Курсовая работа: Расчет основных систем, обслуживающих судовую энергетическую установку

2. Гребной вал с дейдвудной трубой;

3. Упорный подшипник.

4.3 Выбор числа валов

Выбор числа валов зависит от мощности установки, назначения судна и его осадки, а также требований, предъявляемых к маневренности и живучести судна.

Для транспортных судов оптимальной является одновальная установка с ВФШ. Такая установка отличается простотой и удобством обслуживания, позволяет получить высокий пропульсивный кпд, хорошие массогабаритные показатели. Необходимость в многовальной установке возникает в следующих случаях:

-для судов большой грузоподъемности и скорости с мощностью установок от 5000 до 10000 кВт;

- при ограничении диаметра винта осадкой судна;

- при необходимости обеспечения высоких маневренных качеств судна;

- для повышения живучести СЭУ.

С учетом изложенного на проектируемом судне целесообразно использовать одновальную установку.

4.4 Расчет основных элементов валопровода

Проектирование судового валопровода дизельной установки проводится в соответствии с требованиями Правил Морского Регистра Судоходства 7 .

Промежуточный вал

В соответствии с Правилами диаметр промежуточного вала dпр. должен быть не менее:

где:

коэффициент, принимаемый в зависимости от типа механической установки, ;

расчетная мощность на промежуточном валу, кВт;

расчетная частота вращения промежуточного вала, об/мин.

Так как судно с ледовым усилением Ice3, то увеличиваем диаметр на 4%, тогда

Для дальнейших расчетов принимаем диметр промежуточного вала

Упорный вал

Упорный вал dуп в районе упорного гребня должен превосходить диаметр промежуточного dпр не менее, чем на 10%

dуп = 1,1 dпр = 1,1.240= 264 мм.

Принимаем dуп = 265 мм

Гребной вал

Диаметр гребного вала d г должен быть не менее определенного по формуле газотурбинный двигатель винт вал

где:

коэффициент, принимаемый в зависимости от типа механической установки, при соединении гребного винта с валом с помощью шпонки;

расчетная мощность на промежуточном валу, кВт;

расчетная частота вращения промежуточного вала, об/мин.

Так как судно ледового плавания, то увеличиваем диаметр гребного вала на 8%:

Принимаем диаметр гребного вала dг = 310 мм.

В соответствии с пунктом 2.4.2.1. Правил Регистра конус гребного вала под гребной винт должен выполняться с конусностью не более 1:12.

Для защиты вала от коррозии применяем бронзовую облицовку. Толщина бронзовой облицовки S должна быть не менее:

S 0,03.dгр' + 7,5 (мм),

где:

dгр` =310 мм - действительный диаметр гребного вала

S 0,03.310 + 7,5= 16,8 мм.

Толщина бронзовой облицовки принимается равной S = 17 мм.

Наряду с определением основных размеров валопровода по Правилам Регистра определяется критическая частота вращения вала и проводится проверка вала на продольную устойчивость.

4.5 Соединения валов

Соединение валов в проектируемом валопроводе осуществляется с помощью фланцев.

Болты для соединения фланцев принимаем плотно пригнанные. Диаметр болтов соединительных фланцев должен быть не менее определяемого по формуле

где dпр =240 мм - расчетный диаметр промежуточного вала;

Rmв =400МПа - временное сопротивление материала вала;

Rmб =600МПа - временное сопротивление материала болта, принимается в пределах

Rmв Rmб 1,7 Rmв, но не более 1000МПа;

i =8 - число болтов в соединении;

D =350 мм - диаметр центровой окружности соединительных болтов, мм.

Принимаю для соединения 8 болтов с резьбой М44

Радиус закругления фланцев валов не менее 0,08 требуемого диаметра вала в районе фланца. Закругление должно быть гладким, подрезка закруглений от головки и гайки соединительных болтов не допускается.

Толщина соединительных фланцев должна быть не менее 20% требуемого диаметра промежуточного вала или не менее диаметра болта в зависимости от того, что больше.

s'=0,2·240=48 мм.

Принимаем толщину фланца 48 мм.

4.6 Соединение гребного винта с валом

Конус гребного вала под гребной винт выполняется с конусностью 1:12. Во избежание попадания воды на конус гребного вала предусматриваются уплотнения.

4.7 Подшипники валов

Опорные подшипники

В качестве опорных подшипников используются подшипники скольжения с фитильно-кольцевой системой смазки. Подшипник подбирается по диаметру промежуточного вала

dпр = 240 мм согласно ОСТ 5.4153-75.

