delegacje słuzbowe ,

NOTATKI Z WYKŁADU DLA STUDIÓW

DZIENNYCH ZAOCZNYCH ORAZ KURSÓW SDKO

WSM W SZCZECINIE

STEROWANIE I EKSPLOATACJA UKŁADU NAPĘDOWEGO STATKU ZE ŚRUBĄ NASTAWNĄ

JERZY SZCZEŚNIAK ADAM STĘPNIAK

SZCZECIN 1999

Wstęp ..........................................................................................................3

1 Podstawowe charakterystyki obiektu sterowania...................................6

1.1 Definicje i podstawowe parametry kadłuba statku............................................................6

1.1.1 Rodzaje statków...................................................................................................................6

1.1.2 Statkowe linie ładunkowe.....................................................................................................6

1.1.3 Opis kształtów kadłuba

1.2 Struktura obiektu sterowania

1.3 Związki energetyczne występujące w układzie napędowym statku.

1.3.1 Sprawności występujące w głównym układzie energetycznym statku

1.4 Charakterystyka oporowa statku.

1.4.1 Zależność oporu statku od jego prędkości.

1.5 Charakterystyki śrub okrętowych

1.5.1 Parametry geometryczne śrub okrętowych

1.5.2 Pojęcie napędu statku

1.5.3.2 Oddziaływanie śruby na kadłub statku

1.5.4 Sprawność napędowa i sprawność śruby

1.5.5 Określenie posuwu i poślizgu

1.5.6 Charakterystyki hydrodynamiczne śrub swobodnych

1.5.7 Charakterystyki hydrodynamiczne śrub nastawnych

1.5.8 Charakterystyki hydrodynamiczne w wersji komputerowej

1.5.9 Charakterystyki obrotowe

1.6 Charakterystyki tłokowych silników spalinowych napędu głównego

1.6.1 Obciążenie znamionowe silnika

1.6.2 Pola obciążeń silników głównych

1.6.2.1 Przykłady pól obciążeń

1.6.3 Ograniczenia eksploatacyjne pól obciążeń

1.6.4 Charakterystyka obrotowa silnika przy stałej nastawie paliwowej.

1.6.5 Charakterystyki śrubowe

1.6.6 Jednostkowe zużycie paliwa (ge)

1.7 Współpraca silnika ze śrubą okrętową

1.7.1 Układy napędowe ze śrubą stałą

1.7.1.1 Dobór silnika wolnoobrotowego współpracującego ze śrubą stałą

1.7.1.2 Dobór układu silnik - prądnica wałowa - śruba statku

1.7.2 Układy napędowe ze śrubą nastawną

1.7.2.1 Pole współpracy silnika ze śrubą nastawną

1.7.2.2 Charakterystyka optymalnej sprawności układu napędowego ze śrubą nastawną

1.7.2.3 Przykład charakterystyki układu napędowego bazy rybackiej wyposażonej w silnik Sulzer ZL40 i śrubę nastawną

2 Sterowanie zespołem napędowym ze śrubą nastawną 5

1. Podstawowe charakterystyki obiektu sterowania

1.1 Definicje i podstawowe parametry kadłuba statku

1.1.1 Rodzaje statków

Zależnie od rodzaju ładunku, a czasem od sposobu załadunku i wyładunku statki mogą być zestawiane w różne kategorie, klasy, a także typy - niektóre z nich są wymienione w tabeli 1. Dwie największe kategorie statków to masowce (do przewozu masowych towarów takich jak ziarno, węgiel, rudy itp.) oraz zbiornikowce, które znowu mogą być podzielone na mniejsze bliżej określające je typy i klasy. Zbiornikowce mogą być pogrupowane na takie, które przewożą paliwo, gaz, chemikalia lub ich różne kombinacje. Tabela l przedstawia tylko pobieżny podział. W rzeczywistości jest wiele innych kombinacji np. takich jak wielozadaniowe masowce przystosowane do przewozu kontenerów.

Tabela 1. Przykładowy podział statków

1.1.2 Statkowe linie ładunkowe

Namalowany w połowie długości burt znak PlimsolTa (Plimsoll Mark) składa się z linii i liter, które odnoszą się do zanurzenia wolnej burty wg przepisów IMO (International Maritime Organisation) i władz portowych. Linie wskazują zanurzenie, do którego statek może być bezpiecznie załadowany

zgodnie z porą roku oraz zasoleniem wody. Linie na tym znaku odnoszą się do pływania w wodzie słodkiej, słonej, a także z podziałem na warunki tropikalne, letnie i zimowe.

Zgodnie z międzynarodowymi przepisami wolnej burty, zanurzenie letnie w wodzie morskiej jest równe zanurzeniu konstrukcyjnemu, które jest używane do wymiarowania kadłuba. Zanurzenie zimowej wol¬nej burty jest mniejsze niż wartość letniej wolnej burty ponieważ zimą występuje większe ryzyko złych warunków pogodowych. Analogicznie zanurzenie letniej wolnej burty jest mniejsze od zanurzenia tro¬pikalnego.

Wyporność i nośność

Zgodnie z prawem Archimedesa na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu Fw skierowana pionowo ku górze i równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało.

' r w~ Pcieczy ' S ' ' ciała części zanurzoną

Wyporność jest więc równa ciężarowi (licząc wszystko) załadowanego statku do odpowiedniej linii ładunkowej w normalnych warunkach w wodzie słonej o gęstości 1,025 t/m3 (1025 kg/m3). Na wypor¬ność składa się ciężar statku pustego (nie załadowanego) oraz jego nośność. Nośność odpowiada więc ciężarowi przewożonego ładunku, balastów, paliwa, smarów oraz innych produktów potrzebnych do napędu statku, a także zapasów wody, żywności, ciężar pasażerów ich bagaży, ciężar części zapaso¬wych ponadnormatywnych, rtp. Nośność (w tonach t lub w jednostkach DWT - deadweight tonnage bądź tdw) określa różnicę pomiędzy wypornością, a ciężarem pustego statku wyrażoną w tonach:

. nośność (DWT) = wyporność - ciężar statku pustego

Oznaczenie DWT nie jest akceptowane przez PN, wg PN należy używać określenia tona t. Słowo „to¬na" nie zawsze wyraża tę samą wartość. Tona metryczna to 1000 kg, natomiast tona angielska to 1016 kg znana również jako „long ton" w odróżnieniu od „short ton" która w przybliżeniu wynosi 907 kg.

Do określenia wielkości statku nie jest używany ciężar statku pustego tylko jego nośność wyra¬żona w tonach DWT opierająca się na ładowności statku mierzoną w tonach metrycznych przy zanu¬rzeniu do letniej linii ładunkowej. W tabeli 2 przedstawiono zależności (stosunki) pomiędzy wyporno¬ścią, nośnością! ciężarem statku pustego.

Tabela 2

wyporność statKu wyraża się często w m wypanej wooy przez siaieK, nazywana jesi wypornością objętościową i oznaczona symbolem V.

1.1.3 Opis kształtów kadłuba

Wymiary gabarytowe kadłuba statku odniesione są do zanurzenia konstrukcyjnego, które jest mniejsze bądź równe letniej linii ładunkowej. Wybór znaku zanurzenia zależy od stopnia załadowania, pogody, rodzaju usługi. Najczęściej występujące zanurzenia mieszczą się pomiędzy pełnym załadowa¬niem^ a zanurzeniem odpowiadającym pływaniu pod balastem.

Długości statku LOA, LWL, LH> (Lc, L, LPP)

Całkowitej długości statku LOA nie bierze się pod uwagę przy określaniu oporów kadłuba. Do tego celu używa się długości na wodnicy konstrukcyjnej LWL bądź długości między pionami Lpp, rys. l .2. Długość LPP między pionami jest to długość pomiędzy najdalej wysuniętym do przodu pionem (zwykle pionowa linia przechodząca przez dziobowe przecięcie się z linią wodną) i najdalej w kierunku rufy wysuniętym pionem, który zwykle przechodzi przez oś steru. Długość LPP jest mniejsza od długo¬ści na linii wody LWL i jest przyjmowana zawsze jako LPP = 0,97 LWL. W Polsce wymiary konstrukcyjne są oznaczane literami dużymi bez symboli L=LWL, B=BWL, H, T=D, LC=LOA •

(Rysunki ł oznaczenia wzięte są z opracowania [56]; w nawiasach podano oznaczenia polskie)

Zanurzenie konstrukcyjne D (T)

Zanurzenie konstrukcyjne statku D jest definiowane jako odległość mierzona od wodnicy kon-strukcyjnej do punktu najbardziej zanurzonej części kadłuba; rys. 1.2 i 1.3. Dziobowe zanurzenie jest to zanurzenie najdalej wysuniętej części dziobu, a rufowe dotyczy najbardziej zanurzonych części rufy. Zwykle są to te same wartości gdy statek jest całkowicie załadowany załadowany i płynie na tzw. "równej stępce" tj. bez przegłębienia.

Szerokość konstrukcyjna BWL (B)

Innym ważnym parametrem jest największa szerokość kadłuba na wodnicy konstrukcyjnej oznaczony symbolem BWL(B); rys. 1.2 i 1.3.

Współczynnik pełnotliwości kadłuba CB (5)

Różne współczynniki używane są do wyrażenia kształtu kadłuba. Najważniejszym z tych współczynników jest współczynnik pełnotliwości kadłuba, który jest definiowany jako stosunek między wypornością V w jednostkach objętościowych i objętością figury (sześcianu) o wymiarach LWL • BWL ' D; rys. 1.3

tzn. współczynnik pełnotliwości odnosi się do długości konstrukcyjnej LWL (L). Jednak projektanci często używają współczynnika pełnotliwości opartego na długości między pionami Lpp. Wobec czego współczynnik ten będzie nieznacznie większy, ponieważ LPP jest zwykle nieznacznie mniejsze niż dłu¬gość LWL-

Mały współczynnik pełnotliwości oznacza mniejszy opór statku co, w konsekwencji umożliwia uzyskiwanie większych szybkości przy tej samej mocy napędu.

Tabela 3 przedstawia kilka przykładów współczynnika pełnotliwości i prędkości eksploatacyj¬nych dla różnych typów statków. Statki o większym współczynniku pełnotliwości są tańsze w przeli¬czeniu na tonę nośności, są to też statki z reguły większe, wożą ładunki o niższym frachcie i prędkości ekonomiczne też mają mniejsze niż przykładowo kontenerowce czy chłodniowce.

Współczynnik pełnotliwości przekroju wodnicowego CWL (ot)

Ogólnie współczynnik pełnotliwości przekroju wodnicowego jest większy ok. 0,1 od współczynnika pełnotliwości kadłuba.

Współczynnik pełnotliwości przekroju wodnicowego wyraża stosunek między polem przekroju wodnicy statku na linii wodnej i iloczynu długości LWL i szerokości B\VL na linii wodnej

Ta różnica będzie nieznacznie większa dla statków szybkich o małym współczynniku pełnotliwości kadłuba, których rufa jest częściowo zanurzona w wodzie i dlatego staje się częścią pola wodnicy.

Współczynnik pełnotliwości owreża CM (P)

Współczynnik pełnotliwości owreża wyraża stosunek między owrężem AM (polem powierzchni zanurzonej części kadłuba na śródokręciu; rys. l .3) i iloczynem szerokości BWL i zanurzenia D.

Dla masowców i tankowców współczynnik ten zawiera się pomiędzy 0,98 - 0,99.

Współczynnik pełnotliwości wzdłużnej Cp (A.)

Współczynnik C? wyraża stosunek między wypornością objętościową i iloczynem pola ramy owreża AM oraz długością LWL

Jak widać nie jest to współczynnik niezależny, lecz całkowicie zależy od współczynnika pełnotliwości kadłuba CB i współczynnika pełnotliwości owreża.

Wzdłużny środek wyporu LCB

LCB wyraża miejsce położenia środka wyporu i jest definiowany jako odległość pomiędzy środkiem wyporu, a połową odległości między pionami rufowym i dziobowym Lpp.

Odległość ta jest zwykle podawana jako procentowa część długości między pionami i jest dodatnia gdy środek wyporu leży w kierunku dziobu od środka długości LPp, jest ujemna gdy leży w stronę rufy od środka długości Lpp.

Dla statku zaprojektowanego dla dużych prędkości takich jak kontenerowce LCB jest zwykle ujemny, dla statków wolniejszych jak tankowce, masowce jest zwykle dodatni.

LCB zawiera się generalnie pomiędzy -3% ł +3%.

Współczynnik smukłości CLD

Stosunek długości na wodnicy LWL do pierwiastka sześciennego z wyporności objętościowej V jest definiowany jako stosunek między długością statku na linii wodnej i pierwiastka sześciennego objętości wypieranej.

1.2 Struktura obiektu sterowania

Jednym z istotnych problemów z którymi spotyka się mechanik lub nawigator podczas eksploatacji statku jest wybór punktu pracy zespołu napędowego statku, który zapewniał by bezpieczną pracę silni¬ka przy możliwie najniższym zużyciu paliwa. Stanowi to istotny problem zwłaszcza na statkach wypo¬sażonych w nastawną śrubę napędową. Mechanik na statku odpowiedzialny jest za bezpieczną eksplo¬atację siłowni okrętowej. Musi więc poznać strukturę, własności obiektu którym steruje, budowę i działanie elementów z których składa się obiekt. Obiektem sterowania jest zespół złożony z:

• silnika głównego z regulatorem prędkości obrotowej silnika,

• śruby nastawnej z serwomechanizmem zmiany skoku śruby,

• kadłuba statku.

Schemat blokowy obiektu sterowania przedstawiono na rys. 1.4. Najogólniej można stwierdzić, że w omawianym obiekcie energia chemiczna zawarta w paliwie zamieniana jest na pracę związaną z nadaniem kadłubowi statku określonej prędkości. Na przebieg tego procesu mają wpływ:

• wartości sygnałów sterujących, ustalane przez operatora; są to sygnały wartości zadanej prędkości obrotowej silnika nz oraz skoku śruby Hz<

• różnego rodzaju sygnały zakłócające z, które wpływają na zmiany charakterystyk elementów skła¬dowych obiektu.

Takie ujęcie problemu oddaje jedynie samą istotę tego, co się dzieje w obiekcie. Różnorodność rze¬czywistych procesów, jakie zachodzą w każdym elemencie rozpatrywanego obiektu, zmusza do elimi¬nacji tych mniej istotnych. Uwzględnienie wszystkich procesów spowodowałoby bardzo dużą (i niepo¬trzebną) komplikację modelu zespołu napędowego, a nawet niemożność jego realizacji.

Dla zobrazowania procesów zachodzących w całym obiekcie będą omówione własności podstawo¬wych bloków a następnie zostanie przeprowadzona analiza pracy całego obiektu. Dla każdego bloku będą rozpatrywane:

• własności statyczne i dynamiczne bloku,

• rodzaje możliwych zakłóceń i ich wpływ na pracę bloku,

• matematyczny opis zachodzących w nim procesów.

Dzięki temu będzie możliwe uchwycenie gradacji wpływu poszczególnych sygnałów na zachodzące w obiekcie procesy, ich wzajemne powiązania oraz zależności. Opis matematyczny procesów zacho¬dzących w poszczególnych blokach przedstawiono w sposób uproszczony.

Rys. l .4. Schemat blokowy obiektu sterowania: nz - zadana prędkość obrotowa, n - rzeczywista prędkość obrotowa, 5 (Hz) - zadana wartość skoku śruby, H - rzeczywista wartość skoku śruby, h -

dawka paliwa podawana do silnika, T - siła naporu śruby, R - opór kadłuba, M - moment obrotowy obciążający silnik, Q - moment obrotowy na stożku śruby, Mj - moment obrotowy wynikający z załą¬czenia dodatkowych odbiorników mocy oraz oporu tarcia linii wałów, V - prędkość statku, Vp -

prędkość postępowa śruby, A - blok uwzględniający oddziaływanie śruby na pracę kadłuba, B - blok uwzględniający oddziaływanie kadłuba na pracę śruby, z\, Z2, Z3 - zakłócenia wpływające na charakte¬rystyki silnika, śruby i kadłuba

/^Eksploatatora (mechanika, nawigatora) nie interesują zagadnienia które powinni znać dokładnie i projektanci kadłubów, pędników okrętowych czy silników napędu głównego.

j /

| Wiedzę o identyfikowanym procesie staraliśmy się przedstawić w formie użytecznej. Przydatność zbyt złożonego modelu jest co najmniej wątpliwa. Model powinien być możliwie mało skomplikowa-nym odzwierciedleniem rzeczywistości, jego złożoność musi pozostać w odpowiedniej relacji wzglę-dem stopnia komplikacji opisywanej rzeczywistości. Wydaje się, że przyjęty model zespołu napędowe¬go, (którego schemat blokowy przedstawiono powyżej) spełnia te wymagania.

1.3 Związki energetyczne występujące w układzie napędowym statku.

Współczesne napędy okrętowe są zdominowane przez wolnoobrotowe i średnioobrotowe silniki spali¬nowe. Udział mocy instalowanych w tych silnikach wyniósł w okresie ostatniej dekady ok. 97 %, w tym ok. 74 % stanowią silniki wolnoobrotowe i ok. 23 % silniki średnioobrotowe. Wiąże się to przede wszystkim z wysoką sprawnością energetyczną takich napędów oraz z możliwością spalania w tych silnikach ropopochodnych paliw pozostałościowych o stosunkowo niskiej cenie.

Śruby nastawne występują najczęściej w układach napędowych statków specjalnych, takich, jak statki rybackie, holowniki, promy pasażersko-samochodowe i kolejowe oraz statki do obsługi wież wiertni-czych. Rzadziej instalowane są one na innych statkach, np. na kontenerowcach do przewozu kontene-rów chłodzonych i chłodnicowcach oraz na niektórych statkach transportowych.

Zastosowanie śrub nastawnych wynika na ogół z takich zalet jak: możliwość wykorzystania pełnej mo-cy silników w zmiennych warunkach eksploatacji, lepsze własności manewrowe statku oraz możliwość napędu prądnic zawieszonych przy stałej prędkości obrotowej silników. Nie bez znaczenia jest także wzrost niezawodności silników, zmniejszenie kosztów ich remontów oraz niższy koszt eksploatacji układu rozruchowego.

Linia wałów ze śrubą nastawną jest jednak znacznie droższa inwestycyjnie oraz bardziej skomplikowa¬na w obsłudze i wymaga wyższych nakładów remontowych. Śruba nastawna posiada też niższą spraw¬ność w punkcie obliczeniowym. Te wady powodują, że do napędu konwencjonalnych statków trans¬portowych, dla których wymienione wyżej podstawowe zalety śrub nastawnych są mniej istotne, wy¬biera się prostsze rozwiązanie, jakim jest śruba stała. Śruby nastawne są często napędzane silnikami średnioobrotowymi poprzez redukcyjną przekładnię mechaniczną, do której jest podwieszona prądnica wałowa.

Dla rozważań dotyczących związków energetycznych występujących w układzie napędowym statku przyjęto stosunkowo proste rozwiązanie przedstawione na rys. 1.5. W układzie tym jeden silnik śred-nioobrotowy napędza śrubę przez przekładnię mechaniczną.

Rys 1.5. Główny układ energetyczny statku; a) schemat ideowy głównego układu energetycz-

•

nego; b) wykres Sankey'a; SG - silnik główny, P - przekładnia, QK- strumień energii dostarczonej w

paliwie, Ne - moc użyteczna na sprzęgle silnika (moc efektywna silnika), Nw - moc na wale, Ns - moc na stożku śruby (moc dostarczana do śruby), NH - moc holowania, l - straty silnika głównego, 2 -straty przekładni, sprzęgła podatnego i łożyska oporowego, 3 - straty linii wałów, 4 - straty napędowe.

1.3.1 Sprawności występujące w głównym układzie energetycznym statku

Sprawność energetyczna układu duży do oceny jego dobroci energetycznej. Pozwala ona ocenić, jaka część energii dostarczonej do układu jest wykorzystana użytecznie. Wyznacza się ją dla stanu zrówno¬ważonego termodynamicznie (tj. dla ruchu ustalonego).

Ogólny wzór na sprawność energetyczną układu ma postać:

Różnicę między energiami dostarczonymi, a użytecznymi stanowią straty energetyczne układu.

W rozpatrywanym na rys. 1.5 układzie napędowym statku, sprawnością energetyczną tego układu jest sprawność ogólna napędu r/on, zwana też sprawnością efektywną napędu. Strumieniem energii użytecznej tego układu jest moc holowana NH zaś strumieniem energii dostarczonej do układu jest

•

strumień energii chemicznej zawartej w paliwie Q pg. Mamy więc:

Wiedząc, że moc holowana NH jest iloczynem oporu R i prędkości statku v oraz, że strumień energii zawartej w paliwie może być zapisany jako iloczyn zużycia paliwa przez silnik w jednostce czasu Ge i jego wartości opałowej Wd mamy:

Złożony układ energetyczny może być podzielony na części składowe, które można rozpatrywać jako odrębne układy energetyczne. Układ napędowy z rys. 1.5 można więc podzielić przykładowo na: silnik główny, przekładnię, linię wałów i układ śruba napędowa - kadłub statku. Mamy wtedy dodatkowo następujące pojęcia sprawności energetycznych:

Sprawność ogólna silnika rj0

Sprawność ta uwzględnia straty zamiany energii chemicznej paliwa na energię cieplną, straty prze-kształcenia energii cieplnej na energię mechaniczną oraz straty mechaniczne silnika. W przypadku si-łowni parowej wystąpią dodatkowo straty transportu energii cieplnej pomiędzy kotłem a silnikiem

(straty rurociągu). W bilansie energetycznym silnika spalinowego tłokowego straty powyższe wyznacza się z reguły jako straty w spalinach wylotowych, straty chłodzenia i straty promieniowania

Sprawność przekładni rjpr2

W rozpatrywanym przypadku, sprawność ta uwzględnia, oprócz strat przekładni mechanicznej, rów-nież straty łożyska oporowego i sprzęgła podatnego. W napędzie bezpośrednim śruby przez silnik wol-noobrotowy łożysko oporowe umieszczone jest w kole zamachowym silnika.

Sprawność linii wałów TJW

Sprawność ta obejmuje straty w łożyskach pośrednich oraz w łożyskach wału śrubowego.

gdzie Ns [kW] - moc na stożku śruby lub moc dostarczona do śruby (oznaczana także jako Nd) Sprawność napędowa rjD

Ujmuje ona straty związane z przekształceniem mocy ruchu obrotowego dostarczonej do śruby Ns, na moc ruchu postępowego statku Ni,

W układzie napędowym statku z rys. 1.4 strumień energii przepływa szeregowo z jednej części układu do następnej, wobec tego mamy:

W praktyce mogą występować układy napędowe bardziej skomplikowane. Mogą to być układy wielo-silnikowe, wielośrubowe, z przekładnią elektryczną, z turbozespołem parowym bądź z turbozespołem spalinowym. W tych przypadkach pojęcia podstawowe dotyczące w/w sprawności zachowują swą ważność. Jednakże we wzorach na te sprawności mogą występować sumy strumieni energii oraz ilo-

czyny sprawności dodatkowych podukładów energetycznych. W tabeli 3 przedstawiono wielkości projektowe sprawności występujące we współczesnych siłowniach okrętowych statków morskich.

Łatwo zauważyć, że najwyższe straty występują w silniku oraz w układzie śruba napędowa - kadłub statku. Tutaj więc tkwią podstawowe źródła oszczędności energii. Na przestrzeni ostatnich 20 lat sprawności silników spalinowych tłokowych wzrosły o ok. 10 punktów procentowych.

Tabela 3. Sprawności głównego układu napędowego statków morskich w warunkach oblicze-

•

niowych (w % Qpg). Statki współczesne.

Uzyskano w ten sposób zmniejszenie zużycia paliwa o ponad 20 %. Tabela 4 zawiera zestawienie moż¬liwości podwyższania sprawności napędowej. Szereg z tych metod znalazło praktyczne zastosowanie. Część z nich wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych. Celowość rozwiązań energooszczędnych występuje wówczas, jeżeli dodatkowe nakłady inwestycyjne zwracają się w czasie nie dłuższym niż 5 lat.

Tabela 4. Efekty zwiększania sprawności napędowej różnymi metodami

O czasie zwrotu tych nakładów decyduje przede wszystkim cena paliwa. Obecne stosunkowo niskie ceny paliw nie sprzyjają stosowaniu drogich rozwiązań energooszczędnych. Mimo to współczesne stat¬ki mają sprawności ogólne napędu o ponad 30% wyższe od tych sprzed 20 lat. Jednak różnorodne czynniki techniczno - eksploatacyjne powodują, że sprawności w warunkach eksploatacji są zawsze niższe od tych z tabeli 3.

1.4 Charakterystyka oporowa statku.

Opór całkowity statku R jest sumą oporów wody i powietrza, działających na część zanurzoną i wynu-rzoną kadłuba. W badaniach modelowych mających na celu dobór napędu statku, opory wody dzieli się na szereg części składowych: opór tarcia (lepkości), opór falowy, opór ciśnienia (wirowy) i opór części wystających. Podział taki ułatwia przeliczenie oporu modelu na opór statku pełnowymiarowego. Opór powietrza modelu jest bardzo mały i w fazie badań modelowych może być pominięty. Wpływ części wynurzonej kadłuba oraz pogody na opór statku podczas prób morskich jest uwzględniany w formie dodatku AR (2..4 %). Podobnie uwzględnia się wpływ technologii wykonania kadłuba (6..12 %) oraz rodzaju steru (~1 %). Udział oporu powietrza w oporze całkowitym rośnie wraz z pogarszaniem po¬gody i w warunkach sztormowych opór powietrza może być wyższy od oporu wody (zwłaszcza, gdy wiatr wieje z dziobu i statek posiada dużą, nieopływową powierzchnię wynurzoną).

Dla celów praktycznych opór całkowity R można podzielić na opór konstrukcyjny RK oraz na do-datkowe opory eksploatacyjne A/Z:

R = RK+R

Opór konstrukcyjny RK jest to opór statku w ściśle określonych warunkach pływania, precyzowanych z reguły w umowie pomiędzy armatorem a stocznią.

Opór ten odnosi się do statku:

• nowego (w dobrym stanie technicznym, o gładkiej, nieobrośniętej powierzchni),

• zanurzonego do wodnicy konstrukcyjnej,

• 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),

Opór konstrukcyjny można uważać za cechę konstrukcyjną statku, którą armator otrzymuje wraz z zakupionym statkiem. Przedmiotem umowy (kontraktu) nie jest jednak opór konstrukcyjny statku, zwłaszcza, że jego pomiar w trakcie prób zdawczo-odbiorczych byłby przedsięwzięciem bardzo skom¬plikowanym. Umowa kontraktu określa prędkość kontraktową statku vk przy kontraktowym obciąże¬niu silnika N,*. Znajomość oporu konstrukcyjnego przy prędkości kontraktowej jest niezbędna dla do¬boru napędu. Przykładowo moc kontraktową silnika można określić według wzoru:

gdzie oznaczenia „k" odnoszą się do warunków kontraktowych (obliczeniowych).

Ponieważ próba morska statku nowego jest przeprowadzana pod balastem, to prognoza z badań mo-delowych obejmuje zarówno zanurzenie konstrukcyjne jak też zanurzenie balastowe statku. Porównu-jąc 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 A/? są wywołane czynnikami eksploatacyjnymi różniącymi się od warunków konstrukcyjnych. Do tych czynników można zaliczyć:

• pogarszanie stanu technicznego kadłuba. Wywołane jest ono czynnikami fizykochemicznymi i biologicznymi, do których zalicza się: korozję, nieprawidłowe wykonanie zabiegów kon¬serwacyjnych, uszkodzenia powłok ochronnych, uszkodzenia miejscowe kadłuba, ogólne odkształcenia wywołane oddziaływaniem fali i starzeniem kadłuba oraz obrastanie kadłuba organizmami żywymi. Czynniki fizykochemiczne powodują stały przyrost oporu w miarę upływu lat eksploatacji. Ocenia się , że z tego powodu w pierwszych trzech latach opór przyrasta o 9..15 %. Obrastanie kadłuba może być likwidowane w trakcie każdego dokowa¬nia konserwacyjnego. Intensywność obrastania zależy od rodzaju ł stanu powłoki ochronnej oraz od strefy i szybkości pływania. Można przyjąć, że jeżeli temperatura wody jest poniżej 8°C i statek płynie z prędkością powyżej 12 węzłów, to obrastanie jest pomijalne. Najwięk¬sze przyrosty oporu występują podczas postoju statku w strefie międzyzwrotnikowej. Rocz¬ne przyrosty oporu na skutek obrastania statków konserwowanych tradycyjnie i pływających w strefie nieograniczonej wynoszą średnio ok. 20%, obserwowano też przyrosty dochodzą¬ce do 40%. Nowoczesne, drogie zabezpieczenia antyporostowe powłokami samopolerują-cymi znacznie ograniczają obrastanie.

• inne niż konstrukcyjne zanurzenie statku. Ten przyrost oporu może być ujemny na skutek zmniejszenia powierzchni zwilżonej kadłuba,

• pogorszenie warunków pogodowych. Wzrost oporu z tego powodu zależy z jednej strony od warunków pogodowych tj. od siły i kąta kursowego wiatru oraz od stanu morza, kąta kursowego fali, jej długości i wysokości. Z drugiej strony, przyrosty oporu zależą także od cech konstrukcyjnych statku i jego załadowania. Dla istniejącego statku można sporządzić charakterystykę hydrometeorologiczną, do tego celu wykorzystuje się dane rejestrowane w dzienniku pokładowym i w siłowni. Charakterystyka taka, wprowadzona do komputera, może być wykorzystana przy podejmowaniu decyzji optymalizujących w oparciu o prognozę pogody. Przyrosty oporu w złych warunkach pogodowych mogą przekraczać opór kon¬strukcyjny.

• pływanie na wodzie o ograniczonej głębokości i szerokości. Przyrosty oporu na wodzie o ograniczonej głębokości zależą przede wszystkim od stosunku średniego zanurzenia do głę¬bokości wody oraz od szybkości statku. Dla statków pływających z umiarkowanymi prędko¬ściami przyjmuje się na ogół, że wpływ głębokości jest pomijalny, gdy głębokość wody prze¬kracza 8 zanurzeń statku.

• pływanie na rzekach,

• pływanie w lodach,

• nieprawidłowe sterowanie.

1.4.1 Zależność oporu statku od jego prędkości.

Zależność oporu od prędkości statku można wyrazić następującym wzorem ogólnym:

gdzie a(v) i m(v) są funkcjami zależnymi od prędkości statku v. Dokładna znajomość powyższej funkcji jest niezbędna dla prawidłowego doboru napędu statku. Zagadnienie to rozwiązuje się na ogół w dro¬dze doświadczalnej, poprzez badanie modeli statków. Mogą być także wykorzystane metody przybli¬żone oparte na badaniach statków podobnych. Jeżeli statek jest już wybudowany, to dla celów prak¬tycznych można posługiwać się prostszymi zależnościami. Jeżeli liczba podobieństwa Froude'a nie

przekracza 0,2 (0,23), wówczas można przyjmować, że funkcje a(v) i m(y) nie zależą od prędkości statku. Wtedy:

dla

gdzie: v [m/s], g = 9,81 [m/s], L [m] - długość statku na wodnicy pływania, mamy a(y) = a\ m(v) = m = 1,7..2,3,

a więc R = a-vm

Współczynnik a dla statku eksploatowanego o określonych cechach konstrukcyjnych, zależy tylko od warunków pływania i w danych warunkach może być przyjęty jako stały. Współczynnik m zależy od liczby Fr i rośnie wraz z nią. Dustracją wzorów R = avmi R = Rk+AR jest rys. l .6.

Rys. l .6. Zależność oporu statku od jego prędkości; ak - warunki konstrukcyjne, a - statek w ustalonych warunkach pływania w czasie eksploatacji, Rk - opór konstrukcyjny statku przy prędkości konstrukcyjnej vt, AR - dodatkowe opory eksploatacyjne przy prędkości Vk

W praktyce eksploatacyjnej wykorzystuje się często wzory przybliżone opierające się na założeniu, że m = 2, wtedy:

Wykorzystując wzór na sprawność ogólną napędu rjon, mamy też:

stąd:

Dla ustalonych warunków pływania a = const, przy zmianach prędkości statku w granicach ±10% i w tych samych warunkach pływania zwłaszcza gdy śruba ma stały skok, można przyjąć także, że r]on = const, jeśli paliwo jest to samo, to również W d = const, wówczas otrzymamy zależność:

Zatem w nowych warunkach pływania, uwzględniając powyższe założenia, można przyjmować, że zużycie paliwa rośnie lub maleje w przybliżeniu z trzecią potęgą prędkości statku. Można też udowod-nić, że zużycie paliwa na jednostkę drogi B będzie się zmieniało w przybliżeniu z drugą potęgą prędko¬ści statku:

Dla statków dostatecznie dużych i pływających z umiarkowanymi prędkościami błędy popełniane przy użyciu powyższych wzorów nie różnią się istotnie od błędów, które popełnia się przy pomiarze zużycia paliwa Ge, pomiarze prędkości statku v i w ocenie wartości opałowej paliwa na podstawie jego gęsto¬ści.

1.5 Charakterystyki śrub okrętowych

1.5.1 Parametry geometryczne śrub okrętowych

Rys. 1.7. Wymiary śruby okrętowej

Badania modelowe pozwoliły wyodrębnić pewne grupy śrub okrętowych dające najlepsze efekty pod względem osiągów i sprawności. Najczęściej stosowane są śruby grupy B (wg Wageningen). Podsta-wowe wymiary śruby okrętowej przedstawia rys. 1.7.

Śrubę okrętową charakteryzują następujące parametry:

• średnica śruby D, promień śruby /?,

• skok śruby H równy drodze jaką przybędzie dowolny punkt skrzydła („w ciele stałym") 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 r p,

• szerokość skrzydła b, średnia szerokość skrzydła

• grubość skrzydła e, pozorna grubość skrzydła w osi śruby e^ pozorna grubość skrzydła przy wierzchołku ew,

• odchylenie skrzydła przy wierzchołku m, odgięcie skrzydła przy wierzchołku m',

• pole kręgu śruby

• pole wyprostowanej powierzchni skrzydeł So

• współczynnik skoku

• współczynnik powierzchni

• współczynnik średnicy piasty

1.5.2 Pojęcie napędu statku

Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona można zapisać: aby statek poruszał się ruchem prostoli¬niowym z prędkością v musi być do niego przyłożona siła napędzająca T,\, równa sile oporu okrętu R, ale przeciwnie skierowana. Dla ruchu ustalonego mamy więc: R = TN. Rys 1.8 przedstawia napęd śru¬bowy statku oraz występujące związki między kadłubem a śrubą.

W napędach śrubowych siłę napędzającą TN wytwarza śruba okrętowa. Przekształca ona energię ruchu obrotowego dostarczoną przez silnik główny na energię ruchu postępowego statku. Wykonanie tego zadania odbywa się ze stratami, których miarą jest sprawność napędowa T/D- W fazie projektowania napędu statku mamy do dyspozycji z jednej strony charakterystykę oporową kadłuba bez śruby, z dru¬giej zaś charakterystyki śrub swobodnych, uzyskiwane z badań modeli śrub niezależnych od kadłuba statku.

Aby prawidłowo dobrać śrubę do konkretnego kadłuba konieczna jest znajomość wzajemnych oddzia¬ływań kadłuba i śruby. Zagadnienie to rozwiązywane jest na ogół przez badanie modelu statku z wła¬snym napędem.

1.5.3 Wzajemne oddziaływanie kadłuba statku i śruby okrętowej 1.5.3.1 Oddziaływanie kadłuba na śrubę

Charakterystyki śrub okrętowych są sporządzone w funkcji prędkości wody, w której ona się obraca, zwanej prędkością postępową śruby VP. Lepkość wody jest przyczyną powstawania warstwy przy-ściennej wokół poruszającego się kadłuba, zwanej strumieniem nadążającym. Grubość warstwy przyściennej jest równa zero na dziobie i 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 v/> względem strumienia nadążającego jest niniejsza od pręd¬kości statku v względem wody nieograniczonej o wartość c, czyli:

vp = v - c

Stosunek prędkości strumienia nadążającego c do prędkości statku v, nosi nazwę współczynnika strumienia nadążającego w.

Występują duże różnice prędkości strumienia w polu kręgu śruby. Niejednorodność rozkładu prędkości strumienia nadążającego, scharakteryzowana przez wartości współczynnika w, przedstawiono na rys. 1.9.

Strumień nadążający powstający za kadłubem statku jest zjawiskiem wysoce złożonym. Przyczyną tego są nieregularne kształty rufy statku, tylnicy, obecność steru. Prędkość strumienia nadążającego w każ¬dym punkcie obszaru, w którym pracuje śruba jest inna. Niejednorodne pole prędkości jest podstawo¬wą przyczyną drgań generowanych przez śrubę oraz powoduje duże różnice w rozkładzie sił na skrzy¬dłach śruby. Podawane w literaturze wartości współczynnika nadążającego są wartościami średnimi i dla statków jednośrubowych wahają się zwykle w granicach 0,2..0,45 dla statków dwuśrubowych wartości te są dużo niniejsze.

Wartość współczynnika strumienia nadążającego zależy od cech konstrukcyjnych kadłuba i śruby oraz usytuowania śruby za kadłubem. Wielkość tego współczynnika rośnie wraz ze wzrostem pełnotliwości kadłuba i jego długości, maleje zaś gdy rośnie średnica śruby w stosunku do długości statku oraz gdy wzrasta odległość śruby od kadłuba. Istotny wpływ ma również kształt rufy.

W trakcie eksploatacji współczynnik w wzrasta wraz z pogarszaniem stanu technicznego kadłuba oraz przy zmniejszaniu zanurzenia statku. Na ogół wielkość współczynnika w rośnie także przy zmniejszaniu prędkości statku. Duże wartości współczynnika w mogą sprzyjać procesom kawitacji.

1.5.3.2 Oddziaływanie śruby na kadłub statku

Śruba obracając się za kadłubem powoduje zmianę rozkładu ciśnienia w obszarze rufy. Po stronie ssą¬cej śruby występuje spadek ciśnienia, który jest przyczyną powstawania siły ssania AT, 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 TV (zwanej też naporem efektywnym) o siłę A7. Stąd mamy:

stosunek siły AT"do naporu T nazywa się współczynnikiem ssania t.

Współczynnik ssania t, podobnie jak współczynnik strumienia nadążającego w zależy od cech konstruk¬cyjnych statku i warunków eksploatacji. Wartość współczynnika /jest z reguły mniejsza od współczyn¬nika w i dla statków jednośrubowych waha się w granicach 0,12..0,3. Ogólnie można stwierdzić, że współczynnik ssania t rośnie, wtedy gdy wzrasta również współczynnik strumienia nadążającego w.

Prawidłowa prognoza obu współczynników w warunkach obliczeniowych jest jednym z istotnych wa¬runków prawidłowego zaprojektowania napędu statku ł powinna być zlecana ośrodkowi badawczemu.

1.5.4 Sprawność napędowa i sprawność śruby

Jak wcześniej zdefiniowano, sprawność napędowa rjo jest to stosunek mocy holowania Nh do mocy

na stożku śruby Ns. Wstawiając do wzoru na riD zależności: R = TN = T (l - f) oraz v = ——, otrzy-

\-w

muje się:

Wyrażenie :—— nosi nazwę sprawności kadłuba T]H, zaś stosunek mocy naporu śruby NT « T vp do l-w

mocy na stożku śruby N„ nazywa się sprawnością śruby za kadłubem TJPK.

Stosunek mocy Ns 'do mocy NS nazywa się sprawnością rotacyjną śruby JJR:

Moc dostarczona do śruby swobodnej (Ns') dla osiągnięcia tej samej mocy naporu NT, różni się z reguły od mocy Ns. Stąd wzór na sprawność śruby swobodnej ijp (r|D w literaturze anglojęzycznej) przyjmie postać:

Sprawność kadłuba rjH dla statków jednośrubowych mieści się zwykle w granicach 1,1..l,4, zaś dla statków dwuśrubowych wynosi 0,95..l,05. Sprawność śruby swobodnej TJP zależy od szeregu czynni-ków konstrukcyjnych i eksploatacyjnych, które zostaną omówione później. Sprawności T/P w warun-kach projektowych waha się pomiędzy 0,35..0,75. Rys. 1.10 przedstawia przykładowo zależność pro-

jektowej sprawności śruby swobodnej TJP od współczynnika posuwu J = —— (definicja na str. 26).

D-n

Rys 1.10. Osiągane sprawności śruby swobodnej

Z tego rysunku wynika wyraźnie, że dla ustalonej prędkości postępowej śruby v/> i średnicy śruby D można uzyskać wzrost jej sprawności przez obniżenie projektowanej prędkości obrotowej śruby n. Rysunek 1.11 przedstawia wpływ zmiany obliczeniowej prędkości obrotowej śruby na zmianę mocy na stożku śruby, przy tej samej prędkości statku. Współczynnik a na tym rysunku zależy od cech kon-strukcyjnych statku i rośnie ze wzrostem współczynnika pełnotliwości kadłuba. Na wielkość tego współczynnika wpływa również prędkość projektowa statku.

Rys 1.11. Wpływ zmiany przyrostu obliczeniowej prędkości obrotowej śruby Ań na zmianę mocy zapotrzebowanej do napędu statku ANS dla tej samej prędkości kontraktowej statku

Sprawność rotacyjna śruby rjR dla statków jednośrubowych waha się w granicach 1,0..l,07. Dla stat-ków dwuśrubowych o konwencjonalnym kształcie kadłuba jest zwykle mniejsza i wynosi ok. 0,98 (52). Rysunek 1.12 przedstawia przykładowo zmiany wartości wybranych współczynników, uzyskane z ba-

dań modelowych masowca o długości Lpp = 185 m i współczynniku pełnotliwości kadłuba 0,815, napę-

dzanego 4-skrzydłową śrubą o średnicy D = 6,98 m oraz współczynniku skoku — = 0,815 dla róż-nych prędkości statku vs.

Ogólnie można zauważyć, że wpływ wzajemnego oddziaływania kadłuba i śruby jest korzystny pod względem energetycznym dla napędu jednośrubowego. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że czynniki wpływające na wzrost sprawności kadłuba T]H mogą powodować spadek sprawności śruby rjp.

1.5.5 Określenie posuwu i poślizgu

Jeżeli śruba poruszałaby się nie w wodzie, lecz w materiale stałym, wówczas w czasie jednego obrotu przebyłaby drogę równą skokowi geometrycznemu H. Przy obracaniu się z prędkością obrotową n [obr / s], prędkość jej osiowego przemieszczenia wyniosłaby wówczas H*n [m / s]. Podczas ruchu w wo¬dzie, w czasie jednego obrotu śruba w kierunku osiowym przesunie się nie na odległość H, lecz na

Rys. 1.12. Współczynniki napędowe dla 3 kształtów rufy masowca

odległość mniejszą zwaną posuwem śruby hp. Prędkość postępowa śruby vp względem wody, w której się obraca wynosi wówczas:

Stosunek posuwu hp do średnicy D śruby określa się mianem współczynnika posuwu śruby/:

Prędkość poślizgu śruby vs wynosi:

Powyższe zależności ilustruje rys. 1.13

Stosunek poślizgu h* do skoku śruby H nazywa się współczynnikiem poślizgu śruby 5:

Współczynniki posuwu i poślizgu śruby są wykorzystywane do tworzenia wykresów z badań modelo-wych śrub. Nie są one jednak użyteczne w praktyce eksploatacyjnej ze względu na niemożność pomia¬ru postępowej prędkości śruby. Z tego powodu korzysta się ze współczynników posuwu i poślizgu kadłuba, zwanych w teorii śrub współczynnikami posuwu i poślizgu pozornego (odpowiednio ozna¬cza się je przez Jp oraz SP ) które odniesione są do prędkości statku v, a nie do prędkości postępowej śruby vp:

Zarówno współczynnik posuwu jak i poślizgu mogą być miarą warunków pływania statku, jeśli skok śruby jest stały. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że współczynniki te są stałe w ustalonych warunkach pływania, jeżeli prędkość statku nie zmienia się znacznie (w granicach ± 10 %) a śruba ma stały skok.

