Міністерство освіти і науки України
Національний університет кораблебудування
імені адмірала Макарова

Личко Богдан Михайлович

УДК 629.5.03-84

Підвищення ефективності суднового
пропульсивного комплексу з малообертовим
двигуном мінімального типорозміру

Спеціальність 05.08.05 – суднові енергетичні установки

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Миколаїв–2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування
імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – кандидат технічних наук, професор
Шостак Володимир Павлович,
Національний університет кораблебудування
імені адмірала Макарова,
професор кафедри суднових та стаціонарних енергетичних установок.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор
Капустін Віктор Володимирович,
Севастопольський національний технічній університет,
завідувач кафедри судноводіння і безпеки
судноплавства;–

кандидат технічних наук, доцент
Мошенцев Юрій Леонідович,
Національний університет кораблебудування
імені адмірала Макарова,
доцент кафедри двигунів внутрішнього згоряння.

Захист відбудеться 23 жовтня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.02 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, просп. Героїв Сталінграду, 9.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, просп. Героїв Сталінграду, 9.

Автореферат розіслано "14" вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої
ради, доктор технічних наук, професор Тимошевський Б.Г.

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА Роботи

Актуальність теми. В останні роки суттєво активізувалося створення транспортних суден водотоннажністю 6...10 тис. т. Аналіз літературних джерел та даних проектних організацій засвідчує, що на таких суднах застосовуються дизельні установки з мало-, середньо- та високообертовими двигунами.

Провідна дизелебудівна фірма "МАН БіВ Дизель А/С" розробила унікальний за своїми характеристиками малообертовий двигун (МОД) серії S26MC. Він є найменшим серед таких двигунів. Це робить його перспективним для зазначених транспортних суден. Разом з тим суднові енергетичні установки (СЕУ) з такими двигунами є найменш вивченими, практично відсутні будь-які обґрунтовані рекомендації щодо значень параметрів МОД, які приймаються при проектуванні СЕУ.

Визначення раціональних параметрів пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру (серії S26MC), а саме розв’язання оптимізаційних задач щодо номінальної та специфікаційної потужностей цих двигунів, визначення порівняльної ефективності прямої і редукторної передач, дозволяє раціонально використовувати енергоресурси та створювати найбільш конкурентноздатні транспортні судна водотоннажністю близько 10 тис. т.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження виконано відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки України "Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й аграрно-промисловому комплексі" (напрямок 6) і Міжвузівської науково-технічної програми "Енергоресурси й енергозбереження на водному транспорті України". Робота здійснювалась згідно з планами Машинобудівного інституту Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за період 2003…2007 рр. і є складовою науково-дослідних робіт кафедри суднових і стаціонарних енергетичних установок. Рівень участі здобувача – виконавець.

Метою дисертаційного дослідження є визначення раціональних значень параметрів головного двигуна, які приймаються при проектуванні СЕУ, і складу пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру шляхом створення інформаційно-методичної бази з подальшими побудовою і реалізацією математичної моделі для зіставлення альтернативних СЕУ.

Основні завдання дисертаційного дослідження:–

загальний критичний огляд методів визначення оптимальних параметрів енергетичних установок морських транспортних суден;–

розробка адаптивних методик для розрахунку поля гвинтових характеристик МОД і витрати палива з урахуванням змінних гідрометеорологічних умов на рейсових лініях;–

формування критерію порівняльної ефективності альтернативних СЕУ з МОД мінімального типорозміру;–

збір, аналіз і узагальнення початкової інформації для обчислень показників і критерію порівняльної ефективності альтернативних СЕУ;–

вибір і адаптація методики для розрахунку опору руху суден та визначення поля значень цього опору, обумовленого різними швидкостями ходу, висотою хвиль та зміною шорсткості підводної частини корпусу судна протягом його строку служби;–

аналіз відомих і одержання нових аналітичних залежностей для співставлення альтернативних СЕУ з МОД мінімального типорозміру;–

реалізація розробленої математичної моделі, чисельні варіантні розрахун-ки на ЕОМ і на підставі цих розрахунків одержання дискретних значень і функціональних залежностей показників і критерію порівняльної ефективності альтернативних СЕУ, визначення характерних областей оптимальних значень цих параметрів та встановлення межі доцільного застосування редукторної передачі;–

розробка рекомендацій щодо раціонального складу пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру та оптимальних параметрів цих двигунів відповідно до суден водотоннажністю близько 10 тис. т.

Об'єкт дослідження – ефективність дизельної установки морських транспортних суден, а предмет дослідження – номінальна і специфікаційна потужності суднових МОД мінімального типорозміру і редукторна передача пропульсивної установки з цими МОД.

Методи дослідження. В основу дисертаційної роботи покладені традиційні методи системних досліджень складних технічних систем:–

метод математичного моделювання з розробкою адаптивних програм;–

графоаналітичний метод;–

метод науково-технічного прогнозування для встановлення динаміки зміни технічних і вартісних параметрів з часом;–

метод статистичної обробки ймовірностної інформації при одержанні узагальнених даних про гідрометеообстановку на рейсових лініях.

