dyspozycji charakterystykę oporową kadłuba oraz charakterystyki, dobiera się typ pędnika i dalej jego określona konstrukcję. W obecnie stosowanych różnych typach napędów wirowych nie tylko jednostek pływających wykorzystuje się różne rodzaje pędników. Dla jednostek pływających stosowane są pędniki śrubowe i strumieniowe. W tej pierwszej grupie można wymienić:




52

1. stałe (fixed pitch propeller – FPP), 2. nastawne (controllable pitch propeller – CPP).

Śruby stałe są odlewane w całości ze stopów miedzi. Wielkość skrzydeł oraz ich ustawienie (skok) są ustalone jednoznacznie i nie mogą być później zmienione. Zmienne warunki pracy śruby wynikające z zewnętrznych warunków hydro-meteorologicznych i warunków eksploatacyjnych statków będą zmieniały fizyczne parametry jej pracy. Większość statków wyposażonych jest w ten rodzaj śruby. Śruby nastawne charakteryzują się bardziej złożoną budową umożliwiającą zmianę skoku skrzydeł, ma to związek z większą średnicą piasty, w której mieści się mechanizm nastawczy. Śruby te są relatywnie droższe (około 34 razy) od stałych, również z powodu większej średnicy piasty ich sprawność jest niższa.

Zasada pracy śruby - podstawy

Wymiary geometryczne śrub okrętowych Śrubę okrętową charakteryzują następujące parametry:

średnica śruby d, promień śruby R, skok śruby p - droga jaką przybędzie dowolny punkt skrzydła w czasie jednego

pełnego obrotu; jeżeli skok śruby jest promieniowo zmienny, określa się skok średni na promieniu r = 0.7 R,

liczba skrzydeł z, średnica piasty śruby dp, promień piasty rp, szerokość skrzydła b, średnia szerokość skrzydła bs:

grubość skrzydła e - pozorna grubość skrzydła w osi śruby eo oraz pozorna grubość skrzydła przy wierzchołku ew,

odchylenie skrzydła przy wierzchołku m, odgięcie skrzydła przy wierzchołku m', pole kręgu śruby Ao:

4dA

2

o

pole wyprostowanej powierzchni skrzydeł Ae, współczynnik skoku p/d, współczynnik powierzchni Ae/Ao, współczynnik średnicy piasty dp/d.

p

os rRz

Sb




53

Projektowanie śrub Według teorii pędu, śruba jest rozpatrywana, jako środek do przyśpieszania strumienia wody. Przyjmuje się, że woda doznaje tylko przyśpieszenia osiowego, zmiana prędkości strumienia wody przechodzącego przez śrubę determinuje zmiany ciśnienia. W dziedzinie projektowania śrub występują dwie metody modelowania:

modelowanie dzięki badaniom empirycznym, modelowanie analityczne bazujące na zaawansowanych technikach obliczeniowych.

Obydwa kierunki rozwojowe nie wykluczają się wzajemnie a raczej uzupełniają. Prace badawcze w tym zakresie prowadzone są przez wyspecjalizowane instytuty badawcze. Obejmuje to badania modelowe kadłubów statków (modele o długości 610 m) holowane lub z napędem własnym w basenach o długości 200300 m. Wyznacza się z reguły charakterystyki oporowe kadłuba przy różnych prędkościach własnych. Na etapie wstępnym dobór śruby polega na zastosowaniu wykorzystywanych już wcześniej typów, i będących własnością jednostek badawczych. Śruby projektowane i wykonywane są w typo-szeregach. W późniejszych etapach optymalizacji wykonywane są modele śrub i badane razem z modelami kadłubów. Dla celów projektowych istotnym jest określenie parametrów strumienia nadążającego, opływającego śrubę w kierunkach osiowych i promieniowych. Otrzymuje się to przy pomocy wirujących przetworników ciśnienia w miejscu pracy śruby napędowej. Badania modelowe pozwoliły wyodrębnić pewne grupy śrub okrętowych dające najlepsze efekty pod względem osiągów i sprawności. Najczęściej stosowane są śruby grupy B (według Wageningen).

Kawitacja Kolejnym czynnikiem wpływającym na konstrukcje śruby jest zjawisko kawitacji na skrzydłach.

Rozróżnia się dwa jej rodzaje w odniesieniu do skrzydeł śrub napędowych: powierzchniowa (płaszczyznowa – sheet cavitation) – na płaszczyznach skrzydeł: po

stronie niskiego ciśnienia (suction side), nawet podciśnienia i wysokiego ciśnienia (pressure side).

pęcherzykowa (bubble cavitation) – po stronie podciśnienia. Prawidłowe odtworzenie warunków pracy śruby, za pełno wymiarowym kadłubem statku nie jest możliwe w basenach dzięki wykorzystaniu modeli. Powodem tego jest brak możliwości wytworzenia rzeczywistych spadków ciśnień mających miejsce w normalnych warunkach pływania. W tym celu zjawisko kawitacji bada się w tunelach pozwalających na regulowanie spadków ciśnień na śrubie napędowej. Kawitacja występuje obecnie powszechnie podczas pracy śrub napędowych współczesnych statków transportowych szczególnie, gdy pracują one w zakresach najwyższych mocy. Wynika to z wzrastających współczynników pełnotliwości współczesnych jednostek morskich i spadków ciśnień za kadłubem. Zjawisko kawitacji nie jest w pełni znane i wyjaśnione, ma ono związek z pęcherzykami pary wytwarzanymi w obszarze pracy skrzydeł śruby, charakteryzujących się niskimi ciśnieniami. Po przejściu w obszary podwyższonego ciśnienia pęcherzyki ulegają implozji. Prędkość tego zjawiska może osiągać znaczne wartości




54

i przyczyniać się do wzrostu drgań i hałasu, ale przede wszystkim powodować uszkodzenia erozyjne powierzchni: skrzydeł śruby, steru i kadłuba statku.