Т.к. n?350 мин, максимальное расстояние между смежными подшипниками [3, с. 37]:

где k1 = 450 коэффициент для подшипников скольжения.

dr = dпр = 240мм - диаметр вала.

Минимальное расстояние между смежными подшипниками:

Так как расстояние от фланца редуктора до дейдвудного подшипника не превышает 5931,9 мм, то принимаем к установке один опорный подшипник скольжения по ОСТ 5.4153-75.

4.8 Тормозные устройства

Тормозное устройство устанавливается на фланцевом соединении промежуточного вала и редуктора. В качестве тормозного устройства используется тормоз бугельной конструкции.

Расчет тормозного устройства

Для стопорения валопроводов в аварийных ситуациях (повреждение винта или валопровода, ремонта их и т.п.) их оборудуют тормозом. Большинство тормозов валопроводов работает по принципу сухого механического трения. Их часто совмещают с фланцевым соединением.

Цель расчёта - определить конструктивные параметры тормоза и обеспечить требования Правил Регистра по усилию затяжки. Расчёт ведется в следующей последовательности.

1.Определяется момент на гребном валу, кН·м,. создаваемый застопоренным гребным винтом,

,

где km - коэффициент момента застопоренных четырех- и трёхлопастных гребных винтов в зависимости от дискового и и шагового Н/Dв отношений (рис.1);

ш = 0,27 - коэффициент попутного потока;

- скорость движения судна с застопоренным гребным винтом, равная обычно 3…4 м/с;

с - плотность воды, т/м3;

DB = 3,1м - диаметр гребного винта,

2 . Находится диаметр тормозного диска, м:

,

где f - коэффициент трения, принимаемый для ленты ферродо по стали - 0,4;

- угол охвата одного бугеля (обычно 100 -130 ),100 =1,92рад. ;

k = bт/Dт - отношение ширины тормозной ленты к диаметру тормоза, k = 0,12 ч 0,14;

p= (6…8)10 кПа - среднее допускаемое давление на тормозную поверхность.

Так как тормозное устройство устанавливается на фланцевом соединении гребного и промежуточного валов, то принимаем диаметр тормоза равным диаметру фланца.

DT = DФ = 0,89 мм.

3. Определяются необходимые силы, кН, торможения ленты = и затяжки винта

где e - основание натурального логарифма.

4. Рассчитывается момент затяжки винта, кН·м,

Для сжатия колодок применяем винт с резьбой М30.

Шаг резьбы s = 3,5 мм.

Средний диаметр принимаем dср = 0,9d = 0,9•30 = 27 мм.

Угол подъема винтовой линии:

,

Угол трения резьбы:

,

где в = 600 = 1,05 рад - угол профиля резьбы,

м = 0,2 - коэффициент трения

Момент затяжки:

5. Определяется усилие затяжки на рукоятке:

где L - длина рукоятки, м.

Усилие затяжки на 1 чел. не должно превышать кН.

Допускается работа на тормозе не более 2 чел., следовательно, кН.

Конструкция тормоза показана на рисунке 1.

Рисунок 4.1 - Тормозное устройство

1 - гайка тяги; 2 - тяга; 3, 5 - штыри тяги и бугеля; 4 - бугель с головкой для штыря и тяги; 6 - фундамент; 7 - фрикционные колодки.

4.9 Проверка валопровода на критическую частоту вращения

Для определения критической частоты вращения гребного вала при поперечных колебаниях валопровод условно заменяется двухопорной балкой с одним свешивающимся концом. Частота вращения вала, при которой возникают его поперечные колебания, вычисляется по формуле:

nкр = 1-3,3.(L2/L1)3.q2/q1).(30..E.I.g/q1)/L12, (мин.-1),

где:

L2 =2,67м - расстояние от середины опоры до центра масс гребного винта;

L1 =4,5м - остальная длина гребного вала;

q1 = .dг2./64 (кН/м) - удельная нагрузка пролета вала L1;

q1 = 3,14.0,31277/64= 0,363 (кН/м);

= 77 кН/м3 - плотность стали;

q2 = q1 + Gв/L2 (кН/м) - удельная нагрузка пролета вала L2;

Gв = 1,47.Dв3. (кН)

Dв = 3,1м - диаметр винта;

= 0,55 - дисковое отношение;