Наукова новизна отриманих результатів:–

удосконалено методику і створено на її основі адаптивну програму, що не має аналогів, для визначення експлуатаційних гвинтових характеристик МОД;–

уперше встановлені, раніше невідомі і неочевидні, поля гвинтових характеристик МОД для деяких морських транспортних суден, які охоплюють їх нормативний строк служби;–

уперше визначені раціональні значення параметрів МОД мінімального типорозміру, що приймаються при проектуванні суден з водотоннажністю близько 10 тис. т;–

уперше виявлено розрахунковим шляхом, що при використанні у якості головного двигуна МОД мінімального типорозміру доцільним, як правило, є застосування в судновому пропульсивному комплексі редуктора.

Узагальнений науковий результат, який виноситься на захист, полягає в тому, що ефективність суднового пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру може бути значно підвищена за рахунок заміни прямої передачі редукторною і за рахунок оптимізації потужностних параметрів МОД при проектуванні СЕУ на основі математичних моделей. При цьому зниження собівартості перевезень суднами водотоннажністю близько 10 тис. т складає 1,5...5,0 % і супроводжується економією палива від 2,5 до 4,0

Вірогідність результатів дослідження забезпечена коректною постановкою наукової задачі і використанням відомих номограм, діаграм і апробованих методик, а саме:–

методики для визначення швидкості ходу судна в залежності від змінних експлуатаційних факторів, яка скорегована за результатами ходових та натурних випробувань транспортних суден;–

номограм фірми МАН БіВ, які побудовано за результатами стендових випробувань сучасних МОД, для визначення питомої витрати палива та обмежувальних навантажувальних характеристик цих двигунів;–

діаграм для розрахунку гребних гвинтів, в основу яких покладено результати випробувань їх моделей,

а також застосуванням об’єктивного критерію порівняльної ефективності альтернативних СЕУ.

Об’єктивність результатів розрахунків цього критерію зумовлена розробкою адекватної математичної моделі для його визначення, в якій враховуються чинники, що суттєво впливають на витрати палива, швидкість ходу суден, собівартість морських перевезень, і в якій використані початкові дані, одержані із сфери проектування, побудови та експлуатації сучасних морських суден і багаторічних спостережень погоди у характерних районах Світового океану.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що виявлено принципову можливість і показано шлях визначення раціональних проектних рішень по маловивченому пропульсивному комплексу з МОД мінімального типорозміру, завдяки чого стає можливим виключати інтуїтивні методи прийняття проектних рішень. Розроблені адаптивні математичні моделі дозволяють оперативно розв’язувати оптимізаційні задачі на різних стадіях проектування СЕУ з такими МОД.

Основні результати дисертаційного дослідження використані в проектній організації ВАТЧорноморсуднопроект", у судноплавній компанії ВАТПівденрефтрансфлот" і впроваджені в навчальний процес Одеської національної морської академії та Національного університету кораблебудування, що підтверджується відповідними актами.

Очікувана економічна ефективність впровадження результатів дисертаційного дослідження зумовлюється потенційним зниженням витрат на паливо в середньому на 3і підвищенні прибутку транспортних суден водотоннажністю близько 10 тис. т – на 4

Особистий внесок автора в одержанні наукових результатів полягає в огляді й аналізі літературних джерел із проблем і задач сучасних СЕУ, формулюванні мети і задач дослідження, у висуванні гіпотези про доцільність застосування редуктора в пропульсивному комплексі з МОД мінімального типорозміру, у розробці адаптивних методик для системних досліджень СЕУ і створенні на їхній базі адаптивного програмного продукту.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися: на конференціях професорсько-викладацького складу НУК (Миколаїв, 2002-2006 рр.), міжнародній науково-практичній конференції "Суднова енергетика: Стан та проблеми" у 2005 р. (НУК, Миколаїв), міжгалузевій науково-технічній конференції "Сучасні проблеми розвитку поршневих ДВЗ" у 2005 р. (Росія, С.-Петербург) і міжнародній науково-методичній конференції "Сучасні проблеми суднової енергетики" у 2005 р. (ОНМА, Одеса).

Публікації. Основні результати дисертаційного дослідження опубліковано в чотирьох статтях у збірниках наукових праць, у тому числі в одній без співавторів.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 197 сторінок, зокрема: основний текст – 166 сторінок, рисунків 52, таблиць 22, список літератури (80 найменувань) – 6 сторінок та додатки – 25 сторінки.

ОСновний Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і необхідність підвищення ефективності суднового пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру, наведені дані про наукову новизну отриманих результатів, подана загальна характеристика роботи.

У першому розділі аналізуються сучасні дизельні енергетичні установки (ЕУ) транспортних суден, яким притаманно високий рівень уніфікації і типізації основних проектних рішень. Однак зростаючі ціни на нафту і нафтопродукти, мінливість фрахтового ринку обумовлюють проведення все нових досліджень в області суднової енергетики. Як і раніше, зараз активно ведуться дослідження щодо удосконалювання суднового пропульсивного комплексу. Розробляються нові гребні гвинти і пов'язані з ними пристрої. Створюються більш досконалі суднові дизелі, серед яких найбільш розповсюдженим на морських транспортних судах є МОД.