Dla stałego skoku H i średnicy D oraz Jp = const, można zapisać: v s kn, gdzie k jest wartością stałą. Wtedy:

Jeżeli więc statek jest wyposażony w śrubę stałą i płynie w ustalonych warunkach pływania, to zwięk-szenie obrotów śruby np. o 3 % spowoduje wzrost prędkości statku również o ok. 3 %.

1.5.6 Charakterystyki hydrodynamiczne śrub swobodnych

Wyniki badań modelowych śrub swobodnych przedstawiane są najczęściej na wykresach zwanych cha¬rakterystykami hydrodynamicznymi śruby. Na osi rzędnych (oś y) występują bezwymiarowe współ¬czynniki śruby:

• współczynnik naporu

• współczynnik momentu

• współczynnik sprawności

na osi odciętych (oś x):

współczynnik posuwu

Przykładową postać charakterystyki hydrodynamicznej śruby stałej przedstawia rys. 1.14

Rys. 1.14. Charakterystyka hydrodynamiczna śruby stałej

Badania modelowe pozwoliły wyodrębnić pewne grupy śrub okrętowych dające najlepsze efekty pod względem osiągów i sprawności. Maksimum sprawności przypada dla pewnego stanu obciążenia śruby określonego wartością współczynnika posuwu J (//p max). Śruba powinna być zaprojektowana tak, aby pracowała jak najdłużej w warunkach odpowiadających temu stanowi. Zmieniające się warunki pływa¬nia nie pozwalają na ciągłą pracę śruby z maksymalną sprawnością. Pływanie w warunkach np. cięż¬szych niż te, dla których śruba została zaprojektowana, spowoduje przesunięcie punktu pracy w lewo i spadek sprawności śruby. Należy zwrócić uwagę, że spadki sprawności są dużo większe dla J rosnące¬go niż dla J malejącego, licząc od punktu, dla którego sprawność osiąga wartość maksymalną. Ko¬rzystniej jest więc dobierać śrubę dla obciążeń odpowiadających mniejszym wartościom współczynnika posuwu niż J (rjp max). Sprawność śruby rjp osiąga wartość równą zero przy zerowym naporze oraz przy zerowym współczynniku posuwu.

Charakterystyki hydrodynamiczne modeli śrub swobodnych są podstawą do tworzenia charakterystyk projektowych, wykorzystywanych przy doborze śrub okrętowych o dowolnych wymiarach. Warun-kiem podstawowym jest podobieństwo geometryczne i kinematyczne śrub.

Aczkolwiek charakterystyka z rys. 1.14 nie może być bezpośrednio wykorzystana w praktyce eksplo-atacyjnej, to jednak na jej podstawie można wyciągnąć szereg istotnych wniosków przydatnych w eks-ploatacji. Jeśli więc mamy już na statku śrubę o określonej średnicy i skoku, to możemy powiedzieć, że współczynnik J, będący miarą drogi, jaką przebywa śruba w trakcie jednego obrotu, jest również miarą warunków pływania statku. Oznacza to, że w stałych warunkach pływania, jeśli skok śruby jest stały, to również współczynnik J jest stały a więc i sprawność śruby rjp jest stała oraz współczynniki Kg i Kr są praktycznie stałe. Warunkom konstrukcyjnym pływania odpowiada współczynnik posuwu JK (mniejszy od J (rjp max)). Gorsze warunki pływania od konstrukcyjnych spowodują spadek sprawności śruby i wzrost współczynników KQ i KT. Współczynniki Kg i KT c(siągają maksimum dla J - O, a więc podczas pracy na uwięzi (lub gdy statek rusza z miejsca). Stwarza to ryzyko przeciążenia silnika momentem

obrotowym, jeśli nie zostaną odpowiednio zredukowane obroty śruby, gdyż K0 = ^-. Poprawa wa-

* n

runków pływania spowoduje spadek wartości Kg i KT oraz wzrost sprawności śruby. Największy wpływ na charakterystyki hydrodynamiczne śrub wywierają:

• współczynnik skoku —,

• współczynnik powierzchni rozwiniętej skrzydeł —,

liczba skrzydeł

Zmiana skoku śruby (rys. 1.15) wywiera największy wpływ na zmiany wartości siły naporu śruby i momentu obrotowego. W praktyce stosuje się śruby o wartościach współczynnika skoku zawartych w

przedziale 0,5 < — < 2. Ze wzrostem wartości współczynnika skoku rosną wartości współczynników

naporu i momentu w całym zakresie współczynnika posuwu. Ze wzrostem współczynnika skoku rośnie również maksimum sprawności śruby przy czym maksimum przesuwa się w kierunku wyższych warto¬ści współczynnika posuwu J. Jednocześnie dla mniejszych wartości J sprawności śruby o mniejszej wartości współczynnika skoku mogą posiadać wyższe wartości.

Wzrost współczynnika powierzchni śruby (rys 1.16) powoduje zwiększenie wartości współczynnika naporu i momentu obrotowego śruby oraz wywołuje spadek sprawności TJP. Przyrost wartości współ-czynnika momentu jest większy niż przyrost współczynnika naporu śruby, wzrastają również opory skrzydeł. W efekcie sprawność śruby maleje.

Rys. 1.16. Charakterystyka śrub o dwóch różnych współczynnikach powierzchni

Współczynnik powierzchni zmienia się najczęściej w granicach . Dolna granica uwarun¬

kowana jest powstawaniem zjawiska kawitacji, górną granicę warunkują możliwości wykonawcze. Aby

uzyskać możliwie najwyższą sprawność śruby w warunkach projektowych, należy dążyć do dobrania

śruby o najniższym współczynniku , ograniczonym przez kryterium kawitacji. Ponieważ wymagana moc holowania statku zależy od mocy naporu śruby, a ta z kolei wiąże się także z powierzchnią skrzy¬deł, to jedną z podstawowych dróg prowadzących do zmniejszenia jest zastosowanie śruby o

możliwie największej średnicy dla danego kadłuba, gdyż

Liczba skrzydeł śruby - stosowane na statkach śruby posiadają najczęściej trzy lub cztery skrzydła. Nie jest wskazane stosowanie (w układach bezprzekładniowych) liczby skrzydeł śruby zgodnej z liczbą cylindrów lub jej wielokrotnością.

Na charakterystyki hydrodynamiczne śrub w warunkach eksploatacji mają również wpływ takie czynni¬ki jak zanurzenie śruby oraz stan techniczny śruby. Rys 1.17 przedstawia wpływ stosunku zanurzenia osi śruby pod powierzchnią wody h do promienia śruby R na charakterystyki hydrodynamiczne śruby stałej. Z rysunku wynika wyraźnie, że wynurzanie śruby powoduje spadek sprawności śruby oraz zmniejszenie współczynników KQ i Kr. Oznacza to, że przy tych samych obrotach śruby maleje odpo¬wiednio moment i moc na stożku śruby oraz napór i moc naporu śruby. Moc i moment silnika nie będą mogły być wykorzystane w tych warunkach, na skutek ograniczenia prędkością obrotową. Mimo wy¬nurzenia statku i zmniejszenia się powierzchni zanurzonej kadłuba, prędkość statku może spaść. Śruba wynurzająca się zasysa powietrze, stąd mogą powstawać dodatkowo niekorzystne zjawiska kawitacji powietrznej i drgania. W skrajnych przypadkach śruba przestaje być naturalnym hamulcem dla silnika. Znane są przypadki rozbiegania się i zniszczenia silnika głównego, związane z jednoczesnym, nieprawi¬dłowym działaniem układu regulacji prędkości obrotowej tzw. overspeed. Istotne jest tutaj prawidłowe zabalastowanie statku i unikanie zbytniego pośpiechu przy wybalastowaniu statku przed wejściem do portu.

Uważa się, że wpływ zmiany zanurzenia śruby nie występuje, gdy jej zanurzenie h > 1,3 R.

Pogarszanie się stanu technicznego śruby jest związane ze zjawiskiem kawitacji, erozji, korozji i pora-stania śruby oraz z jej uszkodzeniami mechanicznymi. Powoduje ono zawsze wzrost współczynnika Kg oraz spadek sprawności śruby rjp. Aby ograniczyć wpływ tych zjawisk śruba powinna być okresowo kontrolowana, naprawiana i szlifowana. Uważa się, że wzrost średniej chropowatości skrzydeł o 10 um powoduje spadek jej sprawności o l %.

1.5.7 Charakterystyki hydrodynamiczne śrub nastawnych

Charakterystykę hydrodynamiczną śruby nastawnej można, w pewnym przybliżeniu, przedstawić jako

zbiór charakterystyk śrub o stałym skoku dla różnych wartości współczynników —. Przybliżenie wy¬nika m. in. stąd, że piasta śruby nastawnej posiada większe wymiary od piasty śruby stałej - przy tej samej średnicy D i skoku H. W piaście śruby nastawnej umieszczony jest mechanizm zmiany skoku. Zwiększone gabaryty piasty powodują obniżenie wartości współczynników naporu, momentu i spraw¬ności. Charakter krzywych pozostaje jednak taki sam.

Charakterystyki hydrodynamiczne śrub nastawnych można przedstawiać w układzie przestrzennym, jak pokazano na rys l. 18.

Posługiwanie się takimi wykresami jest bardzo niewygodne. Z tego względu, dla celów praktycznych opracowane zostały różne rodzaje zbiorczych wykresów na jednej płaszczyźnie. Przykładem mogą być wykresy Papmiela (rys. 1.19) lub Dankwardta (rys. 1.20), które powstały przez przecięcie powierzchni T]P szeregiem płaszczyzn równoległych do płaszczyzny JOKj (stałych wartości rjp) i przerzutowanie powstałych w ten sposób warstwie na płaszczyznę. Na wykresach tych naniesione są linie stałych war-

tości współczynnika skoku — oraz sprawności T/P.

9 J-J

Na uwagę zasługują umieszczone na wykresach współczynniki Kj oraz Tj. Odzwierciedlają one bo-wiem z pewnym przybliżeniem stałe warunki zewnętrzne, w jakich pracuje śruba o średnicy D. Warto¬ści współczynników KjiTj opisane są następującymi zależnościami:

W warunkach pływania, określonych krzywą Tj lub Kj można znaleźć punkt, w którym śruba osiąga maksymalną sprawność. Na wykresie Papmiela punkty maksymalnych sprawności śruby leżą na krzy-wej oznaczonej TJOPT , natomiast na wykresie Dankwardta krzywą łączącą takie punkty opisano jako rjP maxdlarrf=const.

Trzeba zwrócić uwagę, że przebieg charakterystyki stałych warunków pływania w układzie współrzęd¬nych KT -f(J) lub KQ =j(J), nie zależy tylko od charakterystyki śruby (jak to ujmują wzory na T d i Kd), ale również od charakterystyki oporowej kadłuba (R =./(v)) l wzajemnego oddziaływania kadłuba i śruby poprzez strumień nadążający i siłę ssania (współczynniki w i f). Charakterystykę stałych warun¬ków pływania statku, na wykresie KT = J(J), można uzyskać poprzez transformację charakterystyki oporowej kadłuba na ten układ współrzędnych. Jak wyjaśniono w rozdziale 1.5.3, w ustalonych warun¬kach pływania istnieje związek: R = T„

Podstawiając odpowiednio

otrzymamy po przekształceniach:

Jeżeli założy się, że zmienność współczynników strumienia nadążającego w i ssania t jest ustalona w tych samych warunkach pływania, to współczynnik A charakteryzuje warunki pływania (podobnie, jak współczynnik d).

Rysunek 1.21 ilustruje wpływ zmiany wartości skoku śruby nastawnej oraz warunków pływania na sprawność śruby.

Rys. l .21. Wpływ zmiany skoku śruby oraz warunków pływania na sprawność śruby

W określonych warunkach pływania istnieje jeden współczynnik skoku, przy którym śruba osiąga mak-•sfmalną sprawność. W warunkach odpowiadających współczynnikowi A\, tym współczynnikiem skoku

/ rjA

jest l — . Określa go punkt l styczności krzywej A\ z krzywą stałej sprawności śruby rjn. Gdy wa-v-O/i

runki pływania ulegną pogorszeniu, np. do warunków pływania odpowiadających charakterystyce ^2,

(H} f H^\

wówczas współczynnik skoku optymalnej sprawności rjpi wynosi — , przy czym — <

\.D)l V^/2

f ff\

— oraz rjn < rjpi. Gdyby w warunkach pływania A2 utrzymano stałą wartość współczynnika skoku

V^-'/i

( H\

— , wówczas punktem współpracy śruby z kadłubem statku byłby punkt 3, w którym sprawność

\^ )\

śruby wynosiłaby rjn i byłaby ona mniejsza od rjn- Tak więc w układzie napędowym ze śrubą nastawną istnieje możliwość optymalizowania sprawności napędu. Tą drogą można zniwelować straty wynikają¬ce z gorszej sprawności śruby nastawnej w punkcie obliczeniowym. Trzeba jednak zauważyć, że opty¬malizowanie sprawności jest możliwe przy jeździe na obciążeniach częściowych. Optymalne wartości współczynnika skoku w gorszych warunkach są mniejsze i w związku z tym niższe są wartości współ¬czynników posuwu, momentu i naporu śruby, a więc mniejsza prędkość statku.

1.5.8 Charakterystyki hydrodynamiczne w wersji komputerowej

Komputeryzacja procesów projektowania kadłubów, siłowni okrętowych wymagała opracowania mo-deli matematycznych elementów składowych w tym także i śrub napędowych. Graficzna postać cha-rakterystyk hydrodynamicznych śrub okrętowych została zastąpiona równaniami matematycznymi. Przeprowadzono pomiary wartości współczynników momentu Kg, naporu KT, i sprawności //P w za-

H S

leżności od zmian wartości współczynnika posuwu J, skoku —, powierzchni ——, liczby skrzydeł z i

D JLJ

liczby Reynoldsa. W Instytucie Wageningen przebadano 120 modeli śrub grupy B, o standardowych współczynnikach piasty i grubości skrzydeł. Dla liczby Reynoldsa Re = 2 x l O6 wielomiany opisujące pracę śruby mają postać:

Zakresy zmian wykładników potęg słuszne są dla:

• O < 5 < 3 dla zmian współczynnika posuwu w przedziale 0<J< JMAX(KT = 0)

• O < t < 6 dla zmian współczynnika skoku w przedziale 0,5 < — < l ,4

• O < u < 2 dla zmian współczynnika powierzchni w przedziale 0,3 < —2- < 1,05

• Q<v<2d\a liczby skrzydeł w przedziale 2 < Z < 7 Wartości potęg s,t,u,v oraz stałej C podane są w [3].

1.5.9 Charakterystyki obrotowe

Charakterystyki hydrodynamiczne są mało przydatne dla mechaników obsługujących układy napędowe statku. Wygodniej jest przedstawiać zależności opisujące pracę śruby w układzie współrzędnych, w jakich sporządzane są charakterystyki silnika.

Krzywe opisujące pracę silnika i śruby przedstawione w tym samym układzie współrzędnych umożli-wiają analizę ich współpracy. Charakterystyki silnika wykreślane są najczęściej we współrzędnych Ne = f (n) lub M =/(»). Należy więc przekształcić równania opisujące śrubę na ten typ zależności.

Ze wzoru na współczynnik momentu śruby można wyprowadzić następujące zależności:

Dla danej średnicy śruby D i gęstości wody p, współczynnik b = D5 • p jest stały, czyli moment śruby O jest funkcją współczynnika Kg i prędkości obrotowej śruby n w drugiej potędze. W trakcie eksplo-atacji współczynnik momentu KQ zależy od: warunków pływania, skoku śruby, zanurzenia śruby oraz od jej stanu technicznego.

•t* Śruba stała

Jak wynika z charakterystyk hydrodynamicznych śrub o stałym skoku, współczynnik momentu KQ po¬siada stałą wartość w warunkach konstrukcyjnych oraz w każdych innych warunkach pływania, jeżeli zanurzenie śruby i jej stan techniczny jest ustalony. Wtedy można zapisać:

Współczynnik ć zależy od warunków eksploatacyjnych i jest stały w określonych warunkach eksplo-atacji. Jego wartość rośnie on gdy warunki pływania ulegają pogorszeniu oraz gdy pogarsza się stan techniczny śruby. Odwrotnie, wartość współczynnika maleje gdy śruba się wynurza lub gdy warunki pływania ulegają poprawie.

Trzeba jednak zwrócić uwagę na to, że moc na stożku śruby NS zależy od mocy holowania N h i spraw¬ności napędowej T/D, zgodnie ze wzorem:

a więc na rzeczywisty przebieg funkcji Ns = c'-n3 może mieć wpływ charakterystyka oporowa okrętu oraz zmienność sprawności napędowej przy różnych prędkościach statku i obrotach śruby. Zależność Ns = ć-n3 jest przedstawiona na rys. 1.22.

•3K

Rys. 1.22. Charakterystyka obrotowa śruby stałej; c* - warunki konstrukcyjne, Ci - gorsze warunki pływania, gorszy stan techniczny śruby, C2 - statek pod balastem, w dobrych warunkach pogodowych, śruba wynurza się.

•J* Śruba nastawna

Dla śruby nastawnej można również zapisać zależność: Ns - c'-n3

Rys. 1.23. Charakterystyka obrotowa śruby nastawnej w ustalonych warunkach pływania;

- maksymalny współczynnik skoku,

- zerowy

konstrukcyjny współczynnik skoku,

współczynnik skoku

W tym jednak przypadku, współczynnik ć zależy także od skoku śruby i rośnie ze wzrostem wartości skoku śruby. Na rys. l .23 przedstawiono wpływ skoku śruby na charakterystyki obrotowe śruby w ustalonych warunkach pływania.

1.6 Charakterystyki tłokowych silników spalinowych napędu głównego

1.6.1 Obciążenie znamionowe silnika

Obciążenie znamionowe jest ważną cechą konstrukcyjną silnika. Stanowi ono m. łn. podstawę doboru silników do napędu statku oraz jest punktem wyjścia dla określania zakresu dopuszczalnych obciążeń silnika w czasie eksploatacji, czyli do ustalenia pola obciążeń silnika.

Pod pojęciem obciążenia znamionowego silnika rozumie się deklarowaną przez wytwórcę wartość maksymalnej mocy, którą jego silnik może osiągać trwale w określonych warunkach, przy deklarowa-nej prędkości obrotowej. Ta maksymalna moc trwała nosi nazwę mocy znamionowej (A^), zaś dekla-rowana prędkość obrotowa jest znamionową prędkością obrotową (««). Punkt obciążenia znamio-nowego silnika określa równanie definicyjne:

N. =27i-M -n

W punkcie tym, zarówno moc znamionowa N„ jak i moment znamionowy M„ są wartościami maksy¬malnego trwałego obciążenia silnika. Deklarowane przez wytwórców maksymalne trwałe prędkości obrotowe silników głównych są z reguły większe od wartości znamionowych na ogół od 3 do 5 % n„.

Deklarowana przez wytwórców silników okrętowych moc znamionowa jest mocą użyteczną na sprzę¬gle silnika, dostosowaną do warunków przyszłej eksploatacji.

Powstaje jednak pytanie: czy w zmiennych warunkach eksploatacji silnik może być trwale obciążany tą mocą? Czy więc maksymalne trwałe obciążenie znamionowe można traktować jako maksymalne trwałe obciążenie eksploatacyjne? Na tak postawione pytania wytwórcy silników mają odpowiedź: „tak, ale". To „ale" dotyczy spełnienia szeregu warunków techniczno - eksploatacyjnych. Te warunki nie są na ogół precyzowane wprost. Odpowiedź można jednak odszukać w wytycznych projektowania, instruk¬cjach obsługi oraz w przepisach instytucji klasyfikacyjnych i w normach ISO (International Standards Organization) Przed wejściem statku do eksploatacji powinny być spełnione następujące wymagania:

1. Silnik powinien być przystosowany do pracy w warunkach otoczenia, w których będzie eksploato¬wany. Jeżeli statek ma by eksploatowany w żegludze nieograniczonej, to silnik musi być przysto¬sowany do pracy w warunkach tropikalnych (w szczególnym przypadku trzeba też uwzględnić strefę arktyczną). Według zaleceń IACS (International Association of Classification Societies) wa¬runki tropikalne są określane następująco: temperatura powietrza na dolocie do silnika 318 K (45 °C), ciśnienie powietrza 100 kPa, wilgotność względna powietrza 60% i temperatura wody mor¬skiej na dolocie do chłodnicy powietrza doładowującego 305 K (32 °C). W przypadku chłodzenia centralnego, przyjmuje się temperaturę wody słodkiej odpowiednio wyższą, na ogół 36 °C.

2. Silnik powinien pomyślnie przejść próby na hamowni u wytwórcy.

3. Silnik powinien być prawidłowo dobrany do układu napędowego statku. W tym zakresie powinny być wzięte pod uwagę zalecenia wytwórcy silnika.

4. Instalacje obsługujące silnik powinny być zaprojektowane i wykonane zgodnie z wytycznymi wy¬twórcy silnika.

5. Silnik po demontażu u wytwórcy powinien być prawidłowo zmontowany na statku oraz połączony z linią wałów i z instalacjami z nim związanymi.

6. Silnik oraz instalacje i urządzenia z nim związane powinny być prawidłowo przygotowane do prób na uwięzi i w morzu oraz przejść pomyślnie te próby.

Zrealizowanie powyższych wymagań jest podstawą przyszłej trwałej i niezawodnej pracy silnika; nie tylko na obciążeniu znamionowym. W eksploatacji szczególnie ważnym jest przestrzeganie zaleceń zawartych w instrukcjach obsługi i wytycznych producentów.

Trwała praca silnika na obciążeniu znamionowym w czasie eksploatacji wymaga:

1. nienagannego stanu technicznego silnika, przestrzegania zaleceń dotyczących bieżącej obsługi oraz przeglądów i napraw okresowych,

2. prawidłowej regulacji i sterowania,

3. obciążenia stabilnym momentem,

4. przestrzegania zaleceń wytwórcy silnika odnośnie własności bunkrowanego paliwa i jego przygo¬towania przed podaniem do silnika,

5. przestrzegania zaleceń dotyczących przeciwciśnienia wydechu i oporów ssania powietrza,

6. przestrzegania zaleceń dotyczących parametrów i własności czynników roboczych; dotyczy to: temperatur, ciśnień, natężeń przepływu, własności fizyko - chemicznych, czystości i innych,

7. pracy silnika w warunkach otoczenia nie gorszych od tych, na jakie zaprojektowano silnik i układy z nim związane.

Na zrealizowanie powyższych wymagań i zaleceń ma wpływ nie tylko załoga statku. Mają tutaj swój udział producent silnika, biuro projektowe, stocznia produkcyjna i stocznie remontowe, służby arma¬torskie, dostawcy paliwa i olejów smarowych, dostawcy części zamiennych oraz szeregu innych urzą¬dzeń, a także obiektywne warunki pływania (pogoda i klimat).

W praktyce eksploatacyjnej występuje wiele różnorodnych czynników, czasem trudnych do zidentyfi¬kowania, które mogą powodować to, że trwała praca silnika na obciążeniu znamionowym będzie pro¬wadziła do przeciążeń cieplnych i mechanicznych.

Z tych względów eksploatuje się silniki na obciążeniach niższych od znamionowych. Na ogół maksy¬malne trwałe moce eksploatacyjne powinny być niższe o 10 do 15 % od znamionowych. Moc znamio¬nowa jest najczęściej traktowana jako moc granicznej nastawy paliwowej (Fuel Stop Power) i w nor¬malnych warunkach nie może być przekraczana. Jednakże silniki główne powinny być przystosowane do przeciążenia w szczególnych przypadkach. Zgodnie z wymaganiami przepisów, moc przeciążenio¬wa powinna wynosić l\0%N„i być dostępna w ciągu l godziny lub z przerwami, w okresie 12 go¬dzinnej pracy silnika. Zdolność silnika do pracy na mocy przeciążeniowej powinna być sprawdzona na hamowni u wytwórcy. Dopuszcza się możliwość przeciążenia silnika podczas prób morskich w obec¬ności przedstawiciela wytwórcy. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że taka próba silnika jeszcze niedotar-tego, może się odbić niekorzystnie na przyszłej jego eksploatacji.

1.6.2 Pola obciążeń silników głównych

Silniki główne są zwykle eksploatowane ze zmienną prędkością obrotową. Dlatego przyjęto po-wszechnie, że wytwórcy dostarczają wykresy przedstawiające zależność dopuszczalnych obciążeń mo¬cą w funkcji prędkości obrotowej. Są to więc wykresy typu Ne -f (n), gdzie Ne - moc użyteczna na sprzęgle silnika, n - prędkość obrotowa silnika. Punktem bazowym dla zbudowania takiego wykresu jest obciążenie znamionowe silnika (oznaczane przez: N, MCR, CMCR, SMCR). Wykres taki przyjęto nazywać polem obciążeń silnika lub polem pracy silnika. Na wykresach tych zaznacza się obszary pracy ciągłej silnika obszary pracy w ograniczonym czasie oraz obszary dopuszczalnych przeciążeń.

Pola obciążeń są często sporządzane w logarytmicznym układzie współrzędnych. Ma to na celu spro-wadzenie krzywoliniowych funkcji wykładniczych do funkcji prostoliniowych.

Logarytmując równanie: Nt = c • n', otrzymamy:

\ogNe = / • log n + log c

jest to więc równanie linii prostej typu y - CK + b Lustracją tych równań jest rys. 1.20. Wykładnik potęgowy,/' określa pewne funkcje podstawowe w układzie logarytmicznym m.in.:

• / = O - proste stałych wartości mocy Ne, prostopadłe do osi Ne (Nt = c'«° = c1),

• / = l - proste stałych wartości momentu obrotowego M lub stałych średnich wartości ciśnień efek-tywnych pe (Ne -In-M-n-k- pe-n-c"-«),

• / = 3 - proste teoretycznych charakterystyk śrubowych (Ne = c • n3)

Rys. l .24 Zależność pomiędzy funkcjami liniowymi, w skali logarytmicznej (A.) a funkcjami mocy w skali logarytmicznej (B.)

1.6.2.1 Przykłady pól obciążeń

1. Pole obciążeń silnika Suber typu RTA

Na rys 1.21 przedstawiono pole obciążeń silników wolnoobrotowych RTA, optymalizowanych przy obciążeniu znamionowym. Pole to obowiązuje od 1992, z nieznacznymi zmianami. Pola obciążeń silni¬ków produkowanych wcześniej wykazują pewne różnice, zwłaszcza w zakresie obciążeń maksymal¬nych

Obszary pracy silnika zawierają następujące linie ograniczające:

Linia l - jest linią stałego momentu znamionowego przechodzącą przez punkt znamionowy (CMCR, N) do punktu określonego wartościami (95 % N„ i 95 % H„).

Linia 2 -jest linią granicznego momentu przeciążeniowego, biegnącą od punktu (100 % N„ i 93,8 % n„ ) do punktu mocy przeciążeniowej (l 10 % N„ i 103,2 % «„), który jest punktem przecięcia linii 110 % N„ ze znamionową charakterystyką śrubową 7.

Linia 3 - jest linią maksymalnej trwałej prędkości obrotowej, wynoszącej 104 % n„. Dla obecnie bu-dowanych silników dopuszcza się możliwość przesunięcia tej linii do 106 % n„, jeśli nie wystą¬pią ograniczenia drganiami skrętnymi i jeśli prędkość obrotowa znamionowa nie przekracza 98 % maksymalnych obrotów typu silnika (w punkcie Rl).

Rys. l .25 Pole obciążeń silnika wolnoobrotowego Sulzer RTA Linia 4 -jest linią granicznego przeciążenia prędkością obrotową 108 % n„.

Linia 5 -jest linią ograniczającą pole trwałych obciążeń (A) z lewej strony wykresu; biegnie ona w dół od 95 % N„ i 95 % n„. Jest krzywą o wykładniku potęgowym i = 2,45.

Linia 6 - jest linią graniczną obciążenia przejściowego w ograniczonym czasie (B); biegnie ona w dół od 100 % N„ i 93,8 % n„ i posiada wykładnik taki sam jak linia (5) tj. i = 2,45.

Linia 7 - jest linią znamionowej charakterystyki śrubowej, przechodzącej przez punkt znamionowy.

Jest zdefiniowana równaniem Ne - CN • n", gdzie . Dzieli ona pole A na dwie części

(lewą i prawą).

Pole obciążeń zostało podzielone na obszary A, A', B, C i E oraz D. Obszary A i A' ograniczone linia¬mi ciągłymi l, 3, 5 oraz 40 % N„ i 35 % -/Vn, są przeznaczone do pracy ciągłej silnika, z pewnymi dodat¬kowymi zastrzeżeniami. Pole na lewo od znamionowej charakterystyki śrubowej do linii 5 i l jest prze¬widziane do pracy w stanach przejściowych takich jak: przyspieszanie statku, jazda na wodzie płytkiej, złe warunki pogodowe i ewentualnie praca z zawieszoną prądnica. Ograniczenia te uzasadnia się tym, że w miarę zbliżania się do linii 5, zmniejsza się ilość powietrza przepłukującego, co prowadzi do po¬gorszenia warunków spalania, nagarowania i wzrostu obciążeń cieplnych. Długotrwała praca w tym obszarze może być powodem uszkodzeń silnika. Pole A' jest przeznaczone do pracy silnika na niskich obciążeniach z prądnicą zawieszoną. Tak więc trwała praca silnika bez ograniczeń czasowych powinna odbywać się w tej części pola A, która znajduje się z prawej strony znamionowej charakterystyki śru¬bowej 7, do linii maksymalnej trwałej prędkości obrotowej 3 oraz do linii znamionowego momentu obrotowego l. Trzeba jednak tutaj zwrócić uwagę na to, co było powiedziane wcześniej o ogranicze¬niach eksploatacyjnych, dotyczących obciążenia znamionowego.

Pola B, C i E zawarte pomiędzy liniami ciągłymi, a przerywanymi są polami pracy krótkotrwałej. Pole B jest przeznaczone do pracy krótkotrwałej, głównie podczas szybkiego przyspieszania statku. Pola C i E są przewidziane wyłącznie dla prób morskich statku w obecności upoważnionego przedstawiciela wytwórcy silnika. W polu E dozwolona jest praca przez maksimum l godzinę na 12 godz. eksploatacji. W polu C dopuszcza się pracę krótkotrwałą podczas prób morskich ze śrubą stałą, dla sprawdzenia obciążenia mocą znamionową.

Pole D jest zalecanym obszarem doboru śruby stałej. Wytwórca zaleca aby charakterystyki śrub no¬wych, w warunkach konstrukcyjnych, przebiegały w tym polu.

2. Pole obciążeń silnika Sułzer typu ZA40.

Na rys 1.26 jest przedstawione pole obciążeń silnika średnioobrotowego Sułzer typu ZA40. Wykres jest sporządzony w układzie współrzędnych prostoliniowych.

Pole obciążeń zawiera obszary A, B, C i AI

Pole A jest polem zalecanej pracy ciągłej silnika napędzającego śrubę stałą. Jest ono ograniczone linią stałej mocy znamionowej (N„) maksymalną trwałą prędkością obrotową 104 % n„, znamionową cha¬rakterystyką śrubową (p) oraz minimalną mocą trwałą 40 % N„. Dla układów ze śrubą nastawną, wy¬twórca zaleca skonsultowanie się w kwestii sterowania programowego.

Pole B jest polem ograniczonego czasu pracy, maksimum 2000 godzin. Obszar ten jest ograniczony momentem znamionowym M„ (lub znamionowym średnim ciśnieniem efektywnym), charakterystyką śrubową (t), przechodzącą przez punkt 90 % N„ i 90 % n„ oraz znamionową charakterystyką śrubową. Praktycznie, w tym polu silnik powinien być wykorzystywany tylko w wyjątkowych okolicznościach, praca w tym polu nie powinna być także regularnie powtarzana. Przyczyny tych ograniczeń omówiono dla silnika RTA.

Rys. l .26 Pole obciążeń silnika średnioobrotowego Sulzer ZA40

Pole C jest polem przeciążeń prędkością obrotową od 104 % n„ do 108 % «„. Jest ono przewidziane wyłącznie dla prób morskich statku ze śrubą stałą.

Pole AI jest polem doboru śruby stałej, podobnie jak dla silników RTA. Pole obciążeń silnika ZA40 nie różni się istotnie od pola obciążeń silników wcześniejszej generacji - Z40. Jest ono także podobne do pól obciążeń silników wolnoobrotowych wcześniejszych typów Sulzera - RD, RND, RND-M, RLA i RLB. Różnica dotyczy przede wszystkich maksymalnych trwałych prędkości obrotowych, które wyno¬szą dla tych silników 103 % nominalnej prędkości obrotowej «„.

Nowsze generacje silników Z; silniki ZA40S i ZA50S, posiadają pola obciążeń bardziej restrykcyjne, dotyczy to lewej i prawej strony wykresu. W szczególności, maksymalna trwała prędkość obrotowa została ograniczona do obrotów znamionowych.

3. Pola obciążeń silników MAN-B&W typu MC/MCE

Na rys. 1.27 przedstawiono pola obciążeń silników wolnoobrotowych typu MC/MCE, obowiązujące od 1992 r. Wcześniej deklarowane pola obciążeń różniły się od przedstawionego na rys. 1.27. W szczególności maksymalna trwała prędkość obrotowa była niższa i wynosiła 103,3 % n„.

Punkt A na wykresie jest punktem obciążenia znamionowego silnika (Specified Maximum Continuous Rating - SMCR) i jest on punktem wyjścia dla sporządzenia wykresu obciążeń. W szczególnych przy¬padkach, jak np.: eksploatacja statku w rejonach północnych lub z prądnicą zawieszoną znacznej mocy i śrubą stałą, pole obciążeń może być rozszerzone w prawo tj. w kierunku wyższych prędkości obroto¬wych. Wówczas punkt M (który na wykresie pokrywa się z punktem A), jest przesunięty w prawo, przy stałej mocy znamionowej. W ten sposób zapobiega się trwałej eksploatacji silnika na lewo od znamionowej charakterystyki śrubowej, bez konieczności zamawiania silnika o wyższej mocy znamio¬nowej.

Rys. l .27 Pole obciążeń silników wolnoobrotowych MAN-B&W typu MC/MCE

Wykres obciążeń zawiera następujące linie charakterystyczne:

Linia l -jest znamionową charakterystyką śrubową, która przechodzi przez punkt obciążenia znamio-nowego A oraz przez punkt optymalizacji silnika O, Punkt O mieści się w granicach 95 do 100 % A^.Linia 2 -jest to linia pokrywająca się na wykresie z linią 1. Jest to charakterystyka śru-bowa tzw. Jazdy ciężkiej" (ang. Heavy Running - obrośnięty kadłub, trudne warunki pogodo-we). To założenie wykorzystywane jest przy projektowaniu napędu statku.

Linia 3 -jest linią maksymalnej trwałej prędkości obrotowej, 105 % «„.

Linia 4 -jest linią ograniczającą pole pracy ciągłej z lewej strony, o wykładniku potęgowym i = 2. Linia ta jest linią graniczną z punktu widzenia wymaganej ilości powietrza niezbędnej do spalenia dostarcza¬nego do silnika paliwa. Biegnie ona w dół od punktu o współrzędnych (96,5 % Na i 96,5 % n„).

Linia 5 -jest linią stałego momentu znamionowego lub linią stałego znamionowego średniego ciśnienia efektywnego. Biegnie od punktu o współrzędnych (96,5 % N„ i 96,5 % n„) do punktu A.

Linia 7 -jest linią stałej mocy znamionowej. Biegnie od punktu A do 105 % n„.

Linia 8 - jest linią ograniczającą obszar przeciążeniowy z lewej strony. Biegnie w dół od punktu o współrzędnych (l 10 % N„ i 100 % »„). Podobnie jak linia 4 ma wykładnik i = 2.

Linia 9 - jest linią granicznego przeciążenia prędkością obrotową, 107 % n„, przewidzianą tylko dla prób morskich.

Pole ograniczone liniami ciągłymi 4, 5, 7, 3 jest polem trwałych obciążeń silnika. Jednakże pole na lewo od znamionowej charakterystyki śrubowej l do linii 4 jest przewidziane dla ruchu na płytkiej wodzie, w trudnych warunkach pogodowych i podczas przyspieszania statku, tj. dla ruchu nieustalonego. Dla tych warunków nie wprowadza się ograniczeń czasowych.

Pole pomiędzy Mami 4, 5, 7 a liniami przerywanymi 8 i 110 % Af„ jest polem przeciążeniowym. Praca w tym polu jest dopuszczalna w ciągu maksimum l godziny w okresie 12 godzin ruchu.

Pole pomiędzy liniami 3 i 9 jest polem przeciążania prędkością obrotową. Dopuszcza się pracę w tym polu tylko w czasie prób morskich.

Pole 6 (zakreskowane) jest polem doboru śruby stałej. W tym polu powinny znajdować się charaktery-styki śrubowe w warunkach konstrukcyjnych.

4. Pola obciążeń silników MAN-B&W typu L

Na rys 1.28 przedstawiono pole obciążeń silników średnioobrotowych MAN-B&W typu L, przewi-dziane dla silników współpracujących ze śrubą stałą. Pole obciążeń dla układów ze śrubą nastawną nie różni się istotnie i będzie przedstawione w następnym rozdziale.

Obszar I, objęty liniami ciągłymi, jest przewidziany dla trwałych obciążeń silnika. Jest ograniczony: linią maksymalnej prędkości obrotowej (103 % «„), linią stałej mocy znamionowej (biegnącą od 103 % n„ do n„), linią stałego momentu znamionowego (biegnącą od punktu obciążenia znamionowego MCR, do punktu 95 % N„ i 95 % n„) oraz charakterystyką śrubową (przechodzącą przez punkt 95 % N„ i 95 %«*).

Obszar n jest polem krótkotrwałego przeciążenia, przewidzianym np. dla przyspieszania i podczas manewrów (ograniczenie momentem obrotowym).

Obciążenie znamionowe silnika (MCR) jest obciążeniem granicznej nastawy paliwowej. Silnik przecho¬dzi próbę przeciążenia przy 110 % N„ i 103 % n„. Podczas prób morskich dopuszcza się przeciążenie silnika prędkością obrotową do 106 % n„ w ciągu l godziny.

bmep,., Rating % _____________no torgue™

no-!—————————-TT——1.100

^r t ^f

/MCR !/

100-————x ^rwi—'*°

90" / jf /A,/ -*jtjy ^80

ao- /+%£'r^/^m^^

/j&^l/ii/^ ^'™

-^^//W-^^

Ctf\ - MIMBVM^HAL^M«J^B^X>.^^3N^HM_W__B^^M^MIM tf^WI ^^« MIH^MM

Rys. 1.28 Pole obciążeń silników średnioobrotowych MAN-B&W Obszar FP (Fked Propeller) jest obszarem doboru śruby stałej dla warunków konstrukcyjnych.

70 80 90 1001031W HO

Speed%

1.6.3 Ograniczenia eksploatacyjne pól obciążeń

Bliższa analiza deklarowanych pól obciążeń pozwala zauważyć, że nie zawierają one pełnych informacji co do zakresu trwałych obciążeń w warunkach eksploatacji. Producenci silników pozostawiają roz¬strzygnięcie tej kwestii użytkownikom. Jest to uzasadnione dużą zmiennością warunków eksploatacji. Dostarczając instrukcje obsługi, wytyczne eksploatacyjne oraz wyniki odbiorów technicznych, wytwór¬ca może uważać słusznie, że ich przestrzeganie zapewni prawidłową eksploatację silnika. Poza tym, wprowadzenie dodatkowych ograniczeń w polu obciążeń nie jest wygodne ze względu na konkurencję. Brak jednak jednoznacznych wytycznych w tym zakresie, może niejednokrotnie prowadzić do niewła¬ściwych obciążeń i przeciążeń silników. Pola obciążeń nie zawierają także pełnych informacji odnośnie minimalnych obciążeń w warunkach manewrowych. Na rys. 1.29 przedstawiono przykładowo informa¬cje uzupełniające, dotyczące ograniczeń eksploatacyjnych, na przykładzie pola obciążeń silników Sul-zer-RTA

020

Rys. l .29 Ograniczenia eksploatacyjne pola obciążeń na przykładzie silnika Sulzer RTA

W polu obciążeń wyodrębniono z pola A obszar zakreskowany, który można uważać za obszar trwa¬łych obciążeń eksploatacyjnych, bez ograniczeń czasowych. Pole to zostało ograniczone następującymi charakterystykami:

• charakterystyką regulatorową r„, przechodzącą przez punkt znamionowy silnika (N, MCR),

• charakterystyką maksymalnej trwałej mocy eksploatacyjnej, odpowiadającej nastawie pali¬wowej //£•. Jak wcześniej powiedziano, przyjmuje się w praktyce, że maksymalna moc eks¬ploatacyjna powinna być niższa od znamionowej o ok. 10 do 15 % N„,

• charakterystyką znamionową śruby (NB = CN • n"). Większość wytwórców jest zdania, że

ciągła eksploatacja silnika na lewo od tej charakterystyki może obniżać niezawodność silnika na skutek pogorszenia warunków zasilania silnika powietrzem,

• charakterystyką minimalnej mocy trwałej. Dla silników RTA wynosi ona ok. 35 % N„. Zale¬ży ona od cech konstrukcyjnych silnika i jego dostosowania do jazdy na niskich obciąże¬niach.

W dolnej części wykresu zaznaczono obszar F, który jest obszarem obciążeń manewrowych. Jest to obszar obciążeń przejściowych, w ograniczonym czasie. W tym polu warunki spalania ulegają pogor¬szeniu, wzrasta zanieczyszczenie komory spalania i układu wydechowego oraz zużycie elementów ota¬czających komorę spalania, wzrasta też ryzyko pożarów w części podtłokowej i w układzie wydecho¬wym. Pole F jest ograniczone następującymi charakterystykami:

• charakterystyką minimalnej prędkości obrotowej (wmm). W przypadku śruby stałej, ta prędkość ob¬rotowa nie powinna być wyższa od 30 % n„,

• charakterystyką minimalnej mocy, odpowiadającej minimalnej nastawie paliwowej hmi„ lub minimal¬nemu momentowi silnika

• charakterystyką regulatora obrotów r„

Po lewej stronie wykresu wrysowano przypuszczalny przebieg charakterystyki śruby stałej na uwięzi (Ne -cu -w3), przy założeniu, że śruba jest dobrana na jazdę swobodną. Odpowiada ona warunkom gdy statek rusza z miejsca.

1. Charakterystyka minimalnej prędkości obrotowej (/!»»,)

Wartość minimalnej prędkości obrotowej ograniczona jest ze względu na:

• stabilną pracę regulatora,

• ciśnienie wtrysku paliwa,

• stopień nierównomiemości podawania paliwa przez pompy wtryskowe.

Zmniejszenie prędkości obrotowej obniża ciśnienie wtrysku co powoduje złe rozpylenie paliwa a także pogarsza warunki tworzenia się mieszaniny powietrzno - paliwowej. Efektem tego jest zapiekanie się dysz wtryskiwaczy i przesunięcie okresu spalania na suw rozprężania. Powoduje to wzrost obciążenia cieplnego silnika.

Dla silników okrętowych bezpośrednio napędzających śrubę stałą przyjmuje się, że nmin = 0,25 do 0,33 wartości nominalnej, a w układach ze śrubą nastawną dopuszcza się wyższe obroty minimalne. Silniki średnioobrotowe mają z reguły obroty minimalne wyższe od 0,5 »„.

2. Charakterystyka minimalnej mocy (h„^}

Położenie krzywej hmm warunkuje, w głównej mierze, praca aparatury paliwowej. Przy małych wydaj-nościach pompy paliwowej może wystąpić duży rozrzut w ilości wtryskiwanego paliwa do poszczegól¬nych cylindrów. Małe obciążenie silnika może być przyczyną tego, że pracować mogą tylko niektóre cylindry. Praca silnika staje się bardzo nierównomierna.

3. Charakterystyka maksymalnej eksploatacyjnej prędkości obrotowej (r)

Zmiana obciążenia od wartości maksymalnej (pkt. N na rys 1.29) do obciążenia biegu jałowego (pkt. I) może wywołać wzrost prędkości obrotowej o AwAi4A,. Przyrost An^^ zależy od stopnia niejednostaj-ności regulacji d R regulatora prędkości obrotowej.

Charakterystyka ta zwana charakterystyką regulatorową r, powinna być tak dobrana, ażeby przy jało-wym biegu silnika prędkość obrotowa nie przekroczyła 5 % wartości nominalnej.