Praca śruby za kadłubem statku Zagadnienie te wstępnie rozwiązywane są na ogół przez badanie modelu statku z własnym napędem. Charakterystyki śrub okrętowych są sporządzone w funkcji prędkości wody, w której ona się obraca, zwanej prędkością postępową śruby vp (speed of advance of propeller -VA). Lepkość wody jest przyczyną powstawania warstwy przyściennej wokół poruszającego się kadłuba, zwanej strumieniem nadążającym. Prędkość cząstek wody w strumieniu nadążającym w warstwie przypowierzchniowej kadłuba statku, równa jest jego prędkości i spada wraz z wzrostem odległości od niej. W pewnej odległości spada do zera wyznaczając tym granicę strumienia nadążającego. Grubość warstwy przyściennej jest równa zero na dziobie i rośnie w kierunku rufy, prawie proporcjonalnie do długości kadłuba. Dodatkowo woda wyparta przez kadłub wywołuje falowanie dziobu i rufy. Śruba obraca się, więc w strumieniu nadążającym, który w polu kręgu śruby ma średnią prędkość c (effective wake velocity - VW), zgodną z kierunkiem ruchu statku. W związku z tym prędkość postępowa śruby, vp względem strumienia nadążającego jest mniejsza, od prędkości statku v względem wody nieograniczonej o wartość c, czyli:

cvvP Stosunek prędkości strumienia nadążającego c do prędkości statku v, nosi nazwę współczynnika strumienia nadążającego (wake fraction coefficient) w:

Prędkość strumienia nadążającego w każdym punkcie obszaru, w którym pracuje śruba jest inna. Niejednorodne pole prędkości jest podstawową przyczyną drgań generowanych przez śrubę oraz powoduje duże różnice w rozkładzie sił na skrzydłach śruby. Śruba obracając się za kadłubem powoduje zmianę rozkładu ciśnienia w obszarze rufy. Po stronie ssącej śruby występuje spadek ciśnienia, który jest przyczyną powstawania siły ssania T działającej w kierunku przeciwnym do ruchu statku i sumującej się z oporem kadłuba R. W związku z tym napór śruby T musi być większy od siły napędzającej TN (zwanej naporem efektywnym) o siłę T, stąd:

TTTR N Stosunek siły T do naporu T nazywa się współczynnikiem ssania t:

wówczas:

Współczynnik ssania t, podobnie jak współczynnik strumienia nadążającego w zależy od cech konstrukcyjnych statku i warunków eksploatacji. Wartość współczynnika t jest z reguły mniejsza od współczynnika w i dla statków jednośrubowych waha się w granicach 0.120.3.

vcw

w1vcvv p

TTt

t1TTN




55

Posuw i poślizg śruby oraz współczynniki naporu i momentu Teoria śrub bazuje na modelach, lecz dla lepszego wykorzystania wyników badań niezbędnym jest wykorzystanie pewnych bezwymiarowych wielkości ujmujących zależność prędkości obrotowej n, średnicy d śruby i gęstości wody :

siła naporu T wyrażona bezwymiarowo jako współczynnik naporu KT:

42T dnTK

gdy moment śruby Q:

dnPQ D

moment śruby Q wyraża współczynnik momentu KQ:

52Q dnQK

Jeżeli śruba poruszałaby się nie w wodzie, lecz w materiale stałym, wówczas w czasie jednego obrotu przebyłaby drogę równą skokowi geometrycznemu p (pitch). Przy obrocie z prędkością obrotową n [obr/s], prędkość jej osiowego przemieszczenia wyniosłaby wówczas pn [m/s]. Podczas ruchu w wodzie, w czasie jednego obrotu śruba w kierunku osiowym przesunie się nie na odległość p, lecz na odległość mniejszą zwaną posuwem śruby hP. Prędkość postępowa śruby vP, względem wody, w której się obraca wynosi wówczas:

nhv PP Stosunek posuwu hP do średnicy d śruby określa się mianem współczynnika posuwu śruby J (advance number):

ndv

dh

J pp

Różnicę hS = p - hP nazywa się poślizgiem (slip) śruby. Stosunek poślizgu (hS) do skoku śruby p nazywa się rzeczywistym współczynnikiem poślizgu (real slip ratio) śruby SR:

npv1

npvnp

phS PPs

R

stąd:

d)S1(pJ R

Prędkość poślizgu śruby vS wynosi: npsvnpv PS

Z tego powodu korzysta się ze współczynników posuwu i poślizgu kadłuba, zwanych w teorii śrub współczynnikami posuwu i poślizgu pozornego (apparent slip ratio – SA) (odpowiednio oznacza się je przez JP oraz SA), które odniesione są do prędkości statku v, a nie do prędkości postępowej śruby vP.




56

ndVJ P

npV1SA

Sprawności w układzie napędu śrubowego statku 1. Sprawność kadłuba (hull efficiency) ηH – jest zdefiniowana jako stosunek mocy

holowania PE (gdzie PE = RTV) do mocy naporu PT (moc, jaką śruba okrętowa dostarcza do strumienia wody PT = TVA).

2. Sprawność śruby swobodnej (open water propeller efficiency) ηo – określa pracę śruby bez kadłuba w jednorodnym strumieniu wody i związana jest z: prędkością postępową VA, siły naporu T, wartością prędkości obrotowej n, średnicą śruby d i pozostałymi parametrami śruby.

3. Względna sprawność rotacyjna (relative rotative efficiency) ηR - odnosi się do rzeczywistej prędkości strumienia wody opływającego śrubę, która nie ma wartości stałej, jak również wektor jej nie jest prostopadły do płaszczyzny wyprostowanej powierzchni skrzydeł. Strumień ten ma charakter wirowy.