Це дисертаційне дослідження відноситься до системних досліджень СЕУ і спрямовано на їх вдосконалення. В таких дослідженнях при аналізі суднового пропульсивного комплексу "МОД–валопровід–рушій" приходиться використовувати данні щодо пропульсивних якостей суден при різних гідрометеорологічних умовах на рейсових лінях. Цим та іншим питанням присвячена велика кількість публікацій, завдяки яким стає можливим будувати математичні моделі для системних досліджень СЕУ, оскільки в них наводяться необхідні значення величин і функціональні залежності, підтверджені багаторічними спостереженнями, ходовими випробуваннями суден і їхніх головних двигунів. Крім того, в сучасних літературних джерелах містяться відомості про явища, характеристики і величини, що виходять за рамки суднової енергетики, але необхідні для досліджень СЕУ як складних технічних систем. До них відносяться: гідрометеорологічна обстановка в окремих районах Світового океану, вартісні показники суднового і енергетичного обладнання, фрахтові ставки тощо.

Незважаючи на наявність в літературі великої кількості відповідної інформації, системні дослідження СЕУ практично не були б можливі без проектної документації суден останніх років побудови. В даному дослідженні використовувалися в основному проектні дані балкера "Київ" (водотоннажністю  = 73600 т), танкера "Перемога" ( = 77000 т), транспортних рефрижераторів "Бухта Руська" ( = 10100 т) і "Фріо Хелленик" ( = 17640 т) і, в найбільшій мірі, суховантажника "City" ( = 9250 т). Всі ці судна оснащені МОД, побудованими на Брянському машинобудівному заводі за ліцензією фірми МАН БіВ.

Проведений огляд літератури і технічної документації дозволяє зробити деякі узагальнені висновки:

1) неприпинні дослідження пропульсивних властивостей суден, конструкторські розробки некавітуючих гребних гвинтів, подальші вдосконалення МОД тощо вказують на актуальність даного дисертаційного дослідження;

2) системні дослідження СЕУ можуть бути проведені на базі побудованих і реалізованих відповідних математичних моделей для визначення проектних параметрів МОД мінімального типорозміру стосовно конкретної групи суден, наприклад суховантажників водотоннажністю 6...10 тис. т;

3) даний етап розвитку СЕУ, наявна інформаційно-методична база дозволяють ставити і проводити системні дослідження СЕУ з прямою чи редукторною передачею потужності на гвинт;

4) СЕУ з МОД мінімального типорозміру вкрай слабко висвітлені у відомих літературних джерелах, так що вивчення цього питання розширить наші уявлення щодо раціональних параметрів МОД з діаметром циліндра 260 мм і дозволить дати відповідні рекомендації проектантам СЕУ.

У випадку застосування МОД має місце, як правило, пряма передача потужності від двигуна до рушія. Однак прагнення підвищити коефіцієнт корисної дії (ККД) гребного гвинта і тим самим знизити витрату палива на одиницю пройденого шляху спонукає розглянути питання про доцільність застосування в установках з МОД редуктора.

Провідну роль у створенні й удосконалюванні суднових МОД відіграє промислова група "МАН БіВ Дизель". Мінімальний типорозмір суднового МОД належить цій провідній фірмі. Марка цього двигуна S26MC; він відноситися до наддовгоходових дизелів сімейства МС.

Огляд літературних джерел дає підстави вважати, що межі доцільного застосування на суднах МОД мінімального типорозміру не обґрунтовано звужені, оскільки вони мають високу паливну економічність і помірну масу, а по габаритах (насамперед за висотою) вписуються в архітектуру порівняно невеликих морських транспортних суден довжиною 90…110 м.

Наприкінці першого розділу викладені мета і задачі дослідження.

Другий розділ присвячений аналізу методів дослідження СЕУ, початковій розробці методик і математичних моделей.

Серед відомих методів порівняння альтернативних СЕУ, що розрізняються типом, складом, розташуванням енергетичного устаткування, параметрами пропульсивного комплексу, суднової електростанції, допоміжної котельної установки і інших її підсистем, можна виділити такі: статистичний метод, метод макетування (фізичного моделювання), метод порівняння за ескізними проектами, метод натурних випробувань, метод науково-технічного прогнозування, метод математичного моделювання.

Практично необмежені можливості по виявленню різних якостей технічних систем має метод математичного моделювання. Він відноситься до єдино можливого метода в тих випадках, коли фізичний чи натурний експеримент нездійсненний через фінансові обмеження чи неможливий, наприклад, за умовами безпеки мореплавання. У багатьох роботах відзначається, що найбільш могутнім засобом визначення оптимального шляху розвитку складних систем є їхнє математичне моделювання, в основі якого лежить уявний експеримент, що дозволяє досліджувати як реальні, так і абстрактні об'єкти.

Дослідження СЕУ методом математичного моделювання дозволяє здійснювати чисельні (на ЕОМ) експерименти з розрахунковою моделлю для визначення оптимальних параметрів. До параметрів, значення яких приймаються при проектуванні СЕУ, у загальному випадку відносяться потужності головного двигуна і суднової електростанції, паропродуктивність допоміжної котельної установки, а також інші характеристики.