Dla regulatorów prędkości obrotowej silników napędu głównego ÓR < 0,1. Stosowane na statkach re-gulatory firmy Woodward typu UG lub PG utrzymują stałą prędkość obrotową silnika, niezależnie od jego obciążenia.

4. Charakterystyka maksymalnej mocy eksploatacyjnej (hE)

Jako krzywą ograniczającą pole pracy silnika od góry przyjmuje się najczęściej charakterystykę maksy¬malnej mocy eksploatacyjnej (/fe). Praca silnika na charakterystyce momentu znamionowego w nie¬ograniczonym czasie pływania wymaga m.in. idealnej regulacji silnika, a przede wszystkim równomier¬nego rozdziału mocy we wszystkich cylindrach. Celem niedopuszczenia do nadmiernych przeciążeń silnika, w wyniku oddziaływania różnorodnych czynników eksploatacyjnych, istnieje potrzeba zacho¬wania pewnej rezerwy mocy. Z tych względów należy pracować na charakterystyce maksymalnej mocy eksploatacyjnej określonej krzywą fe

Zakładając umownie, że współpraca silnika ze śrubą odbywa się na znamionowej charakterystyce śru¬bowej w punkcie EX, w którym rezerwa mocy eksploatacyjnej wynosi 10 do 15 % N„, można obliczyć współrzędne tego punktu:

Jeżeli położenie charakterystyk śrubowych jest inne, to wówczas przy stałej nastawie paliwowej (hE), punkty współpracy przesuwają się w prawo lub w lewo i odpowiednio rosną lub maleją moce i prędko¬ści obrotowe.

W praktyce eksploatacyjnej, bieżąca znajomość aktualnego obciążenia silnika wraz z ciągłą kontrolą podstawowych wskaźników pracy stanowi o kosztach i bezpieczeństwie żeglugi. Permanentne prze¬kraczanie dopuszczalnych naprężeń:

• mechanicznych - w wyniku wzrostu momentu obrotowego, mocy, prędkości obrotowej silnika czy turbodmuchaw, a także wzrostu ciśnienia spalania;

• cieplnych - w wyniku nadmiernego zwiększania wtryskiwanej dawki paliwa, obniżenia współczyn¬nika nadmiaru powietrza, złej pracy wtryskiwaczy czy pomp paliwowych,

może spowodować zwiększenie zużycia paliwa, zwiększenie liczby remontów silnika ł urządzeń pra¬cujących w obiegach pomocniczych S.G. Związane z tym przestoje, koszty robocizny, koszty materia¬łowe zwiększają koszty eksploatacyjne statku. Aby tego uniknąć, armatorzy powinni wyposażać statki w urządzenia do określania nastaw optymalnych i diagnozowania pracy zespołu napędowego. Wymaga to co prawda dodatkowych środków finansowych ale środki te amortyzują się w krótkim czasie.

Na ogół jednak, ze względu na brak aparatury pomiarowej, możliwości oceny rzeczywistego obciąże¬nia silnika są bardzo ograniczone. Trudno więc ustalić jednoznacznie czy silnik pracuje w polu trwałych obciążeń eksploatacyjnych, czy jest już poza nim. Dla przybliżonej oceny obciążenia silnika mogą być wykorzystane wyniki prób silnika na hamowni i wyniki prób morskich. Na podstawie tych wyników mogą być tworzone pomocnicze wykresy diagnostyczne. Instrukcje obsługi silników wolnoobrotowych MAN-B&W zawierają pewne zalecenia w tym zakresie. Mogą być także tworzone charakterystyki

Mf\

napędowe, przy ich sporządzaniu wykorzystuje się dodatkowo badania modelowe śrub swobodnych i statku z własnym napędem.

1.6.4 Charakterystyka obrotowa silnika przy stałej nastawie paliwowej.

Rys 1.30 zawiera pole obciążeń silnika MAN-B&W typu L40/54 z naniesionymi charakterystykami

stałego napełnienia pomp wtryskowych (h), wykonanymi na hamowni, przy pracy na oleju napędowym

Na rysunku pokazano przykładowo możliwość wykorzystania takich charakterystyk do przybliżone!

oceny obciążenia silnika. J

Istnieje związek między momentem obrotowym M i nastawą paliwową h oraz między mocą na sprzęgle Ne i obrotami silnika n, a nastawą paliwową. Ten związek jednak zależy od szeregu czynników które mogą prowadzić do znacznych różnic w ocenie. Związek ten można wyprowadzić następująco: '

Rys. l .30 Charakterystyki stałej nastawy pomp wtryskowych silnika MAN-B&W typu L40/54

Mamy więc następujące zależności:

Tak więc zarówno moc jak i moment nie zależą tylko od dawki objętościowej wtryskiwanego paliwa V, ale również od własności paliwa (Wj i p) oraz od temperatury paliwa T i od sprawności ogólnej silnika. Przy tej samej nastawie paliwowej, wielkość dawki objętościowej (Vw) zależy od sprawności wolume-trycznej układu wtryskowego. Ta zaś zależy od stanu technicznego aparatury wtryskowej, temperatury oraz od prędkości obrotowej (rośnie, gdy obroty maleją).

Jeżeli jednak w określonej sytuacji mamy stałe: rodzaj paliwa, temperaturę podgrzania paliwa i stan techniczny aparatury paliwowej oraz gdy założymy, że w tym stanie sprawność silnika nie zmienia się istotnie przy niedużych zmianach prędkości obrotowej, to wówczas można przyjąć, że istnieje jedno-znaczny związek między mocą i obrotami silnika, a nastawą paliwową.

Funkcje: M = f (h) oraz NE = <p(h) • n można ustalić wstępnie w oparciu o próbę silnika na hamow-ni. Można je następnie poprawić w eksploatacji, poprzez pomiar zużycia paliwa oraz korektę wartości opałowej paliwa i jego gęstości.

N n

—- = —. Błąd takiego założenia da się ustalić w oparciu o

N} n,

W praktyce przyjmuje się czasem, że jeżeli h = const, zmiany obrotów nie są znaczne i stan eksploata-cyjny silnika jest ustalony to: M = const i

wykres z rys. 1.30.

1.6.5 Charakterystyki śrubowe

Silniki główne są z reguły badane na hamowni u wytwórcy przy zmiennych obciążeniach, na znamio¬nowej charakterystyce śrubowej. Jeżeli silnik będzie współpracował ze śrubą nastawną i prądnicą za¬wieszoną na charakterystyce generatorowej, wówczas czasem jest badany również przy n„ = const.

Podczas takich badań ustala się szereg parametrów i wskaźników pracy silnika. Wyniki badań są przed¬stawiane w formie wykresów i tabel. Charakterystyki powstałe w ten sposób noszą nazwę charaktery¬styk śrubowych - jeżeli silnik był badany na znamionowej charakterystyce śrubowej lub generatoro¬wych -jeżeli silnik był badany przy stałej znamionowej prędkości obrotowej.

Na rysunkach 1.31 i 1.32 przedstawiono przykłady charakterystyk śrubowych silników wolnoobroto-wych. Znajdują się na nich następujące krzywe pracy silników:

pmax - maksymalne ciśnienie spalania

pc - ciśnienie sprężania,

tpr - temperatura przed turbiną,

tzr - temperatura za turbiną,

n - prędkość obrotowa silnika,

n-ro - prędkość obrotowa turbodoładowarki,

Pd - ciśnienie doładowania,

h - wskaźnik obciążenia,

ge -jednostkowe zużycie paliwa,

pe - średnie ciśnienie efektywne.

i,l l

Rys. 1.31 Charakterystyka śrubowa silników S60MC według wytycznych projektowych MAN-B&Wzl992r.

Rys. l .32 Charakterystyka śrubowa silnika 6RTA62U z prób na hamowni w 1998 r.

Oceniając obie charakterystyki trzeba uwzględnić następujące różnice podstawowe:

• charakterystyka z rys. l .31 jest charakterystyką hipotetyczną serii silników, parametry na niej wystę¬pujące są przeliczone na warunki otoczenia wg normy ISO oraz jest wykonana w funkcji mocy uzy¬skiwanej z cylindra.

• charakterystyka z rys. 1.32 odnosi się do konkretnego, istniejącego silnika i została wykonana w rzeczywistych warunkach otoczenia, panujących na hamowni oraz jest w funkcji prędkości obroto¬wej,

Charakterystyki z prób na hamowni są istotną częścią dokumentacji zdawczej i powinny znajdować się na statku (u starszego mechanika). Jak wspomniano, mogą one być źródłem cennych informacji, nie¬zbędnych dla oceny pracy silnika. Trzeba mieć jednak na uwadze, że odnoszą się do silnika nowego, badanego na oleju napędowym, w warunkach otoczenia panujących na hamowni, oraz, że wyniki te są uzyskane na znamionowej charakterystyce śrubowej.

1.6.6 Jednostkowe zużycie paliwa (ge)

Zależność między jednostkowym zużyciem paliwa a sprawnością ogólną silnika jest następująca:

Jednostkowe zużycie paliwa (gk) jest definiowane następująco:

gdzie: ^[kJ/kg],

czyli zużycie jednostkowe paliwa (ge) jest odwrotnie proporcjonalne do sprawności ogólnej silnika (T/O) oraz do wartości opałowej (W<j).

W praktyce gs jest podawane w g/kWh, wówczas:

Mamy więc:

Deklarowane przez wytwórców jednostkowe zużycie paliwa jest odnoszone z reguły do warunków otoczenia wg normy ISO-3046/1, oraz dla umownej wartości opałowej paliwa Wdu = 42707 kJ/kg (10200 kcal/kg). Gwarantowana tolerancja wynosi 3 do 5 % (dolna wartość tolerancji odnosi się do silników wolnoobrotowych i części silników średnioobrotowych). Umowna wartość opałowa paliwa według normy ISO wynosi 42707 kJ/kg (10200 kcal/kg), a więc jest niższa od podawanej przez produ-centów silników.

Aktualnie obowiązująca norma ISO ustala następujące standardowe warunki otoczenia:

• temperatura powietrza na dolocie do silnika - 398 K (25 °C)

• ciśnienie powietrza na dolocie do silnika - 1000 hPa

• wilgotność względna powietrza - 30 %

• woda na dolocie do chłodnicy powietrza - 398 K (25 °C)

Jak widać, warunki te są korzystniejsze od zaleceń IACS, obowiązujących przy ustaleniu mocy zna¬mionowej.

Warunki otoczenia mają wpływ na temperaturę, ciśnienie i strumień masy powietrza dopływającego do cylindra, a więc wpływają na: proces spalania, temperatury i ciśnienia panujące w komorze spalania, obciążenie cieplne komory spalania oraz na parametry spalin wylotowych. Wpływają więc także na sprawność silnika, jego moc i zużycie paliwa. Wspomniana norma ISO ustala sposób redukowania zużycia paliwa (również mocy), na warunki otoczenia panujące aktualnie podczas próby silnika. Wy¬twórcy silników mogą jednak podać własną metodę redukowania wpływu warunków otoczenia. Za¬równo Sulzer jak i MAN-B&W, podają własne metody redukcji zużycia paliwa dla silników wolno-obrotowych. Przeważnie dla silników średnioobrotowych stosuje się metodę ISO.

Przykładowo MAN-B&W w następujący sposób uwzględnia wpływ warunków otoczenia na jednost¬kowe zużycie paliwa silników wolnoobrotowych:

Parametr

Zmiana parametru

Age [%]

Temperatura powietrza na dolocie

+ 10K

+ 0,2

Ciśnienie powietrza na dolocie

+ 10hPa

-0,02

Temperatura wody na dolocie

+ 10K

+ 0,6

Można łatwo policzyć, że przejście z warunków ISO na warunki tropikalne IACS, spowoduje prawdo¬podobny wzrost ge o ok. 0,82 %.

Dla silników turbodoładowanych nie uwzględnia się wpływu wilgotności powietrza, zarówno na zuży¬cie paliwa jak i moc silnika. Ten wpływ może się jednak zaznaczyć w warunkach eksploatacji, np. gdy statek znajduje się w wilgotnym tropiku i zachodzi potrzeba zwiększenia temperatury powietrza za chłodnicą, aby nie dopuścić do nadmiernego wykraplania się pary wodnej. Ten wpływ będzie analo¬giczny, jak wzrost temperatury na dolocie do chłodnicy. Podobnie wpływa wzrost zanieczyszczenia chłodnicy.

•»

Na jednostkowe zużycie paliwa ma wpływ wiele czynników, zarówno konstrukcyjnych, jak i eksplo-atacyjnych. Istotny wpływ ma dobór silnika oraz dobór punktu optymalizacyjnego silnika, który powi¬nien być dokonany odpowiednio do przewidywanych przyszłych obciążeń średnich. Służby techniczne armatora powinny dysponować odpowiednią wiedzą w tym zakresie.

Do najważniejszych czynników eksploatacyjnych wpływających na jednostkowe zużycie paliwa można zaliczyć:

l. stan techniczny silnika, jego regulacja oraz opory ssania i wydechu.

Trzeba zwrócić uwagę, że deklarowane zużycie paliwa, odnosi się do silnika nowego na hamowni, prawidłowo wyregulowanego, o określonych oporach ssania i wydechu. Zdemontowanie i po¬prawne zmontowanie na statku oraz zainstalowanie kotła utylizacyjnego, a także dodatkowe opory w łożysku oporowym (silniki wolnoobrotowe) zmieniają stan pracy silnika, nie mówiąc o zmianach w trakcie eksploatacji.

2. własności fizykochemiczne paliw oraz ich przygotowanie do spalenia.

Jak powiedziano wyżej, wytwórca deklaruje zużycie paliwa dla wartości opałowej umownej -42707 kJ/kg. Jest to paliwo odpowiadające średnim destylatom (średnie oleje napędowe, zwane też MDO - Marinę Diesel Oils). Współczesne silniki główne są zasilane paliwami po¬zostałościowymi (Residua! oils) lub inaczej olejami opałowymi, zwanymi też HFO - Heavy Fuel Oils. Paliwa te mają wartości opałowe średnio o 5 do 6 % niższe.

3. obciążenie silnika.

Wpływ obciążenia silnika pracującego na charakterystyce śrubowej jest widoczny na rys. 1.27 i l .28. Można zauważyć, że w zakresie obciążeń od 50 do 90 % N„, zmiany w zużyciu paliwa nie są duże i mieszczą się dla tych silników w granicach od l do 2 %. Różnice te są większe przy pracy silnika na charakterystyce generatorowej oraz dla silników średnioobrotowych. Dla celów prak-tycznych zakłada się niejednokrotnie, że sprawność ogólna współczesnych silników głównych, pra¬cujących w obszarze trwałych obciążeń eksploatacyjnych jest prawie stała.

4. warunki klimatyczne i pogodowe.

Zużycie paliwa na hamowni przez konkretny silnik nie jest na ogół redukowane na warunki ISO. Jeżeli próba jest przeprowadzana w okresie jesienno-zimowym, to zużycie paliwa będzie z pewno¬ścią niższe niż w warunkach ISO. Silnik na hamowni jest obciążany stabilnym momentem z hamul¬ca hydraulicznego. Śruba obciąża silnik zmiennym momentem, zwłaszcza przy gorszej pogodzie. Ma to ujemny wpływ na sprawność silnika, podobnie zresztąjak kołysanie statku.

5. eksploatacja instalacji wody chłodzącej i oleju smarowego oraz układów automatyki silnika.

Oceniając ogólnie sytuację silnika na hamowni i w eksploatacji oraz uwzględniając deklarowaną tole-rancję w zużyciu paliwa, można przyjąć za sytuację normalną, jeśli silnik w eksploatacji zużywa o np. 10 % więcej paliwa niż na hamowni (bez przeliczenia na wartość opałową umowną).

1.7 Współpraca silnika ze śrubą okrętową

1.7.1 Układy napędowe ze śrubą stałą

Większość układów napędowych ze śrubą stałą stanowią układy napędu bezpośredniego tzn. silnik nazwany wolnoobrotowym połączony jest ze śrubą napędową bezpośrednio linią wałów bez pośred-nictwa przekładni redukcyjnej. Silniki wolnoobrotowe są produkowane niemal wyłącznie przez trzech wytwórców bądź ich licencjobiorców. Są nimi: MAN-B&W, Sulzer (obecnie Wartsila-NSD) i Mitsu¬bishi. W tej kategorii napędu silniki firmy MAN-B&W typu MC oraz firmy Sulzer typu RTA stanowiły w 1998r. ok. 92% mocy zainstalowanej na statkach. Programy produkcyjne tych wytwórców na 1999r. są przedstawione na rys. 1.33 oraz 1.34. Zawierają one oferowane moce znamionowe silników w funk¬cji znamionowych prędkości obrotowych i odzwierciedlają popyt rynku.

Ilustracją tego popytu może być rys. 1.35 na którym uwidoczniono statystyczne zapotrzebowanie na moc do napędu zbiornikowców, masowców i drobnicowców uniwersalnych w funkcji nośności i pręd¬kości kontraktowej statku. Zapotrzebowanie mocy rośnie wraz ze wzrostem wielkości i prędkości stat¬ku. Jednocześnie ze wzrostem wymiarów statku mogą być instalowane śruby bardziej sprawne o więk¬szej średnicy i mniejszej obliczeniowej prędkości obrotowej. Orientacyjnie można przyjąć, że wzrost średnicy śruby napędowej o ok. 10% pozwala zmniejszyć moc napędu o ok. 5%, zaś zmniejszenie obli¬czeniowej prędkości obrotowej o 10% powoduje zmniejszenie mocy zainstalowanej o ok. 2..3%. Pro¬gramy produkcyjne silników wolnoobrotowych uwzględniają wyraźnie ten trend. Oferowane moce silników rosną wraz ze spadkiem prędkości obrotowych. Pewien wyjątek stanowią tutaj silniki o naj¬wyższych mocach. Są one przeznaczone przede wszystkim do napędu dużych kontenerowców. Statki

tego typu są szybsze od masowców i zbiornikowców (na ogól posiadają prędkości ponad 20 węzłów) i mają też wyższe optymalne prędkości obrotowe śrub.

Rys. 1.33 Program produkcyjny silników wolnoobrotowych MAN-B&W typu MC na 1999 r.

Rys. l .34 Program produkcyjny silników wolnoobrotowych Sulzera typu RTA na 1999 r.

Rys. 1.35 Moc zainstalowana do napędu zbiornikowców, masowców i drobnicowców uniwersal-nych, w funkcji nośności i prędkości kontraktowej statku.

1.7.1.1 Dobór silnika wolnoobrotowego współpracującego ze śrubą stałą

Aby silnik współpracujący ze śrubą stałą mógł być prawidłowo eksploatowany musi on być odpowied¬nio dopasowany do śruby napędowej. Odpowiednie dopasowanie silnika do śruby gwarantuje, że w normalnych warunkach eksploatacji charakterystyki śrubowe będą znajdowały się w polu trwałych ob¬ciążeń silnika bez ograniczeń czasowych. Jest to istotne ze względu na niezawodność pracy silnika, jak też z punktu widzenia wykorzystania mocy silnika do napędu statku. Ten cel osiąga się poprzez zapro-jektowanie stosownych rezerw eksploatacyjnych mocy i prędkości obrotowych silnika, odniesionych do obciążeń w warunkach konstrukcyjnych. Wytwórcy silników podają przeważnie swoje sugestie odno¬śnie tych rezerw zwanych częściej zapasami (mocy i prędkości obrotowej). Wielkość tych zapasów zależy nie tylko od cech konstrukcyjnych silnika ale wpływają na nie, w sposób znaczący, przyszłe wa¬runki eksploatacji statku. Do tych warunków trzeba zaliczyć przede wszystkim: strefę pływania, wy¬magania co do prędkości statku, punktualność zawinięć do portów, rodzaj zabezpieczeń antyporosto-wych i antykorozyjnych kadłuba oraz częstotliwość dokowań i zabiegów konserwacyjno-remontowych. Wpływ tych czynników na wielkość zapasów powinien być rozpoznany przez armatora i odpowiednio uwzględniony w umowie kontraktu. Istotnym jest sprawdzenie czy warunki umowy zo¬stały spełnione przez stocznię. Służą do tego wyniki próby morskiej statku oraz prognozy z badań mo-delowych.

Przy doborze silnika napędu głównego uwzględniane są następujące zapasy eksploatacyjne:

1. Zapas mocy eksploatacyjnej silnika, zwany „zapasem silnika" (Engine Margin - EM) lub zapasem eksploatacyjnym (Operational Margin - OM).

2. Zapas morski mocy silnika albo krócej „zapas morski" (Sea Margin - SM).

3. Zapas prędkości obrotowej jazdy lekkiej, zwany „zapasem jazdy lekkiej" (Light Running Margin -LR).

4. W układach z prądnicą wałową (zawieszoną) przewiduje się dodatkowy zapas mocy do napędu prądnicy.

AD. 1. Zapas silnika (EM / OM)

Zapas mocy eksploatacyjnej silnika uwzględnia wpływ czynników eksploatacyjnych i instalacyjnych na ograniczenie maksymalnego obciążenia trwałego silnika. Czynniki te zostały omówione w roz¬dziale 1.6.1. Jest to różnica pomiędzy mocą znamionową silnika (N„), a maksymalną trwałą mocą eksploatacyjną silnika. Dla celów projektowych przyjmuje się w granicach 10.. 15% N„.

AD. 2. Zapas morski (SM)

Zapas morski mocy silnika ma zapewnić ruch statku z prędkością zbliżoną do prędkości kontrak¬towej przy założeniu, że wykorzystuje się pełną moc eksploatacyjną silnika w przeciętnych warun¬kach pływania. Zapas ten jest szczególnie ważny dla statków liniowych i statków szybkich. Zapas morski jest liczony względem mocy silnika niezbędnej dla osiągnięcia prędkości kontraktowej w warunkach projektowych (statek nowy, kadłub czysty, zanurzenie konstrukcyjne, dobre warunki pogodowe, woda nieograniczona).

Wielkość tego zapasu powinna być rozsądnie oceniona w oparciu o praktykę eksploatacyjną i ana¬lizę czynników eksploatacyjnych, które mogą wpływać na spadek prędkości statku oraz brać pod uwagę koszt zakupu i ciężar silnika. Stosując nowoczesne metody konserwacji kadłuba, nie pro¬jektuje się zwykle większego zapasu morskiego od 15%. Dalsze zwiększanie tego zapasu nie po¬woduje proporcjonalnych efektów zwiększania prędkości, zwiększając na ogół koszt zakupu silnika i jego ciężar. Na rys. 1.36 przedstawiono przykład w jaki sposób zapas morski wpływa na czas, w którym założona prędkość będzie osiągnięta, w warunkach pogody spotykanych na oceanie Pół¬nocno-Atlantyckim.

Rys 1.36 Wpływ zapasu morskiego na czas, w którym statek będzie osiągał założoną prędkość, w warunkach pogody występujących na oceanie Północno-Atlantyckim.

Z rysunku wynika, że przy 15% zapasu morskiego można się spodziewać osiągania prędkości kon¬traktowej przez 74% czasu trwania podróży. Dla statków trampowych często nie przewiduje się zapasu morskiego, przyjmując wyższy zapas silnika (np. 15% N„).

AD. 3. Zapas jazdy lekkiej (LR).

Zapas prędkości obrotowej jazdy lekkiej ma na celu zapobieżenie trwałemu przesunięciu charakte¬rystyk śrubowych w pole pracy na lewo od znamionowej charakterystyki śrubowej. Jest on liczony przy tej samej mocy i podawany w procentach wg wzoru:

gdzie:

nL - prędkość obrotowa na projektowej charakterystyce śrubowej (jazda lekka),

nc - prędkość obrotowa na znamionowej charakterystyce śrubowej (jazda ciężka - kadłub ob-rośnięty, w złych warunkach pogodowych).

MAN-B&W zaleca, aby zapas jazdy lekkiej wynosił 2,5..5%, zaś Sulzer- 3,5..6%.

Jak wiadomo, istotny wpływ na przebieg charakterystyk śrubowych mają przede wszystkim: stan tech-niczny kadłuba i śruby, warunki pogodowe oraz pływanie na wodach płytkich i w lodach. Te czynniki powinny być wzięte pod uwagę przez armatora; niezależnie od cech konstrukcyjnych statku i napędu. Dolne wartości zalecanych zapasów jazdy lekkiej nie powinny być raczej przyjmowane w umowie kontraktu. Trzeba się zawsze liczyć z możliwym błędem konstrukcyjno - technologicznym. Rozsądnym jest projektowanie zapasu jazdy lekkiej w granicach 4..5%. Odnosi się to do śrub konwencjonalnych. Śruby, nietypowe np. z zagiętymi końcami płatów mogą mieć charakterystyki bardziej strome podczas jazdy balastowej, niż pod ładunkiem (dotyczy to śrub CLT- SISTEMAR). Jeśli statek z taką śrubą pły¬wa często pod balastem (np. masowce i zbiornikowce), wówczas stan balastowy powinien być wzięty pod uwagę przy projektowaniu zapasu jazdy lekkiej.

Na rys 1.37 przedstawiono wartości zapasów oraz wartości obciążenia znamionowego silnika z poniżej rozpatrywanego przykładu. Przykład dotyczy dużego kontenerowca o nośności 39000 t i o prędkości kontraktowej 22 węzły, napędzanego silnikiem wolnoobrotowym firmy MAN-B&W typu MC. Rysu¬nek został wykonany w skali logarytmicznej, na tle projektowego pola doboru silnika tego typu.

Rys 1.37 Sposób uwzględniania zapasów eksploatacyjnych przy doborze silnika wolnoobrotowego

Sposób postępowania przy doborze obciążenia znamionowego silnika jest następujący:

l. Dobór obciążenia projektowego śruby (punkt PD) oraz ustalenie przebiegu projektowej charakte-rystyki śrubowej tzw. Jazdy lekkiej" (linia 6).

Dobór śruby i jej obciążenia projektowego jest oparty na prognozie projektowej. W tym celu wy-korzystuje się wyniki badań modelowych kadłuba i śrub okrętowych oraz odpowiednie programy komputerowe. Pozwalają one dobrać śrubę optymalną dla określonych cehc konstrukcyjnych ka-

dłuba i wymaganej prędkości kontraktowej. Przykład takiej prognozy dla w/w kontenerowca za-wiera rys. 1.38

Rys l 38 Prognoza zapotrzebowanej mocy na wale i prędkości obrotowej śruby do napędu jedno-śrubowego kontenerowca w warunkach próby morskiej statku załadowanego do wodnicy konstrukcyj¬nej, w funkcji prędkości statku

Na tym rysunku podana jest wymagana moc na wale i prędkość obrotowa śruby dla osiągnięcia żądanej prędkości w warunkach próby morskiej statku załadowanego do wodnicy konstrukcyjnej. Na podsta¬wie tej prognozy można sporządzić projektową charakterystykę śrubową - linia 6 na rys. 1.37. Z pro¬gnozy tej wynika, że dla osiągnięcia prędkości kontraktowej v* = 22 węzły potrzebna jest moc na wale (równa w tym przypadku mocy na sprzęgle silnika) NPD = 17488 kW przy prędkości obrotowej śruby (równej tutaj prędkości obrotowej silnika) nPD = 98 obr/min. Trzeba zwrócić uwagę, że próba morska statku jest przeprowadzana pod balastem. Dlatego wykonuje się dodatkowo taką samą charakterystykę dla próby pod balastem, którą wykorzystuje się łącznie z tą z rys. 1.38, dla późniejszego stwierdzenia, czy napęd statku został prawidłowo dobrany.

2. Uwzględnienie zapasu jazdy lekkiej (LR) oraz ustalenie przebiegu znamionowej charakterystyki śrubowej, tzw. Jazdy lekkiej" (linia 2).

W przykładzie przyjęto LR = 5%. Przy stałej mocy NPD można znaleźć prędkość obrotową na zna¬mionowej charakterystyce śrubowej (nc) posługując się wcześniej podanym wzorem:

stąd:

dla: nL= 98 obr/min, LR = 5% otrzymamy:

Przebieg znamionowej charakterystyki śrubowej (linia 2) określa wzór:

3. Uwzględnienie zapasu morskiego (SM) i ustalenie projektowego obciążenia eksploatacyjnego silni-ka (punkt SP).

W przykładzie przyjęto zapas morski SM = 15%. Dodając ten zapas do mocy NPD uzyskuje się projektowe obciążenie eksploatacyjne silnika NSP na znamionowej charakterystyce śrubowej (punkt SP). Czyli:

4. Uwzględnienie zapasu silnika (EM) oraz ustalenie obciążenia znamionowego silnika (punkt MP).

Znamionowa prędkość obrotowa (w\/p) wyniesie:

W przykładzie przyjęto zapas silnika EM = 15%. Jest on liczony względem mocy znamionowej N\a>, czyli:

(Na rysunku l .37 podano wartość «v/p = 103,2 obr/min).

Po ustaleniu obciążenia znamionowego (punkt MP na rys. l .37) można dobrać silnik z oferowanego programu produkcyjnego wytwórców. Programy produkcyjne silników wolnoobrotowych MAN-B&W i Sulzera przedstawiono wcześniej na rys. 1.37 i 1.39. Programy te składają się z projektowych pól doboru obciążeń znamionowych, wyodrębnionych dla poszczególnych średnic cylindrów i ozna-czeń typu silnika. Wykonano je w skali logarytmicznej. Dla silników MAN-B&W typu MC są to rów-noległoboki o wierzchołkach L\, LI, Z,3 i Z4 (rys. 1.37). Pola doboru silników Sulzera typu RTA stano-wią trapezy o wierzchołkach R\, RI, R$ i R* (rys. l .39).

Dzięki takiej ofercie stworzono dogodne warunki dopasowania silnika wolnoobrotowego do śruby stałej, zarówno pod względem doboru prędkości obrotowej jak i mocy. Moc znamionowa silnika o tej samej średnicy i tego samego typu może być uzyskiwana nie tylko poprzez zmianę liczby cylindrów ale również poprzez redukcję mocy cylindrowej, połączoną ewentualnie z redukcją prędkości obrotowej, w stosunku do wielkości charakterystycznych dla punktów L\ lub R\. Silnik o zredukowanej mocy cy-

lindrowej i prędkości obrotowej, przy tej samej liczbie cylindrów, posiada te same wymiary główne co w punkcie LI lub R\ (a więc i podobną cenę). Różnice występują wówczas przede wszystkim w dobo-rze: stosunku sprężania, turbodoładowarek, chłodnic powietrza i mechanizmów pomocniczych.

Ratingline furtiUnga •> -f ship s power

ftci

90 95 100

Rys l .39 Projektowe pola doboru silników Sulzera typu RTA. /?x - kontraktowe obciążenie zna-mionowe silnika, wybrane z pola doboru.

Na ogół silniki o zredukowanej mocy cylindrowej mają niższe jednostkowe zużycie paliwa, ale też wyż¬sze jednostkowe zużycie oleju smarowego oraz wyższe koszty remontów i pracochłonność obsługi w przeliczeniu na l kW mocy znamionowej. Warto też zwrócić uwagę, że pola doboru silników wolno-obrotowych nakładają się wzajemnie. Stwarza to możliwość dodatkowego manewru, tj. doboru silni¬ków o różnych średnicach cylindrów i różnych liczbach cylindrów, co ma wpływ na koszt inwestycji i koszty eksploatacji.

Tak więc, niezależnie od kwestii dopasowania silnika i śruby stałej, istnieje szansa wyboru silnika wol-noobrotowego o optymalnych kosztach eksploatacji. Wytwórcy silników oraz instytucje naukowe ofe¬rują odpowiednie programy komputerowe, które ułatwiają podejmowanie decyzji w tym zakresie. Pro¬gramy tego typu mogą być bardziej rozbudowane i obejmować takie zagadnienia jak: korekta i dobór śruby, dobór mechanizmów pomocniczych, dobór układów utylizacji energii strat oraz dobór elektrow-

ni.

W rozpatrywanym przykładzie, po analizie ekonomicznej dobrano silnik MAN-B&W typu 7K80MC-C. Rys. 1.40 ilustruje umiejscowienie obciążenia znamionowego tego silnika w programie produkcyj¬nym silników MC.

Gdy zostanie dobrane obciążenie znamionowe konkretnego silnika, zostaje również określone jego pole obciążeń. Na rys. 1.41 uwidoczniono pole doboru silnika (Li, I2, £3 i£4) oraz pole obciążeń wybranego silnika (7K80MC-C) o obciążeniu znamionowym w punkcie M. Osie współrzędnych posiadają skalę logarytmiczną w % obciążenia znamionowego w punkcie charakterystycznym typu silnika - LI.

Rys l .40 Dobór silnika głównego z programu produkcyjnego silników MAN-B&W typu MC.

Rys l .41 Projektowe pole doboru oraz pole obciążeń wybranego silnika - 7K80MC-C.

Z rys. 1.41 można łatwo wywnioskować, że wybrany silnik posiada zredukowaną moc cylindrową (N^ = 93,6% Na) oraz zredukowaną prędkość obrotową (nM = 99,2% nLj).

W czasie eksploatacji charakterystyki śrubowe przyjmują różne położenia w polu obciążeń silnika. Ich przebieg w polu obciążeń zależy od doboru układu silnik - śruba - kadłub oraz od warunków eksplo¬atacyjnych. Wpływ oporów pływania na położenie charakterystyk śrubowych i obciążenie silnika, na tle pola obciążeń ilustruje rys. l .42.

Rys l .42 Wpływ zmian oporu statku na przebieg charakterystyk śrubowych i obciążenie eksploata¬cyjne silnika.

Najbardziej przesuniętą w prawo (najlżejszą) jest z reguły charakterystyka śrubowa statku nowego na próbie morskiej (linia 6.1). Najcięższą, tj. najbardziej przesuniętą w lewo jest charakterystyka 6.3 od-powiadająca bardzo złemu stanowi morza i wysokiej fali.

W układach napędowych z silnikami średnioobrotowymi napędzającym śrubę stałą poprzez przekładnię mechaniczną, zapas jazdy lekkiej (LR) uzyskuje się poprzez dobór odpowiedniego przełożenia prze¬kładni. W związku z tym nie istnieje potrzeba tworzenia rozbudowanych pól doboru w funkcji prędko¬ści obrotowej dla tych silników.

1.7.1.2 Dobór układu silnik - prądnica wałowa - śruba statku

Jeżeli układ napędowy statku zostanie wyposażony w prądnicę wałową (zawieszoną), koniecznym staje się zaprojektowanie dodatkowej mocy silnika na napęd prądnicy. W układzie ze śrubą stałą niezbędny jest także dodatkowy zapas prędkości obrotowej jazdy lekkiej; niezależnie od rozwiązania problemu stabilizacji częstotliwości prądu przy zmiennych obrotach silnika.

Sposób postępowania przy doborze silnika wolnoobrotowego napędzającego śrubę stałą i prądnicę wałową pokazano przykładowo na rys l .43

Rys l .43 Dobór obciążenia znamionowego silnika wolnoobrotowego napędzającego śrubę stałą i prądnicę wałową (zawieszoną); a - projektowa charakterystyka śrubowa statku załadowanego, b -znamionowa charakterystyka śrubowa dla układu bez prądnicy wałowej, c - charakterystyka obciążenia silnika będąca sumą mocy zapotrzebowanej na napęd śruby wg charakterystyki „b" i napęd prądnicy wałowej przy projektowym obciążeniu prądnicy, d - znamionowa charakterystyka śrubowa dla układu z prądnicą wałową, A - obciążenie projektowe silnika dla osiągnięcia prędkości kontraktowej na cha¬rakterystyce „a" (bez prądnicy wałowej), B - obciążenie silnika po dodaniu zapasu morskiego (SM), na charakterystyce „a", D' - punkt obciążenia silnika na charakterystyce „b" po uwzględnieniu zapasu jazdy lekkiej (LR) bez prądnicy, D - punkt obciążenia silnika na charakterystyce „c" po dodaniu obcią¬żenia prądnicy wałowej, CMCR - obciążenie znamionowe silnika po uwzględnieniu zapasu silnika (EM) na charakterystyce „c".

Po uwzględnieniu zapasu morskiego i zapasu jazdy lekkiej, w sposób opisany wcześniej, znajduje się znamionową charakterystykę śrubową dla układu bez prądnicy wałowej (linia „b"). Do mocy określo-nych charakterystyką „b" zostaje dodana moc zapotrzebowana przez prądnicę wałową w warunkach obliczeniowych (na rys l .43 jest to przykładowo 5% mocy znamionowej silnika) i otrzymujemy cha-rakterystykę „c" oraz punkt „D". Dodając na charakterystyce „c" zapas silnika (EM) uzyskuje się ob-

ciążenie znamionowe silnika (CMCR - Rx) i znajduje się odpowiedni silnik, wykorzystując programy produkcyjne wytwórców.

Rys. 1.44 jest ilustracją wcześniej omówionego układu napędowego kontenerowca, wyposażonego dodatkowo w prądnicę wałową o mocy 1400 kW.

Rys l .44 Pole obciążeń silnika 7K80MC-C wyposażonego w prądnicę wałową.

Miarą zwiększenia zapasu jazdy lekkiej dla układu z prądnicą wałową jest odległość pomiędzy charak¬terystykami znamionowymi „a" (bez prądnicy) i „d" (z prądnicą) z rys. 1.43 bądź „2" i „l" z rys. 1.44.. Na obu rysunkach (1.43 i 1.44) można zauważyć, że obciążenia silnika z prądnicą wałową są bardziej przesunięte w lewo niż charakterystyki śrubowe. Oznacza to, że ryzyko eksploatacji silnika z prądnicą wałową w polu na lewo od znamionowej charakterystyki śrubowej jest większe niż bez prądnicy. Doty¬czy to zwłaszcza złych warunków pływania, większych obciążeń prądnicy i niższych obciążeń silnika.

1.7.2 Układy napędowe ze śrubą nastawną

Układy napędowe ze śrubami nastawnymi są najczęściej wyposażone w silniki średnioobrotowe i w redukcyjne przekładnie mechaniczne. W układach tych występują dość często prądnice wałowe (zawie¬szone).

Dobór silnika lub silników do napędu śruby nastawnej przebiega w sposób podobny jak w przypadku śruby stałej. Trzeba więc zaprojektować odpowiednie zapasy mocy. Przewiduje się również zapas jazdy lekkiej. Jest on określany w stosunku do skoku konstrukcyjnego śruby nastawnej. Ponieważ jednak położenie charakterystyki śrubowej w polu obciążeń silnika może być korygowane poprzez zmianę skoku, to kwestia zapasu jazdy lekkiej nie jest tutaj traktowana tak rygorystycznie, jak w przypadku śruby stałej. Na ogół zapas ten jest przyjmowany w dolnych granicach zalecanych wartości.

1.7.2.1 Pole współpracy silnika ze śrubą nastawną

Dzięki zmianom skoku, współpraca śruby nastawnej z silnikiem ma dwa stopnie swobody, tworząc pole współpracy, zależne od warunków pływania. Na rysunku l .45 przedstawiono przykład pola

współpracy silnika Sulzer-RTA ze śrubą nastawną w warunkach projektowych. Można zauważyć, że śruba nastawna umożliwia wykorzystanie niemal całego pola obciążeń silnika. Zmiany warunków pły-wania powodują to, że przy tym samym skoku, charakterystyki śrubowe przesuwają się w lewo lub w prawo, zmieniając swoje położenie względem pola obciążeń, które pozostaje w tym samym miejscu. W związku z tym zmienia się też pole współpracy. Dostosowując odpowiednio skok do warunków eks¬ploatacji możliwe jest wykorzystanie pełnej mocy eksploatacyjnej silnika w każdych warunkach pływa¬nia. Gwarantuje to uzyskiwanie maksymalnych prędkości statku lub uciągu. Przy obciążeniach czę¬ściowych możliwe jest także optymalizowanie sprawności ogólnej napędu. Układ może być również eksploatowany na charakterystyce generatorowej, jeśli jest wyposażony w prądnicę wałową. Dzięki

temu można uniknąć dodatkowych kosztów, które trzeba by ponieść na instalację gwarantującą stah częstotliwość prądu przy zmiennych prędkościach obrotowych silnika. W tym jednak przypadku ukłac posiada jeden stopień swobody i niemożliwe staje się optymalizowanie sprawności ogólnej napędu Śruba nastawna umożliwia też dobór korzystnych nastaw podczas manewrów oraz podczas jazdy nz wodach płytkich, w lodach i przy dużym falowaniu morza. Staje się również zbędne zatrzymanie silnik podczas manewru hamowania statku; manewr taki odbywa się poprzez przesterowanie skoku na ujem ny.

Uogólniając, śruba nastawna poprawia własności napędowe statku oraz może zwiększać niezawodnoś< silnika głównego, jeśli jest prawidłowo wykorzystana. Ten wzrost niezawodności uzyskuje się prze; eksploatację silnika w obszarach dla niego korzystnych oraz poprzez ograniczanie przeciążeń podcza: manewrów ruszania z miejsca, przyspieszania i hamowania statku, a także poprzez wielokrotne zmniej szenie liczby rozruchów i wyeliminowanie nawrotów. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że dowolnoś< wyboru punktów współpracy stwarza ryzyko nieprawidłowej eksploatacji układu. W związku z tyn układy ze śrubą nastawną eksploatowane przy zmiennych prędkościach obrotowych wg programu skol śruby - prędkość obrotowa, powinny posiadać dodatkowe zabezpieczenia zapobiegające przeciążę niom silnika.

Rys. l .46 Pole obciążeń silnika średnioobrotowego MAN-B&W współpracującego ze śrubą na¬stawną eksploatowaną ze zmienną prędkością obrotową.

Rysunek l .46 przedstawia pole obciążeń silnika średnioobrotowego firmy MAN-B&W współpracują cego ze śrubą nastawną, eksploatowaną ze zmienną prędkością obrotową (bez prądnicy wałowej). Ni rysunku tym zaznaczono obszar „VP" zalecany przez wytwórcę dla projektowego programu sterowa nią przy zmiennej prędkości obrotowej. Obszar ten powinien znajdować się na prawo od znamionowe charakterystyki śrubowej.

1.7.2.2 Charakterystyka optymalnej sprawności układu napędowego ze śrubą nastawną

Dla określonego statku, w ustalonych warunkach pływania, współczynniki „o" i ,,/w" można uznać za stałe, zwłaszcza gdy rozpatruje się ograniczony zakres obciążeń eksploatacyjnych. Jeżeli przyjmie się stałą wartość opałową paliwa „w/, to wzór powyższy ma postać:

Jeśli układ napędowy ze śrubą nastawną jest eksploatowany ze zmienną prędkością obrotową, to po-wstaje szansa znalezienia takich punktów współpracy, w których układ posiada najwyższą sprawność. Wybór tych punktów może być objaśniony przy pomocy wzoru na sprawność ogólną napędu (r}0„y.

Z ostatniego wzoru wynika, że optimum sprawności ogólnej napędu występuje w tych punktach, w których daną prędkość statku „v" osiąga się przy najmniejszym zużyciu paliwa na jednostkę czasu „G".

Jeżeli więc na wykresie Ne -firi) zostaną wrysowane charakterystyki stałej prędkości statku i stałego zużycia paliwa, wówczas wyznaczenie charakterystyki optymalnej sprawności ogólnej napędu nie stwa¬rza trudności. Charakterystyka taka jest miejscem geometrycznym punktów styczności obu wyżej wy¬mienionych charakterystyk. Na rysunku 1.47 przedstawiono przykład rozwiązania tego zagadnienia.

Rysunek ten sporządzono dla kontenerowca o długości między pionami Lpp = 165 m, zanurzeniu kon¬strukcyjnym T = 8 m i wyporności objętościowej - 22426 mj, napędzanego bezpośrednio śrubą na¬stawną 4-skrzydłową o średnicy 5,6 m, skoku konstrukcyjnym 1,9 m oraz o współczynniku powierzch¬ni skrzydeł 0,64. Silnik główny posiada moc znamionową 15290 kW przy 140 obr / min. Charaktery¬styka napędowa została wykonana w oparciu o badania modelowe dla warunków próby morskiej stat¬ku załadowanego.

Można zauważyć, że charakterystyki stałej prędkości statku posiadają minima. Występują one przy

maksymalnej sprawności napędowej tj. w tych punktach, gdzie daną

prędkość v można osiągnąć przy minimalnej mocy Ne. Charakterystyki stałego zużycia paliwa posiadają maksima w tych punktach, gdzie sprawność ogólna silnika ,,^0" osiąga maksimum -

w tych punktach, w których silnik osiąga maksymalną moc „A/e" przy danym zużyciu paliwa „Ge".

