POZIOM ZARZĄDZANIA
1. Dlaczego we współczesnych napędach okrętowych dominuje silnik spalinowy tłokowy?
Zalety i wady napędów z silnikami wolnoobrotowymi i średnioobrotowymi.
2. Pojęcie sprawności napędowej. Równanie. Co decyduje o wielkości tej sprawności?
Sprawność napędowa ujmuje straty związane z przekształcaniem mocy ruchu obrotowego
dostarczonej do śruby Ns na moc ruchu postępowego statku, czyli moc holowania Nh .
6. Źródła strat energii siłowni spalinowej oraz możliwości ich użytecznego wykorzystania.
Sprawność napędu przedstawia stopień wykorzystania energii zawartej w paliwie do
napędu statku i określa wszystkie straty występujące w układzie napędowym.
Rodzaje strat
Silnik główny:
- straty zamiany energii chemicznej paliwa na energię cieplną (straty cieplne spowodowane
niezupełnym i niecałkowitym spalaniem paliwa),
- straty przekształcenia energii cieplnej na energię mechaniczną (straty w spalinach
wylotowych, straty chłodzenia, straty promieniowania; nieszczelności, zawirowania
czynnika roboczego, dławienie czynnika itp.)
- straty mechaniczne silnika ( tarcie w cylindrach, tarcie w łożyskach wałów silnika, pobór
mocy przez mechanizmy zawieszone itd.)
Przekładnia:
- straty przekładni mechanicznej , w tym straty łożyska oporowego i sprzęgła podatnego,
Linia wałów:
- straty w łożyskach nośnych wałów pośrednich,
- straty w łożyskach wału śrubowego w pochwie,
- straty w uszczelnieniach wału śrubowego,
Śruba napędowa:
- straty na pokonanie oporów tarcia skrzydeł śruby o wodę,
- straty związane z nadaniem przyspieszenia wodzie.
Zwiększenie sprawności siłowni okrętowej uzyskuje się m in. przez zmniejszenie ilości
zużytego paliwa. Jest to realizowane przez maksymalizację odzysku ciepła odpadowego
silników spalinowych napędu głównego. Ciepło odpadowe zawarte w spalinach, powietrzu
doładowującym i wodzie chłodzącej jest wykorzystywane do zwiększenia ilości wytwarzanej
na statku energii mechanicznej, cieplnej grzewczej, elektrycznej i ilości produkowanej wody
słodkiej. I tak.
• ciepło odpadowe spalin jest odbierane w kotłach utylizacyjnych w celu zwiększenia
ilości produkowanej pary. Wyprodukowana para jest kierowana na cele grzewcze a
także do zasilania turboprądnicy wytwarzającej energię elektryczną,
• nadwyżka energii spalin, wyprodukowanych przez silnik dwusuwowy a
wykorzystywanych do napędu turbosprężarki, może być wykorzystana do napędu
turbiny mocy zwrotnej oddającej moc na wał silnika głównego ( za pomocą przekładni
PTI lub PTO/PTI)
• ciepło odpadowe zawarte w powietrzu doładowującym, odbierane jest w
dwusekcyjnej chłodnicy powietrza. Może służyć do podgrzewania wody zasilającej
kocioł a także do podgrzewania wody dla celów bytowych załogi,
• ciepło odpadowe zawarte w wodzie chłodzącej silniki wykorzystywane jest w
wyparownikach podciśnieniowych do produkcji wody słodkiej.
23. Co to jest opór konstrukcyjny statku oraz czym on się różni od oporu statku w warunkach
eksploatacji?
Opór konstrukcyjny jest cechą konstrukcyjną statku. Opór ten odnosi się do statku nowego,
zanurzonego do wodnicy konstrukcyjnej, w dobrych warunkach pogodowych, na wodzie
spokojnej i nieograniczonej (głębokość wody większa od 8xT). Znajomość oporu
konstrukcyjnego przy prędkości kontraktowej jest niezbędna dla doboru napędu.