Розробка альтернативних варіантів для дослідження базується, як правило, на аналізі СЕУ спроектованих і діючих суден. Всі альтернативні варіанти повинні відповідати правилам проектування і побудови суден певного класифікаційного товариства. У даному дослідженні до альтернативних варіантів, у першу чергу, відносяться СЕУ в яких пропульсивні комплекси різняться номінальною потужністю МОД. Потім такі, що мають однакову номінальну потужність, але різняться ступенем дефорсування МОД, наявністю прямої чи редукторної передачі.

В основу загальної методики системних досліджень СЕУ нами був покладений метод математичного моделювання зі створенням розрахункової моделі, адекватної меті і задачам дисертаційної роботи. Укрупнена блок-схема методики порівняльної ефективності альтернативних СЕУ має 12 блоків і одну сервісну підпрограму для розрахунку буксирувального і повного опорів руху судна. Для поглибленої розробки математичної моделі було сформовано цільову функцію – критерій, що визначає кращу з альтернативних СЕУ.

Таким чином, загальна методика дослідження базується на методі математичного моделювання з побудовою і реалізацією відповідних розрахункових моделей з використанням відомих методів: статистичного моделювання – при одержанні законів розподілу значень навантаження МОД у режимі повного ходу; графоаналітичного – при суміщенні навантажувальної діаграми і гвинтових характеристик МОД, при визначенні ступеня навантаження МОД і параметрів гребного гвинта; науково-технічного прогнозування й обробки статистичної інформації з застосуванням прийомів теорії ймовірностей – при одержанні окремих початкових даних у стохастичній формі тощо.

У третьому розділі виконується аналіз відомих аналітичних залежностей, номограм і діаграм і їхня придатність для розроблювальної математичної моделі.

Властивості СЕУ, як і всякої іншої технічної системи, формуються в основному при проектуванні, а потім реалізуються в сфері виробництва. Повною мірою ці властивості розкриваються протягом усього процесу експлуатації. Очевидно, що найбільше значення мають властивості, що визначають відповідність СЕУ умовам їхньої експлуатації.

Одним з важливих питань при виконанні аналізу ефективності транспортного судна є коректне завдання довжини рейсових ліній. За свій строк служби судна експлуатуються у різних кліматичних сезонних зонах і районах Світового океану. Вітчизняним суднам притаманні рейсові лінії довжиною від 1 до 14 тис. миль, гідрометеорологічні умови на який істотно різняться.

Закономірності багаторічного розподілу вітру і хвиль на рейсових лініях можуть бути визначені за статистичними даними. Маршрути морських суден зазвичай пролягають через кілька районів і, не рідко, через кілька зон океанів і в різні сезони року. У даному дисертаційному дослідженні для характерних рейсових ліній в Атлантиці були визначені диференційні функції розподілу висоти хвиль 3ї забезпеченості з використанням відомих частотних таблиць. На підставі аналізу цих функцій для математичної моделі був прийнятий закон розподілу висоти хвиль ,який показано на рис. . На ньому також зазначено ймовірності роботи судна при різних висотах хвиль до ступеня хвилювання V балів включно.

Невід'ємною частиною будь-якої математичної моделі для визначення порівняльної ефективності альтернативних СЕУ є дані щодо капітальних і поточних витрат. Усі вартісні показники залежать від часу. У зв’язку з цим початкові вартісні показники корегувалися за допомогою коефіцієнтів динаміки (індексів), функціональні залежності яких були визначені шляхом науково-технічного прогнозування.

Базова вартість транспортних суден визначалася за даними вітчизняних суд-нобудівних заводів. Початкова питома вартість (відповідно водотоннажності порожнем) для базового суховантажника водотоннажністю близька 10 тис. т склала 3 тис. у.о/т. Базова вартість МОД приймалась за даними Брянського машинобудівного заводу. Ціни на паливо-мастильні матеріали були визначені як середні з урахуванням місця бункерування і відповідних індексів.

Загалом в цьому розділі сформована додаткова інфор-маційна база для створення математичної моделі, що дозволяє робити аналіз і кількісно визначати критерій порівняльної ефективності пропульсивного комплексу з МОД мінімального типороз-міру для суховантажних суден водотоннажністю близько 10 тис. т.

Значна частина четвертого розділу присвячена результатам дисертаційного дослідження щодо полів опору руху судна в залеж-ності від головних чинників: гідрометеорологічних параметрів, стану зовнішньої підводної частини судна та його осадки. Це обумовлено тим, що відносно невеликі морські судна найбільш чутливі до зазначених чинників. Оскільки альтернативні варіанти СЕУ, що розглядаються, якраз і обумовлюють свою різну, притаманну їм, швидкість ходу судна, то коректне визначення сумарних витрат палива протягом їх строку служби може бути здійснено при наявності відповідних полів опору руху. Таким чином, достовірність результатів порівняльної ефективності СЕУ обумовлюється в значній мірі застосуванням в математичній моделі не окремих залежностей опору від швидкості ходу судна, а саме поля цього опору.

При визначенні поля опору руху судна були виділені такі характерні умови експлуатації та їх параметри:

1. Висота хвиль 3ї забезпеченості , м. Поточні значення цієї висоти залежить від гідрометеорологічних умов, а максимально допустимі, коли ще не змінюють напрямок і швидкість ходу – від типу і розмірів судна. Так, наприклад, для великотоннажних суден граничні несприятливі умови експлуатації ( ,5 м) настають значно пізніше, ніж для малотоннажних ( ,5 м).