Charakterystyka optymalnej sprawności ogólnej napędu biegnie w ten sposób, że im mniejsza moc sil¬nika, tym niższe są jego obroty. Przebieg tej charakterystyki zależy od warunków pływania. Jak to wy¬kazano na rys 1.21, im gorsze warunki pływania, tym skok optymalny, przy którym śruba osiąga naj¬wyższą sprawność powinien być mniejszy. Wynika stąd, że jeżeli charakter przebiegu funkcji Ge = const nie zmieni się, to w pogorszonych warunkach pływania charakterystyki optymalnych sprawności napędu będą występowały przy mniejszych skokach śruby. Ten trend trzeba uznać za pozytywny z punktu widzenia eksploatacji silnika.

Na rys. l .47 widać wyraźnie, że charakterystyka optymalnej sprawności ogólnej napędu, w rozpatry¬wanych warunkach, przebiega na lewo od znamionowej charakterystyki śrubowej. Oznacza to, że bez

Rys. 1.47. Prognozowana charakterystyka optymalnej sprawności ogólnej napędku (tjonopt) wyko¬nana dla kontenerowca załadowanego do wodnicy konstrukcyjnej, w warunkach próby morskiej.

szkody dla silnika nie można jej trwale wykorzystać. Ograniczeniem powinna być znamionowa cha¬rakterystyka śrubowa. Wobec tego, program nastaw skoku i obrotów powinien być odpowiednio sko¬rygowany. W pobliżu punktów optymalnej sprawności ogólnej napędu sprawność układu nie zmienia się istotnie i dlatego lepiej eksploatować układ przy trochę wyższych prędkościach obrotowych i mniej¬szych skokach śruby.

Program projektowy sterowania układem powinien być sprawdzany w trakcie prób morskich i skory¬gowany. Dla statków pływających często pod balastem powinny być przewidziane dwa programy na¬staw: jazda w przeciętnych warunkach z ładunkiem oraz jazda w przeciętnych warunkach pod bala-

stem. Zależnie od cech konstrukcyjnych statku, warunków pływania i prędkości charakterystyka opty¬malnej sprawności może znajdować się po prawej lub lewej stronie znamionowej charakterystyki śru¬bowej.

W trakcie eksploatacji na ogół trudno ocenić, czy układ napędowy pracuje z maksymalną sprawnością. Układy automatycznej regulacji optymalnych nastaw są drogie i rzadko stosowane. Dla celów prak¬tycznych można posługiwać metodami przybliżonymi. W tym celu może być wykorzystana przybliżona zależność sprawności ogólnej napędu od zużycia paliwa „Ge" i prędkości statku v. W tych samych wa¬runkach pływania i dla tej samej wartości opałowej paliwa mamy:

Utrzymując w przybliżeniu tą samą prędkość statku i dokonując jej pomiaru oraz pomiaru zużycia pa-liwa, przy dwóch różnych nastawach skoku i obrotów, można stwierdzić, czy sprawność rjon rośnie czy maleje. W ten sposób jest możliwe zbliżenie się do charakterystyki optymalnej sprawności ogólnej na¬pędu. Pozwala to uniknąć przepałów, które występują dość często podczas stosowania projektowych programów zintegrowanego sterowania skokiem i prędkością obrotową.

Ponieważ charakterystyka optymalnej sprawności ogólnej napędu przebiega przy zmiennej prędkości obrotowej, to jazda na charakterystyce generatorowej powoduje straty energetyczne napędu, zwłaszcza przy niższych obciążeniach częściowych, jest zastosowanie dwubiegowej przekładni napędu prądnicy wałowej. Jedno przełożenie byłoby dla pełnej prędkości obrotowej silnika, drugie - dla mniejszej, np. 90 % »„.

Na rys. 1.48 znajduje się pole obciążeń silnika średnioobrotowego MAN-B&W napędzającego prądni-cę wałową. Wytwórca zaleca, aby śruba nastawna oraz przekładnia prądnicy wałowej były tak dobrane, żeby w warunkach projektowych wymagana częstotliwość prądu była osiągnięta przy 97% n„ na zna¬mionowej charakterystyce śrubowej.

Rys. l .48 Pola obciążeń silnika napędzającego śrubę nastawną i prądnicę wałową.

1.7.2.3 Przykład charakterystyki układu napędowego bazy rybackiej wyposażonej w silnik Sulzer ZL40 i śrubę nastawną

Przykładowe charakterystyki napędowe przedstawiono na rys. 1.49. Charakterystyki dotyczą ze-społu napędowego bazy rybackiej. Zespół napędowy stanowią dwa silniki średnioobrotowe typu ZŁ 40/48, które poprzez przekładnię napędzają śrubę nastawną. Charakterystykę wykonano na podstawie pomiarów momentu obrotowego na wale pośrednim, prędkości obrotowej i skoku śruby napędowej oraz prędkości statku.

Zmiana położenia krzywych na charakterystyce napędowej (rys.l.49a oraz 1.49b) była wynikiem zmiany warunków pływania (zmianą kursu statku „pod wiatr")- Spowodowało to zmianę stanu obcią-żenia zespołu napędowego, co przedstawiono w tabelce. Parametry pracy zespołu napędowego w tych dwóch stanach obciążenia wynosiły:

Nr rys.

1.30a

1.30b

Moment obrotowy M.

70% Mn

82% Mn

Moc N

4479 kW

5247 kW

Skok śruby H

40 działek

Prędkość obrotowa n

130obr/min

Prędkość statku V

14 w

12,2 w

Zużycie paliwa G

903,9 kg / h

1056,4 kg /h

Należy podkreślić fakt, że charakterystyka napędowa jest aktualna tylko w warunkach w których została wykonana. Zmiana warunków zewnętrznych zmienia położenie krzywych prędkości statku, skoku śruby, zużycia paliwa w polu charakterystyki. Zmianę położenia krzywych wywołują również zmiany stanu technicznego silnika, śruby napędowej, stanu kadłuba, a także zmiany zanurzenia statku wywołane np. przebalastowaniem.

Na charakterystyce napędowej sporządzonej w układzie współrzędnych N -f(n) naniesiono krzywe stałych prędkości statku v = const, krzywe stałego skoku śruby H = const oraz krzywe ograniczające pole pracy silnika głównego. Ponadto, na wykresie zaznaczone są dwa punkty - symbolem (*) ozna-czony jest rzeczywisty punkt pracy zespołu napędowego, natomiast symbolem (o) optymalny punkt pracy dla zadanej prędkości statku 12 węzłów.

Porównując obydwie charakterystyki widać, że ze wzrostem obciążenia wynikającym ze zmiany kursu statku, nastąpiło przesunięcie krzywych stałej prędkości statku i skoku śruby w kierunku wyż-szych mocy. Krzywe ograniczające pole pracy nie zmieniają swojego położenia. Prędkości 14 węzłów, w nowych warunkach, nie można uzyskać bez przeciążenia silnika mocą i momentem obrotowym. Zmianie ulega natomiast położenie optymalnego punktu pracy. Jeśli, w warunkach odpowiadających charakterystyce z rys.l.49a, chcielibyśmy płynąć z prędkością 12 węzłów, optymalny punkt pracy mia¬łyby wartości: prędkości obrotowej silnika n = 104 obr/min i skoku śruby 47 działek. Po zmianie wa¬runków pływania (charakterystyka z rys. l .49b) optymalny punkt pracy, dla prędkości 12 węzłów, wy¬nosi odpowiednio: n = 125 obr/min, skok śruby 42 działki.

Rys. l .49 Charakterystyki napędowe dla dwóch różnych stanów obciążenia

1.8 Własności statyczne obiektu sterowania

Związki jakie zachodzą pomiędzy parametrami obiektu w stanach ustalonych nazywa się własno¬ściami statycznymi obiektu. Stan ustalony w warunkach pływania po morzu należy traktować trochę odmiennie od tego typu stanów w warunkach lądowych. W wyniku falowania morza poszczególne parametry obiektu nie są stałe w czasie lecz oscylują wokół pewnych wartości średnich. Stan pracy obiektu będzie ustalony, jeśli wartości średnie parametrów obiektu nie będą zmieniały się w określonym przedziale czasu.

Schemat blokowy obiektu składającego się z silnika głównego, śruby nastawnej i kadłuba statku przedstawia rys. 1.4. Analizując własności statyczne obiektu można stwierdzić, że jest on obiektem o dwóch stopniach swobody. Oznacza to, że jednoznacznie można wyznaczyć (wyliczyć) stan obiektu dopiero wtedy, gdy na dwa dowolne parametry narzucone zostaną określone wartości. Ustalając (np. przy pomocy dźwigni sterującej) wartości prędkości obrotowej silnika ł skoku śruby spowodujemy, że pozostałe parametry obiektu jak np. moment obrotowy, prędkość statku, napór śruby przyjmą ściśle określone wartości. Wartości te uzależnione będą od zakłóceń z. Jeśli zakłócenia ulegną zmianie (np. zmienią się warunki hydrometeorologiczne), to przy tych samych nastawach skoku śruby i prędkości obrotowej silnika, parametry obiektu zmienią swoje wartości. Będą to inne ściśle określone wartości odpowiadające nowym warunkom zewnętrznym. Zmiana punktu pracy może wynikać również ze zmiany nastaw skoku śruby lub jej prędkości obrotowej.

Na rys. 1.50 przedstawiona została charakterystyka dobowego zużycia paliwa silnika w funkcji jego prędkości obrotowej. Punkty minimalnego zużycia paliwa dla różnych prędkości statku zostały połą¬czone krzywą Gmin. Krzywa minimalnego zużycia paliwa została przeniesiona na charakterystykę napę¬dową pokazaną na rys. 1.51. Wszystkie punkty pracy zespołu napędowego leżące na krzywej Gmin za¬pewniają optymalną jazdę morską. Jak już wspomniano, charakterystyka napędowa jest aktualna tylko w warunkach w których została sporządzona. Podobnie jak położenie krzywej Gmin. Zmiana warunków pływania zmienia położenie punktów jazy optymalnej. Problemem w sterowaniu zespołem napędowym ze śruba nastawną jest określenie wartości skoku śruby i prędkości obrotowej, które zapewniają mini¬malne zużycie paliwa (maksymalną sprawność zespołu napędowego) dla zadanej prędkości statku w całym zakresie zmian warunków pływania.

N irpm)

Rys. l .50 Charakterystyka zużycia paliwa w funkcji prędkości obrotowej

2. Sterowanie zespołem napędowym ze śrubąnastawną

2.1 Krótka charakterystyka obiektu sterowania

Statek jest złożonym obiektem sterowania. Jednym z głównych elementów obiektu jest zespół napę¬dowy. Sterowanie pracą zespołu napędowego, głównie w stanach ustalonych, jest tematem niniejszego rozdziału.

Rozwój konstrukcji i wprowadzenie nowych technologii w budowie silnika, śruby napędowej i kadłuba powinno iść w parze z postępem w ich eksploatacji. Racjonalna eksploatacja układu napędo¬wego w całym okresie jego żywotności, wywiera dominujący wpływ na koszty oraz na jakość wzajem¬nej współpracy poszczególnych elementów. Oddziaływanie na procesy zachodzące w zespole napędo¬wym powinno być takie aby sumaryczne koszty eksploatacyjne (koszty paliwa, remontów i związanych z tym przestojów) były jak najmniejsze. Sprowadza się to do doboru takich parametrów pracy zespołu, które zapewniają najwyższą sprawność napędową oraz wolną od przeciążeń, bezawaryjną pracę silnika i śruby w różnych warunkach pływania.

Zastosowanie śruby nastawnej wprowadza dodatkowy parametr regulacyjny. Możliwość zmiany skoku śruby rozszerza pole pracy silnika. Uwidacznia się to zwłaszcza przy obciążeniach częściowych. Śruba nastawna umożliwia wykorzystanie pełnej mocy silnika w zmiennych warunkach pływania. Daje to wymierne korzyści ekonomiczne w stosunku do układów ze śrubą stałą ale tylko wtedy, gdy układ ze śrubą nastawną jest właściwie eksploatowany. Niewłaściwa eksploatacja przyczynia się do strat, które powodują iż układ ze śrubą nastawną może mieć niższą sprawność od układu z śrubą stałą. Spadki sprawności napędowej mogą dochodzić do 25%. Straty z tytułu niewłaściwej eksploatacji stat¬ku ze śruba nastawną uwidaczniają się głównie w zwiększonym zużyciu paliwa.

2.2 Podstawowe funkcje realizowane przez układ sterowania

W systemie sterowania statkiem, układ sterowania zespołem napędowym jest układem lokalnym. Układ lokalny otrzymuje z układu nadrzędnego (człowiek, komputer) sygnał wartości zadanej Yz, na¬tomiast z czujników sygnały o bieżącym stanie pracy zespołu napędowego Yj. Schematycznie przed¬stawia to rysunek 2.1. Wartością zadana jest najczęściej prędkość statku.

Obiekt sterowania stanowią: silnik napędu głównego z regulatorem prędkości obrotowej, śruba nastawna z serwomechanizmem zmiany skoku i regulatorem skoku oraz kadłuba statku. Układ sterują¬cy stanowi jednostka główna z zapisanym w jej pamięci programem sterowania oraz zestaw urządzeń umożliwiająch połączenie jednostki z różnego rodzaju czujnikami, dźwigniami sterującymi itp.. Układ sterujący w oparciu o uzyskane informacje (Yz,Yj), wypracowuje takie nastawy dla silnika i śruby, aby z

jednej strony, spełnić wymaganie jazdy z zadaną prędkością, z drugiej zaś strony, aby zadana prędkość utrzymana była przy pracy zespołu napędowego z maksymalną sprawnością. Ze względu na dużą ilość czynników wpływających na zachodzące w obiekcie procesy oraz na ciągle zmieniające się warunki w których te procesy zachodzą, człowiek nie jest w stanie pełnić funkcji układu sterującego; tym bardziej,

że główny punkt sterowania zlokalizowany jest na mostku. Do wyznaczania optymalnych nastaw wy-korzystuje się technikę komputerową.

Rys.2.1. Schemat blokowy układu sterowania

Układ sterowania może realizować szereg innych funkcji które są istotne zwłaszcza w stanach nie-ustalonych pracy zespołu napędowego (manewry, warunki sztormowe). Można wyróżnić funkcje:

• czasowe obciążanie silnika przy przejściach z jednego stanu pracy do drugiego,

• zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem,

• praca w stanach awaryjnych,

• zabezpieczenie przed pracą w zakresie obrotów krytycznych,

• kontrola przebiegu rozruchu i zatrzymania silnika

Najbardziej rozpowszechnione są układy sterowania, w których operator nastawia zadany skok śru¬by i zadaną prędkość obrotową silnika, a regulatory nadążne ustawiają wartości odpowiednich para¬metrów zgodnie z sygnałem wartości zadanej.

Rys.2.2 Zmiana skoku śruby w zależności od ciśnienia powietrza sterującego

Mechanizm zmiany skoku śruby zawiera zazwyczaj siłownik hydrauliczny, będący elementem ser¬womechanizmu wykonawczego sterowanego sygnałem pneumatycznym bądź elektrycznym. Rzadziej stosuje się, ze względu na wymaganie dużych mocy, serwomechanizmy elektryczne. Przykładową cha¬rakterystykę sterowania serwomechanizmem skoku śruby ilustruje rys.2.2.

Silnikiem napędu głównego steruje się (poza nielicznymi wyjątkami) za pośrednictwem wielozakre-sowego regulatora prędkości obrotowej, zmieniając wartość zadaną prędkości obrotowej. Na statkach stosuje się najczęściej regulatory Woodward typ PGA, w których sygnałem wartości zadanej jest ci¬śnienie powietrza. Sygnały wartości zadanej formułuje się w zadajnikach, które przetwarzają położenie pokrętła lub dźwigni sterującej na proporcjonalny sygnał pneumatyczny bądź coraz częściej elektrycz¬ny. Obecnie w coraz większym stopniu montowane są elektroniczne regulatory prędkości obrotowej Funkcję zadajnika, przy sterowaniu z mostka, spełnia najczęściej telegraf maszynowy.

2.3 Sterowanie programowe zespołem napędowym

Najbardziej rozpowszechnionym rozwiązaniem sterowania zespołem napędowym na statkach ze śrubą nastawną są układy sterowania programowego. Układy te nie zapewniają jednak maksymalnej sprawności pracy zespołu w całym zakresie zmian warunków zewnętrznych.

Sterowanie programowe zespołem napędowym polega na automatycznej realizacji związku funk¬cyjnego pomiędzy dwoma parametrami pracy zespołu, równolegle z utrzymaniem wartości zadanej prędkości statku lub mocy silnika. Programy wyznacza się bezpośrednio z charakterystyk napędowych stosując kryterium minimalnego zużycia paliwa dla różnych prędkości statku lub na podstawie charak¬terystyk silnika, śruby, kadłuba z uwzględnieniem warunku maksymalnej sprawności pracy zespołu napędowego.

Stosowane na statkach układy sterowania pracują wg następujących programów:

• H =f(n) - skok śruby w funkcji prędkości obrotowej

• M ~f(n) - moment obrotowy silnika w funkcji prędkości obrotowej

Program wyznaczony jest dla warunków przyjętych za najbardziej typowe dla statku. Przewidując na jakich trasach będzie pływał statek i jakich oporów kadłuba należy się spodziewać wyznacza się program zmiany nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej. Sterowanie wg tak określonego programu w warunkach innych niż te, dla których został opracowany jest zawsze związane ze spadkiem sprawno¬ści. Zmiany warunków pływania (np. hydrometeorologicznych) wpływają głównie na sprawność śruby, a praktycznie nie mają wpływu na sprawność silnika.

Zmianę położenia punktu pracy układu napędowego wynikającego ze zmiany warunków pływania można pokazać na charakterystyce hydrodynamicznej. Niech krzywa Tj)\ (rys.2.3) charakteryzuje wa¬runki zewnętrzne, w których najczęściej będzie pływał statek. Współczynnik Tj)\ określa warunki dla

•y

których wyznaczony został program sterowania. Maksymalną sprawność, przy skoku śruba

posiada w punkcie A. Zmiana warunków zewnętrznych, np. wzrost oporów kadłuba, przesuwa punkt pracy z krzywej Tj)\ na krzywą Tjy^- Przejście to może odbywać się w różny sposób w zależności od

rodzaju sterowania. Jeśli układ sterowania pracuje wg programu H =f(n), wówczas zmiana punktu

pracy śruby nastąpi wzdłuż krzywej . W nowych warunkach Tjy^ punkt pracy ustali się

w punkcie B. Spowoduje to wzrost momentu obrotowego śruby a więc

i wzrost obciążenia silnika.

Przyrost momentu obrotowego śruby może być tak duży, że spowoduje przeciążenie silnika napę-dzającego śrubę. Z tych względów układy sterowania pracujące wg. programu H =f(n) powinny być wyposażone w urządzenia zabezpieczające silnik przed przeciążeniem. Pogorszenie się warunków ze¬wnętrznych spowoduje również spadek sprawności śruby, a przez to i układu napędowego. Nowy

punkt pracy odbiega zasadniczo od punktu C, w którym sprawność śruby (w warunkach Tjyfi osiąga

wartość maksymalną.

Rys.2.3. Charakterystyka hydrodynamiczna

W przypadku, gdy układ sterowania pracuje wg programu M =f(n) zmiana punktu pracy odbywa się wzdłuż krzywej stałej wartości momentu obrotowego tj. Kn^ = const. Stabilizacja momentu ob-rotowego realizowana jest poprzez ciągłą zmianę skoku śruby (przy n=const). Nowy punkt pracy śru-

( H\ by, dla wartości Tjy^, ustali się w punkcie D przy zmniejszonym skoku śruby do wartości l —J . Spa-

V L*r f —

dek sprawności śruby jest teraz mniejszy niż dla programu H =f(n) (tzn. At|A/ =f(n) < Ari// -f(n)). Inną zaletą pływania wg programu M = f(n) jest to, że nie wymaga specjalnego zabezpieczenia silnika przed przeciążeniem. Nadążając za zmianami warunków zewnętrznych układ sterujący będzie dobierał taki skok śruby aby nie spowodować przeciążenia silnika.

2.3.1 Sterowanie wg programu H = f (n)

Układy te są najprostsze i dzięki temu najbardziej rozpowszechnione. Na rys.2.4 pokazano schemat takiego układu. Obrót dźwigni sterującej, wraz z połączonymi z nią krzywkami, powoduje zmianę wartości ciśnieńp\ \pi na wyjściu z zadajników. Spowoduje to zmianę zadanych wartości skoku śruby

i prędkości obrotowej silnika poprzez układy nadążne (sterowane ciśnieniami p \, pi). Program zmiany

nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika, gwarantujący maksymalną sprawność zespołu napę¬dowego, określony jest odpowiednim ukształtowaniem profili krzywek K\\Ki. Ponieważ ze zmianą

charakterystyki oporów kadłuba zmienia się postać optymalnego programu sterowania, stosuje się układy umożliwiające korektę programu przy zmianie warunków pływania (np. Dla różnych warunków zewnętrznych lub stanu załadowania). Praca układu z korektą jest następująca: na krzywkach prze¬strzennych odwzorowuje się szereg programów sterowania, przy czym pojedynczy profil jest progra¬mem sterowania optymalnym dla określonych warunków.

Rys. 2.4. Schemat układu wspólnego sterowania skokiem i prędkością obrotową śruby: l - dźwi¬gnia sterująca, 2 - regulator prejdkości obrotowej, 3 - mechanizm zmiany skoku, K\, K2 - krzywki, Z\, Z2 -zadajniki pneumatyczne, P\,P2~ ciśnienia sterujące

Położenie wzdłużne krzywek (wybór programu) można ustawić ręcznie lub automatycznie. Na rys. 2.5 pokazano schemat funkcjonalny urządzenia sterującego z ręcznym wyborem programu, zwanego potocznie kombinatorem. Wyboru programu dokonuje operator przez ustawienie dźwigni 2 w wybrane położenie, np. "pływanie swobodne", "holowanie", "trałowanie". Dźwignią l steruje się obciążeniem zespołu napędowego. Operator subiektywnie ocenia czy warunki zewnętrzne można zdefiniować jako np. "pływanie ciężkie" czy jako "pływanie lekkie". Nawet jeżeli trafnie zostanie wybrany program pra¬cy, to nie można pominąć zmian charakterystyki kadłuba wynikających z porastania, korozji czy nie¬wielkich odkształceń poszycia, których to elementów nie uwzględnia najczęściej żaden program stero-

wania.

Rys. 2.5. Układ H = f (n) z ręczną korektą programu: a) schemat; b) typowy program sterowania; l - dźwignia sterująca, 2 - pokrętło korekty programu, 3 - regulator prędkości obrotowej, 4 - mechanizm zmiany skoku

Warunkiem osiągnięcia optymalnych parametrów pracy jest, podobnie jak w każdym układzie otwartym, dokładna znajomość jednoznacznych i niezmiennych w czasie eksploatacji charakterystyk układu: silnik główny - śruba nastawna - kadłub. Wynika stąd, że tylko przypadek może sprawić, że nastawy skoku śruby ł obrotów silnika, wybrane przez operatora będą optymalnymi dla aktualnie pa-nujących warunków.

Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem można zrealizować na różne sposoby, np.: przez zasto-sowanie układu redukującego skok śruby gdy nastawa listwy paliwowej (obciążenie silnika) osiąga wartość maksymalną lub przez zastosowanie urządzenia, w którym program sterowania zmieniał się będzie płynnie wraz ze zmianą prędkości statku.

Rys.2.6 Ochrona silnika przed przeciążeniem: l - regulator prędkości obrotowej z układem ochrony przed przeciążeniem, 2 - mechanizm zmiany skoku

Schemat układu działającego wg pierwszego sposobu pokazano na rys.2.6. Dźwignia sterująca umieszczona na pulpicie mostkowym wyposażona jest w dwie krzywki K\ i K2 na profilach, na któ-rych naniesiono program zmiany skoku śruby H i prędkości obrotowej n. Krzywki oddziaływują na zadajniki pneumatyczne Z\ i Zi (precyzyjne reduktory), z których sygnały pneumatyczne podawane są odpowiednio do serwomechanizmu zmiany skoku 2 oraz do regulatora prędkości obrotowej l. Warto-ści sygnałów wychodzących z zadajników są proporcjonalne do wychylenia dźwigni sterującej. Okre-ślonemu położeniu dźwigni odpowiada jedna i zawsze ta sama (dla danego programu) para nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika. Prędkość obrotowa silnika (śruby) utrzymywana jest na zadanym poziomie przez regulator prędkości obrotowej. Regulator steruje dawką paliwa h (ustawie-niem wydatku pomp wtryskowych) tak, aby rzeczywiste obroty silnika n były równe obrotom zadanym nz. Aktualna wartość dawki paliwa zależy, w głównej mierze, od warunków zewnętrznych, stanu zała¬dowania, stanu kadłuba czyli od wielkości zakłócających z. Utrzymywanie zadanej prędkości obrotowej silnika przy pogarszających się warunkach (np. zewnętrznych), wymaga coraz większej dawki paliwa co powoduje wzrost obciążenia silnika. Sygnał h^ncK reprezentuje sygnał korekcyjny zmniejszający skok śruby gdy w regulatorze prędkości obrotowej wygenerowany zostanie sygnał maksymalnej na¬stawy paliwowej. Zmniejszenie skoku śruby zmniejsza wartość momentu obrotowego silnika co wy¬wołuje gwałtowny przyrost prędkości obrotowej bez konieczności przeciążenia silnika. Redukcja skoku śruby w ciężkich warunkach pływania, odpowiada redukcji biegu w samochodzie podczas jazdy pod górę.

Na rys.2.7 pokazano schemat układu sterującego pracą zespołu napędowego działający wg drugiej metody tj. z dodatkową stabilizacją prędkość statku na zadanym poziomie.

Rys.2.7 Układ H =f(n) z automatyczną korektą programu i stabilizacją prędkości statku: l - dźwi¬gnia sterująca zadąjnikiem, 2 - regulator prędkości statku, 3 - serwomechanizm, 4 - wałek z krzywkami, 5 - log, 6 - serwomechanizm korekty programu

Dźwignią zadajnika l nastawia się sygnał zadanej prędkości statku. Regulator 2 porównuje pręd-kość rzeczywistą statku z prędkością zadaną i za pośrednictwem serwomechanizmu 3 obraca wał z krzywkami 4, zmieniając wartości zadane skoku Hz i prędkości obrotowej śruby nz. Sygnał prędkości statku z logu 5 podawany jest do regulatora 2 oraz do serwomechanizmu korekty programu 6, który przesuwa krzywkę sterującą skokiem śruby. W ten sposób skok śruby i prędkość obrotowa zespołu napędowego zmieniają się płynnie wraz z prędkością statku, a w sytuacjach ustalonych osiągają warto¬ści bliskie optymalnym dla danego programu.

2.3.2 Sterowanie wg programu M = f(n)

W układach realizujących program M = f(n) każdemu położeniu dźwigni sterującej odpowiada okre-ślona zadana wartość momentu i prędkości obrotowej - ustalona zostaje moc silnika zgodnie z zależno¬ścią N - 27t -M • n. Maksymalnemu wychyleniu dźwigni sterującej odpowiadać będą wartości nomi¬nalne momentu obrotowego, prędkości obrotowej czy nocy silnika. Nie ma więc możliwości przecią¬żenia silnika i nie ma potrzeby stosowania dodatkowych urządzeń zabezpieczających. Urządzenie pro¬gramujące realizuje związekM =f(n), który jest optymalnym programem sterowania w obliczeniowych warunkach zewnętrznych. Optymalna postać programu M =f(n) w niewielkim stopniu zależy od cha¬rakterystyki oporów kadłuba. Praktycznie nie ma potrzeby stosowania korekty programów ze względu na zmieniające się warunki zewnętrzne.

W stanach przejściowych układ sterowania utrzymuje stały moment obrotowy silnika, płynnie zmie¬niając skok śruby. Po ustawieniu dźwigni sterującej w położeniu maksymalnej mocy ("cała naprzód" lub "cała wstecz") układ sterowania przeprowadza manewr rozbiegu lub zatrzymania statku w czasie naj¬krótszym z możliwych, bez stosowania dodatkowych urządzeń do sterowania manewrem według pro¬gramu czasowego.

Ze względu na trudności związane z pomiarem momentu obrotowego na wale (koszt miernika ok. 12 000 $), często zamiast programu M =f(n), realizowany jest program h =f(n), gdzie h jest wartością nastawy dawki paliwa. Wynika to stąd, że wartość momentu obrotowego jest wprost proporcjonalna do dawki paliwa.

Przesunięcie listwy paliwowej h można łatwo przetworzyć na ciągły sygnał sterujący. Układ stero-wania h =f(n) nie spowoduje przeciążenia silnika w przypadku wyłączenia z pracy jednego lub kilku cylindrów. W tych samych okolicznościach układ M =f(n) dociąża pozostałe cylindry dążąc do zacho-wania stałego momentu obrotowego na wale.

Układy sterowania pracujące według programów M = f (n) lub h = f(n) składają się najczęściej z urządzenia programującego i dwóch nadążnych układów regulacji: układu regulacji momentu obroto-wego i układu regulacji prędkości obrotowej. Schemat układu pokazano na rys.2.8.

Rys.2.8. Schematy układów sterowania a) wg programu h=f(n), b) wg programu M =f(n); l -urządzenie programujące, 2 - regulator prędkości obrotowej, 3 - regulator momentu, 4 - serwomechanizm, 5 -silnik główny, nm nz - rzeczywiste i zadane prędkości obrotowe, Mm Mz - rzeczywisty i zadany moment obro¬towy, Nz - zadana moc silnika, h - dawka paliwa, H- skok śruby

Dźwignią sterującą nastawia się zadaną moc silnika Nz. Urządzenie programujące l formuje sygnał wartości zadanej momentu obrotowego Mz (lub nastawy paliwowej hz) oraz sygnał wartości zadanej prędkości obrotowej nz. W układzie (a) regulator momentu nastawia skok śruby tak, aby nastawa pali-wowa mierzona na silniku hm, była zgodna z wartością zadaną. W rozwiązaniu (b), zamontowany jest czujnik momentu obrotowego współpracujący z regulatorem momentu sterującym pracą śruby nastaw-

nej. Dawką paliwa steruje regulator prędkości obrotowej. Takie rozwiązanie wydaje wydaje się być najkorzystniejszym.

Niedogodnością związaną ze stosowaniem systemów M =f(n) jest konieczność wyłączenia regulatora sterującego skokiem śruby, gdy ta zbliża się do wartości zerowej. Wynika to z faktu, że w miarę zbliża-nia się skoku do wartości zerowej, stałym zmianom skoku odpowiadają coraz mniejsze zmiany mo-mentu obrotowego, czyli maleje czułość obiektu. W praktyce wyłącza się układ sterowania M =f(n) przy mocy rzędu 40% Nn i przechodzi się na sterowanie oddzielne silnikiem i śrubą lub na sterowanie wg programu H =f(n).

2.4 Sterowanie optymalne zespołem napędowym

Układy napędowe, w których regulacja prędkości statku odbywa się poprzez jednoczesne ustalanie prędkości obrotowej n i skoku śruby H, wymagają szczególnej troski o prawidłowy dobór nastaw w różnych warunkach pływania. Złe nastawy powodują wysokie straty. Dla danej prędkości statku istnieje tylko jedna para nastaw (n, H) przy której występuje maksymalna sprawność zespołu napędowego. Położenie optymalnego punktu pracy uzależnione jest od szeregu wielkości o charakterze stochastycz¬nym, jak warunki zewnętrzne, stan kadłuba, stan śruby czy silnika. Celem wyznaczenia optymalnej pary nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej, wymagana jest znajomość aktualnych charakterystyk silni¬ka, śruby i kadłuba lub wypadkowa charakterystyka napędowa całego zespołu napędowego.

Zaprojektowany w Wyższej Szkole Morskiej w Szczecinie system doboru optymalnych nastaw sta-nowi klasyczny układ doradczy, w którym dane z zespołu napędowego w postaci skoku śruby H, pręd¬kości statku v, prędkości obrotowej n, momentu obrotowego na wale M są wprowadzane poprzez układ pomiarowy (miernik skoku śruby, log, mierniki prędkości obrotowej i momentu obrotowego) do pamięci komputera. Strukturę ogólną systemu sterowania realizującego pomiary w trybie off-line ilu-struje rysunek 2.10.

Rys.2.10. Struktura systemu optymalizacji zespołu napędowego typu doradczego

Zaproponowane rozwiązanie typu doradczego, odznacza się istotną zaletą jaką jest zwiększone bez¬pieczeństwo jego stosowania, mające swe źródło w tym, że sterowanie odbywa się za pośrednictwem doświadczonego mechanika. Oficer wachtowy może w każdej chwili, poprzez ocenę warunków pły¬wania zdecydować o zmianie prędkości statku, a zadaniem systemu jest określenie optymalnych nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika dla proponowanej prędkości statku. Również w przypadku awarii systemu komputerowego nie ma problemu przejścia na klasyczne sterowanie bez wspomagania.

Struktura układu sterowania może być zrealizowana, bez większych problemów, w sposób przed-stawiony na rysunku 2.11. Układ wykonawczy odciąży wówczas operatora od konieczności bieżącego przestawiania dźwigni skoku śruby i prędkości obrotowej silnika po każdorazowej zmianie wartości nastaw optymalnych wyznaczonych przez komputer.

Rys.2.11. Zmodyfikowana wersja układu sterowania

Do określenia nastaw (n,H)0pf zastosowano bezgradientową metodę optymalizacji Rosenbrock'a z

wykorzystaniem zewnętrznej funkcji kary. Metoda ta okazała się (w tym przypadku) najbardziej efek-tywna spośród innych znanych metod, ze względu na czas obliczeń, ilość zajętej pamięci komputera oraz niewrażliwość na dobór punktu startowego.

Zadanie jakie stawia się układowi sterującemu pracą zespołu napędowego jest następujące: dla za-danej przez operatora prędkości statku vz należy dobrać takie nastawy obrotów n i skoku śruby H aby

sprawność zespołu napędowego osiągnęła wartość maksymalną w całym zakresie zmian warunków zewnętrznych oraz w różnych stanach pracy silnika, śruby napędowej i kadłuba statku. Osiągnięcie tego celu wymaga znajomości równań opisujących bieżący stan silnika, śruby i kadłuba. Współczynniki tych równań powinny być ciągle aktualizowane aby, jak najdokładniej i w miarę szybko uwzględniały wszystkie zmiany zachodzące w obiekcie i jego otoczeniu.

Z tych względów algorytm sterowania składa się z dwóch zasadniczych części. W pierwszej, na podstawie tzw. pomiarów okresowych, wyznaczana jest charakterystyka zespołu napędowego, w dru-giej natomiast wyznaczane są - z uwzględnieniem aktualnego stanu obciążenia - optymalne wartości nastaw (n, H)0pf dla zadanej prędkości statku. Wykonanie na statku pomiarów okresowych ma na celu

wyznaczanie współczynników funkcji w =f(v) wyrażającej związek pomiędzy współczynnikiem stru-mienia nadążającego a prędkością statku. W pierwszej części programu, wyznaczane są także inne za-leżności, które służą potem do określenia nastaw optymalnych i wyznaczenia aktualnej charakterystyki napędowej.

Identyfikacja współczynników równań opisujących obiekt (silnik główny, śrubę nastawną, kadłub statku) wymaga przeprowadzenia w czasie jazdy morskiej dwóch serii pomiarowych następujących wielkości: prędkości statku v, momentu obrotowego na wale śrubowym M, prędkości obrotowej silni-ka n i skoku śruby H. (UWAGA.' bezpośredni pomiar skoku H śruby jest niemożliwy do wykonania. Dlatego też mierzy się położenie elementu wykonawczego serwomechanizmu zmiany skoku śruby 8, która to wielkość jest wprost proporcjonalna do wartości skoku śruby) Należy przeprowadzić dwa cy-kle pomiarowe (nazywane tutaj pomiarami okresowymi):

• MI, Vj, nj przy stałym skoku (dla / > 5),

• Mj, Vj, H j przy stałych obrotach (dla / > 5).

Ze względu na dokładność obliczeń liczba punktów pomiarowych w każdej serii nie może być mniejsza od pięciu. Pomiary okresowe zostaną zapisane w pamięci komputera i będą stanowiły bazę obliczeniową do czasu przeprowadzania nowych pomiarów. Wymaganiem stawianym operatorowi podczas przeprowadzania pomiarów okresowych jest, aby poszczególne punkty pomiarowe, w obu seriach, były w miarę równomiernie rozłożone w eksploatacyjnym obszarze pracy zespołu napędowe-

go. Ponad to w trakcie pomiarów statek nie może zmieniać kursu oraz nie mogą ulec zmianie warunki zewnętrzne. Zapewni to dokładną znajomość własności statycznych obiektu w różnych warunkach pracy. Pomiary okresowe na statku należy przeprowadzać w sytuacjach gdy:

• pierwszy raz załączony zostaje układ sterujący,

• przeprowadzono czyszczenie kadłuba,

• wykonano korekcję śruby napędowej,

czyli po zakończeniu prac mogących spowodować zmianę rozkładu prędkości strumienia nadążającego w polu kręgu śruby. Jeśli żadna z wymienionych czynności nie została wykonana, pomiary okresowe należy przeprowadzać średnio raz w roku. Pozwoli to uwzględnić wpływ powolnych zmian stanu śruby i kadłuba na wartości współczynników równań opisujących obiekt.

2.4.1 Opis matematyczny pracy śruby napędowej

Graficzna postać charakterystyk hydrodynamicznych śrub okrętowych została zastąpiona równa¬niem matematycznym. Przeprowadzono pomiary wartości współczynników momentu K i naporu KT

opisujących śrubę napędową w zależności od zmian wartości współczynników posuwu J, skoku (H/D), powierzchni S^S oraz liczby skrzydeł z. W Instytucie Wageningen dla śrub grupy B o standardowych

współczynnikach piasty oraz grubości skrzydła i liczby Reynoldsa Re = 2 -lO6, wyznaczono wielomiany opisujące pracę śruby:

Wartości potęg s,t,u,v oraz stałej C zebrano w tablicy o wymiarach [5x86].

Opracowana metoda opisu matematycznego pracy zespołu napędowego polega na kojarzeniu ze sobą wyników pomiarów przeprowadzonych na statku, w jednych tylko warunkach pływania, z wyni¬kami badań modelowych śrub swobodnych przedstawionych w postaci równań (2.1) i (2.2). Metoda ta umożliwia wykonanie opisu matematycznego śruby pracującej w warunkach rzeczywistych. Opiera się bowiem na pomiarach wykonanych na statku gdy śruba pracuje w niejednorodnym strumieniu wody za kadłubem.

LI Pomiary okresowe

Zestaw pomierzonych na statku wartości parametrów nosi nazwę pomiarów okresowych. Pomiary zostają zebrane w macierzach G oraz W.

Macierz G = \M v. n ] wykonana jest przy stałym skoku śruby i zmiennej prędkości obrotowej śru-by (silnika). W kolejnych kolumnach macierzy G wpisane są wartości momentu obrotowego M\ pręd-kości statku v oraz prędkości obrotowej śruby n, Pomiary zawarte w macierzy G powinny być wyko-nane przy skoku śruby bliskim wartości nominalnej, a punkty pomiarowe równomiernie rozłożone w polu eksploatacyjnym pracy silnika.

Macierz W= [M, vt S.] wykonana jest przy stałej prędkości obrotowej silnika (śruby) i zmiennym skoku śruby. W kolejnych kolumnach macierzy W wpisane są wartości momentu obrotowego M,

prędkości statku v, oraz skoku śruby $. Pomiary zawarte w macierzy W powinny być wykonane przy prędkości obrotowej śruby bliskiej wartości nominalnej, a punkty pomiarowe równomiernie rozłożone w polu eksploatacyjnym pracy silnika.

Wyniki obliczeń powinny być odniesione do stożka śruby; należy więc uwzględnić straty momentu obrotowego w linii wałów.

Zakładając określoną wartość współczynnika strumienia nadążającego w (np. w=Q.32) oraz wyko¬rzystując dane pomiarowe zawarte w macierzy G, można obliczyć wartości współczynników momentu Kg i posuwu J.

gdzie: p- gęstość wody, D - średnica śruby.

Do wzorów (2.3) i (2.4) za Qo> n& v0 należy podstawić wartości zawarte w macierzy G najbliższe osiągom nominalnym.

G Identyfikacja hydrodynamicznej charakterystyki śruby pozornej

W eksploatacyjnym przedziale zmian obciążenia śruby, a więc zmian współczynnika posuwu J, cha¬rakterystykę rzeczywistą śruby można zastąpić tzw. charakterystyką pozorną, otrzymaną na podsta¬wie wyników badań modelowych śrub swobodnych. Charakterystyka pozorna to charakterystyka wzięta ze zbioru śrub swobodnych przy założeniu, że nachylenie krzywych K0(J) i K/J) w przedziale AJ jest takie samo jak charakterystyki rzeczywistej. Charakterystyka pozorna umożliwia stosowanie wyników badań śrub swobodnych do rozwiązywania problemów praktycznych tj. gdy śruba pracuje za kadłubem. Potwierdziły to badania testowe przeprowadzone na statku.

Wykorzystując równanie (2.1) oraz pomiary okresowe można, ze zbioru śrub swobodnych, dobrać śrubę o takim skoku H/D, która spełniałaby zależność:

(2.5)

$ gdzie: —7 oraz z są wartościami odpowiednio współczynnika powierzchni i liczby skrzydeł śruby za-

montowanej na statku.

Wyznaczona wartość skoku śruby nosi nazwę skoku pozornego (H/D)^ i pozwala zidentyfikować ze zbioru Wageningen charakterystykę hydrodynamiczną, odpowiadającą śrubie rzeczywistej. Tak określona charakterystyka nosi nazwę charakterystyki śruby pozornej.

Obliczone wartości współczynnika posuwu Jo oraz współczynnika skoku (H/D)^ pozwalają wy-znaczyć z równania (2.2) wartość współczynnika naporu KTO odpowiadającego warunkom pomiaru. Obliczona wartość współczynnika naporu KTO pozwala z kolei wyznaczyć współczynnik AO charaktery¬zujący warunki zewnętrzne, podczas których wykonane zostały pomiary okresowe.

Procedurę znajdywania charakterystyki pozornej oraz krzywej określającej warunki w których wy-konano pomiary okresowe, pokazuje rys.2.12.

Rys. 2.12. Wyznaczanie charakterystyki pozornej oraz krzywej określającej warunki pływania.

Q Określenie współczynników równań KQ=f(J,H/D) oraz Kf=f(J,H/D)

Mając określoną wartość współczynnika charakteryzującego warunki zewnętrzne A0 oraz pomiary zawarte w macierzy W można wyznaczyć współczynniki równań:

Zależności te pozwalają wyznaczać (np. w procesie optymalizacji) wartości momentu obrotowego i siły naporu dla różnych wartości skoku śruby i współczynnika posuwu.

Algorytm wyznaczania współczynników ą, b\ (i = 0..9) równań (2.7) i (2.8)

1. Zapisaną w macierzy W wartość skoku śruby S, wyrażoną w działkach wskaźnika mecha-nicznego, należy przeliczyć na współczynnik skoku pozornego zgodnie z zależnością:

gdzie: SG - skok śruby, przy którym wyznaczono macierz G.

2. Korzystając z zależności (2.3) obliczyć wartość współczynnika momentu obrotowego od-powiadającego pomiarom zawartym w macierzy W.

3. Dla pomiarów zawartych w macierzy W wyznaczyć wartości współczynników skoku (H/D) oraz posuwu J spełniające układ równań:

(KQW)-(KQP) = Q (2.9)

(KTir)-Ą(J2) = 0 gdzie: • KQW - wartość współczynnika momentu obliczona z równania (2.1),

" KTW - wartość współczynnika naporu obliczona ze wzoru (2.2), • KQP - wartość współczynnika momentu obliczona z równania (2.3).

4. Obliczone wartości współczynników posuwu J, skoku (H/D) oraz momentu (Kgp) zapisać w macierzy MG.

Obliczenia realizowane są dla wszystkich pięciu wierszy macierzy W. Ostatecznie otrzymamy ma¬cierz MG o wymiarach [5*3] ze zbiorem wartości [J, H/D, KQP\. Macierz ta stanowi bazę do wyzna¬czenia współczynników równań (2.7) i (2.8) metodą regresji.