W warunkach eksploatacji opór całkowity jest sumą oporu konstrukcyjnego i dodatkowych
oporów eksploatacyjnych:
• Pogorszenie stanu technicznego kadłuba statku wywołane przez korozję, uszkodzenia
powłok ochronnych, miejscowe wgniecenia poszycia, ogólne odkształcenia
spowodowane działaniem fali i starzeniem się kadłuba, porastanie kadłuba.
• Inne niż konstrukcyjne zanurzenie statku.
• Złe warunki pogodowe.
• Pływanie na wodzie ograniczonej głębokością i szerokością.
• Pływanie w lodach.
• Nieprawidłowe sterowanie.
• Pływanie na rzekach.
24. Wzajemne oddziaływanie kadłuba i śruby okrętowej (strumień nadążający, siła ssania,
współczynniki „t” i „w”.
Z powodu lepkości wody wzdłuż poruszającego się kadłuba powstaje warstwa przyścienna ,
której grubość na dziobie jest zerowa, a która rośnie w kierunku rufy. Śruba obraca się więc
w strumieniu nadążającym, który w polu kręgu śruby ma średnią prędkość „c” zgodną z
kierunkiem ruchu statku. W związku z tym prędkość postępowa śruby „vp” względem
strumienia nadążającego jest mniejsza od prędkości statku „v” o wartość „c”.
vp = v – c
Stosunek prędkości strumienia nadążającego „c” do prędkości statku „v” to
współczynnik strumienia nadążającego „w”.
w = c / v
Współczynnik „w” zależy od cech konstrukcyjnych kadłuba i śruby. Wzrasta wraz z
pogorszeniem stanu technicznego kadłuba i przy zmniejszaniu zanurzenia a także prędkości
statku.
Śruba obracając się za kadłubem powoduje zmianę rozkładu ciśnień w strefie rufy. Po stronie
ssącej śruby występuje spadek ciśnienia, który jest przyczyną powstania siły ssania „ T”,
sumującej się z oporem kadłuba „R” . W związku z tym napór śruby T musi być większy
od siły napędzającej „TN” o siłę ssania.
Stosunek siły ssania „ T” do naporu śruby to współczynnik ssania „t”.
t = T / T
Współczynnik „t” rośnie razem z współczynnikiem „w”.
Stąd siła napędzająca TN = T (1-t)
37. Pole współpracy silnik – śruba nastawna
Zastosowanie śruby nastawnej gwarantuje możliwość utrzymywania pracy silnika
napędowego w optymalnym punkcie niezależnie od warunków zewnętrznych. Śruba
nastawna umożliwia wykorzystanie niemal całego pola obciążeń silnika. Dzięki zmianom
skoku, współpraca śruby nastawnej z silnikiem napędowym ma dwa stopnie swobody,
tworząc pole współpracy zależne od warunków pływania. Gwarantuje to uzyskiwanie
maksymalnych prędkości statku lub uciągu.
Obszar I jest przewidziany dla trwałych obciążeń.
Obszar II jest polem krótkotrwałego przeciążenia (np. przyspieszanie statku).
Obszar VP jest zalecanym obszarem dla projektowego programu sterowania
przy zmiennej prędkości obrotowej.
30. Zdefiniować pojęcie „znamionowa charakterystyka śrubowa”. Jaką role spełnia w polu
obciążeń silnika.
Silnik napędzający śrubę napędową nie pracuje w całym obszarze możliwych stanów pracy,
lecz tylko w zakresie parametrów, jakie określa zapotrzebowanie momentu i mocy przez
śrubę napędową w miarę zmiany jej prędkości obrotowej. Mówimy, że silnik pracuje według
charakterystyki śrubowej, czyli charakterystyki obrotowej obciążenia silnika przez śrubę
napędową.
Charakterystyka śrubowa przechodząca przez punkt parametrów nominalnych silnika lub
przez punkt parametrów kontraktowych nazywa się nominalną charakterystyką śrubową.