2. Швидкість вітру , м/с. Її значення в математичній моделі корегуються з висотою хвиль.

3. Кут напрямку вітру і поширення хвилювання , град. В математичній моделі прийнято, що напрямки вітру і хвиль збігаються.

4. Стан підвідної частини корпуса судна. Він впливає на додатковий опір руху судна, викликаний обростанням і корозією корпусу. На підставі узагальнень прийнято, що це характеризується часом, минулим після доковання судна, , міс.

5. Осадка судна , м. Вона безпосередньо впливає на значення повного опору руху судна.

Таким чином, прийняті умови експлуатації судна являють собою сукупність гідрометеорологічних параметрів і посередньої характеристики технічного стану його підводної частини.

Принципово важливим для даного дослідження є якість використовуваної інформації і розрахункових методик. Визначення опору руху судна за традиційними методиками обчислюється, як правило, для специфічних умов: тиха і глибока вода, чистий свіжопофарбований корпус. Особливістю використаної в даній роботі методики є те, що вона дозволяє розраховувати опір у широкому діапазоні зміни гідрометеорологічних параметрів; крім того, вона скоректована за даними ходових і натурних випробувань суден. У матеріалах по використанню цієї методики зазначається, що похибка розрахунку опору не перевищує 4,5Це вказує на високу якість врахування змінних зовнішніх факторів і дозволяє вважати, що в порівняльному аналізі альтернативних СЕУ, коли обводи і розміри корпусу судна не змінні, швидкість ходу, тривалість рейсу і витрати палива визначаються адекватно до мети дослідження.

Були зроблені розрахунки при умовах, що охо-плюють весь термін експлуатації судна, зміну гідрометеофакторів до V балів хвилювання моря включно, а для суден набагато більшої водотоннажності (наприклад, балкера  т) до VI балів. На підставі цих розрахунків визначені поля опору, які для різних суден подані на рис. .

На цьому рисунку кожній залежності відповідають такі параметри: 1 – =3,5 або 6,0 м, =24 міс., =30є; 2 – =2,8 м, =24 міс., =65є; 3 – =2,6 м, =14 міс., =65є; 4 – =1,0 м, =0, =0; 5 – =1,0 м, =0, =150є; 1...4 – осадка з повним вантажем; 5 – осадка в баласті.

Гвинтова характеристика МОД являє собою сукупність відповідних значень "потужність-частота", яка, з практичної точки зору, є степеневою функцією, а в логарифмічних координатах – це пряма лінія з кутовим коефіцієнтом для транспортних суден від 2,7 до 3,3.

Визначення гвинтових характеристик здійснюється на різних стадіях проектування енергетичної установки і для різних цілей. Ці розрахунки виконуються з різною кількістю вихідних даних.

У зв’язку з цим було розроблено логічну схему розрахунку гвинтових ха-рактеристик, відповідну адаптивну узагальнюючу методику і програму на "Borland Delphi 7" для розрахунку гвинтових характеристик. Ця програ-ма дозволяє знаходити важливі характеристики для порівняння альтерна-тивних СЕУ при різній кількості вхідних даних.

Далі в четвертому розділі подається мате-ріал, пов'язаний з моделюванням витрат і результатів транспортного судна, що забез-печує визначення критерію порівняльної ефективності СЕУ – прибутку судна з альтернативною СЕУ.

На рис. наведено схему з зазначенням харак-терних подій і необхідних часових параметрів для визначення зведених витрат і прибутку.

На цьому рисунку: момент часу, на який визначено ціну на суднобу-дівну продукцію; мо-мент часу, на який визна-чено вартісний показник по -й статті функціонування судна; момент визна-чення порівняльної ефек-тивності альтернативних СЕУ; початок розробки робочого проекту судна; початок побудови судна; початок експлуатації судна; термін служби судна; момент списання судна на металобрухт; питома вартість судна на момент часу ; , питомі вартісні показники, визначені на моменти часу і ; вартість судна на момент часу ; технічний інтегральний -й показник, що характеризує в -му році функціонування судна з альтернативної СЕУ (для -ї статті поточних витрат чи доходів),  , , , … ; індекс вартісного показника, визначений на момент часу ; горизонт прогнозування; відрізок часу між і ; відрізок часу між і ; тривалість розробки робочого проекту судна; тривалість побудови судна.

Капітальні і поточні витрати судна з альтернативною СЕУ і дохід, отриманий за час експлуатації цього судна, при підсумовуванні повинні бути зведені до одного й того ж моменту часу. За момент зведення прийнято .

З урахуванням цього і згідно з рис. для визначення складових критерію порівняльної ефективності альтернативних СЕУ отримані рівняння:

для зведених капітальних витрат

; (1)

для зведених поточних витрат чи зведеного доходу судна протягом його терміну служби (при рівні хвилювання до V балів включно)

. (2)

В цих рівняннях: – водотоннажність судна порожнем; – коефіцієнт зведення для капітальних витрат, який при нормі дисконту часу і здійсненні цих витрат водночас при визначається як ; коефіцієнт зведення поточних витрат чи доходів судна з урахуванням індексів зміни питомих вартісних показників чи фрахтових ставок :

.