Macierz MG umożliwia również znalezienie współczynników funkcji

umożliwiającej przeliczanie wartości skoku śruby wyrażonej w działkach £ wskaźnika mechanicznego

na wartość współczynnika skoku (—).

Poprawność obliczeń można sprawdzić przez określenie błędu względnego AO wartości momentu obrotowego.

Dokładność prowadzonych obliczeń można zwiększyć, jeśli uwzględnimy zmiany wartości współ-czynnika strumienia nadążającego od prędkości statku oraz zmiany sprawności śruby w zależności od jej skoku.

Q Określenie współczynników równania w=f(v).

Współczynniki równania w =f(v) poszukiwane są w oparciu o wyniki pomiarów zawarte w macie-rzy G"

(2.10)

oraz w macierzy W

(2.11)

Korzystając z pomiarów znajdujących się w macierzy G, wartości współczynnika momentu (Kg)i można wyznaczyć z równania

( H\ Dla określonego współczynnika skoku pozornego l —j oblicza się wartości współczynnika posuwu

póz

Jt spełniającego zależność

(KQirl-(KQPl=Q

we wszystkich pięciu punktach pomiarowych zawartych w macierzy G.

Podstawiając do wzoru (2.12) wyznaczone wartości współczynnika posuwu J, oraz pomierzone wartości nt, v, z macierzy G, otrzymamy zestaw pięciu wartości współczynnika strumienia nadążającego

Obliczone wartości wt oraz odpowiadające im wartości prędkości statku v, umożliwiają wyznaczenie współczynników c/, c2, c3 równania (2.10).

Korzystając natomiast z pomiarów znajdujących się w macierzy W oraz z wartości macierzy MG, można obliczyć z równania (2.12) inny zestaw wartości współczynnika strumienia nadążającego. Obli¬czone wartości w, oraz odpowiadające im wartości prędkości statku v, pozwalają wyznaczyć współ¬czynniki €4, 05, c6 równania (2.11).

Jeżeli wartości współczynników strumienia nadążającego, obliczone wg wzorów (2.10) i (2.11), niewiele różnią się od siebie (max ± 10%), można przyjąć do obliczeń średnią arytmetycz¬ną obu wartości. Wówczas

w =^+c2irv + c3irv2 (2.13)

Jeśli otrzymane wyniki różnią się od siebie znacznie, przyjęcie średniej wartości jest niedopuszczal¬ne. Cykl obliczeń należy powtórzyć, uwzględniając wpływ zmian sprawności śruby podczas jej pracy ze skokiem różnym od skoku, dla którego została wyznaczona macierz G.

Dokładne określenie wartości współczynnika strumienia nadążającego w w warunkach eksploata-cyjnych jest praktycznie niemożliwe. Należałoby uwzględniać zmiany współczynnika w wzdłuż średnicy śruby, zmiany wynikające ze stanu zanurzenia kadłuba statku, stanu chropowatości samego kadłuba, wychylenia steru - czyli wszystkich tych czynników, które wpływają na zmianę obrazu przepływu wody przez pole kręgu śruby. Analiza wpływu wartości współczynnika strumienia nadążającego na wartość optymalnych nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej wykazuje brak celowości podejmowania takich działań.

Przyjęcie założenia, że zależność (2.13) wyznaczona na podstawie pomiarów okresowych jest aktu¬alna w każdych warunkach zewnętrznych, może spowodować powstanie dużego błędu. Przeprowa¬dzanie jednak pełnego cyklu pomiarów okresowych, przy każdej zmianie warunków zewnętrznych w czasie trwania rejsu jest nierealne. Aby dopasować funkcję (2.13) do różnych warunków pływania przyjęto następujący tok rozumowania :

• wyznaczona w warunkach pomiarów okresowych funkcja (2.13) zachowuje swój charakter prze-biegu w polu układu współrzędnych v-w, niezależnie od warunków zewnętrznych. Oznacza to, że wartości współczynników C2śn C3śr nie ulegają zmianie do następnych pomiarów okresowych,

• zmiany wartości współczynnika strumienia nadążającego, przy zmianie warunków pływania, wyra¬żają się przesunięciem równoległym krzywej opisanej równaniem (2.13) o wartość \vp, tzn. że współczynnik strumienia nadążającego będzie wyznaczany z równania o postaci:

™s = Ą* + c2,rv + c^rv2 + wp (2.14)

Współczynnik strumienia nadążającego \v zależy od wielu czynników mających w ogólności cha-rakter stochastyczny. Dlatego też uzależnienie współczynnika strumienia nadążającego tylko od pręd-kości statku i aproksymacja funkcją kwadratową wiąże się z możliwością popełnienia błędu. Trzeba jednak pamiętać, że popełnienie błędu rzędu 20%, przy wyznaczaniu aktualnego współczynnika stru-mienia nadążającego powoduje jedynie 1% błędu przy określeniu nastaw optymalnych. Przyjęcie do rozważań funkcji określającej współczynnik strumienia nadążającego o postaci (2.14) poprawia znacz¬nie dokładność wyznaczania optymalnych nastaw w porównaniu z założeniem w = const.

Q Uwzględnienie zmian wartości sprawności śruby napędowej

Śruba o skoku nastawnym dobierana jest jako optymalna dla określonych warunków pływania. Dla tych warunków oraz dla nominalnego skoku śruby (skoku wyjściowego) sprawność śruby powinna być największa. W tym przypadku skok poszczególnych elementów skrzydła ma ściśle określony rozkład wzdłuż promienia. Przy obrocie skrzydła nie we wszystkich jednak przekrojach następuje ten sam przy¬rost kąta skoku. Pociąga to za sobą zmiany obciążenia poszczególnych elementów skrzydła i spadek sprawności śruby. Duże zmiany skoku mogą prowadzić do sytuacji, w której profile przy piaście pra¬cują już np. "naprzód", a profile przy wierzchołku jeszcze na "wstecz".

Aby uzyskać zgodność wyników obliczeń z wynikami pomiarowymi przyjęto następujące założenia

A/7

1. spadki sprawności — zależą do różnicy między skokiem wyjściowym

( ff\ ( ff~\

l —J (nominalnym pozornym) oraz nastawionym l —J (pozornym),

^ "•' pozO ^ •£'' poa

2. dla położenia skoku wyjściowego śruby — wartość spadku sprawności — = O,

^DJ port n

A;/

3. największy spadek sprawności — = Y występuje przy minimalnym współczynniku skoku

( H\ pozornego ( —j = 0,5.

poa

Założenia zawarte w punktach od l do 3 zilustrowano na rys.2.13.

Rys.2.13. Zmiany sprawności względnej. Ilustracja założeń 1-K3 Wynika stąd następująca zależność

5. charakterystyki hydrodynamiczne śruby nastawnej, przy współczynniku skoku mniejszym od skoku wyjściowego, mają taki sam charakter przebiegu jak charakterystyki śruby stałej o tych samych współczynnikach skoku. Różnice wyrażają się taką wartością przesunięcia równole¬głego charakterystyk, aby spełnione były liczbowe różnice sprawności pomiędzy śrubą stałą i nastawną o tym samym skoku.

6. krzywa KT = A J2 obliczona na podstawie wyników pomiarów jest stała w określonych wa¬runkach pływania i nie zależy od rodzaju śruby i kąta jej skoku.

Wartość współczynnika Y jest trudna do określenia. Aby zapobiec powstawaniu błędu, w wyniku złego dobrania wartości Y, na końcu programu następuje porównanie błędu rzeczywistego z założo-nym. Jeżeli wynik jest negatywny, tzn. wielkość błędu jest większa od założonej, cały cykl obliczeń jest powtarzany dla Y = Y + AY. Pętla ta będzie powtarzana do chwili, gdy uzyskany błąd w obliczeniach momentu obrotowego zmieści się w założonych granicach. Jeżeli w procesie obliczeń pojawi się war¬tość — < 0,5 wówczas należy przyjąć — = Y.

VZ)V* V

2.4.2 Opis matematyczny pracy silnika

Na podstawie badań stwierdzono, że ogólne wyrażenie wiążące ze sobą moc silnika, prędkość ob-rotową i godzinowe zużycie paliwa N - f (n, G) może mieć (z wystarczającą dokładnością) postać wielomianu stopnia drugiego:

N = dl+d2n + d3n2 + G(d4 + d5n + d6n2) + G2(d7 + d%n + d9n2) (2.16)

Współczynniki równania (2.16) można wyznaczyć w oparciu o dane dostarczone przez producenta

silnika, np. korzystając z charakterystyk uniwersalnych. Charakterystyki te są udostępniane przez wy¬

twórców w postaci graficznej jako wynik badań silnika na hamowni.

Porównanie wyników pomiarów przeprowadzonych na statku z wynikami otrzymanymi z charakte¬rystyk uniwersalnych, możliwe jest tylko wtedy, gdy pomiary zużycia paliwa przez silnik wykonane są w odniesieniu do mocy mierzonej na sprzęgle silnika. W okrętowych układach napędowych z reguły moc mierzy się za łożyskiem oporowym i za przekładnią. Odniesienie zmierzonej mocy do sprzęgła jest oczywiście niemożliwe ze względu na to, że nieznane są straty mocy w łożysku oporowym oraz prze¬kładni.

Analizowano możliwość wykonania charakterystyki uniwersalnej silnika pracującego w okrętowym układzie napędowym na podstawie kilku pomiarów wartości mocy, prędkości obrotowej i zużycia pa¬liwa. Przeprowadzone na statku pomiary, w jednych tylko warunkach pływania, byłyby łączone z cha¬rakterystyką uniwersalną silnika wykonaną przez producenta (jako zbiorem wyników pomiarów ze stanowiska prób) w całym zakresie obciążenia. Stwierdzono, że przyjmując szereg założeń upraszcza¬jących:

• jakość paliwa jest taka sama w całym cyklu pomiarowym i jest średnią jakością gatunków paliw, stosowanych na danym statku w jego normalnej eksploatacji,

• charakterystyka uniwersalna dostarczona przez producenta silnika jest słuszna dla badanego silnika, a jego cecfiy indywidualne nie powodują deformacji przebiegów poszczególnych krzywych w polu charakterystyki,

• temperatura i ciśnienie wtrysku paliwa, stan wtryskiwaczy są zgodne z instrukcją techniczno-ruchową silnika,

istnieje możliwość wykonania takiej charakterystyki.

Kojarzenie charakterystyki napędowej, uzyskanej z pomiarów na statku, z charakterystyką uniwer¬salną silnika (dostarczoną przez producenta) sprowadza się do korekcji współczynników równia (2.16). Korekcja charakterystyk zużycia paliwa (tych wykonanych u producenta) na statku jest konieczna, ze względu na:

• indywidualne cechy zainstalowanego w układzie napędowym silnika seryjnego,

• ilościowe uwzględnienie strat energii w łożysku oporowym, ewentualnie w sprzęgle lub przekładni,

• jednoznaczne zdefiniowanie związku między zużyciem paliwa, prędkością obrotową i mocą w miejscu pomiaru,

• zmiany gęstości paliwa w zależności od temperatury w punkcie pomiaru,

• zmiany jakości spalanego paliwa - np. różnice w składzie chemicznym, wartości opałowej.

Zmodyfikowana charakterystyka jest słuszna przez długi okres eksploatacji statku, tzn. do czasu kolejnego bunkrowania paliwa. Przyjęcie na statek paliwa o innej jakości, różniącej się od tego jakie spalano w czasie ostatnich pomiarów, wymaga wykonania nowych pomiarów i korekcji współczynni¬ków równania charakterystyki (2.16). Uzyskuje się w ten sposób charakterystykę rzeczywistą zużycia paliwa, którą można wykorzystać do optymalizacji procesów sterowania napędem, wyboru drogi stat¬ku, kontroli stanu obciążenia silnika, gospodarki paliwem, stanu technicznego silników, itp..

2.4.3 Wyznaczanie optymalnego punktu pracy zespołu napędowego

Opracowany przez pracowników WSM w Szczecinie, mikrokomputerowy system doboru opty-malnych nastaw umożliwia realizację wielu zadań, z których najważniejsze to:

• wyznaczanie optymalnych (ze względu na maksymalną sprawność śruby i silnika) nastaw prędkości obrotowej silnika i skoku śruby w każdych warunkach pływania dla każdej prędkości statku,

• wyznaczanie punktu pracy silnika w polu charakterystyki i orzekanie o aktualnym stanie obciążenia, tj. określanie, czy praca silnika odbywa się w polu pracy bez ograniczeń czasowych, w polu o ogra¬niczonym czasie przebywania, czy też polu przeciążeniowym,

• wyznaczanie godzinowego, jednostkowego i globalnego zużycia paliwa dla całego zakresu prędko¬ści statku,

• wyznaczanie aktualnej charakterystyki napędowej,

• wyznaczanie maksymalnej i minimalnej prędkości statku, przy których występuje przeciążenie silni¬ka z uwzględnieniem warunków pływania,

• wyznaczanie powyższych wielkości dla przewidywanych, prognozowanych warunków pływania, np. przy wzroście oporu o 20%.

Realizacja powyższych zadań odbywa się w oparciu o ciągły pomiar wielkości charakteryzujących stan obciążenia zespołu napędowego takich, jak: moment obrotowy na wale M, prędkość obrotowa silnika n, prędkość statku v, skok śruby & Pomiary zawierają składowe oscylacyjne i szybkozmienne o charakterze szumu. Składowe te pochodzą z ubocznych zjawisk towarzyszących działaniu zespołu na¬pędowego, jak np. zmienna siła wiatru, falowanie morza. Dogodnym ł prostym narzędziem do elimina¬cji szumów z przebiegów dyskretnych M, n, v, 6 (uzyskanych za pośrednictwem przetwornika analo-gowo-cyfrowego ł kwantowanych co stały okres czasu) okazały się rekurencyjne filtry cyfrowe.

Struktura opracowanego układu sterowania może być zrealizowana w sposób przedstawiony na rys.2.14. Układ wykonawczy zmienia wartości skoku śruby i obrotów silnika po każdorazowej zmianie wartości nastaw optymalnych wyznaczonych przez komputer.

Do określenia nastaw optymalnych zastosowano bezgradientową metodę optymalizacji Rosen-brock'a z wykorzystaniem zewnętrznej funkcji kary. Metoda ta okazała się (w tym przypadku) najbar¬dziej efektywna spośród innych znanych metod ze względu na czas obliczeń, ilość zajętej pamięci kom¬putera oraz niewrażliwość na dobór punktu startowego.

Rys.2.14 Schemat blokowy układu sterowania

2.4.4 Wyniki badań układu prototypowego na statku

Opracowany układ doboru optymalnych nastaw testowano na statku m/s WINETA. Badania testo¬we przeprowadzono w czasie trwania rejsu w taki sposób, aby nie zakłócały one normalnej eksploata¬cji. Statek ni/s WINETA jest jednostką o nośności 8360 TDW służącą do transportu ładunków mrożo¬nych. Na statku zamontowane są dwa silniki napędu głównego typu 8ZL40/48 (każdy o nominalnej mocy N = 3530kW i nominalnej prędkości obrotowej n = 500obr/min), przekładnię typu ASL (i = 500/135.9), śrubę nastawną firmy ZAMECH-LIAAEN (średnica D = 5.15 m, cztery skrzydła).

Sterowanie pracą zespołu napędowego odbywało się głównie z mostka. Wychylenie dźwigni steru¬jącej przez nawigatora (sterowanie programowe H=f(n)) jednoznacznie ustalało wartości prędkości obrotowej silnika i skoku śruby. Wartości te są zaprogramowane na profilach krzywek sprzężonych z dźwignią sterującą.

Przykładowe wyniki uzyskane podczas badań testowych przedstawiono w tabeli. Poszczególne ko¬lumny oznaczają:

1. liczbę porządkową,

2. aktualne miejsce sterowania zespołem napędowym

• mostek - oznacza jazdę na nastawach wg programu statkowego,

• ECR - oznacza jazdę na nastawach wyznaczonych przez system optymalizujący,

3. stan morza i siłę wiatru,

4. moment obrotowy silnika w % wartości nominalnej,

5. prędkość obrotową śruby,

6. skok śruby w działkach wskaźnika mechanicznego,

7. prędkość statku,

8. godzinowe zużycie paliwa,

9. różnicę w zużyciu paliwa,

10. wskaźniki obciążenia silnika nr l i nr 2,

11. ciśnienie powietrza doładowania silnika nr l i nr 2,

12. obroty turbin powietrza doładowania silnika nr l i nr 2,

13. temperaturę spalin za turbiną silnika nr l i nr 2.

Dwa pierwsze pomiary przeprowadzono gdy statek płynął pod balastem, dwa następne wykonano przy pełnym zanurzeniu kadłuba.

Bridge

5/7

126

13.5

1210

140

7.0 6.9

1.05 1.15

15000 15000

415 385

ECR

5/7

119

13.5

1070

6.9 6.7

0.92 0.87

14200 13800

430 400

Bridge

3/4-5

129

1260

150

7.0 6.8

1.1 1.2

15000 15200

415 385

ECR

3-4/5

121

1110

6.7 6.7

0.85 1.0

13200 13800

420 400

Bridge

3/4

130

14.3

1240

140

6.9 6.9

1.0 1.1

14500 14500

385

370

ECR

4/5

70.5

116

14.3

1100

6.9 6.9

0.9 1.0

13200 13200

405 380

Bridge

6/7

131

11.8

1260

120

7.0 7.0

1.05 1.15

14500 14500

390 370

ECR

6/7-8

116

11.8

1140

7.0 7.0

1.0 1.1

14000 14000

405 385

Analizując wyniki można stwierdzić, że:

• otrzymany na podstawie pomiarów okresowych (wykonanych na statku) model matematyczny pracy układu napędowego wiernie opisywał stany pracy układu. Nie było najmniejszych oznak wskazujących na pojawienie się rozbieżności pomiędzy wartościami obliczonymi przez system optymalizujący, a wartościami odczytywanymi z czujników (mierników) w czasie testu,

• zużycie paliwa przy pracy z nastawami określonymi przez system optymalizujący, było średnio od 8 % do 12 % niższe niż przy nastawach realizowanych przez załogę wg programu statkowego,

• moc zespołu napędowego potrzebna do utrzymania zadanej prędkości statku była zdecydowanie mniejsza ze względu na korzystniejszy dobór pary (n, S) wyznaczony przez system optymalizujący,

• ustawienie pracy silnika przy mniejszej prędkości obrotowej spowodowało spadek ciśnienia powie¬trza doładowania. Mniejsza ilość powietrza była przyczyną nieco wyższych temperatur spalin w kolektorach wylotowych. Zadaną prędkość statku układ optymalizujący realizował przy większym skoku śruby i mniejszej prędkości obrotowej silnika w porównaniu do nastaw ustawianych przez załogę na mostku wg programu statkowego,

• po ustawieniu optymalnego punktu pracy, temperatury spalin na poszczególnych cylindrach zmie-niały się bardzo różnie; średnie odchylenie wynosiło ± 5°C w stosunku do jazdy wg programu stat-kowego.

Przedstawiona metoda sporządzania opisu matematycznego układu napędowego na podstawie po-miarów wykonanych na statku w jednych warunkach pływania, może więc być wykorzystana do opty¬malizacji procesu sterowania silnikiem i śrubą nastawną. Próby na statku wykazały dużą przydatność tej metody. Opracowany na bazie tej metody system optymalizujący zapewnia w każdych warunkach pły¬wania:

• najniższe zużycie paliwa dla zadanej prędkości statku,

• kontrolę stanu obciążenia,

• eliminuje możliwość przeciążenia silnika.

Opracowany system nie wymaga do obsługi wysokich kwalifikacji załogi maszynowej. Jego obsługa jest wyjątkowo prosta. Prezentowana metoda może znaleźć również zastosowanie na statkach ze śru¬bami nastawnymi i prądnicami wałowymi, a także na statkach ze śrubą stałą gdzie prowadzona jest kontrola stanu obciążenia i zużycia paliwa.

2.5 Współpraca zespołu napędowego z prądnicą zawieszoną

2.5.1 Przegląd rozwiązań elektrowni okrętowych i analiza kosztów wytwarzania energii elektrycznej

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem elektrowni okrętowej jest układ trzech zespołów prądotwór-czych (silnik + prądnica) zasilanych olejeni napędowym. Rozwiązanie to jest inwestycyjnie najtańsze ale produkowana tym sposobem energia elektryczna jest najdroższa.

Podejmowane są próby wprowadzenia na statek innych sposobów wytwarzania energii elektrycznej, jak:

1. zespoły prądotwórcze zasilane olejem opałowym,

2. prądnica wałowa napędzana przez silnik główny:

a) bezpośrednio poprzez przekładnię PTO (Power Take Off); stałe obroty prądnicy utrzy¬muje regulator prędkości obrotowej silnika,

b) bezpośrednio poprzez przekładnię PTO oraz przekładnię planetarną utrzymującą stałe ob-roty prądnicy niezależnie od prędkości obrotowej silnika,

c) układ jak w pkt. 2b współpracujący dodatkowo z turbiną mocy zwrotnej zwiększającej moc silnika poprzez przekładnię PTO/PTI (Power Take In),

3. turboparowy zespół utylizacyjny.

Wszystkie te rozwiązania zmniejszają dość zdecydowanie koszty paliwa, rosną jednak koszty inwe¬stycyjne. Analiza poszczególnych rozwiązań wydaje się prowadzić do stwierdzenia, że w chwili obecnej najlepszym rozwiązaniem elektrowni okrętowej jest elektrownia składająca się z dwóch zespołów prą¬dotwórczych spalających olej napędowy i prądnica wałowa napędzana poprzez przekładnię PTO i przekładnię planetarną, współpracująca z turbiną mocy zwrotnej. Zastosowanie prądnicy wałowej jest szczególnie korzystne na statkach napędzanych śrubą nastawną, której skok i prędkość obrotowa do¬biera układ optymalizujący pracę zespołu napędowego.

Koszty produkcji energii elektrycznej można podzielić na trzy podstawowe grupy:

• koszty paliwa i olejów smarowych,

• koszty utrzymania i remontów,

• koszty ubezpieczenia i amortyzacji.

Bardzo duży wpływ na koszty produkcji energii elektrycznej na statku ma prawidłowy dobór mocy i liczba zespołów prądotwórczych. Na rys.2.15 przedstawiono zależność względnych kosztów produkcji energii elektrycznej od stopnia wykorzystania prądnic w czasie.

Rys.2.15 Koszty produkcji energii elektrycznej w funkcji obciążenia zespołu prądotwórczego

Porównując poszczególne grupy kosztów, odniesione do zespołu wolnostojącego i prądnicy zawie¬szonej, można stwierdzić, że:

• ze względu na zużycie paliwa koszt energii elektrycznej uzyskiwanej z prądnicy zawieszonej jest niższy niż z zespołów wolnostojących. Przyczyną tego jest niższe jednostkowe zużycie paliwa przez silnik główny oraz możliwość spalania w nim paliwa gorszej jakości. Ten drugi czynnik, w przypadku nowoczesnych średnioobrotowych silników spalinowych stosowanych do napędu ze¬społów prądotwórczych, mocno stracił na znaczeniu.

• koszty olejów smarowych i remontów w przypadku prądnicy zawieszonej można rozłożyć między silnik główny a prądnicę proporcjonalnie do mocy prądnicy i czasu jej pracy. Dla zespołów wolno¬stojących koszty te są znacznie wyższe.

• koszty amortyzacji i ubezpieczeń zależą od kosztów inwestycyjnych i są wyższe dla układów z prądnicą zawieszoną.

Występująca różnica w kosztach inwestycyjnych zostanie po pewnym okresie eksploatacji statku zrekompensowana, ponieważ bieżące koszty eksploatacji prądnicy zawieszonej są zawsze niższe od kosztów dla zespołu wolnostojącego. Uwzględniając tylko różnicę w jednostkowym zużyciu paliwa przez silniki najnowszej generacji, np. silnik główny typu 6LMCE (q = 168g/kWh) i silnik zespołu wol¬nostojącego typu 6S20 (q = 189g/kWh) to przy założeniu, że spalają one to samo paliwo, wyrównanie różnicy kosztów inwestycyjnych nastąpiłoby po ok. 15 latach. Przeprowadzona analiza kosztów zuży¬cia paliwa na statku WINETA (rys.2.16) pozwala wnioskować, że produkcja tej samej ilości energii elektrycznej przez prądnicę zawieszoną (przy zmiennych obrotach silnika głównego), jest ok. 12 USD/h tańsza^niż uzyskana z zespołu wolnostojącego. W bilansie rocznym, zakładając 6000 h pracy prądnicy, daje to zwrot kosztów inwestycyjnych już po około trzech latach. Ten krótki okres wynika z faktu, że silnik główny może spalać tańsze gatunki paliwa oraz, że niższe są jego koszty remontów odniesione do mocy prądnicy w porównaniu do zespołu wolnostojącego.

Zastosowanie śruby nastawnej gwarantuje możliwość utrzymywania pracy silnika głównego w optymalnym punkcie niezależnie od warunków zewnętrznych. Ma to duże znaczenie zwłaszcza przy częściowym obciążeniu prądnicy. Spadek sprawności jest wówczas dużo większy dla zespołu wolno¬stojącego niż silnika głównego. Im dłuższy jest czas pracy prądnicy przy obciążeniach częściowych, tym większe są straty na paliwie.

Nie bez znaczenia jest również fakt, że do napędu śrub nastawnych (prądnic zawieszonych) stosuje się silniki nienawrotne, które są tańsze od silników nawrotnych.

Odstawienie zespołu wolnostojącego w istotny sposób zmniejsza poziom hałasu i drgań, poprawie ulegają więc warunki pracy załogi - szczególnie maszynowej.

Rys. 2.16. Porównanie kosztów paliwa do wytwarzania energii elektrycznej na statku WINETA

W kalkulacji kosztów nie wolno również pominąć faktu lepszych własności manewrowych statku wyposażonego w śrubę nastawną (prądnicę zawieszoną) niż statku ze śrubą stałą. Przy dużej liczbie manewrów silniki współpracujące ze śrubą stałą ulegają poważnym awariom. Rewers silnika napędza-jącego śrubę stałą, wymaga zatrzymania silnika i ponownego rozruchu. Do rozgrzanych cylindrów po-dawane jest zimne powietrze rozruchowe co przyczynia się do powstania naprężeń termicznych. Zwiększanie prędkości obrotowej, rozpędzanie silnika, powoduje wzrost naprężeń mechanicznych. Wszystko to zwiększa koszty remontowe (bardzo drogie), które można byłoby uniknąć gdyby zasto-sowano śrubę nastawną.

Zapewnienie dobrej jakości prądu przekazywanego do sieci okrętowej przez prądnicę wałową, można osiągnąć dwoma sposobami:

• na drodze mechanicznej,

• na drodze elektrycznej.

2.5.2 Stabilizacja częstotliwości prądu na drodze mechanicznej

Prądnicę wałową można napędzać od silnika głównego kilkoma sposobami (rys.2.17). Najczęściej spotykanym jest rozwiązanie 1. Jest ono typowe dla siłowni z silnikami średnioobrotowymi, gdy śruba napędzana jest przez przekładnię. Najważniejszą zaletą tego rozwiązania jest stosunkowo niski koszt inwestycyjny.

W układach z silnikiem wolnoobrotowym występuje konieczność zamontowania wału pośredniego z przekładnią, co zwiększa koszt inwestycji oraz może spowodować wydłużenie układu napędowego. Takie usytuowanie prądnicy zawieszonej utrudnia remont linii wałów i zespołu napędu prądnicy. Stałą częstotliwość prądu (stałą prędkość obrotową prądnicy) utrzymuje regulator prędkości obrotowej silni¬ka głównego lub przekładnia planetarna sterowana układem elektrohydraulicznym.

Rys. 2.17. Układy napędowe statków z prądnicami zawieszonymi

G Stabilizacja częstotliwości prądu poprzez regulator prędkości obrotowej silnika główne¬go

Ten sposób stabilizacji częstotliwości prądu wymaga ciągłej pracy silnika ze stałą prędkością obro-tową. Punkty pracy zespołu napędowego, na charakterystyce napędowej, będą leżały na prostej n = const. Rozdział mocy odbywa się przez zmianę skoku śruby. Mniejsza moc na śrubie spowoduje zmniejszenie siły naporu, co będzie przyczyną spadku prędkości statku. Z charakterystyki układu napę¬dowego (rys.2.18) wynika, iż zachowując stałą prędkość obrotową śruby przy jednoczesnym zmniej¬szeniu przenoszonej przez nią mocy, maleje sprawność układu napędowego; punkt pracy oddala się coraz bardziej od krzywej maksymalnej sprawności układu ruchowego TI^^^.

Rys. 2.18. Przykładowa charakterystyka układu napędowego z uwzględnieniem współpracy silnika głównego z prądnicą wałową. Układ napędowy pracuje ze stałą prędkością obrotową. Rozdział mocy odbywa się poprzez zmianę skoku śruby.

Można stąd wnioskować, iż mimo uzyskania optymalnych warunków pracy silnika (pkt. A), rośnie zużycie paliwa w odniesieniu do przebytej drogi. Zmniejszona prędkość statku spowoduje wydłużenie czasu jazdy, a tym samym wzrasta ilości zużytego paliwa na jednostkę przebytej drogi.

Szerokie stosowaniem rozwiązania, w którym silnik pracuje ze stałą prędkością obrotową (n = const) wynika z następujących czynników:

• niski koszt inwestycyjny,

• prosta niezawodna konstrukcja,

• nieskomplikowany sposób sterowania.

Stabilizacja prędkości obrotowej prądnicy wałowej (stabilizacja częstotliwości prądu) przez regula¬tor prędkości obrotowej silnika, jest możliwa tylko w dobrych warunkach pogodowych. Względy bez¬pieczeństwa wymagają, aby w warunkach sztormowych lub podczas manewrów, elektrownia okrętowa zasilana była przez wolnostojący zespół prądotwórczy.

G Stabilizacja częstotliwości prądu w układzie z przekładnią planetarną

Zastosowanie przekładni planetarnej podraża wprawdzie koszty inwestycyjne statku, ale umożliwia pracę silnika ze zmienną prędkością obrotową. Mając do dyspozycji swobodę zmiany nastaw skoku śruby i prędkości obrotowej silnika (śruby), można wybrać taki punkt pracy zespołu napędowego, któ¬ry gwarantuje uzyskanie zadanej prędkości statku przy najmniejszym zużyciu paliwa. W każdych wa¬runkach pływania można ustawiać pracę zespołu na krzywej maksymalnej sprawności układu napędo¬wego.

Dwaj największy producenci silników napędu głównego firmy SULZER oraz MAŃ - B&W przy-stosowali swoje silniki do współpracy z przekładnią planetarną (stałoprędkościową). Firma MAŃ -B&W przy współpracy z firmą RENK, opracowała przekładnię oznaczoną symbolem BW/RFC (Renk Constant Freąuency) sterowaną hydraulicznie, przystosowaną do silników typu L-MC/MCE (rys. 2.. 19).

W skład układu wchodzą trójkołowa przekładnia zębata 11 określana symbolem PTO (Power Take Orf), która zwiększa prędkość obrotową do ok. 500 obr/min przy maksymalnej mocy ciągłej. Następnie poprzez sprzęgło zębate i sprzęgło wielotarczowe 7, napędza koła 10 (satelity) przekładni planetarnej i dalej prądnicę wałową 5. Prędkość obrotowa na wyjściu przekładni planetarnej, w zależności od ro¬dzaju zastosowanej prądnicy, wynosi od 1500 do 1800 obr/min. Dla zapewnienia stałej prędkości ob¬rotowej prądnicy zastosowano zdalnie sterowany zespół hydrauliczny (pompa-silnik). Zmienia on w sposób płynny przełożenie przekładni stabilizując prędkość obrotową prądnicy przy zmieniających się obrotach silnika. Zmiana prędkości obrotowej SG, wywołuje zmianę prędkości obrotowej kół planetar¬nych 10. Aby nie spowodowało to zmiany prędkości obrotowej prądnicy wałowej 5, układ hydrauliczny zmienia obroty koła 8 dzięki czemu prędkość obrotowa koła słonecznego 9 pozostaje stała. Pompa hydrauliczna sterowana jest przez elektroniczny zespół regulacji wydatku l, zapewniający stałą pręd¬kość obrotową prądnicy, zarówno podczas pracy samodzielnej jak również podczas pracy równoległej z innymi prądnicami.

Układ z przekładnią planetarną wytwarza energię elektryczną o stałej częstotliwości z tolerancją 1% w zakresie zmian prędkości obrotowej silnika w granicach (70-100)% nn. Sprawność tego układu jest

wysoka i zależnie od obciążenia oraz przełożenia waha się w granicach (92-^96)%.

100

Rys. 2.19 Schemat przekładni BWIII/RCF: l - moduł sterowania układem hydraulicznym, 2 - silnik hydrauliczny, 3 - sprzęgło nierozłączne, 4 - wał korbowy, 5 - prądnica, 6 - pompa hydrauliczna, 7 - sprzęgło wielotarczowe, 8 - zębaty pierścień obudowy, 9 - koło słoneczne, 10 - koła planetarne, 11 - przekładnia poboru mocy, 12 - sprzęgło podatne

W wyniku wzrostu sprawności turbosprężarek i silników napędu głównego powstała nadwyżka energii spalin w stosunku do zapotrzebowania na doładowanie silnika. Część spalin skierowana została do napędu turbiny nazwanej turbiną mocy zwrotnej poprzez układ TCS/PTI (Turbo Compound Sys¬tem/Power Take In). Rozwiązanie BWHI/RCF może być rozbudowane o elementy umożliwiające współpracę z turbiną napędzaną spalinami silnika. Przekładnia zębata 11 zostaje wyposażona w dodat¬kowe koła zębate umożliwiające przejmowanie mocy od turbiny (rys.2.20). System taki zwany

101

PTO/PTI pozwala na wykorzystanie nadmiaru energii spalin SG. Umożliwia on przekazanie mocy tur-biny na wal silnika. Rozwiązanie to stosowane jest dla silników typu 50MC-90MC. Zastosowanie ukła¬du TCS zmniejsza zużycie paliwa w granicach (54-7) g/kWh tj. (1.544)% oszczędności paliwa spalane¬go przez silnik główny. Turbinę mocy zwrotnej załącza się po przekroczeniu 50% mocy znamionowej.

Rys.2.20 Przekładnia PTO/PTI z turbiną mocy zwrotnej

Firma SULZER we współpracy z japońską firmą SLM zastosowała na swoich silnikach typu RTA przekładnię stałoprędkościową do napędu prądnic wałowych. Rozwiązanie to zwane CON-SPEED jest kombinacją przekładni planetarnych z przekładnią hydrauliczną. Większość mocy (804-85)% przenosi wysokosprawna przekładnia planetarna. Dzięki temu uzyskuje się wysoką sprawność (924-96)% w zależności od przełożenia i obciążenia.

Przekładnia planetarna pracuje w zakresie (704-104%) obrotów znamionowych silnika. W normal-nych warunkach pływania statku, zmiany częstotliwości prądu nie przekraczają l %. Większe wahania mogą wystąpić jedynie w złych warunkach pływania (PRS zakłada maksymalne wahania częstotliwości prądu w stanach ustalonych 5%, a w stanach przejściowych 10 %).

CON-SPEED, pełniący funkcję regulatora prędkości obrotowej prądnicy, wykorzystuje możliwość bezstopniowego przełożenia w zębatej przekładni planetarnej, regulowaną przez sprzężoną przekładnię hydrostatyczną. Regulator ten montowany jest na silnikach RTA, pomiędzy zamontowaną na stałe przekładnią poboru mocy PTO (rys.2.21), a prądnicą wałową. Zasadę działania przedstawia rysunek.

102

Rys. 2.21 Układ CON-SPEED stabilizujący prędkość obrotową prądnicy wałowej

Na układ składają się dwie przekładnie planetarne współpracujące z przekładnią hydrostatyczną. Wał korbowy SG połączony jest poprzez koła planetarne (satelity) przekładni l z kołem pierścienio-wym przekładni 2. Satelity przekładni 2 połączone są z wałem wyjściowym napędzającym generator. Koła słoneczne obu przekładni osadzone są na wspólnym wale i odpowiedzialne są za zmianę przełoże¬nia przekładni (różne średnice kół). Wpływa to na prędkość wyjściową i częstotliwość wytwarzanego przez prądnicę prądu. Sterowanie prędkością obrotową wału z kołami słonecznymi odbywa się poprzez koło pierścieniowe przekładni l, napędzane silnikiem hydraulicznym. Silnik ten jest poruszany za po¬mocą pompy hydrostatycznej o zmiennej wydajności, napędzanej bezpośrednio z wału wejściowego. Przekładnia planetarna l służy głównie jako układ kontrolny, ustalający prędkość obrotową prądnicy przenosząc tylko niewielką część mocy.

Zakres układów CON-SPEED obejmuje cztery wielkości dostosowane do całego typoszeregu silni-ków RTA i jest w stanie przenosić moce 500, 700, 1000 i 1400 kW przy wyjściowej prędkości obro-towej do 1200 obr/min.

Podobnie jak MAN-B&W, firma SULZER opracowała swój układ podnoszący ogólną sprawność silników RTA przez zastosowanie turbiny napędzanej spalinami dostarczającej moc na wał silnika głównego. Układ ten nosi nazwę EFFICIENCY - BOOSTER lub n-BOOSTER a jego schemat przed-stawiono na rys.2.22. Rozwiązania obu firm różnią się nieznacznie.

Jeśli w rozwiązaniu siłowni nie stosuje się prądnicy wałowej, a więc i przekładni PTO, zastosowanie turbiny mocy zwrotnej wymaga montażu tylko przekładni PTI. Obniżenie jednostkowego zużycia pali-wa silników RTA w wyniku zastosowania systemu n-BOOSTER, przy pehiym obciążeniu wynosi ok. 5.5 g/kWh. Obniżenie jednostkowego zużycia paliwa występuje również wtedy gdy turbina jest wyłą-czona tzn przy obciążeniach mniejszych od 50%. Wpływa na to BY-PASS, który pozwala na lepszą pracę turbosprężarki, skutkiem czego następuje wzrost ciśnienia doładowania i przepłukania.

103

•3

Rys. 2.22. Schemat układu n-BOOSTER dla silnika RTA: ZS 5311 C - sygnał zamknięcia zaworu klapowego, ZS 5312 C - sygnał otwarcia zaworu klapowego, ZS 5313 C - sygnał zamknięcia zaworu by-pass, ZS 5314 C - sygnał otwarcia zaworu by-pass, ZV 7082 C - sygnał przesterowania przekaźnika elektromagnetycznego (sterowanie zaworem by-pass), ZV 7081 C - sygnał przesterowania przekaźnika elektromagnetycznego (sterowanie zaworem klapowym), TI3741 L - wskaźnik tempera¬tury gazów wylotowych za turbiną; wskazanie lokalne, TS 2811 C - temperatura oleju smarującego turbinę; zamknięty - temperatura poprawna, TI 2811 L - wskaźnik temperatury oleju smarującego tur¬binę, TS 2816 C - temperatura oleju sprzęgła; zamknięty - temperatura poprawna, PS 2831 A - ciśnie¬nie oleju tłumiącego (amortyzatora); zamknięty - ciśnienie poprawne, PI2831 L - wskaźnik ciśnienia oleju; wskazanie lokalne, PS 2801 C - filtr olejowy; pomiar różnicy ciśnień, PI 2801 L - wskaźnik róż¬nicy ciśnień; wskazanie lokalne, PS 2802 C - filtr olejowy; wskazanie bardzo wysokiej różnicy ciśnień, PS 2812 C - ciśnienie oleju smarującego turbinę; zamknięty - ciśnienie poprawne.

104

2.5.3 Stabilizacja częstotliwości prądu na drodze elektrycznej

Stabilizacja częstotliwości prądu na drodze elektrycznej zrealizowana może być jako układ ze sta-tyczną przetwornicą częstotliwości (falownikiem), bądź z przetwornicą jednotwornikową.

G Układ DMG (Direct Mounted Generator) ze statyczną przetwornicą częstotliwości (fa-lownikiem):

Prądnica z wirnikiem osadzonym na wale, który jest bezpośrednio sprzężony z wałem korbowym silnika i stojanem mocowanym do jego kadłuba (rys. 2.23) stanowi integralną część silnika głównego. Wytwarza ona trójfazowy prąd przemienny o niskiej częstotliwości (ok. 15 Hz), zmieniający się zgod-nie ze zmianami prędkości obrotowej silnika. Prąd ten jest prostowany, a następnie doprowadzany do falownika, który przekształca prąd wejściowy na prąd przemienny o stałej częstotliwości 50 lub 60 Hz.

Rys. 2.23 Układ DMG ze statyczną przetwornicą częstotliwości: l - silnik główny, 2 - regulator wzbu¬dzenia, 3 - prądnica niskiej częstotliwości, 4 - przetwornica częstotliwości (falownik), 5 - kompensator synchro¬niczny, 6 - dławik, 7 - szyna zbiorcza

Układ DMG z falownikiem gwarantuje stałą częstotliwość wytwarzanego prądu w zakresie zmian prędkości obrotowej S.G. (70-^100 % nn), a może być rozszerzony nawet do 40% nn (rys. 2.24).

Rys.2.24 Wykres obciążenia prądnicy wałowej ze statyczna przetwornicą częstotliwości: a - wyłą¬czenie, b - moc zredukowana, c - moc znamionowa

Ponieważ do sieci nie jest dostarczana moc bierna (z powodu istnienia pośredniej linii prądu stałego) zamontowano kompensator synchroniczny. Jest nim niewielka prądnica napędzana silnikiem trójfazo¬wym, zasilanym z sieci okrętowej. Prądnica ta podłączona jest do sieci za falownikiem celem wytwa¬rzania koniecznej mocy biernej.

105

Do wad tego układu można zaliczyć wysoki koszt inwestycyjny oraz niską sprawność (81-4-90)%.

Q Rozwiązanie DMG - układ z przetwornicą jednotwornikową

Podobnie jak w poprzednim układzie prądnica będąca integralną częścią silnika wytwarza trójfazo-wy prąd przemienny o niskiej częstotliwości. Prąd ten jest prostowany a następnie zasila silnik prądu stałego, który połączony jest bezpośrednio z trójfazową prądnicą prądu przemiennego (rys.2.25), wy-twarzającą prąd częstotliwości 50 lub 60 Hz. Stabilizację prędkości obrotowej układu silnik prądu sta-łego - prądnica trójfazowa, a co za tym idzie uzyskanie stałej częstotliwości prądu, otrzymuje się po-przez kontrolę wzbudzenia prądnicy za pomocą odpowiedniego regulatora (prądnica tachometryczna).

Rys.2.25 Układ DMG z przetwornicąjednotwomikową: l - silnik główny, 2 - regulator wzbudzenia, 3 - prądnica niskiej częstotliwości, 4 - prostownik, 5 - silnik prądu stałego, 6 - prądnica wysokiej częstotliwości, 7 - prądnica tachometryczna, 8 - szyna zbiorcza

2.5.4 Nowe rozwiązania pracy elektrowni okrętowej

Możliwości poprawy gospodarki energetycznej statku poprzez dalsze ulepszanie głównego układu napędowego ze współczesnym silnikiem wolnoobrotowym zostały praktycznie maksymalnie wykorzy¬stane. W zakresie wytwarzania energii elektrycznej, szczególnie przy zastosowaniu prądnic wałowych, potencjał możliwości poprawy sprawności jest jeszcze mniejszy. W takiej sytuacji celowe jest skiero¬wanie wysiłków także w kierunku racjonalnego wykorzystania produkowanej energii elektrycznej po¬przez odpowiednie zaprojektowanie i eksploatację instalacji siłowni prowadzące do zmniejszenia zapo¬trzebowania na energię elektryczną.

Analiza bilansów elektrycznych statków handlowych (wyłączając chłodnicowce) wskazuje, że w zależności od typu i wielkości, 40-r60% energii elektrycznej zużywają silniki elektryczne do napędu pomp, wentylatorów i innych mechanizmów w instalacji obsługi silnika głównego w czasie jazdy w morzu.