4. Sprawność śruby za kadłubem (propeller efficiency behind the hull) ηB – określa stosunek mocy naporu śruby PT (którą śruba dostarcza do wody) do mocy dostarczonej na stożek śruby z układu napędowego – mocy na stożku śruby PD i wyraża to zależność:

ROD

TB P

P

5. Sprawność napędowa (propulsive efficiency) ηB – jest równoważna stosunkowi mocy holowania PE do mocy niezbędnej dostarczonej do śruby (na stożek śruby) PD, nie powinna być mylona ze sprawnością śruby swobodnej. Opisuje to zależność:

ROHBHD

T

T

E

D

ED P

PPP

PP

6. Sprawność linii wałów (shaft efficiency) ηS – zależy od konstrukcji linii wałów (długości, ilości łożysk pośrednich, sposobu smarowania) i określa stosunek mocy dostarczonej na stożek śruby PD do mocy użytecznej silnika (na sprzęgle – w najprostszym przypadku) PB:

B

DS P

P

7. Sprawność napędowa całkowita (total efficiency) ηT – określa stosunek mocy holowania PE i mocy użytecznej silnika napędowego na sprzęgle PB można to wyrazić:

SROHSDB

D

D

E

B

ET P

PPP

PP




57

Literatura 1. Chachulski K., Podstawy napędu okrętowego, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1988, 2. Schneekluth, H.; Bertram V., Ship Design for Efficiency and Economy, Elsevier, 1998, 3. Tupper, Eric C., Introduction to Naval Architecture, Elsevier, 2004, 4. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom III, Politechnika Gdańska, 1991 –

1992.

Zagadnienie: 4.E Charakterystyki napędowe statku

Współpraca silnika, śruby i kadłuba. Pole pracy silnika i śruby napędowej. Współpraca silnika, śruby i kadłuba w stanach ustalonych i przejściowych, w różnych warunkach pływania. Dopasowanie układu silnik spalinowy tłokowy - śruba stała, rezerwy konstrukcyjne mocy silnika i prędkości obrotowej w układzie bezpośrednim napędu głównego statku, wpływ doboru tego układu na jego eksploatację. Układy przekładniowe i układy wielosilnikowe. Charakterystyka układu napędowego ze śrubą nastawną.

Współpraca silnika i śruby napędowej - podstawy Moc potrzebna do napędu statku Moc rozwijana przez silnik okrętowy równa jest mocy potrzebnej do pokonania oporów poruszającego się statku (zwanej dalej mocą holowania), a ponadto mocy równoważnej stratom energetycznym pędnika, linii wału, przekładni i sprzęgieł. Rodzaj i wielkość strat energetycznych zależą od rodzaju pędnika i sposobu przenoszenia napędu. W przypadku napędu bezpośredniego źródłem strat energetycznych jest pędnik (śruba) oraz linia wału śrubowego (straty tarcia w łożyskach). Jeżeli układ napędowy jest bardziej złożony, to dodatkowe straty powstają na przykład w przekładni i sprzęgle.

Charakterystyka mocy obrotowej śruby napędowej Moc na stożku śruby obracającej się z prędkością obrotową ns wyraża się zależnością:

3s

xsD nKnKP

Moc na stożku, jak wynika z równania jest zależna od wykładnika x, który w uproszczonych założeniach przyjmowany jest jako równy 3. W rzeczywistości wartość tego wykładnika może być większa, równa lub mniejsza od 3. zależnie od typu statku i prędkości pływania. Równanie w układzie współrzędnych moc - prędkość obrotowa śruby napędowej, przedstawia parabolę trzeciego stopnia, nazywaną charakterystyką obrotową mocy śruby napędowej lub krócej charakterystyką śrubową. Charakterystyka geometryczna śruby stałej nie ulega w zasadzie zmianom w warunkach eksploatacyjnych, z wyjątkiem wypadków uszkodzenia śruby. Zmniejszenie powierzchni skrzydeł śruby wskutek ułamania, korozji lub kawitacji, względnie urwanie skrzydła powoduje przesunięcie charakterystyki śrubowej w prawo. Pogięcie skrzydeł, w zależności od charakteru uszkodzenia, może wywołać różne skutki w przebiegu charakterystyki śrubowej. W zasadzie jednak prowadzi do pogorszenia warunków pracy śruby, to znaczy do odchylenia jej w lewo.




58

Zmiana charakterystyki geometrycznej śruby ma natomiast miejsce w przypadku śrub o nastawnym skoku. Dla stałej średnicy śruby D można zwiększyć lub zmniejszyć jej skok H, przez co zmianie ulegnie tak zwany współczynnik skoku śruby H/D, będący jednym ze wskaźników geometrycznych śruby o nastawnym skoku.

Współpraca silnika i śruby napędowej – zależności podstawowe Silnik okrętowy może napędzać śrubę bezpośrednio lub pośrednio przez przekładnię redukcyjną. W pierwszym przypadku silnik jest sztywno sprzęgnięty za pomocą wału pośredniego (śrubowego) ze śrubą napędową. Prędkość obrotowa silnika n oraz śruby ns jest wówczas taka sama. Współpraca silnika ze śrubą dla każdego ustalonego stanu jest możliwa, gdy moment obrotowy silnika pomniejszony o straty energetyczne (straty linii wału, przekładni i sprzęgła) jest równy momentowi obrotowemu śruby, co można zapisać następująco:

sprzprzekłwtqś,tq TT

Współpraca silnika ze śrubą o stałym skoku Podstawowym warunkiem współpracy silnika ze śrubą napędową jest równość mocy przekazywanej na śrubę i mocy przejmowanej przez nią. Dla bezpośredniego napędu śruby można przyjąć upraszczające założenie, że moc użyteczna silnika jest równa mocy przejmowanej przez śrubę, czyli:

ed PP Wobec niewielkich strat energetycznych linii wału (w ~ 0.98), błąd wynikający z powyższego założenia jest niewielki, co jednocześnie pozwala na bezpośrednie wykorzystanie charakterystyki stałej nastawy paliwa do wyznaczania warunków współpracy silnika i śruby napędowej. W celu zachowania koniecznej rezerwy mocy, oraz zapobieżenia niepożądanemu przeciążeniu silnika, jego moc trwała Pe, przyjęta dla warunków eksploatacyjnych, jest mniejsza od mocy nominalnej. Jako moc eksploatacyjną silnika przyjmuje się zwykle 85÷93% jego mocy nominalnej.