Gв = 1,473,13.0,55 = 24 (кН);

q2 = 0,363 + 24/ 2.67 =9,3 (кН/м);

I = .dг4/64 (м4) - экваториальный момент инерции сечения вала относительно его оси;

I = 3,14.0,314/64 = 4,5.10-4 (м4);

E = 2,16.108 кПа - модуль упругости материала вала.

nкр=1-3,3.(2,67/4,5)3.(9,3/0,363).30.3,14/4,52.(2,16.108.4,510-4·9,8/0,363)= 12·104(мин.-1),

Критическая частота вращения вала должна быть больше ее номинального значения

(nкр - nн)/nн.100% 20%.

(12·104- 182)/182.100% 20%.

4.10 Проверка вала на продольную устойчивость

Необходимость проверки вала на продольную устойчивость устанавливается в зависимости от его гибкости:

где lmax - длина пролета между опорами, м;

i - радиус инерции сечения вала,м

где F - площадь поперечного сечения, м2.

lmax =5,93м

i=0,078м

.

Т. к. = 76 < 80 вал считается жесткими, и его расчет на продольную устойчивость не проводится.

5. Расчет потребной мощности и выбор состава судовой электростанции

Механизмы и оборудование, устанавливаемые на судне, входят в состав вспомогательной установки, систем энергетической установки и общесудовых систем. Энергия, потребляемая этими механизмами, как правило, электрическая, привод электрический или гидравлический.

Согласно Правилам Регистра выбирают род тока и величину напряжения в сети для всех групп потребителей, т.е. механизмов, обслуживающих ЭУ, судовые системы палубных механизмов и прочих потребителей. Род тока и напряжение могут быть едиными для всех потребителей, но могут быть различными для отдельных групп. В настоящее время на судах применяется в основном переменный ток. Величина напряжения регламентирована Правилами Регистра, которые разрешают применять на судах генераторы с номинальным напряжением при переменном токе 133, 230 и 400 в.

Судовая электростанция должна удовлетворять следующим требованиям:

загрузка работающих генераторов должна составлять не менее 60-70% их номинальной мощности;

число установленных генераторов должно быть минимальным и они должны быть однотипными;

в каждом режиме (кроме аварийного) в резерве должно быть не менее одного генератора, способного заменить наибольший по мощности из работающих

Исходя из этого, оснащаем судовую электростанцию двумя генераторами, один из которых - резервный.

Для транспортных судов нашего класса с ДВС наибольшая мощность судовой электростанции в ходовом режиме считается по формуле

Nx = Nxo + a . Ne,

где Nхо - постоянная величина, зависящая от типа СЭУ и судна, для ДУ транспортных судов Nхо = 40 кВт;

а - безразмерный коэффициент, а = 0,045;

Ne - суммарная мощность, Ne = 2160 кВт

Nx = 40 + 0,045. 2160 = 137,2 кВт

Для стояночных режимов среднюю нагрузку электростанции можно найти через водоизмещение или дедвейт:

Nc = Nco + b.D,

где Nco - постоянная величина, Nco = 30 кВт;

b - размерный коэффициент, b = 0,002кВ/т;

D - дедвейт, D = 4448 т;

Nc = 30 + 0,002.4448 = 38,8 кВт.

По мощности судовой электростанции в ходовом режиме (Nx=137,2 кВт) и в режиме стоянки (Nс=38,кВт) выбираем тип дизель - генератора.

В качестве основных дизель- генераторов выбираем два дизель- генератора АД-75. В качестве резервного дизель- генератора выбираем АД-75. В качестве стояночного используется АД-75. Основные характеристики дизель - генераторов представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Характеристики дизель - генераторов

Мощность аварийного дизель генератора принимается равной:

Принимаю в качестве аварийного дизель генератора:

-дизель генератор АД-20 с номинальной мощностью 20 кВт, напряжением 400 В, частотой тока 50Гц.

6. Расчет теплоснабжения судна, выбор автономных и утилизационных котлов

Вспомогательные, утилизационные и комбинированные котельные установки предназначены для обеспечения теплом на стояночном и ходовом режимах вспомогательных потребителей СЭУ и общесудовых потребителей с ДУ и ГТУ - для отопления помещений, санитарно-бытовых нужд, для обеспечения работы главной энергетической установки (подогреватели топлива, масла и т.д.). Автономные котлы используют тот же сорт топлива, что и главные установки.