Ponieważ siłownie, zgodnie z wymaganiami towarzystw klasyfikacyjnych projektuje się na najmniej korzystne warunki pracy, co oznacza, że w przeciętnych warunkach pływania w średnich strefach kli¬matycznych, często ze zmniejszoną prędkością, większość urządzeń jest przewymiarowana. Dotyczy to przede wszystkim chłodnic, pomp oraz wentylatorów. Zmniejszenie wydajności pomp, czy wentylato¬rów do poziomu wynikającego z rzeczywistego obciążenia silnika głównego oznacza tym samym także zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną.

106

Wykorzystać tu można dwie metody, charakteryzujące się małymi stratami, służące do zmniejszenia strumieni masowych w instalacjach, polegające na dopasowaniu liczby obrotów pomp do aktualnych potrzeb:

• indywidualne dopasowanie liczby obrotów poszczególnych pomp poprzez zastosowanie przetwor-ników częstotliwości (np. falowniki tyrystorowe) lub silników elektrycznych z przełączalną liczbą biegunów;

• wspólne dla wszystkich silników elektrycznych dopasowanie obrotów przez obniżenie częstotliwo-ści prądu w sieci elektrycznej statku.

Obniżenie częstotliwości prądu w sieci prowadzące do obniżenia obrotów silników elektrycznych, w stosunku do innych rozwiązań wpływających na zmniejszenie strumieni czynników roboczych jest szczególnie korzystnym rozwiązaniem, ponieważ nie łączy się wcale lub co najwyżej w niewielkim stopniu z dodatkowym kosztem inwestycyjnym (o ile elektrownia okrętowa jest wyposażona w prądni¬cę wałową).W takiej sytuacji w czasie jazdy morskiej, jeśli nie ma regulacji częstotliwości, sieć elek¬tryczna zasilana jest prądem o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości obrotowej silnika głównego. Osiąga się w ten sposób, za pośrednictwem częstotliwości, sprzężenie obrotów silników elektrycznych z obrotami S.G. Oznacza to, że silniki elektryczne zachowują się jak urządzenia podwieszone na silniku głównym. Stan taki przyjęto nazywać pracą z "pływającą częstotliwością". Dla większości pomp i

wentylatorów istnieje zależność między obrotami a mocą w przybliżeniu w trzeciej potędze P =f(rr). Oznacza to, że przy zredukowanej liczbie obrotów śruby a tym samym przy obniżonej częstotliwości sieci, można uzyskać znaczne oszczędności energii elektrycznej.

Istotnym zagadnieniem przy pracy z "pływającą częstotliwością" jest określenie dopuszczalnego za¬kresu zmian częstotliwości prądu. Towarzystwa klasyfikacyjne wymagają aby wszystkie odbiorniki prądu znosiły bez obawy o awarię niewielkie wahania częstotliwości i napięcia, określając konkretne odchyłki od wartości nominalnych.

Ewentualne dopuszczenie pracy z "pływającą częstotliwością" oznacza odejście od obecnych prze-pisów i wypracowanie nowych warunków bezpiecznej eksploatacji siłowni. Pomiary przeprowadzane różnej wielkości i typu wykazały, że obniżenie częstotliwości w dopuszczalnym zakresie 5% daje śred¬nio oszczędności w zużyciu energii w wysokości l (H 15%. Pozytywne praktyczne doświadczenia z eksploatacji statków z obniżoną częstotliwością w istniejących granicach, skłoniły do budowy, względ¬nie przebudowy sieci elektrycznych, tak aby możliwa była praca z pływającą częstotliwością w zakresie 80-100 % wartości nominalnej.

Wypracowanie nowych przepisów pozwalających na eksploatację w szerszych granicach zmian czę¬stotliwości poprzedzono wieloma próbami na statkach. Jednym z nich był m/s "Blumentahl". Próby przeprowadzane były w granicach zmian częstotliwości od 52 do 62Hz. Ze strony instalacji chłodzenia jak i smarowania zachowane były cały czas wymagane temperatury, co oznacza, że chłodnice zostały dobrane z odpowiednio dużym zapasem. Nie stwierdzono także odchyłek ciśnienia czynników robo-czych w instalacjach, które wykraczałyby poza dopuszczalne granice.

W przypadku urządzeń włączanych cyklicznie np. sprężarki powietrza zaobserwowano przy spadku częstotliwości nieznaczne wydłużenie czasu napełniania zbiorników. Obniżenie częstotliwości nie wpły¬nęło także na efekt oczyszczania w wirówkach ani zmiany cyklu oczyszczania. Stwierdzono natomiast wpływ częstotliwości prądu na wydajność wirówek, która zmienia się liniowo wraz ze zmianą obrotów (częstotliwości). Należy zatem uwzględniać ten fakt przy regulacji wirówki. W czasie prób robiono także pomiary temperatury uzwojenia silników elektrycznych. W żadnym wypadku nie stwierdzono przekroczenia maksymalnej dopuszczalnej temperatury uzwojenia przy obniżeniu częstotliwości. Wyni¬ki wskazują, że przy ciągłej pracy z 90% nominalnej częstotliwości i obniżonym napięciu o 5^7% moż¬na oczekiwać oszczędności w zużyciu energii elektrycznej do 20%.

107

Ocenia się, że na statkach z prądnicami wałowymi i śrubą stałą można będzie stosować pływającą częstotliwość w granicach 66^-100% wartości nominalnej. Zostały już opracowane przez Germanischer Lloyd odpowiednie wytyczne. Do tej pory nie zrealizowano takiej sieci. Jednym z głównych proble¬mów jest m.in. dokładna ocena wpływu zmiany prędkości obrotowej pompy na jakość chłodzenia silni¬ka. Innym ważnym problemem jest konieczność instalowania dwóch oddzielnych sieci elektrycznych: dla odbiorników wymagających stałej częstotliwości prądu oraz dla odbiorników tolerujących pływają¬cą częstotliwość.

Uwagi własne:

108

3. WYBRANE UKŁADY ZDALNEGO STEROWANIA SKOKIEM ŚRUBY NASTAWNEJ l PRĘDKOŚCIĄ OBROTOWĄ SILNIKA

3.1 Zalety i wady śrub nastawnych

Śruby nastawne znalazły powszechne zastosowanie na statkach rybackich, holownikach, promach i innych jednostkach gdzie wymagana jest duża manewrowość i zmienność obciążenia. W mniejszym stopniu śruby nastawne wykorzystane są na statkach handlowych. Śruba nastawna powinna być stoso-wana przez polskich armatorów w szerszym zakresie niż ma to miejsce obecnie. Przemawiają za tym następujące korzyści:

• możliwość zmniejszenia zużycia paliwa przez dobór odpowiednich nastaw (n,H)0p^

• możliwość pełnego wykorzystania mocy silnika przy nominalnej prędkości obrotowej w każdych warunkach pływania,

• niższe jednostkowe zużycie paliwa przez silnik w zmiennych warunkach pływania,

• mniejsze zużycie silnika zwłaszcza tam gdzie wykonywana jest duża liczba manewrów,

• poprawa własności manewrowych statku przez:

a) lepsze wykorzystanie mocy dla zatrzymania i zmiany kierunku ruchu statku,

b) skrócenie czasu oraz drogi zatrzymania statku,

• możliwość otrzymania dowolnie małych prędkości statku, niezależnie od liczby obrotów silnika,

• opór śrub nastawnych przy zastopowaniu jest mniejszy niż opór śrub stałych,

• zatrzymanie statku jest efektywniejsze aniżeli przy zastosowaniu śruby stałej. Do wad śruby nastawnej należy zaliczyć:

•a

• bardziej skomplikowaną konstrukcję co stwarza większe niebezpieczeństwo awarii,

• koszt inwestycyjny śruby nastawnej jest większy niż stałej,

• śruba nastawna ma niższą sprawność od śruby stałej ze względu m.in. na większą średnicę piasty śruby.

3.2 Stanowiska sterowania

W układach sterowania zespołem napędowym najbardziej rozpowszechnione są układy pneumatyczne i elektryczne. Układy te są w znacznej mierze oparte na urządzeniach uniwersalnych jak zadajniki, ser¬womechanizmy, regulatory prędkości obrotowej, regulatory obciążenia silnika itp. Urządzenia progra¬mujące zawierają krzywki lub elektroniczne przekształtniki funkcyjne.

109

Niektóre firmy oferują uniwersalne układy sterowania dla napędów głównych ze śrubą nastawną. Przykładem może być elektroniczne systemy: FAMP 200 firmy ABB Marinę, AutoChief-7 firmy Nor-control Automation AS, E2S firmy ABB Zamech, ANCOS 2000 firmy Lips.

Zdalne sterowanie skokiem śruby i prędkością obrotową silnika odbywa się najczęściej z dwóch sta¬nowisk: ze sterówki i z CMK (Centrali Manewrowo-Kontrolnej). Istnieje możliwość sterowania awa¬ryjnego ze stanowisk lokalnych. Skokiem śruby steruje się oddziaływując bezpośrednio na serwome¬chanizm zmiany skoku, a obrotami silnika poprzez regulator prędkości obrotowej lub bezpośrednio oddziaływując na listwę paliwową.

Rozwiązania techniczne stanowisk sterowania bywają różne. Najczęściej, na eksploatowanych obecnie statkach handlowych czy bazach rybackich, sterowanie skokiem śruby i prędkością obrotową silnika z mostka odbywa się przy pomocy jednej dźwigni sterującej - tzw. sterowanie programowe, natomiast z CMK steruje się dwoma dźwigniami oddzielnie dla skoku śruby i prędkości obrotowej sil¬nika.

Pulpit na mostku wyposażony jest w szereg elementów umożliwiających zdalne sterowanie zespo¬łem napędowym i kontrolę jego pracy. W pulpicie zamontowane są m.in.:

• nadajnik telegrafu maszynowego,

• zawór redukcyjny nastawy skoku śruby i prędkości obrotowej,

• wskaźnik skoku śruby,

• wskaźnik obrotów silnika,

• wskaźnik obciążenia silnika,

• manometr powietrza zasilającego,

• manometr oleju sterującego i zasilającego,

• lampki sygnalizacyjne obciążenia silnika (90% i 100%),

• lampki sygnalizacyjne automatycznej redukcji skoku śruby i miejsca sterowania,

• lampko-przycistó: "AWARYJNY STOP", "AWARYJNA PRACA",

• przełączniki: "WYŁĄCZENIE PROGRAMU", "POTWIERDZENIE PRZYJĘCIA STEROWANIA",

• tablica alarmów zbiorczych.

Zdalne sterowanie prędkością obrotową i skokiem śruby odbywa się przez wychylenie dźwigni ste¬rującej z położenia STOP na pole ruchowe w kierunku NAPRZÓD lub WSTECZ. Funkcję dźwigni sterującej pełni najczęściej nadajnik głównego telegrafu maszynowego umieszczony w pulpicie manew¬rowym lub nadajniki pomocnicze telegrafu umieszczone na skrzydłach mostka i połączone z telegrafem głównym (np. cięgnami elastycznymi).

Nadajnik głównego telegrafu maszynowego sprzężony jest za pomocą krzywki z zaworem reduk¬cyjnym ustalającym poziom (wartość) pneumatycznego sygnału sterującego w zależności od kąta wy¬chylenia dźwigni telegrafu. Zmiana położenia dźwigni telegrafu maszynowego, może być realizowana w sposób skokowy lub ciągły co uzyskuje się przez przestawienie odpowiedniego przełącznika mecha¬nicznego na telegrafie.

W trakcie normalnego procesu sterowania zespołem napędowym obciążanie silnika (ustalanie war¬tości skoku śruby i prędkości obrotowej silnika bądź samego skoku śruby) realizowane jest za pośred-

110

nictwem bloku programowego obciążania. W przypadku potrzeby szybkiej zmiany obciążenia śruby można odłączyć program wykorzystując przełącznik "WYŁĄCZENIE PROGRAMU".

Funkcję dźwigni sterującej pełni najczęściej zawór przekaźnikowy Westinghouse'a (rys.3.1). Składa się on z zaworu redukcyjnego ł dwóch normalnie zamkniętych przekaźników pneumatycznych lub elektrycznych będących pod działaniem krzywki sprzężonej z dźwignią manewrową.

1,2- rozdzielacze pneumatyczne 3 - zawór redukcyjny

Rys. 3. l Zawór przekaźnikowy Westinghouse' a

Jeśli głównym źródłem energii elektrycznej na statku jest prądnica wałowa, wówczas zmiana pręd-kości obrotowej silnika w trakcie eksploatacji nie jest możliwa. Stałe obroty prądnicy utrzymuje regu-lator prędkości obrotowej silnika głównego napędzającego prądnicę wałową. Wartość wymaganej prędkości obrotowej ustawia mechanik w CMK, a na mostek przekazuje tylko sterowanie skokiem śruby. Z tych względów na statkach z prądnicą wałową, zmiany prędkości statku realizowane są tylko poprzez zmianę skoku śruby. Najnowsze rozwiązania prądnic wałowych nie wymagają utrzymywania stałej liczby obrotów silnika. Stabilizację częstotliwości prądu elektrycznego prowadzi się w sposób przedstawiony w rozdziale 2.5.

•9

Sterowanie praca zespołu napędowego z CMK może być realizowane z dwóch pulpitów: pulpitu sterowania skokiem śruby nastawnej np. typu UCMK 46 oraz pulpitu sterowania obrotami silnika z tzw. odsuniętego stanowiska manewrowego typu OSM 7. Najczęściej sterowanie odbywa się z jedne¬go wspólnego pulpitu dla śruby i silnika.

Pulpit sterowania śrubą nastawną wyposażony jest w następujące elementy:

• zadajnik skoku śruby (np. zawór przekaźnikowy Westinghause'a),

• zawór ograniczenia skoku NAPRZÓD,

• zawór zasilania pneumatycznego,

• wskaźnik skoku,

• lampki sygnalizacyjne (obciążenia silnika, automatycznej redukcji skoku śruby, przeciążenia mo¬mentem),

111

• elementy pneumatyczne, elektro-pneumatyczne i elektryczne zabudowane wewnątrz pulpitu. W odsuniętym stanowisku manewrowym zamontowane są min.:

• dźwignia przesterowania (zablokowana na WSTECZ dla silników nawrotnych)

• dźwignia rozruchowa,

• dźwignia nastawy prędkości obrotowej,

• odbiornik telegrafu maszynowego,

• lampki sygnalizacyjne (miejsca sterowania, położenia obracarki i głównego zaworu manewrowego, awaryjnego stopu, awaryjnej pracy, blokad silnika),

• lampko-przycistó: AWARYJNA PRACA, AWARYJNY STOP,

• manometry powietrza rozruchowego,

• obrotomierze SG i turbosprężarek,

• wskaźnik obciążenia i kierunku obrotów SG,

• elementy pneumatyczne, elektropneumatyczne i elektryczne zabudowane wewnątrz pulpitu.

Odsunięte stanowisko manewrowe połączone jest z silnikiem głównym mechanicznie (na starszych jednostkach) za pomocą cięgieł, linią pneumatyczną bądź elektrycznie. Jeśli sterowanie z CMK odbywa się w oparciu o sygnały pneumatyczne wówczas, zgodnie z przepisami PRS, musi istnieć stanowisko sterowania (traktowane jako awaryjne) umożliwiające mechaniczne sterowanie silnikiem. Funkcje tę pełni najczęściej przysilnikowe stanowisko sterowania. Stanowiskiem nadrzędnym jest stanowisko umieszczone w CMK, stąd można przekazywać sterowanie na mostek.

Na statkach rybackich wyposażonych w silniki średnioobrotowe dźwignie nastawy skoku śruby oraz prędkości obrotowej i rozruchu silnika umieszczone są w jednym wspólnym pulpicie. Sterowanie sko¬kiem śruby odbywa się, w zależności od rozwiązania na drodze pneumatycznej lub mechanicznej po¬przez połączenie łańcuszkowe. Rozruch i nastawa obrotów silnika odbywa się wyłącznie sygnałami pneumatycznymi. Dźwignia sterowania prędkością obrotową może pełnić jednocześnie funkcję dźwigni rozruchowej.

3.3 Opis konstrukcji podstawowych zespołów śruby nastawnej firmy Za-mech

3.3.1 Śruba nastawna typu EF

Śruby nastawne typu EF budowane były na licencji norweskiej firmy LJAAEN i stosowano je na statkach handlowych, jak i rybackich. Zespół śruby nastawnej składa się z piasty śruby z mechanizmem wewnętrznym, wału śrubowego z zespołem rurowym, sprzęgła typu SKF oraz skrzyni wału rozrządu oleju.

Stosowane przez firmę Zamech w Elblągu symbole śrub nastawnych typu E 175/4-F 500 oznaczają odpowiednio: litera "E" - typ piasty z serwomechanizmem zabudowanym wewnątrz piasty; cyfra "175" - średnicę piasty w cm; cyfra "4" - liczbę skrzydeł; symbol "F 500" - określa mechanizm roz¬rządu oleju o średnicy kwalifikacyjnej wału pośredniego 500 mm.

112

Q Piasta śruby z mechanizmem wewnętrznym

W skład piasty (rys.3.2) wchodzą: korpus l, skrzydła 4, cylinder 2, osłona kołnierza wału 15 i nie pokazana na rysunku owiewka zabezpieczająca śruby 19. Części stykające się z wodą morską wykona¬ne są ze staliwa stopowego lub brązu wieloskładnikowego NOYOSTON co zapewnia wysoką odpor¬ność na korozję. Wykonanie korpusu piasty z brązu pozwala na bezpośrednie łożyskowanie skrzydeł śruby 4 i tarcz korbowych 7 w korpusie l. Skrzydła mocowane są do tarcz korbowych za pomocą śrub 16. Celem prawidłowego mocowania skrzydła dokonuje się pomiaru wydłużenia śrub 16 w czasie ich dokręcania. W przypadku braku możliwości pomiaru należy dokręcić śrubę 16 o określony w instrukcji kąt, po skasowaniu luzu między śrubą a skrzydłem. Szczelność zapewniają uszczelki typu O-ring 17 dla piast z brązu lub podkładki monetowe dla piast ze stali nierdzewnej. Szczelność pomiędzy skrzydłami a korpusem zapewnia uszczelka kształtowa 14.

Tarcze korbowe 7 posiadają czop wykorbiony, na którym osadzony jest kamień ślizgowy 13, poru-szający się w odpowiednim wybraniu zespołu prowadzącego 5 i 6. Ruch posuwisto-zwromy tłoka 3, drąga 8, części zespołu prowadzącego 5 i 6, zostaje zamieniony na ruch obrotowy tarczy korbowej 7, a z nią skrzydła śruby 4. Dopuszczalny kąt obrotu wynosi ±30°. Ruch tłoka 3 skierowany ku dziobowi statku ustawia skrzydła w kierunku NAPRZÓD, odwrotnie przy biegu WSTECZ. Czynnikiem przesu-wającym tłok jest olej siłowy dostarczony do cylindra 2 poprzez zespół rurowy 20, na lewą lub prawą stronę tłoka.

Piasta śruby mocowana jest do kołnierza wału śrubowego za pomocą śrub 18, z nakrętkami 25 oraz kołków stożkowych 24. Całość jest zabezpieczona przed wpływem wody morskiej osłoną 15. Dostęp do wnętrza piasty jest możliwy po demontażu cylindra 2 zamocowanego do korpusu śrubami 19, na-krętki 22 i tłoka 3 wraz z pokrywą 26 oddzielającą cylinder od wnętrza piasty.

Piasta śruby napełniona jest olejem przez korek wlewowy 27, celem zapewnienia smarowania części oraz zabezpieczenia układu przed ewentualnym przedostawaniem się wody morskiej do wnętrza piasty. Minimalne ubytki oleju występujące w czasie eksploatacji uzupełniane są olejem pod ciśnieniem grawi¬tacyjnym ze zbiornika (rys.3.4 póz. 10) poprzez wał śrubowy i zawór zwrotny 11 o ciśnieniu otwarcia

0.2 kG/cm^. Drugi zawór zwrotny 12, umieszczony na wylocie oleju z piasty zabezpiecza przed nad-miernym wzrostem ciśnienia oleju w piaście, co mogłoby mieć miejsce przy uszkodzeniu uszczelnienia 21 cylindra i ewentualnym przeciekom oleju siłowego. Olej w piaście śruby powinien posiadać cechy przeciwpianowe, przeciwutleniajce i zawierać dodatki antykorozyjne. Lepkość oleju powinna wynosić 50 °Englera przy temp. 50 °C. Normalna temperatura pracy oleju wynosi ok. 40 °C.

Q Sprzęgło SKF wału śrubowego

Wał śrubowy S (rys. 3.3), połączony jest z wałem pośrednim za pomocą sprzęgła typu skurczowego typu SKF. W skład sprzęgła wchodzą następujące elementy: korpus l, tuleja stożkowa 2, tłok monta¬żowy 3, z uszczelką 7, pierścień oporowy 4, dwudzielny pierścień dystansowy 26.

Otwór tulei stożkowej 2, jest cylindryczny i dopasowany suwliwie do przedniego końca wału. Stro-na zewnętrzna tulei jest stożkowa 1:50 i starannie dopasowana do odpowiadającego jej otworu stoż-kowego w korpusie 1. Tuleja 2, mocowana jest do wału śrubowego S poprzez płytę oporową śrubami 5. Służy to do zabezpieczenia wału śrubowego przed wysunięciem się sprzęgła.

Montaż sprzęgła odbywa się przez wsunięcie korpusu l na tuleję stożkową zamocowaną uprzednio do wału 5. Przesunięcie odbywa się w kierunku od rufy do dziobu przez wtłaczanie oleju do przestrzeni pomiędzy końcówką sprzęgła i tłokiem montażowym 3, przy jednoczesnym rozpieraniu korpusu sprzę¬gła olejem wtłaczanym otworami 6 pomiędzy tuleję stożkową 2, a korpus sprzęgła 1. Siła tarcia po¬wstała między sprzęgłem i wałem pozwala, po zakończeniu montażu, na przeniesienie przez wał mo¬mentu obrotowego i siły naporu

113

Rys. 3.2 Piasta śruby z mechanizmem wewnętrznym: l - korpus piasty śruby, 2 - cylinder, 3 - tłoki serwomotoru, 4- skrzydło, 5 - zespół prowadzący część przednia, 6 - zespół prowadzący część tylna, 7 - tarcza korbowa, 8 - drąg prowadzący, 9 - sznur gumowy, 11 - zawór zwrotny, 12 - zawór zwrotny, 13 - kamień śli¬zgowy, 14 - uszczelka skrzydła śruby, 15 - osłona, 16 - śruba mocująca skrzydło, 17 - pierścień uszczelniający typu "6", 18-śruba łącząca piastę z wałem, 19 - śruba mocująca cylinder, 20 -zespół rurowy, 21 -pierścień

114

zabezpieczający z pierścieniem uszczelniającym, 22 - nakrętka tłoka serwomotoru, 24 - sworzeń, 25 - nakrętka, 26 - pokrywa cylindra, 27 - korek

01 Mechanizm rozrządu oleju

Mechanizm rozrządu oleju (rys.3.3) składa się z wału rozrządu oleju 9, stanowiącego odcinek wału pośredniego, na którym zawieszona jest skrzynia rozrządu 10. Skrzynia zamontowana jest na dwóch łożyskach 11 (łożysko oporowe) i 12 (pierścieniowy rozrząd oleju). Zawór suwakowy 13, zasilany olejem siłowym bezpośrednio z pompy, kieruje olej do jednego z dwóch otworów promieniowych w wale (do otworu 14 przy biegu NAPRZÓD i 15 przy biegu WSTECZ). Olej może być kierowany do otworów 14 lub 15 za pomocą wzmacniacza strumieniowego (podczas sterowania zdalnego) lub po przestawieniu dźwigni umieszczonej na skrzyni rozrządu (podczas sterowania miejscowego). Wzmac-niacz strumieniowy (nie pokazany na rys.3.3) znajduje się pod działaniem sygnałów pneumatycznych, generowanych w zdalnych stanowiskach sterowania (na mostku lub CMK).

Z ruchem tłoka w piaście śruby powiązany jest ruch kołnierza 16, który poprzez drążki 18 zmienia położenie pierścienia ślizgowego 17. Stanowi to układ sprzężenia zwrotnego. Pierścień ślizgowy wko-nuje ruch posuwisto-zwrotny razem z tłokiem, oddziaływując przez kamień w pierścieniu ślizgowym oraz układ dźwigni 19, na wzmacniacz strumieniowy utrzymując tłok, a tym samym skrzydła śruby w żądanym przez operatora położeniu

W dziobowym kołnierzu wału 9, znajdują się elementy 23, 24 pozwalające na awaryjne ustawienie skoku śruby w położeniu CAŁA NAPRZÓD. Operację ustawienia śruby na CN wykonuje się przy zatrzymanym silniku. Podczas tłoczenia oleju do podłączenia 23 należy dźwignię sterowania ręcznego, na skrzyni rozrządu, przesunąć w położenie NAPRZÓD, aby umożliwić spływ oleju z przestrzeni WSTECZ cylindra śruby nastawnej (rys.3.2, poz.2). Dźwignia sterowania ręcznego przestawia zawór suwakowy 13 z rys.3.2.

115

Rys.3.3 Sprzęgło wału śrubowego i mechanizm rozrządu oleju: l - korpus sprzęgła, 2 - tuleja stożko¬wa, 3 - tłok montażowy, 4 - płyta oporowa, 5 - śruby mocujące, 6- otwory do podłączenia wtrystówaczy, 7 -uszczelnienie, 8 - śruby mocujące, 9 - wał rozrządu oleju, 10 - skrzynia rozrządu, 11 - łożysko oporowe, 13 -zawór suwakowy, 14 - otwór promieniowy NAPRZÓD, 15 - otwór promieniowy WSTECZ, 16 - kołnierz ukła¬du sprzężenia zwrotnego, 17 - pierścień ślizgowy, 18 - drążki układu sprzężenia zwrotnego, 19 - zespół sprzęże¬nia zwrotnego, 20 - zespół rurociągów smarowania, 21 - zespół rurociągów smarowania, 22 - zespół rurociągów smarowania na postoju, 23 - podłączenia do awaryjnego ustawienia skoku śruby, 24 - tuleja, 26 - pierścień dy¬stansowy, S- wał śrubowy.

116

Q System olejowy śruby nastawnej Olei siłowy

Poniżej skrzyni rozrządu oleju 2 (rys. 3.4) umieszczony jest zbiornik l o dużej pojemności (zależ-nie od wielkości śruby nastawnej). Olej siłowy tłoczony jest ze zbiornika l, przez pompę śrubową 3, do bloku zaworowego 4. Stąd olej oddzielnymi rurociągami podawany jest na zasilanie zaworu suwako-wego (rys.3.3; póz. 13) oraz do zaworu redukcyjno-odcinającego. Olej powrotny z zaworu suwakowe-go spływa rurociągiem 5, przez zawór odcinający 19, zawór zwrotny 20, chłodnicę 6 do zbiornika 1. W przypadku spadku ciśnienia oleju siłowego, presostat kontroli ciśnienia załącza pompę rezerwową

Olei smarujący

Układ smarowania mechanizmów w skrzyni rozrządu oleju i piaście śruby oraz utrzymywania nad¬ciśnienia oleju (zabezpieczającego przed przeciekami wody do mechanizmu) pracuje w trzech warian¬tach:

• Pracuje jedna z dwóch pomp zasilających 3. Olej z komory spływu, płynie przez zawór zwrotny 8, do łożyska oporowego w skrzyni rozrządu oleju 2 i dalej do przestrzeni sprzęgła SKF (rys.3.3 póz.11, 20, 21). Stąd otworami w wale śrubowym dostaje się olej przez zawór 9 (rys.3.2 póz. 11) do wnętrza piasty. Wartość ciśnienia smarowania regulowana jest podczas prób w morzu. W stanie

ustalonym powinna wynosić (l .2-^2.0) kG/cm^ przy normalnej temperaturze pracy.

• W przypadku wyłączenia pomp zasilających 3 smarowanie mechanizmów odbywa się ze zbiornika grawitacyjnego 10. Olej rurociągiem 11, poprzez rozdzielacz 13, doprowadzony jest do łożyska oporowego (11 rys.3.3) w skrzyni mechanizmu rozrządu oleju 2, a stąd do piasty śruby.

Podczas normalnej pracy układu sterowania śrubą nastawną oba warianty smarowania działają jednocześnie. Ciśnienie oleju smarującego w wariancie I jest tak dobrane, że podczas eksploatacji prze¬pływa rurociągiem 11 i uzupełnia olej w zbiorniku grawitacyjnym 10. Nadmiar oleju spływa przewo¬dem 23, do zbiornika 1. Regulacja ciśnienia oleju smarującego odbywa się przez odpowiednie ustawie¬nie zaworów 19 i 20. Poziom oleju w zbiorniku 10, utrzymywany jest również automatycznie przez pompę 12 sterowaną sygnałem presostatu 22.

• Jeśli na statku wystąpi brak zasilania energią elektryczną, dłużej niż jeden dzień lub układ napędowy zostanie odstawiony na czas dłuższy przy jednoczesnym braku zasilania pompy 12, zbiornik grawi¬tacyjny musi być podłączony do piasty śruby bezpośrednio z pominięciem łożyska oporowego. W innym razie przecieki przez luzy łożyska spowodują szybkie opróżnienie zbiornika 10. Należy pod¬łączyć końcówkę 14, do otworu (rys.3.2, póz. 22) w rufowej części kołnierza wału rozrządu oleju i przestawić,rozdzielacz 13. Ciśnienie hydrostatyczne wynikające z usytuowania zbiornika 10, na wysokości ok. 7 m nad poziomem piasty zabezpieczy smarowanie piasty.

117

Rys.3.4 System olejowy śruby nastawnej: l - zbiornik oleju, 2 - skrzynia rozrządu oleju, 3 - pompy za¬silające, 4 - blok zaworów, 5 - rurociąg spływu oleju siłowego, 6 - chłodnica, 7 - rurociąg spływu oleju smaru¬jącego, 8 - zawór zwrotny, 9 - zawór zwrotny, 10 - zbiornik grawitacyjny, 11 - rurociąg oleju smarującego i uzupełniającego zbiornik, 12 - pompa uzupełniająca olej, 13 - rozdzielacz, 14 - końcówka smarowania przy zatrzymanym silniku, 15 - końcówka do awaryjnego ustawienia skoku śruby, 16 - zawór odcinający, 17 - zawór odcinający, 18 - zawór odcinająco - redukcyjny, 19 - zawór odcinający, 20 - zawór zwrotny, 21 - zawór zwrot¬ny, 22 - presostat, 23 - rurociąg przelewowy, 24 - dźwignia sterowania awaryjnego

118

3.3.2 Śruba nastawna typu PH-R

Obecnie firma ABB-Zamech produkuje śruby napędowe oznaczone inną symboliką np. Typ PH-R. Pierwsza litera P oznacza typ piasty, litera H odnosi się do mechanizmu zmiany skoku, a litera R doty-czy typu rozrządu oleju. Opis stosowanych oznaczeń:

P siłownik znajduje się poza piastą; dotyczy jednostek o małych mocach,

PH siłownik zmiany skoku znajduje się wewnątrz piasty; rozwiązanie nowsze dla jednostek o bardzo dużych mocach i dużych średnicach piasty,

PZ siłownik typu P ze zwiększonym skokiem; stosowany np. na żaglowcach,

RPS przekładnia redukcyjna z mechanizmem rozrządu oleju i mechanizmem zmiany skoku we-wnątrz,

RH skrzynia rozrządu oleju z siłownikiem zmiany skoku (bez przekładni),

RHZ skrzynia rozrządu oleju z siłownikiem zmiany skoku o wydłużonej wartości: stosowana z piastą typu PZ,

RK skrzynia rozrządu oleju zawieszona na przekładni redukcyjnej,

R skrzynia rozrządu oleju bez siłownika zmiany skoku; współpracuje z piastą typ PH.

Główne zespoły (rys. 3.5) instalacji śruby nastawnej typu PH-R, stanowią:

• śruba napędowa nastawna typu PH (l),

• zespół wału śrubowego (2),

• sprzęgło wału śrubowego (3),

• zespół rozrządu oleju typu R (4),

• układ zdalnego sterowania (5),

• układ olejowy (6-11).

Q Śruba napędowa nastawna typu PH

Śruba napędowa składa się (rys.3.6) z piasty 2 z mechanizmem wewnętrznym, skrzydeł 73 oraz cy-lindra siłowego 161 umieszczonego w tylnej części piasty. Mechanizm wewnętrzny składa się z drąga prowadzącego 43 przenoszącego ruch posuwisto-zwrotny tłoka 148 poprzez części zespołu prowa-dzącego 45 i 46,na tarcze korbowe 71. Tarcze zmieniają ruch posuwisty tłoka na ruch obrotowy skrzy-deł 73 przykręconych do tarcz śrubami 75.

Olej siłowy powodujący ruch tłoka 148 jest doprowadzony na jedną lub drugą stronę tłoka rurami 136 i 137 znajdującymi się w wale śrubowym oraz połączoną z nimi rurą teleskopową 142 w drągu prowadzącym 43. W cylindrze na drągu prowadzącym 43 zabudowany jest zawór blokujący 175, po-wodujący blokadę skoku śruby w razie awarii systemu hydraulicznego. Zapewnia to utrzymywanie skoku na stałym, zadanym poziomie w przypadku zaniku ciśnienia zasilania.

Mechanizm wewnętrzny jest smarowany olejem znajdującym się w piaście, którą napełnia się przez korki 16 a ubytki są uzupełniane. Piasta posiada zawory zwrotne 33 i 34 z których 33 uzupełnia, pod ciśnieniem ze zbiornika grawitacyjnego, ewentualne ubytki oleju w piaście śruby, drugi 34 zabezpiecza piastę przed nadmiernym wzrostem ciśnienia oleju np. w skutek przecieków oleju siłowego z cylindra.

119

Rys. 3.5 Schemat blokowy instalacji śruby nastawnej typu PH

120

121

Rys. 3.6 Piasta śruby nastawnej typu PH

Opis rysunku 3.6

1 - wał śrubowy

2 - piasta

6 - śruba łącząca piastę z wałem

7. 54 - nakrętki

8. 55, 78,168 - pręt zabezpieczający

11,49,56, 176-kołek

16, 79-korek

25 - pokrywa

27, 97-tuleja

29,77, 102,139,152,153,172-pierścienieuszczelniające

33 - zawór zwrotny (0.02 MPa)

34 - zawór zwrotny (0. l MPa) 43 - drąg prowadzący

45 - część przednia zespołu prowadzącego

46 - część tylna zespołu prowadzącego

48 - podkładka odginana

53 - śruba zespołu prowadzącego

57, 79, 95, 170 - śruby mocujące

66 - kamień prowadzący

68 - czop

71 - tarcza korbowa

73 - skrzydło śruby

75 - śruba mocująca skrzydło

81 - uszczelka skrzydła śruby

91 - pokrywa cylindra

102 - pierścień uszczelniający

136 - rura wewnętrzna zespołu rurowego

137 - rura zewnętrzna zespołu rurowego

142 - rura teleskopowa

] 45 - nakrętka tłoka serwomotoru

146 - płyta zabezpieczająca

148-tłok

161 -cylinder

162, 173 - sznur gumowy

166 - śruba mocująca cylinder

169-pokrywa

175 - zawór blokujący

122

Q Zespół wału śrubowego.

Wał śrubowy 2 (rys. 3.5) osadzony jest w łożysku rufowym smarowanym olejem z odrębnej instala¬cji smarowniczej. Wał śrubowy posiada na całej swojej długości drążony centrycznie otwór, w którym zamontowany jest układ dwóch koncentrycznych rur, dostarczających olej siłowy do cylindra na jedną lub drugą stronę tłoka.

G Sprzęgło wału śrubowego

Sprzęgło typu SKF 3 służy do połączenia wału śrubowego 2 (rys.3.5) z wałem pośrednim na któ-rym osadzony jest mechanizm 4 zmiany skoku typu R. Korpus sprzęgła osadzony jest hydraulicznie na przednim końcu wału śrubowego.

G Zespół rozrządu oleju typu R

Zadaniem zespołu rozrządu oleju (rys.3.7) jest skierowanie oleju do piasty śruby poprzez zespół rur teleskopowych przechodzących wewnątrz drążonego wału śrubowego i utrzymanie zadanego (na sta-nowisku manewrowym) skoku śruby. W razie awarii sterowania zdalnego umożliwia ręczne (tzw. awa¬ryjne) sterowanie skokiem.

Korpus zespołu rozrządu oleju 2 (konstrukcja odlewana) osadzony jest na dwóch łożyskach ślizgo-wych 3 nawieszonych na wale rozrządu oleju l, który jednocześnie jest wałem pośrednim linii wałów. Doprowadzenie oleju do siłownika piasty odbywa się poprzez obie tuleje. W kierunku skoku NAPRZÓD wierceniem w tulei przedniej, w kierunku skoku WSTECZ wierceniem w tulei tylnej.

Na korpusie zespołu rozrządu oleju zamontowane są trzy podstawowe bloki (rys.3.8) służące do zdalnego i awaryjnego sterowania skokiem śruby:

1. na płaszczyźnie górnej korpusu - blok sterowania skokiem B2S (27) z dźwignią sprzężenia zwrotnego i z suwakiem rozrządu oleju,

2. na płaszczyźnie bocznej od strony obsługi zespołu - blok zaworów BZ (28), w którym znaj-dują się: zawory zwrotne zasilania, zawór bezpieczeństwa, zawór zwrotny rozdzielaczy, za-wór wybierający oraz kolektor zasilania i spływowy,

3. na płaszczyźnie bocznej przeciwnej do strony obsługi - blok przetwornika elektrohydraulicz-nego BPE(29).

Olej siłowy podawany jest przez jeden z dwóch agregatów pompowych do kolektora zasilania bloku BZ, następnie wierceniem w korpusie do suwak rozrządu oleju bloku B2S. W zależności od położenia suwaka olej podawany jest poprzez tuleje 3, rury 7 lub 8 na przednią lub tylną stronę tłoka siłownika w piaście śruby. Położenie suwaka w bloku B2S sterowane jest olejem doprowadzonym z bloku BPE rurami 59 do komór sterujących suwakiem. Olej zasilający blok BPE podawany jest rurą 58 z bloku BZ przez filtr średniodokładny 30.

Spływ oleju z cylindra siłownika odbywa się poprzez suwak rozrządu oleju w bloku B2S do komory środkowej korpusu 2, następnie wierceniem w korpusie do kolektora spływowego w bloku BZ skąd jest odprowadzany rurociągiem do głównego zbiornika olejowego śruby.

W przypadku awarii systemu hydraulicznego, tuleje 3 smarowane są olejem z komory środkowej korpusu 2 do której poprzez blok zaworowy BZ podłączony jest pomocniczy agregat pompowy.

W czasie pracy śruby smarowanie piasty odbywa się (poprzez otwór w wale 1) olejem z komory środkowej korpusu 2.

123

124

Rys. 3.7 Zespół rozrządu oleju typu R

125

Rys. 3.8 Skrzynia rozrządu oleju typu R

Oznaczenia rysunków 3.7 oraz 3.8

1 - wał rozrządu oleju

2 - korpus 3,15-tuleja

4 - pokrywa przednia

5 - pokrywa tylna

6 - pierścień ślizgowy

7 - rura zewnętrzna

8 - rura wewnętrzna

9 - rura awaryjnego przesterowania

10 - zawór awaryjnego przesterowania

11 - drążek sprzężenia zwrotnego 12, 16-tulejki 13 - kolek przedni 14-kołek tylny 17 - pokrywa

18-wpust

19-listwa

20. 66, 67 - korek

21. 25-nakrętka 22-tabliczka 24 - śruba dwustronna 26-kołek

27 - blok sterowania skokiem B2S

28 - blok zaworów BZ

29 - blok przetwornika elektrohydraulicznego

30 - filtr

31-38-śruby

51 - śruba z uchem

58, 59 - rura

68 - trzpień zabezpieczający

70-83 - pierścień uszczelniający „O"

84 - wkręt

126

G Układ olejowy Układ oleju siłowego

Instalacja śruby nastawnej posiada oddzielny zbiornik oleju l (rys.3.9) o dużej pojemności umieszczony poniżej zespołu rozrządu oleju. Ze zbiornika l poprzez filtry 2 olej zasysany jest przez agregat pompo¬wy 3 i tłoczony dalej do bloku zaworów 4 (BZ) i do bloku sterowania skokiem 5 (B2S) nabudowanych na korpusie zespołu rozrządu oleju. Rurociągi spływu oleju siłowego z bloku zaworów BZ oraz z chłodnicy 10 znajdują się na zewnątrz mechanizmu.

Układ awaryjnego smarowania

Zasadniczymi elementami układu awaryjnego smarowania są zbiornik grawitacyjny 24 (rys. 3.9) oraz zasilający go agregat pompowy 20. Układ awaryjny jest załączany w czasie postoju statku. Ma to na celu zapewnienie ciśnienia oleju wewnątrz piasty śruby. Agregat pompowy 20 wykorzystywany jest również do smarowania łożysk zespołu rozrządu oleju w czasie pływania awaryjnego z zablokowanym skokiem śruby. W tym stanie pracy wyłączony jest główny agregat pompowy 3. Opis awaryjnego ustawiania skoku śruby typu PH-R znajduje się w rozdz. 3.4.2.3.

3.4 Systemy zdalnego sterowanie zespołem napędowym ze śrubą nastaw¬ną firmy ZAMECH

3.4.1 Układ sterowania ze śrubą nastawną typu EF

3.4.1.1 Załączenie zasilania układu zdalnego sterowania

Bardzo ważny wpływ na dokładność i niezawodność działania pneumatycznych elementów i urzą¬dzeń automatyki ma odpowiednie przygotowanie powietrza zasilającego. Powietrze powinno spełniać następujące warunki:

• ciśnienie powietrza powinno być stałe, niezależne od zmian obciążenia urządzenia zasilanego oraz warunków zewnętrznych, nie może zawierać zanieczyszczeń stałych mogących spowodować za¬tkanie dysz, oporów pneumatycznych oraz przyspieszone wypracowywanie zasilanych elementów,

• wilgotność względna powietrza nie powinna być większa od 80% ze względu na możliwość wy-kraplania się wody zatykającej dysze i opory pneumatyczne, możliwość korozji.

Prezentowany opis dotyczy schematów umieszczonych na rysunkach 3.10 oraz 3.11. Na rys. 3.11 pozostawiono Oryginalne oznaczenia firmy LIAAEN, natomiast na rys. 3.10 wprowadzono oznaczenia własne. Jeżeli różne oznaczenia będą dotyczyły tego samego elementu, to zostanie to uwzględnione w opisie. Oznaczenia w nawiasie dotyczyć będą rys.3.11, oznaczenia bez nawiasu - rys.3.10.

Sprężone powietrze dla układu zdalnego sterowania pochodzi z sieci powietrza rozruchowego si¬łowni i jest poddawane obróbce w stacji przygotowania powietrza l (J-92). W skład stacji wchodzą:

odwadniacz, zawór redukcyjny o ciśnieniu wyjściowym 5-^7 kG/cm^, odoliwiacz i zawór redukcyjny o ciśnieniu wyjściowym 1,5-5-2 kG/cm^. Stacja posiada dwie linie obróbki powietrza.