Współpraca silnika ze śrubą o zmiennym skoku. Śruby napędowe o nastawnym skoku znalazły początkowo szerokie zastosowanie na jednostkach rybackich, holownikach i innych statkach specjalnych. Obecnie również stosowane są na statkach towarowych. Pozwalają one na wykorzystanie pełnej mocy silnika napędowego w zmiennych warunkach pływania oraz zmianę prędkości i kierunku ruchu statku bez zmiany kierunku obrotów silnika. Zmiana skoku śruby wpływa na zmianę jej charakterystyki w sposób pokazany na rysunku poniżej. Zwiększenie skoku śruby H powoduje przesunięcie charakterystyki napędowej w lewo (śruba „ciężka"), natomiast zmniejszenie skoku śruby daje charakterystykę płaską (śruba „lekka").




59

Współpraca silnika i śruby napędowej w różnych stanach eksploatacyjnych Praca układu napędowego w pogorszonym stanie pogody W sztormowej pogodzie silnik pracuje ze zmiennym obciążeniem, w wyniku stale powtarzającego się wynurzania i zanurzania śruby okrętowej, zmiennego oporu statku powodowanego falowaniem morza oraz zmiennego kierunku i siły wiatru, a także częstą akcją steru dla utrzymania zadanego kursu statku. W tych warunkach silnik doznaje zarówno zmiennych obciążeń mechanicznych jak i cieplnych. W zależności od stanu zanurzenia statku, warunków pływania, kierunku i wysokości fali, typu i sposobu oddziaływania regulatora, wahania prędkości obrotowej podczas sztormu mogą być bardzo różne. Zawsze natomiast możliwy jest wzrost średniej wartości momentu obrotowego. W tych warunkach, w celu uniknięcia przeciążenia silnika, konieczna jest redukcja nastawy paliwa. Dodatkowym uzasadnieniem zmniejszenia mocy i prędkości obrotowej silnika jest minimalizacja skutków powodowanych wahaniami temperatur i ciśnień w cylindrach oraz dynamicznymi obciążeniami siłami i momentami masowymi elementów układu korbowego, w wyniku zmiennej prędkości kątowej wału korbowego. Takie działanie zwiększa prawdopodobieństwo bezpiecznej i niezawodnej pracy silnika w warunkach sztormowych. Okresowe wzrosty mocy ponad trwałą moc eksploatacyjną, oprócz zmiennych obciążeń mechanicznych, wpływają na okresowo zmienne obciążenia cieplne, które występując długotrwale mogą spowodować trwałe uszkodzenia elementów silnika. Współczesne silniki okrętowe są wyposażone w wielozakresowe regulatory prędkości obrotowej. Regulatory te, racjonalnie wykorzystane, nie dopuszczą do przeciążeń mechanicznych silnika oraz ograniczą wahania jego prędkości obrotowej w warunkach sztormowych. Dobór właściwego obciążenia i prędkości obrotowej silnika podczas pływania w sztormie minimalizuje przeciążenia mechaniczne i cieplne, przy jednoczesnym spełnieniu wymogów ekonomicznych i bezpieczeństwa. W warunkach sztormowych może wystąpić pompowanie turbosprężarki. W tym miejscu należy jedynie zaznaczyć, że na skutek pracy statku na fali szybko zmieniają się obciążenia silnika, zaś turbosprężarka, której pracę cechuje duża bezwładność, nie dostosowuje się dostatecznie szybko do tych zmian. Konsekwencją tego jest między innymi pompowanie turbosprężarki. Najskuteczniejszą metodą zapobiegającą powtarzaniu się tego zjawiska jest zmniejszenie obciążenia silnika.

Praca układu napędowego przy pływaniu statku na wodach ograniczonych Głębokość, przy której dno akwenu nie ma wpływu na warunki pływania, czyli na wzrost oporów kadłuba statku, wyraża się stosunkiem głębokości h akwenu do zanurzenia T kadłuba (h/T). Dla głębokich akwenów stosunek ten jest większy niż 15 (h/T > 15). Jeżeli wartość ta jest mniejsza od 8, to mamy do czynienia z pływaniem w wodach płytkich; im mniejszy jest ten stosunek, tym większy zachodzi wpływ dna na wzrost oporu wody na kadłub statku.

Praca układu napędowego przy pływaniu statku w stanach zmniejszonych oporów pływania Oprócz sytuacji opisanych w poprzednich rozdziałach mogą wystąpić długotrwałe okresy eksploatacji układu napędowego z obciążeniem różnym od założeń konstrukcyjnych, w




60

wyniku mniejszych oporów pływania. Mniejsze opory pływania w stosunku do znamionowych występują podczas pływania statku pod balastem. Dodatkowo mogą one ulec zmniejszeniu przy silnym wietrze lub prądzie z rufy. W tych warunkach charakterystyka śrubowa będzie „lżejsza" w stosunku do nominalnej.

Możliwości dopasowania charakterystyki silnika do charakterystyki śruby Odmienny przebieg charakterystyki silnika i charakterystyki śrubowej nie umożliwiają pełnego wykorzystania mocy silnika z optymalną sprawnością wtedy, gdy warunki pracy zespołu silnik - śruba napędowa różnią się od uwarunkowań konstrukcyjnych. Zbliżenie do siebie charakterystyk silnika i śruby jest możliwe przez zastosowanie wielosilnikowego układu napędowego lub przez zmianę momentu przekazywanego przez silnik na śrubę. Zmiana tego momentu może się odbywać przez przekładnię wielostopniową lub elektryczną. Celowi temu służy także stosowanie śrub napędowych o nastawnym skoku. Stosowane są także układy bardziej złożone, na przykład czterosilnikowy układ napędowy z przekładnią elektryczną. Przykładowo podane zostaną niektóre ze stosowanych rozwiązań.