Рівняння (1) і (2) є базовими. Для визначення величин, що входять в ці рівняння, знайдені відповідні залежності в аналітичному вигляді, які складають основну частину математичної моделі для підрахунку зведеного прибутку судна як критерію порівняльної ефективності СЕУ.

Так наприклад, зведені витрати на паливо для головного двигуна (для МОД) підраховуються за таким рівнянням:

,

де – початкова ціна на паливо,  ; – індекс ціни на паливо при ,  ;  – коефіцієнт зведення витрат на паливо,   [див. рис. і рівняння (2)];  – середня щорічна витрата палива головним двигуном,

.

Тут: – кількість рейсів за рік; – довжина рейсової лінії, милі; – швидкість ходу судна в рейсі, вуз; – потужність головного двигуна в рейсі, кВт; – питома витрата палива в рейсі, г/(кВт·год.); індекс – відноситься до -х умов експлуатації.

Величини , , і визначаються з урахуванням величини – ймовірності роботи судна при різних висотах хвиль 3ї забезпеченості.

Таким чином, при заданих значеннях та визначених і і при наявності залежності та навантажувальної діаграми з гвинтовими характеристиками розраховуються витрати палива на ГД.

П'ятий розділ містить найбільш важливі результати дисертаційного дослідження.

Поля опору руху суден (див. рис. ) обумовлюють відповідні поля гвинтових характеристик головних двигунів. На рис. , а подані середні гвинтові характеристики МОД 10S26МС для п’яти часткових полів і зазначені їх коефіцієнти вагомості для суховантажника з   т і гвинтом фіксованого кроку діаметром 4,3 м серії М4-65, характеристики якого визначені як оптимальні на лінії 4 при = кВт. Лінії 1 і 5 є практично обмежувальними лініями поля гвинтових характеристик МОД. Зверху це поле обмежується навантажувальною діаграмою.

Гвинтовим характеристикам 1...5 відповідають певні залежності швидкості ходу судна від частоти обертання МОД, яка при застосуванні прямої передачі співпадає з частотою обертання гребного гвинта. Такі залежності наведені на рис. , б. Лінії 1...5 ,в певній мірі, можуть розглядатися як межі цього поля. Більш точне визначення цих меж здійснити достатньо просто з використанням згаданої вище програми (на "Borland Delphi 7").

Такий об’єм інформації, який подано на рис. 4, використовується в практиці порівняльної ефективності СЕУ, на наш погляд, вперше. Очевидно, що при наявності саме такої інформації можна забезпечити коректне визначання можливих рейсових витрат палива і моделювати ці витрати протягом значного періоду експлуатації.

Оскільки специфікаційна потужність МОД завжди менша номінальної (для двигунів фірми МАН БіВ в т.), то вона, по суті, дефорсує МОД для тривалої довгострокової роботи за різних умов експлуатації. Значення специфікаційної потужності приймаються при проектуванні СЕУ, як правило, вольовими методами. Тому однією з задач даного дисертаційного дослідження є визначення оптимальної потужності дефорсованого МОД. Розв’язання цієї задачі стало можливим завдяки розробленій математичній моделі для підрахунку зведеного прибутку судна, як критерію порівняльної ефективності альтернативних СЕУ. На рис. наведено залежності прибутку від відносної специфікаційної потужності МОД суховантажника з   т за різних умов. Як бачимо, з ростом цін на паливо, зі зменшенням відстані транспортування вантажів оптимальне значення специфікаційної потужності двигуна 8S26МС зменшується (приблизно від 95до 65номінальної потужності). З іншого боку, підвищення рентабельності морських перевезень, коли послабляється вплив вартості палива на прийняття проектних рішень, обумовлює ріст оптимальної специфікаційної потужності. На рисунку також показані діапазони , обумовлені різною мож-ливою вартістю палива.

В таблиці наведені діапазони оптимальних номінальних потужностей залежно від довжини рейсової лінії та рівня рентабельності морських перевезень. Значні діапа-зони цих потужностей обумовлені різними, прийнятими в розрахунках, значеннями початкової вартості палива від 180 до 330 у.о./т. Для початкової вартості палива 240 у.о./т при рівні рентабельності 30і довжині рейсової лінії 2 тис. миль оптимальна номінальна потужність складає 3000 кВт.

Такі дані, як на рис. та в таблиці, сприяють підвищенню якості прийнятих проектних рішень. Вони свідчать про можливість виключення вольових методів ухвалення рішення і дозволяють створювати відповідні блоки для автоматизованого проектування СЕУ, що сприятиме мінімізації собівартості морських перевезень.

Діапазони оптимальної номінальної потужності двигунів S26MC
при різних довжинах рейсової лінії та рівні рентабельності

Довжина рейсової лінії, милі | Рентабельність, %

20 | 30 | 40

2000 | 2490…3180 | 2590…3290 | 2620…3310

6000 | 2730…3350 | 2830…3460 | 2850…3480

10000 | 2810…3490 | 2910…3610 | 2930…3630

Як зазначалось у підрозд. .3, установка з МОД і редуктором є альтернативою установці з прямою передачею потужності на гребний гвинт, якщо осадка судна дозволяє встановлювати гвинт більшого діаметра. У зв’язку з цим, з метою подальшого підвищення ефективності СЕУ з МОД мінімального типорозміру, було здійснено порівняння альтернативних СЕУ для суховантажника з   т, які розрізняються типом механічної передачі потужності на гребний гвинт фіксованого кроку з розробкою відповідної укрупненої методики.