Powietrze po oczyszczeniu i zredukowaniu do ciśnienia ok. 7 kG/cmr zostaje osuszone w osusza¬czu 2 (.7-60), a następnie doprowadzone przed rozdzielacz 3 (J-104) oraz presostat kontroli ciśnienia zasilania 4 umieszczone w pulpicie sterowania skokiem w CMK. Rozdzielacz 3 (J-104) pełni funkcję głównego zaworu zasilającego. Przesterowanie rozdzielacza spowoduje doprowadzenie powietrza

127

1. piasta śruby

2. wał śrubowy

3. sprzęgło SK

4. zespół rozrządu oleju

5. wał rozrządu

6. główny zbiornik oleju

7. zbiornik grawitacyjny oleju

8. zawór dławi ąco-zwrotny 9-12 rurociągi

13 złączka bagnetowa

14 końcówka szybko-złączna

15 wąż smarowania śruby

16 zawór zwrotny

17 zawór trójdrożny

18 wąż awaryjnego przesterowania

19 końcówka szybko-złączna

20 zawór zwrotny p=0.02 MPa

21 zawór zwrotny p=0.1 MPa

22 agregat smarny

23 filtr oleju

24 zawór odcinający

25 zawór odcinający

1. stacja przygotowania powietrza

2. osuszacz powietrza

3. rozdzielacz głównego zasilania

4. presostat ciśnienia powietrza zasilania UZS

5. rozdzielacz wyboru miejsca sterowania

6. dźwignia sterowania skokiem śruby z CMK

7. dźwignia sterowania skokiem śruby i prędkością obrotową z mostka

8. siłownik na dźwigni nastawy prędkości obrotowej w CMK

9. łącznik pneumatyczny

10. serwomechanizm nastawy prędkości obrotowej

11. reduktor nastawy prędkości obrotowej i skoku śruby z mostka

12. rozdzielacz sposobu nastawy prędkości obrotowej (z późnieniem lub bez opóźnienia)

13. rozdzielacz sposobu nastawy skoku śruby (z opóźnieniem lub bez opóźnienia)

14. rozdzielacz wyboru jazdy na WSTECZ (podczas sterowania z mostka)

15. rozdzielacz wyboru jazdy na NAPRZÓD (podczas sterowania z mostka)

16. zawór ograniczenia skoku NAPRZÓD

17. zawór wyższego sygnału

18. zawór wyższego sygnału

19. tablica elementów w pobliżu skrzyni rozrządu

20. zawór ograniczenia skoku WSTECZ

21. zawór łączący

36. zawór odcinająco-redukcyjny

Rys. 3.10 Schemat układu sterowania śrubą nastawną ZAMECH-LIAAEN

130

Rys, 3.11 Schemat układu sterowania śrubą nastawną ZAMECH-LIAAEN

131

zasilającego przed rozdzielacz wyboru punktu sterowania 5 oraz do zaworu odcinająco-redukcyjnego 36 (J-107) umieszczonego na skrzyni rozrządu oleju. Zadaniem tego zaworu jest zasilanie dyszy stru-mieniowej olejem o stałym ciśnieniu. Jeśli rozdzielacz 5 ustawiony jest w położenie STEROWANIE Z CMK powietrze zasilające podane zostanie do zadajnika skoku śruby 6 z jednoczesną kontrolą ciśnienia tego powietrza. W CMK i na mostku świecą się lampki sygnalizacyjne STEROWANIE Z CMK. Jeśli nawigator chce przejąć sterowanie zespołem napędowym na mostek powinien ustawić nadajnik tele¬grafu maszynowego, umieszczonego na pulpicie mostkowym, w położeniu STEROWANIE ZDALNE. Obsługa w CMK potwierdza rozkaz ustawiając odbiornik telegrafu w identyczne położenie oraz od¬powiednim przełącznikiem przesterowuje rozdzielacz 5. Powietrze sterujące zostanie odcięte od zadaj¬nika skoku w pulpicie w CMK i doprowadzone poprzez łącze L (rys. 3.10) do zaworu 7 sterującego skokiem śruby i prędkością obrotową silnika umieszczonego w pulpicie mostkowym, do siłownika pneumatycznego 8 celem uniesienia zębatki na rękojeści dźwigni nastawy prędkości obrotowej w CMK oraz łącznika pneumatycznego 9 celem połączenia regulatora obrotów z serwomotorem zdalnej nasta¬wy prędkości obrotowej 10 (J-114). Gasną lampki STEROWANIE Z CMK, a presostat umieszczony na pulpicie mostkowym zapala na obu pulpitach lampki STEROWANIE Z MOSTKA.

Rozwiązania techniczne sposobu przekazywania sterowania pomiędzy mostkiem, a CMK mogą być różne na różnych statkach.

Zawory sterowania skokiem i prędkością obrotową umieszczone w pulpicie mostkowym sprzężone są za pomocą krzywki z dźwignią telegrafu maszynowego. Przełącznikiem mechanicznym można zmienić ruch dźwigni telegrafu ze skokowego na ciągły.

Regulatory prędkości obrotowej firmy WOODWORD typu PG (w odróżnieniu od regulatorów ty-pu UG) umożliwiają bezpośrednie zadawanie prędkości obrotowej sygnałem pneumatycznym. Dlatego też na statkach wyposażonych w regulatory PG nie instaluje się serwomotoru nastawy obrotów J-\ 14 oraz łącznika J-28.

Konstrukcja łącznika pneumatycznego J-28 jest taka, że uniemożliwia ustawienie prędkości obro-towej silnika niższej od stabilnych obrotów minimalnych. Dzieje się tak wtedy, gdy wartość sygnału sterującego doprowadzona do serwomotoru J-114, jest z różnych względów, mniejsza od poziomu obrotów minimalnych.

3.4.1.2 Sterowanie skokiem śruby i prędkością obrotową silnika

Zdalne sterowanie skokiem śruby nastawnej i prędkością obrotową silnika realizowane jest z dwóch pulpitów:

• ze sterówki, gdzie przy pomocy jednej dźwigni sterującej jednocześnie zadaje się skok śruby i pręd-kość obrotową silnika zgodnie z programem H =f(n),

• z CMK, gdzie oddzielnymi dźwigniami ustala się wartości skoku śruby i prędkości obrotowej silni-ka.

G Sterowanie z pulpitu nawigacyjnego

Żądany kierunek jazdy NAPRZÓD lub WSTECZ wybierany jest przez wychylenie dźwigni sterują-cej 7 z położenia STOP na odpowiednie pole ruchowe. Zależnie od kąta wychylenia dźwigni na wyjściu zaworu redukcyjnego 11 (J-76c) pojawia się modulowany sygnał pneumatyczny, który przez łącze M (rys.3.10) doprowadzony zostaje do pulpitu w CMK. Sygnał po przejściu przez człon opóźniający ule¬ga rozdzieleniu na dwa strumienie. Jeden przez rozdzielacz 12 (rys. 3.10) zostaje doprowadzony do serwomotoru 10 (J-114) jako sygnał nastawy prędkości obrotowej, drugi przez rozdzielacz 13 skiero¬wany jest do przekaźników pneumatycznych lvi 15. Przekaźniki te sterowane są sygnałem elektrycz¬nym wysyłanym z dźwigni sterującej 7. Wychylenie dźwigni w kierunku NAPRZÓD spowoduje prze-

132

sterowanie przekaźnika 14. Sygnał sterujący, który znajdował się na jego wejściu zostaje przepuszczo-ny i poprzez zawór wyższego sygnału 17 (rys.3.10), zawór ograniczenia skoku naprzód 16 (J-121), filtr, wyjście E jest doprowadzony do tablicy kontrolnej zdalnego sterowania 18 (J-91). Wybór kierun-ku jazdy WSTECZ spowoduje przesterowanie przekaźnika 15, który przepuści sygnał sterujący do za-woru wyższego sygnału 19 (rys.3.10), następnie poprzez filtr, wyjście F, do tablicy J-91. Tablica umieszczona jest w pobliżu skrzyni mechanizmu rozrządu oleju. Obydwa sygnały sterujące doprowa¬dzone zostają, w zależności od wybranego kierunku jazdy, do zaworu łączącego 21 (J-120) z tym, że sygnał WSTECZ wcześniej przechodzi przez zawór ograniczenia skoku wstecz 20 (J-91-1). Zawory ograniczenia skoku naprzód (umieszczony w pulpicie CMK) oraz wstecz są zaworami redukcyjnymi o regulowanej wartości ciśnienia na wyjściu. Oznacza to, że sygnał wyjściowy nigdy nie przekroczy po¬ziomu wartości sygnału ustalonego w reduktorze przy pomocy pokrętła. Umożliwiają one mechaniko¬wi ograniczenie wartości maksymalnego poziomu skoku śruby wysyłanego z pulpitu nawigacyjnego do serwomechanizmu zmiany skoku tak, aby nie występowały przeciążenia silnika.

Sygnały sterujące (NAPRZÓD lub WSTECZ) z zaworu łączącego 21 (J-120) przepływają do jednej z przeciwległych komór pneumatycznych wzmacniacza strumieniowego J-111, gdzie powodują wy-chylenie dyszy sterującej 23 z położenia równowagi. Dysza zasilana jest olejem doprowadzonym przez zawór redukcyjno-odcinający 36 (.7-107). Wychylona z położenia równowagi dysza kieruje olej do jednej z komór zaworu (wzmacniacza) suwakowego 24 (J-105). Wzmacniacz zasilany jest olejem siło¬wym dostarczonym bezpośrednio z pomp podających 25 (J-53). Kieruje on olej roboczy do wierceń w wale rozrządu oleju i dalej przez układ rurowy dla biegu NAPRZÓD lub WSTECZ do piasty śruby 26 (7-62), w którą wbudowany jest serwomotor zmiany skoku. Olej wywiera tam nacisk na jedną ze stron tłoka powodując jego przesunięcie w kierunku działania siły nacisku. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka zostaje zamieniony na ruch obrotowy tarczy korbowej do której przymocowane są skrzydła śruby. Z układem rurowym doprowadzającym olej roboczy do piasty, wodzony jest pierścień sprzężenia zwrot¬nego 27 (J-99), który połączony jest drążkami z innym pierścieniem ślizgowym 28. Cały układ wyko¬nuje ruch posuwisto-zwrotny razem z tłokiem. Ruch tłoka poprzez kamień w pierścieniu ślizgowym oraz układ dźwigni 29 (J-11 la) oddziaływuje zwrotnie na dyszę strumieniową 23.

Zadaniem układu sprzężenia zwrotnego (nazywanego też układem odwodzenia) jest ustawienie rur¬ki strumieniowej 23 w położenie środkowe, gdy skok śruby uzyskał położenie odpowiadające wartości zadanej na dźwigni sterującej. Ustawienie rurki strumieniowej w położeniu środkowym, spowoduje ustawienie wzmacniacza suwakowego 24 (J-105) w położenie środkowe tj. odcinające dopływ oleju roboczego do piasty śruby. Proces zmiany skoku śruby zostanie zakończony.

Drążek 30, cylinder 31 oraz sprężyna 32 pełnią funkcję węzła sumującego, w którym porównywane są dwa sygnały:

• sygnał wartości zadanej skoku śruby, który można wyrazić wartością siły pochodzącej od ciśnienia powietrza sterującego p w komorach L^ lub L„; FZad = P x A, gdzie A jest polem powierzchni

czynnej membran,

• sygnał wartości rzeczywistej skoku śruby wyrażony wartości siły napinającej sprężynę 32 pocho-dzący od układu sprzężenia zwrotnego. Wartość siły napinającej sprężynę F$pr = k x x, gdzie: k -stała sprężyny 32, x - wartość przesunięcia. W stanie równowagi, gdy obie siły są sobie równe (Fzad = Fspr) rurka strumieniowa powinna zająć środkowe położenie, a skok śruby osiągnąć wartość zadaną sygnałem pneumatycznym. Ustalony skok śruby zostaje utrzymany do następnej zmiany sygnału sterującego, względnie do momentu zadziałania układu zabezpieczenia silnika przed przeciążeniem. Zła regulacja układu sprzężenia zwrotnego może doprowadzić do oscylacyjnych zmian położenia płatów śruby.

133

Q Sterowanie z pulpitu w CMK

Ustawienie rozdzielacza 5 (rys.3.10) w położenie STEROWANIE Z CMK odpowietrza poprzez łą-cze L (rys.3.10) szereg Unii uniemożliwiając tym zdalne sterowanie z mostka. Zasilony zostaje nato-miast zadajnik skoku 6 umieszczony w pulpicie CMK. Proporcjonalnie do wychylenia dźwigni sterują¬cej w kierunku NAPRZÓD lub WSTECZ wysłany zostanie sygnał pneumatyczny do jednego z dwóch zaworów wyższego sygnału 17 lub 19, a dalej jak opisano w części dotyczącej sterowania z mostka.

Prędkość obrotowa silnika ustalana jest za pomocą dźwigni sterującej umieszczonej w odsuniętym stanowisku manewrowym OSM.

3.4.1.3 Awaryjne ustawianie skoku śruby

W przypadku uszkodzenia sterowania skokiem śruby (brak ciśnienia oleju) istnieje możliwość usta¬wienia skrzydeł śruby w położenie pełnego skoku naprzód i praca, jak dla śruby o stałym skoku. Należy w tym celu podłączyć końcówkę węża 15 (rys.3.4) do otworu 23 (rys.3.3) w przednim kołnierzu wału rozrządu. Następnie należy zamknąć zawór 16 (rys.3.4), otworzyć zawór 17 i załączyć pompę 12. W pierwszej fazie tłoczenia oleju ruchoma tuleja 24 (rys.3.3) odcina połączenie z podstawowym systemem hydraulicznym przez otwór 14 (rys.3.3) i blokuje w ten sposób odpływ oleju. W następnej fazie cały wydatek pompy skierowany zostaje do wnętrza rury i przez rurociąg w otworze wału śrubowego do¬staje się do cylindra. Spowoduje to przesunięcie tłoka w skrajne prawe położenie. W czasie pracy pom¬py 12 (rys.3.4) należy ręcznie przestawiać dźwignię sterowania miejscowego 24 w kierunku NAPRZÓD, by umożliwić spływ oleju z dziobowej strony cylindra (z przestrzeni sterowania WSTECZ).

Operacje te muszą być przeprowadzone przy zatrzymanym silniku. Zupełną szczelność komory NAPRZÓD w cylindrze zapewnia uszczelka gumowa 9 (rys.3.2). Uszczelka nie pracuje w trakcie nor¬malnego sterowania skokiem śruby.

Po zakończeniu operacji awaryjnego przesterowania śruby należy odłączyć wąż 15 (rys.3.4) i zaśle¬pić otwór 23 (rys.3.3) korkiem, co zapewni szczelność układu i utrzymanie skrzydeł w położeniu CAŁA NAPRZÓD.

Podczas normalnej pracy układu sterowania skok śruby nie jest wykorzystywany w 100% konstruk-

cyjnego skoku siłownika. Praca przy awaryjnie ustawionym maksymalnym skoku NAPRZÓD i przy

P wysokich obrotach śruby, może to doprowadzić do przeciążenia silnika. Dlatego należy utrzymywać

prędkość obrotową zależną od warunków zewnętrznych na poziomie nie powodującym przeciążenia

silnika.

3.4.1.4 Zabezpieczenie silnika przed przeciążeniem

Regulatory prędkości obrotowej firmy WOODWORD, stosowane na silnikach współpracujących ze śrubą nastawną, są wyposażane w elementy (przystawkę) kontroli obciążenia silnika głównego. Za¬daniem tego urządzenia jest zmniejszenie obciążenia silnika poprzez redukcję skoku śruby gdy wartość momentu obrotowego przekraczy dopuszczalną granicę. Rysunek 3.12 przedstawia schemat urządze¬nia kontroli obciążenia zastosowanego w regulatorach typu PGA firmy Woodward.

Do regulatora, a dokładniej do suwaka sterującego, doprowadzony jest przewodem olej z obiegu smarowania silnika. Suwak steruje dopływem oleju do dwóch kanałów. Kanał górny połączony jest ze sterowaniem przekaźnika hydrauliczno-pneumatycznego (rys.3.11; poz.37) redukującego skok śruby. Kanał dolny połączony jest ze spływem oleju; na statkach polskich armatorów kanał nie jest wykorzy¬stywany. Można go wykorzystać do zwiększenia skoku śruby. Uniesienie suwaka, warunkujące reduk¬cję obciążenia, uzależnione jest od: położenia tłoka zadawania wartości prędkości obrotowej oraz poło¬żenia tłoka siłownika sterującego listwą pomp paliwowych. Tak więc dawka paliwa, przy której nastę-

134

puje redukcja obciążenia silnika, uzależniona jest od zadanej prędkości obrotowej i aktualnego obciąże-nia silnika głównego.

Rys.3.12. Urządzenie kontroli obciążenia w regulatorze PGA firmy Woodward: l - śruba zaciskowa mimośrodu, 2 - mimośród nastawczy, 3 - śruba nastawcza nachylenia charakterystyki, 4 - punkt zawieszenia suwaka

Rys.3.13. Charakterystyki urządzeń kontroli i ograniczenia obciążenia: a) charakterystyka urządzenia kontroli obciążenia; b) charakterystyka urządzenia ograniczenia obciążenia; M- moment obrotowy, WQ - wskaź¬nik obciążenia, n - prędkość obrotowa

135

Charakterystykę pracy urządzenia kontroli obciążenia ustala się poprzez odpowiednie ustawienie położenia mimośrodu 2 oraz punktu zawieszenia suwaka 4.

Na statkach gdzie sterowanie zespołem napędowym realizowane jest przez zmianę wartości zadanej skoku śruby i prędkości obrotowej w całym polu eksploatacji silnika, charakterystyka urządzenia kon¬troli obciążenia może mieć postać jak na rys.(3.13a). Charakterystyka ta jest linią prostą przechodząca przez punkty A i B. Punkty te określone są przez odpowiednie wartości obciążenia, na krzywej śrubo¬wej, oraz odpowiadające im wartości prędkości obrotowej.

Regulację pracy urządzenia kontroli obciążenia przeprowadza się na stanowisku symulacyjnym lub na statku. Bardzo dokładnie należy ustawić punkt pracy A, tzn. górny zakres obciążenia silnika. Po ustawieniu nominalnej prędkości obrotowej silnika zwiększa się jego obciążenie, przez zwiększanie skoku śruby, do wartości przy której powinien pojawić się na wyjściu z regulatora prędkości obrotowej sygnał redukcji skoku śruby. Dokładne ustawienie dokonuje się przez zmianę położenia mimośrodu 2 po zluzowaniu śruby zaciskowej l. Po ustaleniu punktu A sprawdza się pochylenie charakterystyki tzn. ustala się położenie punktu B. Zmianę pochylenia charakterystyki przeprowadza się przez zmianę poło¬żenia punktu zawieszenia 4 suwaka na łączniku, obracając śrubę nastawczą 3. Zmiana nachylenia cha¬rakterystyki zmienia również położenie punktu A. Regulację należy powtórzyć od początku tzn. po¬nownie ustalić położenie punktu A oraz nachylenie charakterystyki. UWAGA: nie należy obracać mi-mośrodem 2 przy zbyt mało poluzowanej śrubie zaciskowej l, aby nie złamać końcówki mimośrodu.

W układach napędowych, w których silnik pracuje ze stałą prędkością obrotową ze względu np. na pracę prądnicy wałowej, wartość obciążenia silnika przy którym następuje redukcja skoku śruby po-winna być dobrana bardzo dokładnie w zakresie (1004-110%) momentu nominalnego. Natomiast po-chylenie charakterystyki (mniej istotne w tym przypadku) powinno być tak ustalone, aby linia granicz¬nego obciążenia nie przechodziła poniżej początku układu współrzędnych rys.3.13b. Niepoprawne ustalenie pochylenie charakterystyki spowoduje, że po zatrzymaniu silnika, pojawi się sygnał redukcji skoku na wyjściu z regulatora prędkości obrotowej.

Informacja o przeciążeniu silnika, wypracowana przez układ kontroli obciążenia, zapoczątkowuje serię działań które w efekcie prowadzą do zmniejszenia skoku śruby, a przez to, do zmniejszenia obcią¬żenia silnika. Działanie to można porównać do redukcji biegu w samochodzie gdy kierowca wjeżdża na wzniesienie.

W momencie gdy obciążenie silnika przekracza wartość dopuszczalną, z regulatora prędkości ob-rotowej wysłany zostaje sygnał sterujący do rozdzielacza pneumatycznego 37 i przesterowuje go. Roz¬dzielacz zasilany jest powietrzem o ciśnieniu 1,5+2 kG/cm^ ze stacji przygotowania powietrza. Przeste-rowany rozdzielacz przepuszcza sygnał pneumatyczny (nazwany dalej sygnałem korekcyjnym) do za¬woru łączącego 21 (J-120). Konstrukcja zaworu łączącego jest taka, że sygnał korekcyjny pojawia się zawsze na wyjściu zaworu, w linii przeciwnej niż zadany dźwignią sterującą sygnał skoku śruby. Jeśli przeciążenie silnika nastąpiło podczas jazdy NAPRZÓD, sygnał korekcyjny pojawi się w linii sterowa¬nia skokiem na WSTECZ i odwrotnie. Z zaworu łączącego sygnał korekcyjny podany zostaje do wzmacniacza strumieniowego 22 (.7-111) do komory przeciwnej niż sygnał z dźwigni. Spowoduje to wychylenie z położenia równowagi rurki strumieniowej i przesterowanie wzmacniacza mocy 24 (J-105). Olej roboczy przepływa do cylindra w piaście śruby i przemieszcza tłok serwomotoru w stronę zmniejszającą skok śruby. Spadek obciążenia (wartość zmniejszenia skoku śruby) zależy od wartości ciśnienia sygnału korekcyjnego.

Presostat 23 (rys.3. ), zasygnalizuje pojawienie się sygnału korekcyjnego. Informacja ta spowoduje, że w pulpitach na mostku i CMK zapala się lampka AUTOMATYCZNA REDUKCJA SKOKU ŚRUBY. Taki stan nie będzie trwał zbyt długo, ponieważ zmniejszenie obciążenia spowoduje wzrost prędkości obrotowej silnika. Regulator prędkości obrotowej zmniejszy więc wartość dawki paliwa po-dawanej do silnika, co spowoduje zdjęcie sygnału sterującego rozdzielaczem 37 przez urządzenie kon-

136

troli obciążenia. Linia sygnału korekcyjnego zostanie odpowietrzona, a skok śruby wróci do poziomu odpowiadającego wartości zadanej na dźwigni sterującej. Zwiększenie skoku śruby pociągnie za sobą wzrost obciążenia, co wywoła spadek prędkości obrotowej, a to z kolei zwiększenie (przez regulator) dawki paliwa podawanej do silnika i zadziałanie urządzenia kontroli obciążenia. Ponownie zaświeci się lampka AUTOMATYCZNA REDUKCJA SKOKU ŚRUBY. Aby zapobiec takiemu oscylacyjnemu zmniejszaniu i zwiększaniu się skoku śruby (a przez to ciągłej zmianie obciążenia silnika) należy zmniej¬szyć wychylenie dźwigni sterującej skokiem śruby - zmniejszyć zadaną wartość skoku śruby. Jeśli nie zrobi tego nawigator obsługujący dźwignię na mostku, to może to zrobić mechanik ograniczając mak¬symalną wartość skoku śruby. I tak, reduktorem 16 umieszczonym w pulpicie CMK zmniejsza się skok śruby przyjeździe NAPRZÓD, natomiast reduktorem 20 umieszczonym na tablicy kontrolnej 18 (J-91) zmniejsza się skok śruby podczas jazdy WSTECZ.

Pojemność 38 i zawór dławiący 30 służą do łagodzenia szybkości zmian skoku śruby podczas pracy układu zabezpieczającego. Zmieniając wartość oporu nastawnego 30 można regulować szybkość zmia¬ny obciążenia silnika.

3.4.2 Układ sterowania śrubą nastawną typu PH

3.4.2.1 Podstawowe czynności obsługi układu olejowego

Odpowiednie ciśnienie oleju wewnątrz piasty śruby musi być zapewniane niezależnie czy statek pły¬nie czy stoi w porcie. Wyróżniamy trzy stany pracy układu olejowego:

1) główny agregat pompowy 3 (rys.3.9a) pracuje: ciśnienie zapewnione jest automatycznie z we¬wnętrznego układu hydraulicznego śruby nastawnej,

2) główny agregat pompowy 3 nie pracuje i śruba nie obraca się (postój statku): celem zapewnienia odpowiedniego ciśnienia oleju w piaście śruby należy wykonać następujące czynności:

• zabezpieczyć wał śrubowy przed obracaniem,

• złączkę bagnetową 13 (rys.3.9b) węża smarowania śruby 15 włożyć do otworu promieniowego w rufowym kołnierzu wału rozrządu oleju po uprzednim wykręceniu korka z tego otworu,

• drugi koniec tego węża wcisnąć na końcówkę szybkozłączną 14 stanowiącą koniec rurociągu 10,

• sprawdź, czy zawór 24 znajduje się w pozycji otwartej,

• w celu uniknięcia wycieku oleju ze zbiornika grawitacyjnego 7 przez zespół rozrządu oleju należy przestawić zawór trójdrożny 17 w pozycję uniemożliwiającą przepływ oleju do zespołu,

• włączyć agregat pomocniczy 22; przełącznik sterowania agregatem powinien znajdować się w po¬zycji STEROWANIE AUTOMATYCZNE; wnętrze piasty śruby nastawnej znajduje się wówczas pod ciśnieniem grawitacyjnym, zależnym od wysokości umieszczenia zbiornika grawitacyjnego 7 powyżej linii wodnej; poziom oleju w zbiorniku grawitacyjnym jest automatycznie uzupełniany przez agregat pomocniczy 22 sterowany czujnikiem poziomu oleju LSA; gdy agregat nie pracuje (np. brak zasilania) ubytek oleju w zbiorniku należy uzupełniać ręcznie.

3) główny agregat pompowy 3 nie pracuje a śruba musi się obracać przy zablokowanym skoku (jazda awaryjna). W tym celu należy wykonać następujące czynności:

• zamknąć zawór 24,

• włączyć agregat pomocniczy 22; przełącznik sterowania agregatem powinien znajdować się w po¬zycji STEROWANIE RĘCZNE

137

Spowoduje to, że olej z agregatu 22 dostarczany będzie rurociągiem 12 do zaworu trójdrożnego 17 i dalej do korpusu zespołu rozrządu oleju jako olej smarujący łożyska zespołu i wywołujący nadciśnienie w piaście.

3.4.2.2 Podstawowe elementy układu sterowania

Q Blok zaworów BZ

Blok zaworów nabudowany jest na zespole rozrządu oleju (rys.3.8, 3.9). Wewnątrz bloku (rys.3.14) znajdują się następujące zawory:

• bezpieczeństwa,

• zwrotnego (rozdzielającego),

• wybierającego,

• dwóch zaworów zwrotnych płytkowych.

Blok zaworów BZ przeznaczony jest do zasilania olejem podzespołów układu hydraulicznego sterowa¬nia skokiem śruby.

Do korpusu bloku l (rys.3.14), od dołu, przykręcony jest podzespół króćców, w którym znajdują się dwa króćce 6 i 7 doprowadzające olej od pomp oleju siłowego oraz króciec 17 oleju spływowego. Króciec 17 połączony jest otworem w korpusie rozrządu oleju ze środkową komorą tego zespołu. W podzespole króćców znajdują się dwa płytkowe zawory zwrotne. Są one umieszczone na wlocie oleju z pomp. W specjalnie ukształtowanych dwóch gniazdach wykonanych w korpusie 2 umieszczono dwa grzybki zaworu 11 wykonane w kształcie okrągłych płytek z czterema odsadzeniami (skrzydełkami) na obwodzie. Zawory te posiadają zwartą budowę i są niezawodne w działaniu. W czasie pracy bloku zaworów otwarty jest zawór zwrotny, poprzez który podawany jest olej z pompy do bloku zaworów. Drugi zawór jest zamknięty Pomiędzy zaworami zwrotnymi, poniżej gniazda tych zaworów znajduje się kulkowy zawór wybierający, składający się z gniazda zaworu 5 i kulki 13. Poprzez ten zawór oraz poprzez przyłącze 14 wyprowadzono sygnał ciśnienia oleju siłowego dla sterowania pracą pomp głów¬nych.

Z korpusu bloku l z przestrzeni nad zaworami zwrotnymi, wyprowadzone są przyłącza 15 i 16. Po¬przez przyłącze 15 wyprowadzony jest sygnał ciśnienia oleju w kanale siłowym K bloku zaworów na¬tomiast poprzez przyłącze 16 podawany jest olej zasilający blok przetwornika elektrohydraulicznego BPE.

Na linii doprowadzenia oleju siłowego do bloku sterowania skokiem B2S, znajduje się zawór zwrotny, zwany zaworem rozdzielającym. Gdy ciśnienie oleju siłowego w kanale K przekracza ciśnie¬nie otwarcia tego zaworu, czyli 1.2-5-1.5 MPa, wówczas grzybek 10 otwiera się, a olej przepływa do kanału N skąd przez wiercenie w korpusie zespołu rozrządu oleju podawany jest do zaworu suwako¬wego w bloku sterowania skokiem B2S. Jeżeli ciśnienie spadnie poniżej l .2 MPa, co ma miejsce przy przesterowaniu skoku śruby z NAPRZÓD na WSTECZ, zawór przymyka się i dzięki temu ciśnienie oleju zasilającego blok przetwornika elektrohydraulicznego BPE, przez złączkę 16, nie spada poniżej wartości 1.2^-1.5 MPa.

Jeżeli ciśnienie w kanale K nadmiernie wzrośnie, wówczas unosi się grzybek 19 zaworu przelewo¬wego zwanego zaworem bezpieczeństwa i następuje przelew oleju siłowego do kanału spływu L. Ci¬śnienie otwarcia zaworu przelewowego regulowane jest napięciem sprężyny 21 tego zaworu.

Spływ oleju siłowego z bloku sterowania skokiem B2S doprowadzony jest do kanału L w bloku zaworowym, a następnie przez łącznik 17 na zewnątrz bloku zaworów do zbiornika oleju.

138

1 korpus

2 korpus zaworów zwrotnych

3 korpus zaworu bezpieczeństwa

4 sprężyna

5 gniazdo zaworu wybierającego

6,7 króćce wlotowe oleju z pomp zasilających

8 tłoczek zaworu

9 korek

10 grzybek zaworu rozdzielającego

11 płytka zaworu zwrotnego

12 wkładka

13 kulka zaworu 5/16

14 przyłączka do presostatu sterującego pracą pomp zasilających

15 przyłączka pomiaru ciśnienia oleju zasilającego (do manometru)

16 przyłączka zasilania bloku przetwornika elektrohydraulicznego BPE

18 tuleja

19 grzybek zaworu przelewowego

20 gniazdo sprężyny

21 sprężyna regulacyjna zaworu bezpieczeństwa

22 korek

23-32 pierścienie uszczelniające

K kanał oleju siłowego

L kanał spływu oleju siłowego

N kanał zasilania bloku sterowania skokiem B2S

A-A

Spfyw oleju do zbiornika

Rys. 3.14 Blok zaworów BZ

Q Blok przetwornika elektrohydraulicznego BPE

Blok przetwornika elektrohydraulicznego jest elementem układu zdalnego sterowania skokiem śru¬by nastawnej. Przeznaczony jest do elektrycznego sterowania położeniem suwaka rozrządu oleju a tym samym i siłownika zmiany skoku. Blok przetwornika elektrohydraulicznego BPE (rys.3.15) realizuje funkcje dwóch układów do zdalnego sterowania skokiem śruby nastawnej:

• układu sterowania przyciskowego o działaniu nieciągłym,

• układu sterowania nadążnego o działaniu ciągłym.

W obu przypadkach zdalnego sterowania podawany sygnał elektryczny przetwarzany jest w bloku BPE na sygnał hydrauliczny sterujący położeniem suwaka rozrządu oleju.

Blok przetwornika elektrohydraulicznego (rys. 3.16) składa się z następujących podzespołów:

Pl - korpusu bloku l, w którym osadzony jest dyfuzor 2 przetwornika oraz kulkowy zawór przelewo¬wy 5 (4 z rys.3.15), zabezpieczający przed nadmiernym wzrostem ciśnienia sterującego przy sterowaniu przyciskowym. Zawór ten może być ustawiony na ciśnie nie 0.6-=-!.2 MPa. W korpusie l znajduje się zwężka 4 (6 z rys.3.15), której zadaniem jest spowolnienie sterowania siłownikiem zadającym (SZ; rys.3.15) przy sterowaniu przyciskowym.

W korpusie bloku znajdują się cztery przyłącza:

• przyłącze 23 doprowadza olej zasilający z bloku zaworów BZ (wyjście 16 rys.3.14),

• dwa przyłącza 21 i 22, które doprowadzają olej sterujący do suwaka rozrządu oleju lub siłownika zadającego,

• przyłącze 24 odprowadza olej siłowy.

P2 - rozdzielacz dwupołożeniowy 19 (2; rys.3.15) przykręcony do czołowej strony korpusu l, stero-wany elektromagnesem. W stanie beznapięciowym rozdzielacz 19 kieruje olej zasilający do wzmacnia¬cza elektrohydraulicznego (rys.3.15) a w stanie napięciowym do rozdzielacza trójpołożeniowego 10 (3; rys.3.15) układu sterowania przyciskowego.

P3 - rozdzielacz trójpołożeniowy 10 (3; rys.3.15) o przykryciu dodatnim, sterowany elektromagne-tycznie. W stanie beznapięciowym suwak rozdzielacza znajduje się w położeniu środkowym i odcina podawanie oleju sterującego. Napięcie podane na jedną z cewek sterujących powodują podanie oleju do jednej z komór siłownika zadającego (SZ; rys.3.15).

P4 - zespół rurki strumieniowej przykręcony jest do korpusu. Ciśnienie oleju podawanego do rurki jest stabilizowane przez regulator ciśnienia. Zawór zwrotny l .2 MPa (rozdzielający w bloku zaworów BZ) zabezpiecza przed spadkiem ciśnienia zasilania przetwornika BPE, zaś regulator ciśnienia zabezpiecza przed wzrostem tego ciśnienia. Wartość ciśnienia ustala się przez zmianę napięcia sprężyny 8. Przyłącz-ka 9, w osi regulatora, służy do podłączenia manometru kontrolnego przy regulacji zespołu na fabrycz¬nej stacji prób.

Ustabilizowany olej sterujący podawany jest do rurki strumieniowej 11 osadzonej na rurce skrętnej 12. W osi rurki strumieniowej przymocowany jest rdzeń ferromagnetyczny 16 silnika momentowego. Koł¬nierz rurki skrętnej przymocowany jest do korpusu 25 zespołu rurki strumieniowej. Luzując śruby mo¬cujące ten kołnierz można przestawić położenie rurki strumieniowej 11 oraz rdzenia 16.

P5 - do korpusu zespołu rurki strumieniowej przykręcony jest zespół cewki silnika momentowego ste-rującego rurką 11. Cewka znajduje się w obudowie i wraz z dwoma parami magnesów stałych zalana jest żywicą epoksydową. W zależności od kierunku przepływu prądu przez cewkę, powstaje pole ma-gnetyczne oddziaływujące na rdzeń rurki strumieniowej i wychylające ją aż do oparcia się dolnego nita rdzenia 16 o kostkę 18. W korpusie kostki, nad rdzeniem, znajduje się korek 17 po wykręceniu którego

140

można sprawdzić położenie cewki w stanie bezprądowym. Rdzeń powinien znajdować się dokładnie w środku pomiędzy kostkami 18. Środkowe położenie można ustalić pokręcajĄc za kołnierz rurki skręt¬nej 12. Położenia tego w czasie pracy układu nie należy zmieniać.

Regulacja bloku BPE

Jeżeli w stanie bezprądowym rurka strumieniowa 11 nie znajduje się w osi dyfiizora 2 i w kanałach oleju sterującego występuje zróżnicowane ciśnienie, wówczas należy lekko poluzować śruby mocujące zespół rurki strumieniowej. Wkrętami regulacyjnymi 20 przesunąć cały zespół w stosunku do korpusu l aż do wyrównania ciśnień. Podzespół rurki strumieniowej będzie się obracał wokół kołka 3, co za¬bezpiecza przed przesuwaniem rurki strumieniowej w niepożądanym kierunku, a z drugiej strony chroni przed nadmiernym przewężeniem kanału doprowadzenia oleju zasilającego w miejscu styku korpusu zespołu rurki 25 z korpusem l.

Po wyregulowaniu bloku BPE zakładowej stacji prób nie powinien on być poddawany ponownym regulacjom na statku.

Rys. 3.15 Schemat działania przetwornika elektrohydraulicznego BPE; l - wzmacniacz elektrohy¬drauliczny (cewka pod napięcie przy sterowaniu zdalnym), 2 - rozdzielacz dwupołożeniowy (przeste-rowany w momencie włączenia sterowania awaryjnego skokiem śruby), 3 - rozdzielacz trójpołożenio-wy (przesterowywany przyciskami NAPRZÓD, WSTECZ podczas sterowania awaryjnego), 4 - zawór zwrotno-przelewowy, 5 - zawór redukcyjny (regulator ciśnienia), 6 - zwężka, SZ - siłownik zadający (steruje olejeni siłowym podawanym do piasty śruby nastawnej).

141

1 korpus

2 dyfuzor

3 kołek

4 zwężka (spowalnia sterowanie siłownika SZ przy sterowaniu przyciskowym

5 zawór przelewowy*

6 tłoczek regulatora ciśnienia

7 tulejka

8 sprężyna

9 śruba

10 rozdzielacz trójpołożeniowy

11 rurka strumieniowa

12 rurka skrętna

13 magnes stały

14 nit

15 cewka

16 rdzeń ferromagnetyczny

17 korek

18 kostka

19 rozdzielacz dwupołożeniowy

20 wkręt

21-24 przyłączki

25 korpus zespołu rurki strumieniowej

26 gniazdo „wtyczka"

27-35 pierścienie uszczelniające typu „O"

Rys. 3.16 Blok przetwornika elektrohydraulicznego

O Blok sterowania skokiem B2S

Blok sterowania skokiem B2S (rys.3.8) jest nabudowany na skrzyni rozrządu oleju typu R. Jest on przeznaczony do pracy w układzie elektrohydraulicznego sterowania skokiem śruby napędowej.

Blok sterowania skokiem składa się (rys.3.17, 3.18) z trzech zasadniczych elementów:

• korpusu,

• suwaka rozrządu oleju,

• dźwigni sprzężenia zwrotnego. Blok zawiera następujące mechanizmy:

• mechanizm rozrządu oleju siłowego,

• mechanizm dźwigniowy sprzężenia zwrotnego,

• mechanizm ręcznego zadawania skoku,

• mechanizm lokalnego wskazania skoku,

• mechanizm przetwarzania wartości skoku na sygnały elektryczne dla wskazań skoku i nadążnego sterowania zdalnego,

• mechanizm sygnalizacji skoku zerowego. Mechanizm rozrządu oleju siłowego

Trójdrogowy suwak rozrządu oleju 4 (rys.3.17) osadzono w korpusie l bloku sterowania, w któ-rym bezpośrednio umieszczono kanały sterujące olejem siłowym. Olej siłowy doprowadzono do komo¬ry środkowej K suwaka 4. Na obu końcach suwaka 4 znajdują się komory M i N, do których z ze¬wnątrz podawany jest olej sterujący poprzez przyłącze 36 (rys.3.18) umieszczone w bocznych pokry¬wach bloku 7. Jeżeli różnic ciśnień w obu komorach suwaka spowoduje pokonanie oporów hydraulicz¬nych przepływu oleju siłowego przez suwak oraz oporu tarcia sprzęgła ciernego, nastąpi przesterowa-nie suwaka. Przepływ oleju siłowego przez utworzone przesuwem suwaka kanały spowoduje ruch tłoka 148 (na rys.3.6) siłownika głównego skoku śruby i rozpocznie się proces zmiany skoku śruby nastawnej. Ruch tłoka siłownika głównego trwa tak długo, jak długo przesunięty jest z położenia środ¬kowego suwak rozrządu oleju. Po wyrównaniu ciśnień w komorach suwaka, nastąpi ustawienie suwa¬ka w położeniu środkowym przez ujemne sprzężenie zwrotne.

Mechanizm dźwigowy sprzężenia zwrotnego

Dźwignia'sprzężenia zwrotnego przykręcona jest do środkowej tulei 2 (rys.3.17) osadzonej w korpusie l, a tuleja 2 poprzez sprzęgło cierne łączy się ze sworzniem 3 znajdującym się wewnątrz tulei 2.

W sworzniu 3 prostopadle do jego osi wykonano stożkowy otwór i osadzono w nim sworzeń su-waka 12. Sworzeń suwaka połączono z suwakiem rozrządu oleju 4 w ten sposób, że w suwaku 4 wy-konano otwór prostopadle do osi suwaka, w którym osadzono suwliwie stożkową tuleję 28 dociskaną sprężyną 26 do kulistego zakończenia sworznia suwaka 12. Na drugim końcu dźwigni sprzężenia zwrotnego 9 osadzono kamień 20 w ten sposób, ze wewnątrz kamienia w otworze umieszczono pro-wadnice kamienia 29. W gwintowanym otworze, wykonanym prostopadle do osi wzdłużnej prowadni¬cy kamienia, umieszczono gwintowany czop sworznia 30. Sworzeń ten połączono z dźwignią przy pomocy klina 31. Sposób mocowania kamienia umożliwia jego samonastawność w stosunku do pier¬ścienia ślizgowego umieszczonego na wale rozrządu oleju wewnątrz skrzyni olejowej.

Rolę sprzęgła ciernego pełni brązowa tarcza 15 osadzona nie obrotowo na sworzniu 3 przy pomocy wpustu 38. Tarcza 15 dociskana jest do dźwigni 9 przez pakiet sprężyn talerzowych 33.

143

A-A

Rys. 3.17/18 Blok sterowania skokiem śruby napędowej typu B2S

1. Korpus

2. Tuleja sprzężenia zwrotnego

3. Sworzeń

4. Suwak

5. Pokrywa

6. Pierścień

7. Pokrywa

8. Tarcza dźwigni ręcznej

9. Dźwignia sprzężenia zwrot.

11. Pierścień dociskowy

12. Sworzeń suwaka

13. Koło zębate

14. Pierścień

15. Tarcza sprzęgła ciernego

16. Dźwignia sterowania ręcznego

17. Skala

18. Dławik

19. Płyta zabezpieczająca

20. Kamień

21. Wspornik potencjometru

22. Wspornik potencjometru

23. Koło zębate z mech. kasowania

24. Nakrętka

25. Wspornik potencjometru

26. Sprężyna

27. Korek

28. Tuleja oporowa

29. Prowadnica kamienia

30. Sworzeń

31. Klin

32. Listwa zaciskowa

33. Sprężyna talerzowa

34. Tabliczka

35. Potencjometr wskaźnika skoku

36. Przyłączka trójnik (olej z BPE)

37. Łącznik migowy

38. Wpust

41. Potencjometr układu

nadążnego sterowania 42 - 45 pierścień uszczelniający

Mechanizm ręcznego zadawania skoku

Dźwignię sterowania ręcznego 16 (rys.3.18) osadzono w tarczy dźwigni ręcznej 8 i zamocowano do sworznia 3. Poprzez nacisk na dźwignię przemieszcza się z położenia środkowego suwak rozrządu oleju 4 pokonując tarcie sprzęgła ciernego. Zmiana skoku śruby odbywa się tak długo, jak długo wy¬wiera się nacisk na dźwignię ręcznego zadawania skoku. Po zwolnieniu nacisku układ sprzężenia zwrotnego powoduje powrót suwaka rozrządu oleju do środkowego położenia i kończy się proces zmiany skoku śruby.

Mechanizm lokalnego wskazywania skoku

W skład mechanizmu wchodzą: wskaźnik wykonany w postaci czarnej pionowej rysy naniesionej na tulei brązowej 2 (rys.3.17) dźwigni sprzężenia zwrotnego oraz z pierścienia 6 ze skalą 17. Skala określa kąt położenia śruby nastawnej. Skala oznakowana kolorem czarnym oznacza położenie NAPRZÓD a czerwona położenie WSTECZ.

W czasie przesterowywania skoku śruby nastawnej następuje obrót tulei 2 z rysą która wskazuje aktualny kąt położenia skoku śruby. Pierścień 6 ze skalą posiada możliwość obrotu (po poluzowaniu wkrętów blokujących) celem regulacji wskazań.

Mechanizm przetwarzania wartości skoku śruby na sygnał elektryczny

Napięciowy sygnał elektryczny z potencjometrów wykorzystywany jest do wskazań skoku śruby na mostku i CMK oraz do nadążnego sterowania zdalnego.

Do korpusu bloku l zamocowano potencjometr obrotowy 35, na którego osi osadzono koło zębate z mechanizmem kasowania luzu 23. Koło to napędzane jest przez duże koło zębate 13 zamontowane na tulei brązowej 2 dźwigni sprzężenia zwrotnego. Potencjometr ten odwzorowuje położenie pierście-nia ślizgowego na wale rozrządu oleju, połączonego z mechanizmem zmiany skoku w piaście śruby nastawnej - odwzorowuje rzeczywisty skok skrzydeł śruby.

W układzie nadążnego sterowania skokiem śruby wykorzystywany jest inny potencjometr obroto-wy 41, którego korpus jest zamocowany do sworznia 3 mechanizmu sprzężenia zwrotnego. Na osi potencjometru osadzono kółko zębate 23 napędzane tym samym kółkiem, które obraca potencjometr wskazań skoku.