Nominalna charakterystyka śrubowa dzieli pole obciążeń silnika. Pole na lewo od
znamionowej charakterystyki śrubowej do linii stałego momentu znamionowego i linii
ograniczającej pole trwałych obciążeń jest przewidziane do pracy w stanach przejściowych:
przyspieszanie statku, złe warunki pogodowe, jazda na płytkiej wodzie, ewentualnie praca z
prądnicą wałową. Długotrwała praca w tym obszarze może być powodem uszkodzeń silnika.
Trwała praca bez ograniczeń czasowych powinna się odbywać z prawej strony znamionowej
charakterystyki śrubowej aż do linii maksymalnej trwałej prędkości obrotowej oraz do linii
znamionowego momentu obrotowego.
31. Jakie znaczenie eksploatacyjne ma prawidłowe dopasowanie (dobranie) układu silnik –
śruba stała?
Odpowiednie dopasowanie silnika do śruby gwarantuje, że w normalnych warunkach
eksploatacji charakterystyki śrubowe będą znajdowały się w polu trwałych obciążeń silnika
bez ograniczeń czasowych. Ten cel osiąga się poprzez zaprojektowanie stosownych rezerw
(zapasów) eksploatacyjnych mocy i prędkości obrotowych silnika, odniesionych do obciążeń
w warunkach konstrukcyjnych. Wielkość zapasów zależy od cech konstrukcyjnych silnika i
od przyszłych warunków eksploatacji statku. Prawidłowe dopasowanie układu silnik – śruba
jest niezwykle istotne ze względu na niezawodność pracy silnika, jak też z punktu widzenia
wykorzystania mocy silnika do napędu statku.
32. Omówić pojęcie „zapas mocy eksploatacyjnej silnika” (Engine Margin – EM) Znaczenie
tego zapasu dla przyszłej eksploatacji silnika.
Zapas mocy eksploatacyjnej zwany także „zapasem silnika” lub „zapasem eksploatacyjnym”
uwzględnia wpływ czynników eksploatacyjnych i instalacyjnych na ograniczenie
maksymalnego obciążenia trwałego silnika. Jest to różnica między mocą znamionową silnika
a maksymalną trwałą mocą eksploatacyjną silnika. Wynosi ona 10- 15% mocy nominalnej.”
„Zapas silnika” uwzględnia zmiany stanu technicznego silnika, prawidłowość jego regulacji,
zmienny moment obciążenia, zmienną jakość paliwa, wzrost przeciwciśnienia wydechu i
oporów na drodze powietrza doładowującego, przestrzegania zaleceń dot. utrzymywania
należytych parametrów czynników roboczych, gorsze od projektowych warunki otoczenia.
33. Omówić pojęcie „zapas morski mocy silnika” (Sea Margin – SM). Znaczenie tego zapasu
dla przyszłej eksploatacji statku.
„Zapas morski mocy silnika” zwany „zapasem morskim” ma zapewnić ruch statku z
prędkością zbliżoną do prędkości kontraktowej przy założeniu, że wykorzystuje się pełną moc
eksploatacyjną silnika w przeciętnych warunkach pływania. Określa się go w oparciu o
praktykę eksploatacyjną i analizę czynników mogących wpływać na spadek prędkości statku
np. warunki pogodowe na konkretnym akwenie na którym statek ma pływać.
Zapas morski dla danego typu statku określa w ciągu jakiego czasu trwania podróży można
się spodziewać osiągania prędkości kontraktowej (w % z wykresu). Jest on istotny dla
statków w żegludze liniowej. Zapas SM wynosi do 15% mocy nominalnej.
34. Omówić pojęcie „zapas prędkości obrotowej jazdy lekkiej” (Light Running – LR).
Znaczenie tego zapasu dla przyszłej eksploatacji układu napędowego statku.
„Zapas jazdy lekkiej” ma na celu zapobieżeniu trwałemu przesunięciu charakterystyk
śrubowych w pole pracy na lewo od znamionowej charakterystyki śrubowej. Przy
projektowaniu zapasu LR bierze się pod uwagę :
• Cechy konstrukcyjne statku i napędu,
• Stan techniczny kadłuba i śruby,
• Warunki pogodowe panujące na przyszłych akwenach pływania statku,
• Spodziewane pływanie na wodach płytkich i w lodach.