Wielosilnikowy układ ze śrubą napędową Statki wymagające długotrwałych zmian mocy napędowej w bardzo szerokim zakresie wyposaża się w wielosilnikowe układy napędowe. Zwykle moc całkowita rozkładana jest równomiernie na dwa, trzy lub cztery silniki. Korzyści stosowania napędu wielosilnikowego, można wyjaśnić na przykładzie układu czterosilnikowego. Podział mocy na cztery silniki umożliwia pełniejsze wykorzystanie mocy każdego z nich podczas pływania z ograniczoną prędkością. Na przykład przy prędkości obrotowej śruby napędowej wynoszącej 0.5 nnom wystarczy włączyć do pracy tylko jeden silnik, który będzie obciążony mocą wynoszącą 50% mocy nominalnej jednego silnika, ale zaledwie 12,5% mocy nominalnej całego zespołu. Włączenie do pracy drugiego silnika pozwala zwiększyć prędkość obrotową śruby do 0.71 nnom. Moc rozwijana przez oba silniki przy tej prędkości obrotowej wynosi 0.355 Pe,nom, czyli każdy silnik będzie rozwijał około 71% mocy nominalnej. Przy trzech silnikach odpowiednie wielkości wyniosą: prędkość obrotowa 0.87nnom, moc zespołu 0.66 Pe,nom, a moc jednego silnika 0.87 Pe,nom. Włączenie czterech silników pozwoli na uzyskanie pełnej mocy zespołu przy nominalnym obciążeniu każdego silnika. Jak z powyższych rozważań wynika, stopień obciążenia każdego z silników przy pływaniu z ograniczoną prędkością może być znacznie większy niż w przypadku jednego silnika napędowego, którego moc byłaby równa sumie mocy poszczególnych silników. Niedociążenie silników, oprócz trudności natury eksploatacyjnej, jak zanieczyszczenie komory spalania oraz okien wlotowych i wylotowych, możliwość kondensacji spalin itp., powoduje przede wszystkim znaczny wzrost jednostkowego zużycia paliwa i oleju smarowego, co zwiększa koszty eksploatacji silnika.

Współpraca silnika ze śrubą napędową przy wykorzystaniu wielostopniowej przekładni redukcyjnej Układ napędowy z przekładnią wielostopniową pozwala na pełne wykorzystanie mocy silnika napędowego zarówno podczas pływania swobodnego, jak również trałowania bądź holowania, jeśli tylko przełożenie jest tak dobrane, aby przekazywany przez przekładnię




61

moment równy był momentowi zapotrzebowanemu przez śrubę w danych warunkach pływania. Zalety układu napędowego z przekładnią zostaną omówione na przykładzie statku rybackiego.

Literatura 1. Chachulski K., Podstawy napędu okrętowego, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1988, 2. Piotrowski I., Witkowski K., Eksploatacja okrętowych silników spalinowych, Gdynia

2002, 3. Schneekluth, H.; Bertram V., Ship Design for Efficiency and Economy, Elsevier, 1998, 4. Tupper, Eric C., Introduction to Naval Architecture, Elsevier, 2004, 5. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom III, Politechnika Gdańska, 1991 –

1992.

Zagadnienie: 4.F Praca głównego układu napędowego przy manewrowaniu

Charakterystyki Robinsona. Zasady ekonomicznej eksploatacji siłowni okrętowych.

Wprowadzenie

Wstęp – definicja stanu nieustalonego Manewry statków, a tym samym i praca okrętowych układów napędowych w stanach nieustalonych, może być podporządkowana różnym kryteriom i wymogom. Może być wymagany np. minimalny czas i droga manewrów, ewentualnie minimalne zużycie paliwa, czy też występują określone ograniczenia dotyczące charakterystyki silnika napędowego takie jak: moment obrotowy lub przyspieszenia. Rozważania te będą zawężone tylko do zagadnień czasu i drogi manewrów. Od jednostek specjalnych (statki ratownicze, przeciw-pożarowe, promy, holowniki portowe i holowniki do obsługi wież wiertniczych, okręty wojenne itp.) wymaga się, aby te czasy i drogi były możliwie krótkie i mieściły się w określonych przedziałach. Odnośnie do statków towarowych, dotychczas brak jest podobnych określonych wymagań. Nie można opisać dynamikę pracy okrętowego układu napędowego bez uwzględnienia tego, co układ ten napędza - kadłuba. Innymi słowy, należy rozpatrywać dynamikę całego układu ruchowego statku. Jednakże ze względu na specyfikę przedmiotu, który dotyczy głównie układów napędowych, tam gdzie to będzie możliwe problem zawężony zostanie tylko do układu napędowego. W czasie eksploatacji okrętowego układu ruchowego (silnik, śruba, kadłub) mogą występować dwa podstawowe rodzaje procesów pracy:

ustalone, w których niezależnie od upływu czasu parametry i zachodzące procesy są niezmienne (stałe, statyczne), bądź są periodycznymi funkcjami czasu o identycznym przebiegu.

nieustalone, inaczej zwane przejściowymi, gdy parametry pracy układu napędowego i wskaźniki zachodzących procesów oraz same procesy zmieniają się w czasie. Pojęciu temu odpowiada na przykład ruszanie statku z miejsca, jego przyspieszanie, hamowanie lub przejście na przeciwny kierunek ruchu, zmiany kierunku ruchu (zmiany kursu), pływanie na sfalowanym morzu (ruch na falę i z fali) itp.




62

W rzeczywistych morskich warunkach eksploatacji statków, praktycznie zawsze na kadłub i układ napędowy oddziałują jakieś, choćby niewielkie wymuszenia zewnętrzne, które z kolei bezpośrednio lub pośrednio powodują mniejsze czy też większe zmiany warunków pracy układu napędowego. Rozróżnia się przy tym wymuszenia:

sterowalne - wynikające z celowego działania załogi okrętowej, do tego rodzaju wymuszeń zewnętrznych zaliczyć można na przykład wyłączenie, bądź włączenie do pracy jednego z silników głównych, zmiany dawki paliwa (zmiany nastawy regulatora prędkości obrotowej), sterowanie przekładnią rozłączno-nawrotną w celu przejścia na ruch przeciwny, zmiany nastawy skoku śruby, zmiany położenia steru, przyjmowanie bądź wyrzucanie balastów w czasie ruchu statku.

niesterowalne - wynikające przede wszystkim z warunków pogodowych i zmian akwenu pływania.