Конструктивна розробка альтернативних СЕУ, для зазначеного вище суховантажника, подана рис. .

Основні відмінності СЕУ з редукторною передачею від СЕУ з прямою передачею – це гребний гвинт більшого діаметра, збільшені розміри валопроводу, редуктор з убудованим головним упорним підшипником і еластична муфта. При переході від одного типу передачі до іншого довжина машинного відділення, що складає близько 14 м, залишається не змінною. У кормову кінцеву частину вписується гребний гвинт значно більшого діаметра. Відносно невеликий зазор між обшивкою корпуса судна і лопаттю гвинта (близько 15від його діаметра) цілком достатній для сучасних гребних гвинтів.

Шляхом розрахунку гвинтових характеристик МОД і їх суміщення з полем вибору його робочих параметрів при специфікаційній потужності   кВт визначені діаметри оптимальних гребних гвинтів і характерні частоти обертання двигуна. Застосування редуктора збільшує ККД гребного гвинта на ~ (абсолютних) і веде до зростання швидкості ходу судна більше, ніж на 7

Оскільки редукторна передача збільшує і швидкість ходу судна, і капітальні та поточні витрати, то ефективність редукторної і прямої передач також оцінювалось за критерієм – зведеним прибутком за нормативний строк служби. На підставі чисельних розрахунків було встановлено, що при будь-якому, реально можливому, зростанні ціни СЕУ і витрат на її технічне обслуговування та ремонт завдяки застосуванню редукторної передачі критерій порівняльної ефективності зростає. Крім того, встановлено, що передавальне відношення редуктора повинно бути найбільшим і воно обмежується лише діаметром оптимального гребного гвинта.

ВИСНОВКИ

1. Вперше проведено системне дослідження дизельних установок для транспортних суден з МОД мінімального типорозміру. Стосовно до цієї ситуації подано нове рішення наукової задачі, яке полягає в розробці методу визначення оптимальної номінальної потужності головного двигуна, раціонального ступеня його дефорсировки з оцінкою застосування прямої і редукторної передач і проілюстровано стосовно до МОД провідної дизелебудівної фірми "МАН БіВ Дизель А/С" марки S26MC.

2. Удосконалено методику і створено на її основі адаптивну програму, що не має аналогів, для визначення експлуатаційних гвинтових характеристик МОД.

3. Вперше встановлені, раніше невідомі і неочевидні, поля гвинтових характеристик МОД, які охоплюють нормативний строк служби морських транспортних суден і різні гідрометеорологічні умови їх експлуатації.

4. Розроблено критерій порівняльної ефективності альтернативних СЕУ, які розрізняються показниками потужності МОД, редукторною чи прямою передачею; критерій є не традиційним і дозволяє моделювати ситуації за весь період будівництва й експлуатації судна з альтернативною СЕУ. Він включає статистичну і прогнозну інформацію про функціонування судна як складної технічної системи.

5. Вперше визначені раціональні значення параметрів МОД мінімального типорозміру, які приймаються при проектуванні СЕУ; при цьому найбільш важливим є специфікаційна потужність МОД, яка може складати 66...93від номінальної залежно від заданих на проектування даних; для сучасного рівня цін на паливо цей діапазон становить 73..81

6. Вперше виявлено розрахунковим шляхом, що при використанні у якості головного двигуна МОД мінімального типорозміру доцільним, як правило, є застосування в судновому пропульсивному комплексі редуктора, оптимальне передавальне відношення якого відповідає максимально можливому діаметру гребного гвинта.

7. Виявлено принципову можливість і показано шлях визначення раціональних проектних рішень по маловивченому пропульсивному комплексу з МОД мінімального типорозміру, завдяки чому стало можливим виключити інтуїтивні методи прийняття проектних рішень.

8. Створена адаптивна математична модель дозволяє оперативно вирішувати проектні задачі на різних стадіях розробки СЕУ, а саме – визначати оптимальні показники потужності МОД.

9. Ефективність суднового пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру може бути істотно підвищена за рахунок заміни прямої передачі редукторною і за рахунок оптимізації потужностних параметрів МОД при проектуванні СЕУ на основі математичних моделей, що враховують ймовірностний характер гідрометеофакторів на рейсових лініях. При цьому зниження собівартості морських перевезень суднами водотоннажністю близько 10 тис. т складає 1,5...5,0і супроводжується економією палива від 2,5 до 4,0

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1. Лычко Б.М. Оптимизация проектной мощности судового малооборотного дизеля // Зб. наук. праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2006. – №6. – С.87-93.

2. Шостак В.П., Лычко Б.М. К вопросу о применении дизель-редукторной установки с малооборотным двигателем на транспортных судах // Зб. наук. праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2005. – №5. – С.60-68.