Zapas LR oblicza się ze wzoru:
nL- prędkość obrotowa na projektowej charakterystyce śrubowej (jazda lekka- czysty kadłub i
dobre warunki pogodowe,
nC- prędkość obrotowa na znamionowej charakterystyce śrubowej (jazda ciężka- kadłub
obrośnięty i zła pogoda)
Wielkość zapasu LR na poziomie 3 do 5 % znamionowej prędkości obrotowej
35. Omówić pojęcie „zapas prądnicy wałowej” (Shaft Generator Margin). Znaczenie tego
zapasu dla przyszłej eksploatacji układu napędowego ze śrubą stałą i nastawną.
Dla układu napędowego wyposażonego w prądnicę wałową należy zaprojektować dodatkową
moc silnika na napęd prądnicy. Jest ona przedstawiana w postaci zapasu SGH, przy czym w
układzie ze śrubą stałą niezbędny jest także dodatkowy „zapas prędkości obrotowej jazdy
lekkiej”. Po uwzględnieniu zapasu morskiego SM i zapasu jazdy lekkiej LR znajdujemy
znamionową charakterystykę dla układu bez prądnicy wałowej. Następnie dodajemy moc
zapotrzebowaną przez prądnicę wałową np. 5% mocy znamionowej silnika. Otrzymujemy
charakterystykę obciążenia silnika będącą sumą mocy dla napędu śruby i napędu prądnicy. Na
końcu dodajemy zapas silnika EM uzyskując punkt obciążenia znamionowego CMCR.
Charakterystyki obciążenia silnika z prądnicą wałową są przesunięte bardziej w lewo od
znamionowej charakterystyki śrubowej, co stwarza większe ryzyko eksploatacji w trudnych
warunkach pogodowych.
Dla układów napędowych ze śrubą nastawną dobór zapasów przebiega w sposób podobny jak
dla układów ze śrubą stałą , przy czym zapas LR dobierany jest w stosunku do skoku
konstrukcyjnego śruby nastawnej.
36. Wpływ obliczeniowej prędkości obrotowej śruby i jej średnicy na sprawność śruby.
Z wykresu sprawności śruby w funkcji współczynnika posuwu śruby I wynika, że dla
ustalonej prędkości postępowej śruby i jej średnicy można uzyskać wzrost jej sprawności
przez obniżenie projektowanej prędkości obrotowej śruby. Zmniejszenie obliczeniowej
prędkości obrotowej śruby o 10% skutkuje zmniejszeniem mocy zainstalowanej o 2 do 3 %.
Z wykresu wynika, że wzrost współczynnika powierzchni śruby (stosunek pola
wyprostowanej powierzchni skrzydeł So do pola kręgu śruby S) powoduje spadek sprawności
śruby (z wykresu), stąd aby uzyskać jak największą sprawność śruby w warunkach
projektowych należy dobrać śrubę o jak najniższym współczynniku So/S. Ponieważ
wymagana moc holowania statku zależy od mocy naporu śruby, a ta wiąże się także z
powierzchnią skrzydeł, to jedną z podstawowych dróg prowadzących do zmniejszenia
współczynnika So/S jest zastosowanie śruby o możliwie największej średnicy dla danego
kadłuba statku, gdyż pole kręgu śruby
S =
\
Obliczenie w procesie projektowania określonej prędkości eksploatacyjnej statku jest
praktycznie niemożliwe. Jest ona znana dopiero po pewnym okresie eksploatacji statku. Stąd
w kontrakcie na budowę statku jest zapisana inna prędkość tzw. kontraktowa, którą uzyska
statek w określonych warunkach na wodzie spokojnej.
39. Zalety i wady zastosowania śrub nastawnych.
Zalety:
• Możliwość zmniejszenia zużycia paliwa poprzez dobór optymalnych nastaw skoku i
prędkości obrotowej śruby.