Odpowiednio tez mówimy o procesach sterowalnych i niesterowalnych pracy układu napędowego statku. Procesy sterowalne nie zawsze są bezpośrednimi działaniami na pracę silników napędu głównego. Na przykład zmiana skoku śruby, zmienia siłę naporu i pobór momentu obrotowego, a tym samym pośrednio obciążenie silnika głównego. Podobnie zmiana położenia steru zmienia charakterystykę oporową pływania, a w przypadku kilku śrub napędowych wprowadza dodatkowo różny stopień ich obciążenia, co rzutuje na pracę silników. Niesterowalne wymuszenia są przyczyną niesterowalnych zmian w pracy układu napędowego gdyż zachodzą bez udziału załogi. Jedne z nich oddziałują bezpośrednio na pracę silników tak jak: zmiany temperatury i wilgotności powietrza, inne zaś pośrednio na przykład: zmiany kierunku i wielkości siły wiatru, stanu morza, głębokości akwenu itp.

Zmiany prędkości pływania statku Analiza manewru zwiększania prędkości statku ze śrubą o stałym skoku Jako pierwsze rozpatrzony będzie najprostszy manewr - zwiększanie prędkości pływania statku, gdzie tłokowy silnik napędza bezpośrednio śrubę. Procesy zwiększania prędkości pływania statków odbywają się zawsze przy zasprzęglonym układzie napędowym (włączony napęd śruby) i dlatego niezależnie od rozwiązań konstrukcyjnych (silnik nawrotny lub nienawrotny) analiza procesu może być wspólna. W przypadku statyki pływania - dla ruchu ustalonego, kiedy dv/dt = 0 oraz d/dt = 0 równanie podstawowe przyjmie postać:

ReT

Przyspieszenie statku może występować w przypadku, gdy dv/dt 0 więc może być realizowane tylko wówczas, jeśli będzie spełniony warunek:

0ReT

Dla przyspieszania statku powinna występować nadwyżka rzeczywistej siły naporu nad wielkością oporu statyki pływania. Z kolei wielkość siły naporu śruby zależy od momentu śruby. Dla śrub o skoku ustalonym wzrost prędkości pływania może być realizowany tylko poprzez zwiększanie prędkości obrotowej silnika napędowego - obrotów śruby d/dt > 0, a




63

uzyskuje się to poprzez zwiększenie dawki paliwa dostarczanego do cylindrów silnika w jednostce czasu i musi być wówczas spełniony warunek:

0tqsTtqtTtqoT lub tqsTtqtTtqoT

W początkowej fazie przyspieszania, wskutek zwiększonej ilości paliwa podawanego do silnika wzrasta moment obrotowy i prędkość obrotowa zespołu napędowego, ale prędkość statku na początku tego manewru praktycznie jeszcze się nie zmienia. Prowadzi to do zmiany warunków pracy śruby, gdyż maleje jej współczynnik posuwu:

dnw1v

dnpv

J

gdzie: vp - prędkość postępowa śruby wobec otaczającej ją wody [m/s], v – prędkość statku [m/s], w - współczynnik strumienia nadążającego.

Wraz ze zwiększaniem się prędkości obrotowej śruby, początkowo przy nie zmienionej szybkości pływania statku, a potem przy stosunkowo niewielkim jej wzroście, maleje współczynnik posuwu J, zwiększa się współczynnik pobieranego momentu KM (rys. 3), przejście z punktu l' do 2'). Rośnie też współczynnik wytwarzanego naporu KT (przejście z l do 2), oraz obniża się sprawność napędowa śruby (przejście z l" do 2"). W rezultacie wzrasta siła naporu T i to intensywniej niż gdyby wielkość obrotów śruby i prędkość pływania wzrastały proporcjonalnie. Narastając siła naporu śruby nie tylko przyspiesza statek, ale jej część służy też do pokonywania wzrastającego oporu ruchu. Następnie w miarę narastania prędkości pływania współczynnik posuwu J ponownie rośnie (J Jst), gdyż zwiększa się prędkość postępowa śruby vp. Wreszcie prędkość statku na tyle wzrośnie, że moment dostarczany śrubie będzie wystarczał tylko na pokonywanie oporów statyki pływania statku (J = Jst) i nie będzie nadwyżki momentu dla jego dalszego przyspieszania. Wtedy punkt współpracy układu ruchowego znajdzie się ponownie na nominalnej charakterystyce śrubowej statyki pływania. Teoretycznie powróci w pobliże stanu l, jako że dla kadłubów typu wypornościowego dla statyki pływania zachodzi w przybliżeniu proporcjonalność prędkości pływania do prędkości obrotowej śruby.




64

J

KT

3'

3'' 1'

1''2''

1

2'

23

KM

p

J=0 J J J=Jst

4''

4'

4

p

KM

KT

Rys. 3. Zmiany współczynników naporu KT , momentu KM i sprawności śruby p w czasie zmian

prędkości pływania statku.

Analiza manewru zwiększania prędkości statku ze śrubą o nastawnym skoku Zakłada się realizację przyspieszenia statku ze śrubą o skoku nastawnym od prędkości v1 do prędkości v2 możliwie w najkrótszym czasie i tym samym przy najkrótszej drodze manewru. W szczególności prędkość v1 może być równa zeru, to znaczy statek rusza z miejsca, albo też prędkość v2 = vmax, czyli, że statek jest przyspieszany z zamiarem uzyskania maksymalnej prędkości pływania. W praktyce eksploatacyjnej przy sterowaniu ręcznym lub półautomatycznym zdarza się, że załoga w ogóle nie operuje parametrem prędkości obrotowej śruby. Po prostu utrzymując wielkość obrotów bliską minimalnej (bądź nominalną) w razie jakiegokolwiek manewru zmienia tylko skok śruby. Manewry wówczas wykonywane są nieekonomicznie (nadmierne zapotrzebowanie energii mechanicznej, a więc zwiększone zużycie paliwa), dłuższe są czasy i drogi tych manewrów, mimo że dość często występuje także przeciążenie silników napędu głównego. Szczególnie ma to miejsce wtedy, gdy prędkość docelowa v1 ma być wyraźnie większa od prędkości początkowej v1 lub, gdy zamiarem jest uzyskanie prędkości maksymalnej. Zdarza się też, że załoga obydwoma parametrami, ale w sposób niewłaściwy. Mając takie zadanie od razu nastawia prędkość obrotową oraz skok śruby odpowiadające docelowej prędkości pływania vekspl. Wielkość H oraz n wynikają z programu optymalnego doboru pary nastaw zależnie od warunków zewnętrznych statyki pływania.