3. Шостак В.П., Личко Б.М. Моделювання показників порівняльної ефективності альтернативних суднових енергетичних установок // Зб. наук. праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2005. – № 6. – С.205-213.

4. Шостак В.П., Лычко Б.М. К вопросу применения различных энергетических установок на морских транспортных судах дедвейтом 5…10 тыс. т. // Зб. наук. праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2007. – №1 – С.76-83.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [2] – розроблено та виконано укрупнений техніко-економічний аналіз застосування редукторної передачі з МОД мінімального типорозміру; [3] – вдосконалено схему зведення затрат та результатів транспортного судна та отримано залежності індексів питомих вартісних показників; [4] – виконано аналіз ефективності застосування енергетичних установок на транспортних суднах.

АНОТАЦІЯ

Личко Б.М. Підвищення ефективності суднового пропульсивного комплексу з малообертовим двигуном мінімального типорозміру. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 – суднові енергетичні установки. – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2007.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру шляхом визначення на стадії проектування СЕУ раціональних потужностних параметрів цього двигуна з прямою чи редукторною передачами. Актуальність теми обумовлена двома факторами. Перший – активно будуються транспортні судна водотоннажністю 6...10 тис. т. Другий – ведуча дизелебудівна фірма МАН БіВ розробила унікальний за своїми характеристиками МОД серії S26MC, який є перспективним для суден водотоннажністю близько 10 тис. т.

Основною задачею дослідження є визначення раціональних параметрів пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру.

Дисертаційна робота відноситься до системних досліджень СЕУ і включає в себе розробку математичної моделі для розрахунку критерію їх порівняльної ефективності. В результаті реалізації цієї моделі вперше визначені раціональні значення параметрів МОД S26MC у складі суднового пропульсивного комплексу. Оптимальне значення специфікаційної потужності при сучасній ціні на паливо лежить в діапазоні 73...81від номінальної.

Встановлено, що ефективність суднового пропульсивного комплексу з МОД мінімального типорозміру може бути істотно підвищена за рахунок заміни прямої передачі редукторною і за рахунок оптимізації потужностних параметрів МОД при проектуванні СЕУ на основі математичних моделей, які враховують ймовірностний характер гідрометеорологічних параметрів на рейсових лініях. При цьому зниження собівартості морських перевезень суднами водотоннажністю близько 10 тис. т становить 1,5...5,0і супроводжується економією палива від 2,5 до 4,0

Ключові слова: судно, система, суднова енергетична установка, малообертовий двигун, потужність, моделювання, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Лычко Б.М. Повышение эффективности судового пропульсивного комплекса с малооборотным двигателем минимального типоразмера. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 – судовые энергетические установки. – Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2007.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности пропульсивного комплекса с МОД минимального типоразмера путем определения на стадии проектирования СЭУ рациональных мощностных параметров этого двигателя с прямой или редукторной передачей с помощью разработанных в диссертации математических моделей и созданных на их базе программных продуктов для ЭВМ. Актуальность темы обусловлена двумя факторами. Первый – активное строительство транспортных судов водоизмещением 6…10 тыс. т, для которых нет единообразия принимаемых проектных решений относительно рациональных параметров их СЭУ. Второй – ведущая дизелестроительная фирма "МАН БиВ Дизель А/С" разработала уникальный по своим характеристикам МОД серии S26MC, который является весьма перспективным для судов водоизмещением около 10 тыс. т. Вместе с тем СЭУ с такими дизелями являются наименее изученными, практически отсутствуют сколь-нибудь обоснованные рекомендации по значениям принимаемых при проектировании СЭУ параметров МОД.

Основной задачей исследования является – определение рациональных параметров пропульсивного комплекса с МОД минимального типоразмера. Решение оптимизационных задач по номинальной и спецификационной мощностям, определению сравнительной эффективности прямой и редукторной передачи от ГД к движителю позволяет рационально использовать энергоресурсы, создавать наиболее конкурентоспособные транспортные суда.

Диссертационная работа относится к системным исследованиям альтернативных СЭУ транспортных судов и включат в себя разработку математической модели для расчетов критерия сравнительной эффективности таких СЕУ, в качестве которого выступает приведенная прибыль за нормативный срок службы.

В математической модели для сопоставления альтернативных СЭУ, которые различаются мощностными (номинальной и спецификационной) параметрами и типом (прямая или редукторная) передачи, используются созданная автором программа по определению сопротивления движения судна и данные о гидрометеорологических условиях мореплавания, вероятности эксплуатации судна в различных условиях, характеристиках рейса, стоимостных показателях с учетом прогнозных характеристик, а также сведения, полученные из сферы создания и эксплуатации транспортных судов подобного класса.

В результате реализации математической модели получены зависимости критерия сравнительной эффективности, экстремумы которых определяют оптимальные, принимаемые при проектировании СЕУ, значения параметров МОД минимального типоразмера, а также выполнен анализ эффективности применения редуктора в составе пропульсивного комплекса. Впервые определены рациональные значения этих параметров. Наиболее важным является дефорсировка МОД; оптимальное значение спецификационной мощности для современного уровня цен на топливо лежит в диапазоне 73…81

Эффективность судового пропульсивного комплекса с МОД минимального типоразмера может