• Możliwość pełnego wykorzystania mocy silnika przy nominalnej prędkości obrotowej
w każdych warunkach pływania.
• Możliwość dopasowania skoku do warunków eksploatacji co umożliwia
wykorzystanie pełnej mocy silnika w każdych warunkach pływania. Gwarantuje to
uzyskiwanie maksymalnych prędkości statku lub uciągu.
• Mniejsze zużycie silnika zwłaszcza tam gdzie wykonywana jest duża ilość manewrów
START i STOP.
• Poprawa własności manewrowych statku przez lepsze wykorzystanie mocy dla
zatrzymania i zmiany kierunku ruchu statku oraz skrócenie czasu i drogi zatrzymania
statku.
• Możliwość otrzymania dowolnie małych prędkości statku.
• Opór śrub nastawnych przy ich zastopowaniu silnika jest mniejszy niż opór śrub
stałych.
Wady:
• Skomplikowana budowa co zwiększa niebezpieczeństwo awarii.
• Wyższy koszt inwestycyjny.
• Niższa sprawność od śruby stałej o tej samej średnicy ze względu na większą średnicę
piasty śruby.
40. Współpraca układu silnik – śruba stała w warunkach eksploatacji
Pracująca za kadłubem statku śruba obciąża silnik momentem obrotowym. Związek między
momentem obrotowym na śrubie a mocą silnika napędowego jest następujący:
Q = PD / 2 n
PD - moc doprowadzona do śruby P = N R LW P
N - moc silnika napędowego
LW- sprawność linii wałów
P - sprawność przekładni o ile przekładnia jest zastosowana
Dla projektowanego statku tak dobiera się moc silnika, aby punkt pracy układu napędowego
(silnik- śruba) dla prędkości kontraktowej na wodzie spokojnej wynosił około 85% mocy
nominalnej Nn. Daje to pewną gwarancję, że w pogarszających się warunkach pogodowych
silnik nie zostanie przeciążony. W rzeczywistych warunkach pogodowych, kiedy na statek
oddziaływają wiatr i falowanie oraz pojawia się dodatkowy opór od warunków pogodowych,
to punkt pracy układu napędowego będzie zmieniał swoje położenie w polu pracy silnika
napędowego. Punkt pracy może nadal pozostawać w obszarze pracy ciągłej lub przesunąć
się w lewo w obszar pracy ograniczonej przy przeciążeniu silnika.
W razie pogarszania się warunków pogodowych punkt współpracy będzie przesuwać się po
ustalonej charakterystyce nastawy regulatora prędkości obrotowej: z p.1 do p.2. W razie
dalszego pogarszania się warunków po zadziałaniu ogranicznika maksymalnej nastawy
pompy wtryskowej, punkt współpracy przesuwa się po zewnętrznej charakterystyce
granicznej mocy maksymalnej: z p.2 do p.3. Powoduje to poważne przeciążenie silnika
momentem. W takim przypadku należałoby zmniejszyć obroty, tak aby współpraca ustaliła
się co najwyżej (!) na linii momentu nominalnego w p.5.
41. Czynniki ogólne wpływające na własności manewrowe statku i siłowni.
Czynnikami wpływającymi na własności manewrowe statku i siłowni są:
• Podstawowe parametry kadłuba statku: długość całkowita, długość na wodnicy,
szerokość, zanurzenie oraz współczynnik pełnotliwości kadłuba.
• Ilość śrub napędowych.
• Rodzaj śrub napędowych: o stałym skoku lub o skoku zmiennym.
• Stan techniczny kadłuba, układu napędowego, urządzenia sterowego i sterów
strumieniowych..
• Stan załadowania statku.
• Czynniki zewnętrzne panujące na akwenie: siła wiatru, stan morza, zalodzenie,
szerokość i głębokość akwenu.