Manewr ruszania statku z miejsca W przypadku analizy procesu ruszania statku z miejsca istotna jest znajomość czasu wykonania tego manewru t aż do uzyskania przez statek oczekiwanej początkowej prędkości v1 oraz drogi s przebytej w tym czasie. Przebieg zmian parametrów tego procesu zależy przede wszystkim od konstrukcji układu napędowego, rodzaju i mocy silników głównych, od rodzaju zastosowanych pędników (śrub) oraz od rodzaju i wielkości kadłuba. Ograniczymy się tylko do rozpatrzenia dwóch najczęściej występujących rozwiązań konstrukcyjnych zespołów napędowych statków:




65

1. tłokowy silnik spalinowy nawrotny napędza bezpośrednio linię wałów i śrubę o skoku ustalonym;

2. tłokowy silnik spalinowy nienawrotny napędza bezpośrednio linię wałów i śrubę o skoku nastawnym.

Analiza manewru ruszania statku z miejsca - silnik nawrotny W tłokowym silniku spalinowym nawrotnym, który jest połączony na stałe z linią wałów, uruchamianie silnika musi odbywać się z jednoczesnym obracaniem linii wałów i śruby. Przy takim rozwiązaniu układu napędowego, obciążenie silnika w czasie jego rozruchu jest znacznie większe. Cały czas jest sumą momentu hydrodynamicznego śruby Ttqs odpowiadającego praktycznie jej pracy „na uwięzi", momentu dynamicznego Ttqdyn_ mas ruchu obrotowego całego zespołu napędowego, tzn. silnika, linii wałów, śruby i towarzyszącej jej w ruchu wody oraz momentu tarcia linii wału TtqT. Zrozumiale, że w takiej sytuacji przyspieszanie mas ruchu obrotowego jest trudniejsze, a czas uzyskania prędkości obrotowej n0 — większej od minimalnych obrotów stabilnej pracy silnika wynosi 5-30 sekund.

Manewr ruszania z miejsca statku z silnikiem nienawrotnym i ze śrubą o skoku nastawnym Przyjmijmy, że przed rozpoczęciem manewru silnik pracuje prawie luzem (prawie nieobciążony) z prędkością obrotową no (odpowiadającą nastawie przesterowywania regulatora), obracając linię wałów i śrubę nastawną ustawioną na skok H=O (nie wytwarza siły naporu). W celu uzyskania prędkości pływania v należy zwiększyć skok śruby do wielkości H1, a prędkość obrotową do wielkości n1. Aby uzyskać minimalny czas i minimalną drogę wykonania manewru, tok postępowania winien być podobny, jak w przypadku zwiększania prędkości pływania statku ze śrubą stałą.

Manewr hamowania i zatrzymania statku Manewr polega na doprowadzeniu prędkości statku do zera. Zależnie od rozwiązania konstrukcyjnego układu napędowego oraz zależnie od sytuacji eksploatacyjnej, tzn. czy manewr może trwać dłuższy czas, czy też należy wykonać go możliwie szybko, zatrzymanie statku może być przeprowadzone w różny sposób:

1. hamowanie i zatrzymanie statku ze śrubą wolno obracającą się, 2. hamowanie i zatrzymanie statku ze śrubą zastopowaną, 3. hamowanie i zatrzymanie statku z pracą śruby „na wstecz"

Pierwszy z wymienionych sposobów trwa najdłużej i najdłuższa jest droga, jaką przebędzie statek w czasie tego manewru, tzw. wybieg statku. Drugi sposób jest krótszy, zaś trzeci z pracą „na wstecz" jest najkrótszy w czasie; najmniejsza jest też wtedy droga hamowania, aż do zatrzymania statku.




66

Opis manewru przejścia na ruch w kierunku przeciwnym ruchu - śruba o skoku ustalonym

Wybrane szczegóły manewru zmiany kierunku ruchu statku Szczególną cechą tego manewru dla zespołów napędowych, w których tłokowy silnik spalinowy nawrotny napędza bezpośrednio śrubę o skoku stałym, jest konieczność zatrzymania silnika, a potem ponownego uruchomienia go w przeciwnym kierunku. Taki sposób jest dominującym rozwiązaniem w zastosowaniach transportu morskiego. Zależnie od konstrukcji układu napędowego statku, zmiana kierunku prędkości obrotowej silnika może odbywać się łącznie z linią wałów i śrubą, bądź też po odłączeniu ich od silnika (rozsprzęgleniu), jeśli na linii wałów jest specjalne sprzęgło rozłączne - np. pneumatyczne lub hydrokinetyczne. W pierwszym przypadku, gdy nie ma możności odłączenia śruby od silnika, cały manewr zatrzymania silnika, a następnie uruchomienia go w przeciwnym kierunku, musi odbywać się przy równoczesnym występowaniu hydrodynamicznego momentu obrotowego śruby, wynikającego z ruchu statku i oddziaływania wody napływającej na jej skrzydła. Zjawisko to utrudnia proces zatrzymania silnika, a następnie uruchomienia go z obrotami przeciwnymi. Wraz ze zmianą prędkości statku i zmianą prędkości obrotowej biernego hamowania śruby, zmienia się jej moment hydrodynamiczny. Istnieje taka sytuacja, przy pewnej niedużej prędkości statku, że wielkość momentu pracy turbinowej śruby jest równa wielkości momentu hamującego całego zespołu. Innymi słowy, w razie dalszego spadku prędkości statku moment hydrodynamiczny śruby będzie zbyt mały by pokonać opory obracania zespołu napędowego. Na rysunku 4 odpowiada temu punkt 3, zaś prędkość statku wtedy wynosi v=0.2·vn. W razie dalszego zmniejszania się prędkości statku, biernie pracująca śruba a wraz z nią połączone linie wałów i silnik zatrzymają się, gdyż moment hydrodynamiczny śruby w dalszym ciągu maleje według linii 3-3', zaś moment strat jest stały lub nawet nieco rośnie 3-3" (zaczyna dominować udział tarcia spoczynkowego). Wtedy, to znaczy przy takiej prędkości ruchu statku, nastąpi zrównanie momentu hydrodynamicznego pracy turbinowej śruby z wielkością strat zespołu napędowego i zależy przede wszystkim od wielkości i geometrii śruby, a także od wielkości strat mechanicznych zespołu napędowego statku. W celu zwiększenia efektywności hamowania statku śrubą, potrzeby stosuje się hamowanie zwane potocznie „kontrpowietrzem". Do cylindrów silnika podaje się sprężone powietrze instalacji rozruchowej dla hamowania ruchu tłoków i ruchu obrotowego całego zespołu napędowego. Przyjmuje się, że nastąpiło to w punkcie 4. W wyniku dodatkowego momentu hamującego prędkość obrotową silnika, następuje gwałtowny spadek obrotów śruby i dość szybkie jej zastopowanie (4-5), przy prawie nie zmienionej jeszcze prędkości statku. Warto nadmienić, że efektywność „hamowaniu powietrzem" jest wysoka jedynie przy stosunkowo małych prędkościach obrotowych silnika. Sposób ten może być tylko wtedy stosowany, gdy odpowiednio obniży się prędkość statku i zmniejszą się odpowiednio obroty silnika i śruby. Zależnie od konstrukcji silnika obroty te nie powinny przekraczać 40-50% obrotów nominalnych. W razie podania sprężonego powietrza do cylindrów silnika przy zbyt wysokich prędkościach obrotowych, otrzymuje się efekt odwrotny - zamiast hamowania uzyskuje się tzw. silnik na sprężone powietrze - silnik zaczyna napędzać śrubę w poprzednim




67

kierunku. Ogólna zasada hamowania silnika powietrzem polega na tym, by praca jego sprężania w cylindrach była większa od pracy rozprężania. Po zatrzymaniu silnika i śruby powietrzem (punkt 5), jeśli sprężone powietrze z instalacji rozruchowej będzie dalej podawane, silnik i cały zespół napędowy zacznie obracać się w kierunku przeciwnym. Jeśli ciśnienie sprężonego powietrza nie jest odpowiednio wysokie, zazwyczaj występuje pewien krótki czas zatrzymania się silnika, nie następuje bezpośrednie przejście z jednego kierunku obrotów na przeciwny. Dopiero po wytworzeniu się właściwego ciśnienia powietrza w cylindrach następuje pokonanie oporów spoczynkowych zespołu napędowego i zaczyna się ruch w przeciwnym kierunku. Ruch ten rozpoczyna się np. nie od punktu 5, lecz od punktu 5'. Aby zrealizować rozruch silnika od obrotów n = 0 (punkt 5 lub 5') aż do prędkości obrotowej stabilnej pracy, tzn. by spowodować zapłon (punkt 6) konieczny jest odpowiedni moment obrotowy, co wymaga odpowiedniej ilości sprężonego powietrza z instalacji rozruchowej i to o odpowiednim ciśnieniu. Z chwilą uzyskania prędkości obrotowej wstecz rzędu 15-20% wielkości obrotów nominalnych silnika (prędkość obrotowa zapłonowa), które właściwie gwarantują pewność zapłonów, samoczynnie następuje podawanie paliwa do cylindrów. Po zapłonie i odcięciu dopływu sprężonego powietrza z instalacji rozruchowej, zaczyna się właściwa praca „na wstecz". Ponieważ zazwyczaj prędkość obrotowa silnika jest wtedy jeszcze mniejsza od nastawy regulatora, dąży on do podniesienia jej podając duże dawki paliwa, co powoduje gwałtowny wzrost momentu silnika i nawet pracę na zewnętrznej charakterystyce granicznej (odcinki 6-7-8). Umownie przyjmuje się, że proces rozruchu silnika „na wstecz" i uzyskanie prędkości obrotowej odpowiadającej nastawie regulatora kończy się na przecięciu statycznej charakterystyki regulatorowej zadanej prędkości obrotowej pracy „na wstecz", z hydrodynamiczną charakterystyką momentu śruby odpowiadającej aktualnej prędkości ruchu statku.




68

02

2'

5

5'

7

nx4

0,2

6

0,4

8

11

10

9

zewnętrzna charakterystyka graniczna pracy wstecz silnika

charakterystyki regulatoroweobrotów

obroty stabilnej pracy silnika-tzw. pewnych zapłonów

V x=1,0

Nxstr.z.

0,80,2 0,4 0,60,8 0,6

0,8

0,6

0,4

0,2

0,8

0,6

0,4

0,2

V x= 0

9'

10'

8'

R0

-Ttqx -Ttqs

x

TtqsxTtq

x

-nx

11'

3''

33'

Vnx

Ttqsx

Vx=0 0,4 0,6

Nxstr.z.

Rys. 4. Manewr zmiany kierunku ruchu statku, zespól napędowy: tłokowy, nawrotny silnik

spalinowy i śruba o skoku ustalonym

Literatura 1. Bertram V., Practical Ship Hydrodynamics, Elsevier, 1999 2. Chachulski K., Podstawy napędu okrętowego, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1988, 3. Piotrowski I., Witkowski K., Eksploatacja okrętowych silników spalinowych, Gdynia

2002, 4. Schneekluth, H.; Bertram V., Ship Design for Efficiency and Economy, Elsevier, 1998, 5. Tupper, Eric C., Introduction to Naval Architecture, Elsevier, 2004, 6. Wojnowski W.: Okrętowe siłownie spalinowe, Tom III, Politechnika Gdańska, 1991 –

1992.




69

Zagadnienie: 4.G Współczesne siłownie okrętowe - tendencje rozwojowe

Nowe rozwiązania systemów siłowni. Nowoczesne rozwiązania układów napędów głównych z prądnicami wałowymi i sposoby ich eksploatacji.

Documents

Materiały dydaktyczne Siłownie okrętowe Semestr V Wykłady