42. Ruszanie z miejsca i przyspieszanie statku ze śrubą stałą i nastawną.
Dla śruby stałej współczynnik posuwu I jest miarą drogi, jaką przebywa śruba w trakcie
jednego obrotu. Jest również miarą warunków pływania statku. Gorsze od konstrukcyjnych
warunki pływania powodują spadek sprawności śruby i wzrost współczynnika naporu KT i
współczynnika momentu KQ. Współczynniki KT i KQ osiągają maksimum dla I=0, a więc
podczas pracy na uwięzi lub podczas ruszania statku z miejsca. Jeśli nie zostaną zmniejszone
obroty śruby powstaje znaczne ryzyko przeciążenia silnika momentem obrotowym Q, gdyż
przy stałej wartości gęstości wody i średnicy śruby K = Q/n.
W przypadku napędu ze śrubą nastawną istnieje jeden współczynnik skoku H/D przy którym
śruba osiąga maksymalną sprawność. Istnieje jednak możliwość optymalizowania sprawności
napędu na obciążeniach częściowych. Im gorsze warunki pływania, tym skok śruby powinien
być mniejszy. Silnik główny jest eksploatowany w obszarach dla niego korzystnych. To w
sposób zasadniczy ogranicza możliwość przeciążeń podczas manewrów ruszania statku z
miejsca i przyspieszania.
43. Hamowanie statku ze śrubą stałą. Krzywe Robinsona. Przebieg tego procesu dla manewru
CN – CW.
Krzywa Robinsona przedstawia przebieg obciążenia mechanicznego silnika podczas manewru
awaryjnego. Jest to charakterystyka śrubowa przedstawiająca moment śruby Q w funkcji
kierunku i prędkości obrotowej śruby n.
Moment obrotowy silnika M napędzającego bezpośrednio śrubę napędową jest w
przybliżeniu równy momentowi śruby Q.
W punkcie A na wykresie prędkość obrotowa i moment śruby mają wartości nominalne.
Po ustawieniu dźwigni paliwowej w pozycję STOP w ciągu kilkunastu sekund nastąpi spadek
prędkości obrotowej silnika do około 40- 50% a momentu obrotowego śruby do zera.
Na odcinku AB moment ten jest dodatni a kierunek obrotów śruby zgodny z kierunkiem
pracy NAPRZÓD.
Od punktu B śruba nadal obraca się w pierwotnym kierunku – NAPRZÓD, ale wytwarza
moment ujemny (praca turbinowa śruby napędowej) przeciwdziałający procesowi
hamowania. Maksimum momentu ujemnego (-Q) przypada w punkcie C przy obrotach 30-
40% nns
Podczas dalszego spadku prędkości obrotowej śruby (odcinek CD), aż do jej zatrzymania
moment śruby maleje. W całym zakresie od B do D śruba napędowa pracuje jako turbina
wodna „napędzająca” silnik, przez co opóźnia się jego zatrzymanie.
Od punktu D po rozpoczęciu pracy silnika w kierunku WSTECZ, śruba napędowa generuje
rosnący moment, który już przy prędkości obrotowej 40- 50% nns osiąga wartość nominalną .
Dalszy wzrost prędkości obrotowej śruby powoduje gwałtowny przyrost momentu Q, którego
zrównoważenie doprowadzi do przeciążenia silnika.
W celu znaczącego skrócenia czasu zatrzymania silnika i statku niezbędne jest dostarczenie
do układu napędowego dodatkowego momentu hamującego Mh. Po przesterowaniu
mechanizmu nawrotnego w położenie WSTECZ, gdy wał korbowy obraca się jeszcze na
NAPRZÓD ale z prędkością obrotową rzędu 20- 40% nn, do cylindrów doprowadza się
powietrze rozruchowe. Moment hamujący M musi być wystarczająco duży, aby
zrównoważyć sumę:
• momentów sił bezwładności mas układu korbowego,
• momentów sił bezwładności mas wirujących wału
napędowego,
• momentu efektu turbinowego śruby w przedziale BD,
pomniejszoną o:
• moment strat tarcia całego układu napędowego.