Potencjometr nadążnego sterowania zdalnego odwzorowuje więc wzajemne położenie tulei brązo-wej 2 i sworznia 3 dźwigni sprzężenia zwrotnego. Napięciowy sygnał elektryczny z tego potencjometru jest przekazywany do regulatora skoku śruby.

Mechanizm sygnalizacji skoku zerowego

Do korpusu l bloku sterowania skokiem zamontowano trzy łączniki migowe 37 napędzane przez pierścień 14 z karbami. Pierścień ten usytuowano na tulei brązowej 2 dźwigni sprzężenia zwrotnego. Przełączanie zestyków łączników 37 następuje w chwili przejścia rolki łącznika przez odpowiedni karb. Karby są usytuowane tak, że każdy powoduje przełączenie odpowiedniego łącznika. Sposób mocowa¬nia łączników i pierścienia z karbami umożliwia regulację sygnalizacji skoku zerowego.

3.4.2.3 Układ zdalnego sterowania skokiem typu E2S

Elektrohydrauliczny układ typu E2S produkcji ABB Zamech Lid przeznaczony jest do sterowania sko¬kiem śrub nastawnych firmy ABB Zamech.

Układ sterowania skokiem śruby współpracuje z układem hydraulicznym stanowiącym serwome¬chanizm skoku śruby. Elementami serwomechanizmu skoku są: siłownik główny oraz skrzynia rozrzą¬du oleju wraz z blokiem sterowania skokiem. Serwomechanizmem skoku można sterować za pomocą

145

Rys. 3.19 Schemat układu zdalnego sterowania E2S

146

oleju sterującego z bloku przetwornika elektrohydraulicznego BPE (sterowanie nadążne i bezpośrednie przyciskami) oraz ręcznie przy pomocy dźwigni sterowania lokalnego.

Układ zdalnego sterowania może być wyposażony (rys.3.19) w następujące stanowiska sterowania skokiem śruby:

• stanowisko zdalnego sterowania nadążnego ciągłego na mostku (w pulpicie i dwa na skrzydłach),

• stanowisko zdalnego sterowania nadążnego ciągłego w CMK,

• stanowiska zdalnego sterowania elektrycznego za pomocą przycisków sterujących odrębnie kie¬runkiem NAPRZÓD i WSTECZ, umieszczonych w pulpitach na mostku i CMK,

• stanowisko sterowania lokalnego za pomocą dźwigni na skrzyni rozrządu oleju w siłowni.

Podczas sterowania zdalnego nadążnego skok śruby może być ograniczony przez automatyczny re¬gulator obciążenia. System E2S może być opcjonalnie rozszerzony o moduł sterowania prędkością obrotową silnika głównego (pneumatyczny lub elektroniczny).

Wybór stanowiska i rodzaju sterowania dokonywany jest przy pomocy odpowiednich przełączni¬ków umieszczonych w pulpitach na mostku i CMK. Stanowisko sterowania w CMK jest nadrzędne nad stanowiskiem na mostku. Oznacza to, że mechanik może w każdej chwili przejąć sterowanie z mostka. Stanowiskiem nadrzędnym nad wszystkimi jest stanowisko lokalne w siłowni.

W skład układu sterowania skokiem śruby wchodzą następujące zespoły:

• blok elektroniki BE (mikroprocesor),

• nadajnik skoku NS,

• przetworniki przemieszczeń kątowych PPK l, PPK2,

• wskaźniki skoku WS,

• blok kontroli nastaw BKN,

• zespoły współpracujące z układem E2S montowane na skrzyni rozrządu oleju: blok sterowania skokiem B2S, blok przetwornika elektrohydraulicznego BPE.

Q Sterowanie nadążne skokiem śruby

Sygnał elektryczny wartości zadanej z nadajnika skoku (mostek, CMK) poprzez układ przełącznika stanowisk w BE jest podawany do regulatora skoku. Drugim sygnałem podawanym do regulatora sko¬ku jest sygnał rzeczywistej wartości skoku podawany z potencjometru umieszczonego w bloku stero¬wania skokiem. Różnica tych sygnałów jest wzmacniana w regulatorze skoku i przetwarzana na odpo¬wiedni sygnał prądowy. Sygnał ten kierowany jest na cewkę przetwornika elektrohydraulicznego w bloku BPE, który steruje olejem powodując zmianę skoku śruby.

G Sterowanie elektryczne przyciskami

Przełącznik rodzaju sterowania należy ustawić w położenie 3 (Push-button). Wciśnięcie dowolnego przycisku sterującego (mostek, CMK) spowoduje podłączenie napięcia do cewki rozdzielacza trójpoło-żeniowego 3 (na rys.3.15) bloku przetwornika BPE i przepływ oleju sterującego powodujący zmianę skoku śruby. UWAGA: podczas sterowania przyciskami nie działa automatyczna regulacja obciąże¬nia i należy zwracać itwagę na "wartość obciążenia silnika.

Q Zdalny pomiar skoku śruby

Zdalny pomiar skoku śruby nastawnej jest niezależny od stanu i rodzaju pracy układu zdalnego ste¬rowania. Pomiar skoku jest realizowany podczas każdego rodzaju sterowania, a także podczas stanów

147

awaryjnych bloku BE. Takie własności zdalnego pomiaru skoku uzyskano przez zastosowanie poten-cjometru pomiarowego 35 (na rys.3.18) w bloku sterowania skokiem B2S (niezależnego od potencjo-metru sprzężenia zwrotnego) oraz przez odpowiednią konstrukcję zespołu pomiarowego w bloku BE, zasilanego z oddzielnego źródła zasilania np. baterii akumulatorów.

Q Awaryjne ustawianie skoku śruby

Śruba nastawna wyposażona jest w zawór automatycznej blokady położenia skrzydeł śruby przy zaniku ciśnienia oleju siłowego. Funkcję tą pełni zawór blokujący 175 (na rys.3.6) podwójnego działa¬nia umieszczony w tylnej części drąga prowadzącego 43 (na rys.3.6) w piaście śruby. Zanik ciśnienia oleju siłowego automatycznie blokuje skok śruby w położeniu takim przy którym nastąpiła awaria układu hydraulicznego. Stan taki umożliwia dalszą awaryjną pracę śruby na uprzednio zadanym skoku. Dla polepszenia warunków smarowania łożysk (rys.3.9a) należy:

• zamknąć zawór 23,

• włączyć agregat pomocniczy 20 na pracę ciągłą zapewniając wymuszone smarowanie łożysk.

Śruba wyposażona jest w system awaryjnego ustawienia skoku w dowolnym położeniu NAPRZÓD lub WSTECZ przy pomocy agregatu pomocniczego 20 lub w dowolne położenie NAPRZÓD za pomocą pompy ręcznej 19. We wszystkich przypadkach pływania ze skokiem awaryj¬nym należy zapewnić smarowanie łożysk zespołu rozrządu oleju oraz przeprowadzać częstą kontrolę temperatury oleju w skrzyni.

Chcąc dokonać zmiany skoku śruby przy użyciu agregatu pomocniczego 20 (rys.3.9a) należy:

• zamknąć zawór 23,

• podłączyć wąż awaryjnego przesterowania 21 do zaworu szybkozłącznego I w bloku zaworowym BZ oraz ustawić we właściwym położeniu zawór 22,

• włączyć agregat 20 i przestawić dźwignię sterowania ręcznego (na bloku sterowania skokiem B2S) w wybrane położenie. Ustawioną wartość skoku należy kontrolować na wskaźniku mechanicznym (na zespole rozrządu oleju) lub obserwować na wskaźniku elektrycznym,

• wyłączyć agregat 22 i odłączyć wąż awaryjnego przesterowania,

• zawór 22 ustawić w położenie dla przepływu oleju z agregatu 20 do przyłącza m,

• agregat pomocniczy 20 ustawić na pracę ciągłą zapewniając wymuszone smarowanie tulei ślizgo¬wych zespołu rozrządu oleju,

•K

• śruba nastawna gotowa jest do pracy awaryjnej.

Powrót do stanu normalnej eksploatacji wymaga otwarcia zaworu 23 oraz przestawienia agregatu pomocniczego 20 na pracę w systemie automatycznego napełniania zbiornika grawitacyjnego 24.

Wartość skok śruby można również zmienić przy użyciu pompy ręcznej gdy awarii ulegnie agregat pomocniczy 20. W tym celu należy:

• ustawić wał śrubowy l tak, aby korek 68 (rys.3.7) znalazł się w górnym położeniu,

• wykręcić korek 68 i podłączyć pompę ręczną; ciśnienie oleju podawanego z pompy spowoduje przesunięcie zaworu zwrotnego 10 i odcięcie wypływu oleju z rury wewnętrznej. Przy ciśnieniu ok.0.5 MPa otworzy się zawór 10 i olej popłynie do komory siłownika piasty. Rozpocznie się prze-sterowanie skrzydeł śruby w kierunku NAPRZÓD.

• po osiągnięciu wymaganego skoku odłączyć pompę i wkręcić korek.

148

UWAGA.' zawór 23 powinien być otwarty, a zawór trójdrożny 22 powinien być w położeniu umożli-wiającym przepływ oleju ze zbiornika grawitacyjnego 24 do przyłączki III na skrzyni zespołu rozrządu oleju.

Śruba nastawna gotowa jest do pracy awaryjnej; w czasie pracy kontrolować stan oleju w zbiorni-ku grawitacyjnym oraz temperaturę oleju. Powrót do stanu normalnego wymaga zatrzymania silnika oraz wykonania następujących czynności:

• wykręcić korek 68 i przysłonić otwór tak aby olej nie wypływał gwałtownie,

• uruchomić główny agregat pompowy i przestawić dźwignię sterowania ręcznego w kierunku WSTECZ, a następnie NAPRZÓD. Nastąpi wycofanie zaworu 10 (rys.3.7 ) i wypływ oleju z otwartego otworu w kołnierzu wału, śruba powinna przesterowywać się i zachowywać normalnie,

• wkręcić korek 68.

3.4.2.4 Dodatkowe wyposażenie układu sterowania

Q Automatyczna regulacja obciążenia

Układ automatycznej regulacji obciążenia działa podczas sterowania zdalnego nadążnego. W skład układu regulacji obciążenia wchodzą:

• elektroniczny regulator obciążenia RO/RE (pakiet bloku BE),

• przetwornik przemieszczeń kątowych PPK1 służący do przetwarzania położenia listwy paliwowej silnika głównego.

Układ automatycznej regulacji obciążenia zabezpiecza silnik przed przekroczeniem obciążenia do-puszczalnego podczas manewrów i w przypadku wzrostu oporów ruchu statku. Gdy obciążenie silnika przekroczy wartość dopuszczalną, regulator RO spowoduje automatycznie redukcję skoku śruby do wartości dopuszczalnej. Obciążenie mierzone jest przy pomocy przetwornika PPK1 sprzęgniętego me¬chanicznie z listwą paliwową. Redukcję skoku sygnalizują odpowiednie lampki.

Istnieje możliwość wyłączenia układu regulacji obciążenia za pomocą przełącznika w CMK lub chwilowo za pomocą przycisku OYERRIDE na pulpicie głównym w sterówce. Stan wyłączonej regu-lacji obciążenia jest sygnalizowany za pomocą lampek. Potencjometr LOAD LIMIT umieszczony w pulpicie w CMK umożliwia ustawienie dopuszczalnej wartości obciążenia silnika głównego.

G Dodatkowa redukcja skoku

Dla prawidłowej pracy napędu głównego przy różnych konfiguracjach napędu głównego i prądnic wałowych przewiduje się dodatkowe redukcje skoku śruby nastawnej niezależnie od działania automa¬tycznej regulacji obciążenia (dwa stopnie redukcji dla śruby).

G Blokada układu zdalnego sterowania

Blok elektroniki wyposażono w układ kontroli napięć stabilizowanych +15V i -ł5V zasilających pakiety bloku elektroniki, potencjometry pomiarowe przetworników PPK1 i PPK2 oraz potencjometry zadające nadajników NS. W przypadku odchylenia napięć zasilających od wartości dopuszczalnych nadawany jest sygnał do układu alarmowego i jednocześnie następuje blokada sterowania nadążnego skokiem śruby nastawnej. W takiej sytuacji należy przełączyć układ na zdalne sterowanie elektryczne przyciskami lub sterowanie lokalne.

149

G Sygnalizacja skoku zerowego

W mechanizmie zmiany skoku śruby zainstalowany jest mikrowyłącznik wykorzystywany do sygnaliza¬cji skoku zerowego śruby nastawnej. Lampki sygnalizacyjne znajdują się w pulpitach CMK i sterówce. Sygnał skoku zerowego wykorzystywany jest również do blokady rozruchu silnika głównego gdy śruba nie znajduje się w położeniu zerowym.

G Blok kontroli nastaw BKN (stosowany opcjonalnie)

Blok BKN umożliwia bezkolizyjne przełączanie stanowisk sterowania na mostku. Podczas przeka¬zywania sterowania np. ze stanowiska głównego na mostku na skrzydło, BKN porównuje położenie dźwigni sterujących na obu stanowiskach. Zmiana miejsca sterowania jest możliwa gdy położenia dźwigni sąjednakowe.

3.5 System zdalnego sterowania firmy LIPS

Analogowy system zdalnego sterowania ANCOS 2000 opracowany przez firmę LIPS przezna¬czony jest do sterowania śrubą nastawną (CPP) z jednoczesną kontrolą obciążenia silnika głównego.

Podstawowa struktura systemu składa się z paneli obsługi systemu umieszczonych na mostku i w CMK oraz z bloku sterowania w którym znajdują się:

• PSU - moduł zasilania,

• PCM - moduł sterowania skokiem śruby nastawnej,

• PIM - moduł pomiaru wartości skoku śruby,

• HPL - moduł sterowania pompami zasilającymi śrubę nastawną,

• SIC - moduł wyboru stanowisk sterowania,

• BUC - moduł rezerwowego (awaryjnego) sterowania skokiem śruby.

Główny panel (obsługi) sterowania umieszczony jest na mostku i wyposażony w dźwignię do jed¬noczesnego sterowania skokiem śruby oraz prędkością obrotową silnika. Na mostku mogą występo¬wać dodatkowe punkty sterowania np. na skrzydłach mostka. Panel sterowania w CMK, oprócz nie¬zależnych dźwigni do sterowania skokiem śruby i prędkością obrotową silnika, posiada przyciski do bezpośredniego (awaryjnego) ustawiania skoku śruby w kierunku NAPZRÓD oraz WSTECZ. Jeśli na statku zamontowana jest prądnica wałowa, pulpit w CMK posiada przycisk do ustawienia stałych, określonych obrotów silnika. Zabezpieczenie silnika napędu głównego przed przeciążeniem odbywa się przez zmniejszanie wartości skoku śruby. Informacja o przeciążeniu silnika brana jest z wyłączników krańcowych umieszczonych na listwie paliwowej.

System ANCOS 2000 może być rozbudowany o dodatkowe moduły, jak:

• LCM - moduł sterowania obciążeniem,

• LSM - moduł rozdziału obciążenia,

• ISO - moduł wyboru określonych parametrów,

• RIM - moduł pomiaru prędkości obrotowej,

• CCM - moduł sterowania sprzęgłem,

• FLS - moduł ograniczenia dawki paliwa od ciśnienia powietrza doładowania.

150

Istotną część systemu stanowi grupa potencjometrów. Jeden z potencjometrów połączony jest ze wskaźnikiem mechanicznym skoku śruby umieszczonym na skrzyni rozrządu oleju, drugi kontroluje położenie dźwigni sterującej na mostku. Ich pozycje są elektronicznie porównywane. Nierówność obu sygnałów prowadzi do uaktywnienia zaworu (proporcjonalnego) sterującego skokiem śruby. Poten-cjometr sprzężony z dźwignią sterującąjest wykorzystywany również do zadawania wartości prędkości obrotowej dla regulatora prędkości obrotowej. Jeśli regulator ma wejście pneumatyczne (np. Wood-ward PGA) w układzie sterowania musi być zamontowany przetwornik elektropneumatyczny (i/p) do zmiany rodzaju sygnału.

Trzeci potencjometr, połączony ze wskaźnikiem mechanicznym skoku śruby, wykorzystywany jest do zasilania niezależnego elektronicznego wskaźnika położenia śruby. Mechanicznie napędzany wskaź¬nik zamontowany jest na skrzyni rozrządu oleju.

Szybkość zmiany skoku śruby uzależniona jest od stopnia obciążenia silnika. Przy małym obciąże-niu, jeśli zadana jest duża zmiana skoku śruby, szybkość zmiany odbywa się przy maksymalnym wydat¬ku jednej pompy hydraulicznej. Przy dużym obciążeniu silnika, szybkość zmiany skoku śruby jest ogra¬niczona (aby nie spowodować przeciążenia silnika) i jest różna dla fazy zwiększania i zmniejszania wartości skoku śruby.

3.5.1.1 Podstawowe bloki sterujące

G PSU - Power Supply Unit - moduł zasilania

Zasilanie główne modułu (i całego systemu) stanowi prąd przemienny o napięciu 440/380/220/110 VAC. Moduł posiada również zasilanie pomocnicze (awaryjne) prądem stałym 24VDC. Sygnałem wyj¬ściowym z PSU jest stabilizowane napięcie 24VDC, które zasila inne moduły systemu ANCOS 2000, jak: PCM, PIM.

151

Każdy moduł posiada oddzielne własne zabezpieczenia zapobiegające wpływom awarii jednego mo¬dułu na inne. Stany awarii jakie się pojawią przekazywane są do centralnego układu alarmowego.

G PCM - Pitch Control Module - moduł sterowania skokiem śruby

Moduł ten wypracowuje wartości zadane sygnałów prędkości obrotowej silnika (dla regulatora RPM) i skoku śruby (dla zaworu proporcjonalnego). Sygnał wychodzący z dźwigni sterującej przecho¬dzi przez blok ogranicznika szybkości zmiany sygnału (ratę - limiter). Przy małym obciążeniu silnika zmiany skoku śruby odbywają się z maksymalną szybkością odpowiednią dla pełnego wydatku jednej pompy zasilającej. Szybkość zmiany skoku śruby, przy dużym obciążeniu silnika jest spowolniona i może być różna dla fazy zwiększania i zmniejszania wartości skoku śruby. Program zmiany nastaw skoku śruby ł prędkości obrotowej H = f(n) jest umieszczony w dwóch generatorach (blokach funkcyj¬nych) skoku i obrotów. Zaprogramowane funkcje są ustawiane indywidualnie dla każdego statku i mo¬gą być modyfikowany podczas prób morskich. Krzywe zmiany skoku śruby są opisane za pomocą czte¬rech punktów, tj. trzech prostych określających sposób zmiany skoku.

Sygnał zadany skoku śruby jest porównywany z sygnałem skoku pochodzącym z potencjometru podłączonego do mechanicznego wskaźnika skoku. Regulator skoku oddziałując na zawór proporcjo¬nalny ustawia zadany skok śruby. Wartość skoku może być korygowana aby zapobiec przeciążeniu silnika. Sygnały korekcji skoku śruby przychodzą z łączników elektrycznych umieszczonych na listwie paliwowej bądź z modułu LCM.

Sygnał nastawy prędkości obrotowej silnika może zmieniać się zależnie od położenia dźwigni steru¬jącej lub utrzymywać stałą wartość ustaloną w CMK (np. gdy pracuje prądnica wałowa).

152

Wadliwe działanie modułu PCM jest sygnalizowane bezpośrednio przez świecące się LED-y na od¬powiednich płytkach elektronicznych. Jednocześnie sygnał awarii modułu przekazany jest do centralne¬go systemu alarmowego.

G PEYI - Pitch Indication Module - moduł wskazywania wartości skoku

Rzeczywista wartość skoku śruby, mierzona przez dodatkowy potencjometr podłączony do wskaź-nika mechanicznego skoku, pokazywana jest na odpowiednich wskaźnikach.

Rozruch silnika (z procedurą załączenia / wyłączenia sprzęgła) wymaga zerowego skoku śruby. Sy-gnał zerowego skoku śruby łącznie z sygnałem osiągnięcia nominalnego ciśnienia oleju zasilającego śrubę umożliwia uruchomienie silnika głównego oraz pracę sprzęgła. Dostępne są również dwa dodat-kowe sygnały (dwa zadane poziomy) wartości skoku śruby wykorzystywane do wywołania alarmu „błędnego manewru - wrong way", łącznie z emergency telegraph system.

Q RUM - RPM Indication Module - moduł pomiaru prędkości obrotowej

Moduł RIM otrzymuje sygnał częstotliwościowy z czujnka typ pick-up, zamienia go na sygnał na¬pięciowy i zasila wskaźniki prędkości obrotowej umieszczone na mostku, w CMK lub innych wybra¬nych miejscach.

153

Mogą być wyodrębnione dwa poziomy prędkości obrotowej do sterowania sprzęgłem lub innymi specjalnymi urządzeniami.

Q HPL - Hydraulic Pump Logic - moduł pracy pompy olejowej zasilającej śrubę nastawną

154

Wyboru pracującej pompy dokonuje obsługa w CMK przy pomocy odpowiedniego przełącznika. Jeśli spadnie ciśnienie oleju pompy pracującej następuje start pompy rezerwowej (będącej w tzw. „po-gotowiu- gorącej rezerwie"), po ustalonym czasie opóźnienia sygnału niskiego ciśnienia. Praca pompy jest sygnalizowana odpowiednią lampką w CMK. Sygnał uruchomienia pompy rezerwowej jest przeka¬zywany do centralnego systemu alarmowego.

Q SIC (Station In Control) - moduł wyboru stanowiska sterowania

Moduł SIC zapewnia bezpieczne przełączanie pomiędzy stanowiskami sterowania. Stanowisko w CMK jest stanowiskiem nadrzędnym. Sterowanie na mostek może być przejęte przez nawigatora tylko za zgodą mechanika. Mechanik natomiast może przejąć sterowanie z mostka do CMK w każdej chwili bez zgody nawigatora, sytuacja odwrotna nie jest możliwa. Przekazywanie sterowania pomiędzy sta-nowiskami odbywa się w sposób tradycyjny przy pomocy przycisków i odpowiednich dźwigni.

Poza funkcjami sterowania skokiem śruby i prędkością obrotową silnika, do nowego stanowiska sterowania przekazywane są również funkcje sterowania sprzęgłem, awaryjnej nastawy skoku śruby przy pomocy przycisków, awaryjnego zatrzymania itp..

G BUC (Back-Up Control) - rezerwowe sterowania

155

Moduł ten umożliwia rezerwowe (awaryjne) sterowanie skokiem śruby nastawnej za pomocą przy¬cisków. Przyciski sterowania awaryjnego umieszczone są w CMK oraz na mostku. Sterowanie odbywa się przez bezpośrednie oddziaływanie na zawór proporcjonalny ustalający wartość skoku śruby. Moduł PIM jest całkowicie niezależny od układu sterowania zdalnego ale wartość skoku śruby jest wskazywa¬ny normalnie. Podczas awaryjnego sterowania skokiem śruby istnieje dalej możliwość sterowania pręd¬kością obrotową silnika głównego za pomocą dźwigni sterującej. Jeśli nie, regulator prędkości obroto¬wej będzie ściągał obroty silnika do prędkości minimalnej. Sterowanie rezerwowe można realizować podczas opcji stałej prędkości obrotowej silnika. Na żądanie, dodatkowe stanowiska sterowania mogą być również wyposażone w zapasowe sterowanie przyciskowe.

Q LCM - Load Control Module - modul sterowania obciążeniem

Moduł ten steruje obciążeniem silnika (silników). Poziom obciążenia silnika może być ograniczony przez:

• wartość rzeczywistej prędkości obrotowej silnika,

• ciśnienie powietrza doładowania,

• mechanika ustalającego w CMK wartość maksymalnego obciążenia,

• sygnał „słów down" z układu zdalnego sterowania SG lub przekładni.

Najmniejsza z wartości ograniczających obciążenie silnika porównywana jest w regulatorze z aktu-alną nastawą listwy paliwowej, tj. z aktualnym obciążeniem SG. Wynikowy sygnał, z regulatora obcią-żenia LCM, podany zostaje do modułu PCM gdzie żądane obciążenie jest ustawione przez dobór od-powiedniej wartości skoku śruby. Generator w którym zapisana jest funkcja obciążenia silnika od pręd¬kości obrotowej znajduje się w module PCM. Opisują ją trzy proste przechodzące przez cztery punkty. Generator obciążenia silnika w funkcji ciśnienia powietrza doładowania znajduje się w module FLS.

156

Wpływ warunków atmosferycznych na zmiany obciążenia silnika można uwzględniać przez regulo¬waną szerokość strefy nieczułości ustawianą przez mechanika w CMK. Sygnał ten, podawany do re¬gulatora, pozwala uniknąć częstych zmian skoku śruby w wyniku oddziaływania warunków zewnętrz¬nych. Można w ten sposób zmniejszyć częstotliwość zmian skoku śruby nastawnej, a tym samym ob¬ciążenia silnika.

Q LSM - Load Sharing Module - moduł rozdziału obciążenia (tylko we współpracy z mo¬dułem LCM)

Regulatory prędkości obrotowej silników otrzymują sygnał zadanej prędkości obrotowej z modułu PCM. Sygnał aktualnego obciążenia (położenie listwy paliwowej) każdego silnika jest przekazywany do komparatora rozdziału obciążenia (elementu porównującego) oraz do selektora wyższego sygnału. Różnica obciążeń określona przez komparator jest przesyłana do regulatora, który wypracowuje sygnał korekcyjny nastawy prędkości obrotowej i podaje go do regulatora prędkości obrotowej silnika podle¬głego (slave engine). Spowoduje to zmianę dawki paliwa podawanej do tego silnika i dopasowanie jego obciążenia do obciążenia silnika głównego (master engine).

Selektor wyższego sygnału przesyła sygnał o większej wartości obciążenia do modułu LCM na wej¬ście „Actual load" informujące o aktualnym obciążeniu silnika. Wartości obciążenia poszczególnych silników pokazują wskaźniki l oraz 2.

Podczas pracy tylko jednego silnika regulator rozdziału obciążenia oraz selektor wyższego sygnału nie pracują. Gdy sprzęgło jednego z silników nie jest załączone, rozwarte są styki przekaźników Cl lub C2. Jeśli pracuje jeden silnik (master lub slave) drugi może zostać załączony, kiedy zadane prędkości obrotowe obu silników będą jednakowe. Sprzęgło zostaje załączone bez żadnej zwłoki czasowej a mo-duł LSM natychmiast rozpoczyna rozdział obciążenia. Regulator PI zapewnia przeprowadzenie tego procesu stabilnie i z odpowiednią prędkością.

157

Jeśli w międzyczasie położenie dźwigni sterującej odpowiadać będzie mocy większej niż 100% jed¬nego z silników, moduł LSM zredukuje moc na tym silniku i zwiększy obciążenie drugiego silnika. Jeśli położenie dźwigni sterującej będzie zmieniane w kierunku zwiększania mocy silników, moduł LCM zapewni, że żaden z silników w tym czasie nie zostanie przeciążony. Cały proces trwa od 8 do 20 sęk. w zależności od położenia dźwigni sterującej i regulowaych stałych czasowych. Styki Cl i C2 są za¬mknięte gdy sprzęgło pracuje.

Q CCM (Clutch Control Module) - moduł sterowania sprzęgłem

Moduł CCM zapewnia bezpieczne zasprzęglanie silnika lub silników. Załączenie sprzęgła, dla poje¬dynczego silnika, wymaga aby prędkość obrotowa silnika była niższa od ustalonego poziomu natomiast dla zespołu wielosilnikowego, prędkość obrotowa załączanego silnika była równa prędkości innych silników.

Blokada załączenia sprzęgła występuje gdy załączona jest obracarka lub skok śruby jest różny od zera.

Stan złączenia / wyłączenia sprzęgła sygnalizowany jest odpowiednimi lampkami.

Q ISO (Isolated Output) - wybrane sygnały wyjściowe

System umożliwia określenie grupy sygnałów (wyprowadzonych na wyjście systemu) celem wyko¬rzystania ich do pracy w systemach zdalnego sterowania zespołem napędowym, sterowania statkiem, bądź w systemie bezpieczeństwa.

758

Q FLS (Fuel rack Limiting by Scavenging air pressure) - moduł ograniczenie listwy pali¬wowej od ciśnienia powietrza doładowania

Moduł ten wypracowuje sygnał ograniczający położenie listwy paliwowej (obciążenie silnika) od ci¬śnienia powietrza doładowania (przepłukania). Ma to zapobiec przekroczeniu granicy dymienia. W tym celu, ciśnienie powietrza doładowania (jednego lub większej liczby silników) jest podawane do gene¬ratora w którym wypracowywany jest sygnał maksymalnego obciążenia odpowiadającego danemu ciśnieniu. Sygnał ten poprzez styki przekaźników C1,C2 (gdy załączone są sprzęgła silników) podany zostaje do bloku wyboru niższego sygnału. W bloku tym porównywane są sygnały dopuszczalnego obciążenia od każdego z silników. Sygnał o niższej wartości podany zostaje do modułu LCM. Tam wpracowany zostaje sygnał nastawy skoku śruby zapewniający obciążenie silnika nie przekraczające wartości wybranej przez blok niższego sygnału. Przy wysprzęglonym silniku (styk Cl lub C2 rozwarty) sygnał dopuszczalnego obciążenia dla tego silnika wynosi 100%.

159

Prędkość obrotowa silnika utrzymywana jest zawsze na zadanym poziomie np. odpowiednim dla prądnicy wałowej lub zadanej dźwignią sterującą.

3.6 System AutoChief-7 firmy Norcontrol Automation AS

Na podstawie doświadczeń uzyskanych na statkach, na których zamontowano systemy zdalnego sterowania wcześniejszych generacji (np. AC-4 dla układów napędowych ze śrubą o stałym skoku), firma Norcontrol opracowała system zdalnego sterowania silnikiem i śrubą nastawną AutoChief-7 (AC-7).

3.6.1 Zastosowanie i budowa systemu AC-7

System zdalnego sterowania AC-7 jest przeznaczony do współpracy z:

• silnikami wolno-; średnio-; i szybkoobrotowymi

• jednym lub wieloma silnikami

• śrubą o zmiennym skoku

• odbiornikami mocy, generatorami, sprzęgłami podatnymi

Omawiany system jest przeznaczony do zdalnego sterowania silnikiem B&W 6L50MC i śrubą nastaw¬ną ZAMECH Elbląg oraz do zdalnego sterowania sprzęgłem prądnicy wałowej z mostka (i jego skrzy¬deł) oraz z CMK.

System AC-7 jest układem mikroprocesorowym obsługiwanym przez załogę z pulpitu w CMK lub na mostku za pomocą przycisków, lampek sygnalizacyjnych i wskaźników. Do połączenia paneli steru¬jących w CMK i na mostku oraz przekazywania danych użyto linii łączności szeregowej.

Panel sterujący na mostku posiada 32 kanały wejściowe i wyjściowe. Podłączone są one do dźwigni manewrowej, do urządzeń sterowniczych na skrzydłach mostka oraz do wskaźników obrotów silnika i skoku śruby nastawnej.

Panel sterujący w CMK posiada 48 kanałów wejścia i wyjścia służących do połączenia dźwigni ma¬newrowej w CMK, przyrządów kontrolnych, czujników, siłowników i elementów wykonawczych układu zdalnego sterowania.

Na statkach serii B-183 system AC-7 steruje pracą silnika głównego poprzez szafę zdalnego stero¬wania produkgi H. Cegielskiego, oraz steruje skokiem śruby nastawnej produkcji ZAMECH Elbląg poprzez blok przetwornika elektrohydraulicznego. Układ AC-7 wykorzystuje sygnały pochodzące z szafy HCP (układ bezpieczeństwa i układ sterowania) i na podstawie tych sygnałów wypracowuje sy¬gnał sterujący p/acą silnika głównego.

Układ AC-7 przeznaczony jest zasadniczo do sterowania śrubą nastawną (wypracowuje sygnały do sterowania śrubą nastawną), ponieważ wszelkiego rodzaju redukcje obciążenia układu napędowego wykonywane są poprzez zmianę skoku śruby (np.: sygnał SŁÓW DOWN). Sygnałem informującym system AC-7 o obciążeniu SG i służącym do obliczeń parametrów pracy silnika jest sygnał prądowy proporcjonalny do wychylenia listwy paliwowej uzyskany z czujnika na listwie paliwowej. Drugim sy¬gnałem wchodzącym bezpośrednio do AC-7 jest sygnał wychylenia śruby nastawnej.

AC-7 składa się z następujących elementów:

1. na skrzydłach mostka: pulpity manewrowe (jeden na każdym skrzydle; rys.3.21) z joystic-kiem, przyrządami, lampkami służącymi do automatycznego sterowania prędkością obroto¬wą silnika i skokiem śruby.

160

Rys. 3.21 Panel sterujący AC-7 na skrzydle mostka

2. na mostku:

• dźwignia manewrowa służąca do jednoczesnego sterowania prędkością obrotową silnika i skokiem śruby (tryb COMBINATOR),

• panel kontrolny do zdalnego sterowania ze wskaźnikami, lampkami i niezbędnymi przyciskami oraz niezależnymi przyciskami służącymi do awaryjnego ustawiania skoku śruby nastawnej,

• drukarka manewrów do rejestracji trybów pracy silnika i śruby nastawnej,

• wskaźniki skoku śruby nastawnej.

3. w CMK (Centrali Manewrowo-Kontrolnej):

• dźwignia manewrowa służąca do sterowania skokiem śruby (w trybie INDIYIDUAL) lub jedno-czesnego sterowania skokiem śruby i prędkością obrotową silnika (w trybie COMBINATOR), oraz dźwignia służąca do sterowania prędkością obrotową silnika (w trybie INDiYIDUAL),

• panel kontrolny do zdalnego sterowania ze wskaźnikami, lampkami i niezbędnymi przyciskami oraz niezależnymi przyciskami służącymi do awaryjnego ustawiania skoku śruby nastawnej,

• przetwornik l/P (prąd / ciśnienie powietrza) do przetwarzania sygnału nastawy prędkości obroto-wej podawanego do regulatora RPM.

• wskaźnik położenia skoku śruby.

4. na silniku.

• wskaźnik położenia skoku śruby,

• wzmacniacz sygnału skoku śruby,

• potencjometr sygnalizatora położenia listwy paliwowej. Strukturę układu przedstawia rys.3.22.

161

Rys. 3.22 Schemat systemu zdalnego sterowania AutoChief-7

162

3.6.2 Układ panela sterującego

Panele sterujące AC-7 zamontowane na mostku i w CMK mają jednakowe funkcje i zbliżoną budowę (rys.3.23 oraz 3.24). Różnice między nimi to:

• w CMK - występują przyciski ograniczenia obciążenia pozwalające mechanikowi na ograniczenie nastawy z mostka oraz przycisk wyboru trybu pracy INDIY1DUAL,

• na mostku - zamontowano dodatkowo ściemniacz oświetlenia. Na płycie czołowej paneli sterujących systemu AC-7 znajdują się:

1. Wyświetlacze cyfrowe - panel wyposażony jest w trzy wyświetlacze:

• RPM - wskaźnik obrotów sygnalizuje obroty silnika w obr/min.,

• LOADINDICATOR - wskaźnik obciążenia pokazuje procentowe obciążenie silnika wg na¬stawy listwy paliwowej,

• PITCH INDICATOR - wskaźnik skoku śruby pokazuje wartość procentową skoku śruby nastawnej.

Wskaźniki RPM, LOAD, PITCH są stosowane również do zmiany parametrów systemu. Po wci¬śnięciu przycisku COMMIS. LOCK pod wyświetlaczem podświetlą się odpowiednie przyciski, co umożliwi zmianę parametrów systemu oraz symulowanie zmiany wartości sygnałów wchodzących i wychodzących z systemu. Wyświetlacze wskazują wówczas odpowiednio: kod operacji, parametr i jego wartość (patrz rozdz. 3.6.4).

2. Grupa lampek ALARM - lampki alarmowe. W polu sygnalizacji alarmowej znajduje się 16 lampek, które sygnalizują (wraz z sygnalizacją dźwiękową) o stanach awaryjnych zespołu na¬pędowego:

• SHUT DOWN PREWARNING - ostrzeżenie o możliwości zatrzymania silnika. Sygnał wy¬zwalany z szafy sterującej HCP;

• SHUT DOWN - zatrzymanie pracy silnika. Sygnał wyzwalany z szafy sterującej HCP;

• OYERSPEED - nadobroty. Zatrzymanie silnika w wyniku przekroczenia prędkości obroto¬wej; sygnał wyzwalany z szafy sterującej HCP;

• EMERGENCY STOP - awaryjne zatrzymanie. Awaryjne zatrzymanie silnika sygnałem wy¬zwolonym z szafy sterującej HCP;

• SŁÓW DOWN PREWANING - ostrzeżenie o możliwości redukcji obciążenia;

• SŁÓW DOWN - redukcja obciążenia. System będzie, w tym stanie, ograniczał obciążenie przez zmianę skoku śruby, do ustawionego poziomu;

• OYERLOAD - przeciążenie silnika. Sygnalizuje taki stan w momencie przekroczenia zapro¬gramowanej krzywej granicznego obciążenia;

• CLUTCH AUTODISENGAGEMENT - samoczynne rozłączenie sprzęgła. Sygnalizuje rozłączenie sprzęgła w sytuacji gdy rozrzut prędkości obrotowej silnika przekroczył 10% wartość nastawy, przy której pracuje prądnica wałowa; np. na opisywanym statku prądnica pracuje przy prędkościach obrotowych 115 lub 135 obr/min.;

763

Rys, 3.22 Panel sterujący AC-7 na mostku

164

Rys. 3.23 Panel sterujący AC-7 w CMK

165

• CPP EMERGENCY - awaryjne ustawianie skoku śruby. Lampka sygnalizuje, że klucz blo¬kujący (umieszczony w polu CPP EMERGENCY) na panelach w CMK lub na mostku zo¬stał przestawiony i istnieje możliwość bezpośredniego sterowania skokiem śruby;

• ENGINE NOT READY - silnik nie jest gotowy do pracy;

• CPP HYDRAULIC FAILURE - awaria układu hydrauliki śruby nastawnej;

• AC-7 FAILURE - uszkodzenie systemu AC-7. Sygnalizuje awarię łączności pomiędzy dwoma pulpitami (np. brak zasilania, przerwane linie łączności), a także sygnalizuje - na mostku - rozbieżności we wskazaniach położenia dźwigni manewrowej w stosunku do wskazań wyłączników krańcowych dla stanów ruchu naprzód / wstecz;

• SAFETY SYSTEM FAILURE - uszkodzenie systemu bezpieczeństwa; sygnalizuje awarię systemu bezpieczeństwa w systemie HCP;

• M.E.CONTROL SYSTEM FAILURE - uszkodzenie systemu sterowania silnika głównego.

3. Grupa lampek INDICATION - wskaźniki lampkowe wybranych stanów. W polu znaj¬duje się 16 lampek, które sygnalizują stany układu napędowego.

• MANUAŁ LOAD LIMIT - ręczne ograniczenie obciążenia. Lampka sygnalizuje przekro-czenie wartości obciążenia nastawionej przez mechanika;

• LOAD PROGRAM - załączony program obciążania silnika. System posiada program ogra¬niczenia naprężeń termicznych (tzw. program obciążenia). Program ten zwiększa w sposób powolny obciążenie silnika od ustawionego poziomu (włącza się przy obciążeniu ok. 40% Nnom), aż do pełnego obciążenia (zadanego wychyleniem dźwigni sterującej) w nastawio¬nym programowo okresie czasu; istnieje możliwość wyłączenia programu przyciskiem CANCEL LOAD PROGRAM lub EMERGENCY RUN na panelu, z którego odbywa się sterowanie;

• M.E. CYLINDER MISFIRE - brak zapłonu w cylindrach. AC-7 sygnalizuje brak zapłonu w jednym lub więcej cylindrach SG; program porównuje średnią temperaturę spalin z tempe¬raturą spalin w danym cylindrze (różnica max. 50 °C). Jeżeli silnik pracuje w trybie FDCED tzn. przy załączonej prądnicy wałowej (na poziomie 115 lub 135 obr/min.), układ redukuje obciążenie lub rozłącza sprzęgło prądnicy wałowej;

• M.E. RPM UNSTABLE - niestabilne prędkość obrotowa silnika głównego. System sygnali¬zuje niestabilne obroty (przekroczenie ponad 10%) od nastawionych przy pracy prądnicy wałowej (l 15 lub 135 obr/min.); w tej sytuacji układ redukuje obciążenie lub rozłącza sprzę¬gło prądnicy wałowej. Zapala się również lampka sygnalizacji awaryjnej CLUTCH AUTODISENG (awaryjne rozłączenie sprzęgła);

• SCAV AIR LIMITER - ograniczenie dawki paliwa od ciśnienia powietrza doładowania (przepłukującego). AC-7 sygnalizuje wystąpienie ograniczenia mocy silnika przez powietrze doładowania; układ sprawdza indeks (położenie) pomp paliwowych (z potencjometru na li¬stwie paliwowej) z wartością dopuszczalną uzależnioną od ciśnienia powietrza doładowania. System nie pozwolą na przeciążenie silnika ponad zaprogramowaną krzywą ograniczenia. Zaistniałą sytuacje można skasować przyciskiem EMERGENCY RUN;

• TORQUE LIMITER - ograniczenie momentu obrotowego silnika. Sygnalizuje stan przecią¬żenia SG momentem obrotowym. Układ porównuje prędkość obrotową SG oraz wskaźnik listwy paliwowej z wartościami punktów umieszczonych na zaprogramowanej krzywej mo¬mentu obrotowego. Mechanik może skasować tę funkcję przyciskiem EMERG. RUN;

• SŁÓW DOWN - zmniejszenie obciążenia. Sygnalizuje stan zmniejszenia obciążenia silnika głównego na skutek sygnału uzyskanego z szafy sterującej HCP; układ ogranicza obciążenie do nastawionego programowo poziomu poprzez zmianę skoku śruby. Istnieje możliwość skasowania takiego stanu przyciskiem EMERG. RUN;

• CPP REDUCTION - redukcja skoku śruby. AC-7 sygnalizuje o zredukowaniu skoku śruby na skutek sygnału przychodzącego z szafy bezpieczeństwa HCP; układ redukuje skok śruby do wartości nastawionej programowo;

• SHAFT GENERATOR CONNECTED - załączona prądnica wałowa. Sygnalizuje stan za-łączenia prądnicy wałowej na szyny GTR (Głównej Tablicy Rozdzielczej);

• ENGINE MANUAŁ CONTROL - ręczne sterowanie silnikiem. AC-7 sygnalizuje ręczne sterowanie silnikiem ze stanowiska lokalnego; w tym stanie pracy nie jest możliwe przeka¬zanie sterowania bezpośrednio na mostek;

• CPP MAŃ. CONTROL FROM E.C.R - ręczne sterowanie skokiem śruby z CMK. Funkcja ta, na omawianym statku, praktycznie nie jest wykorzystywana. Jeśli śruba sterowana jest w trybie awaryjnym (CPP EMERGENCY), wówczas pali się lampka CPP EMERGENCY CONTROL w polu ALARM;

• GEARBOX MANUAŁ CONTROL FROM E.C.R - ręczne sterowanie przekładnią z CMK. Sygnalizuje ręczne załączenie sprzęgła prądnicy wałowej z CMK i oznacza, że nie można sterować sprzęgłami z AC-7;

• CLUTCH 115 ENGAGED - załączone sprzęgło przy 115 obrotach. Sygnalizuje załączone sprzęgło prądnicy wałowej przy 115 obrotach SG;

• CLUTCH 135 ENGAGED - załączone sprzęgło przy 135 obrotach. Sygnalizuje załączone sprzęgło prądnicy wałowej przy 135 obrotach SG;

• CPP MANUAŁ CONTROL LOC AL - sterowanie śrubą nastawną ze stanowiska lokalnego; Funkcja ta, na omawianym statku, nie jest używana; nie zainstalowano żadnego czujnika, który wskazywałby, że śruba sterowana jest miejscowo przez ręczną obsługę mechanizmu serwo, tj. dźwignią ręcznego przesterowania śruby na skrzyni rozrządu;

• GEARBOX MANUAŁ CONTROL LOC AL - ręczne sterowanie przekładnią ze stanowiska lokalnego. AC-7 sygnalizuje, że sterowanie sprzęgłem prądnicy wałowej odbywa się ręcznie ze stanowiska w siłowni; w tym stanie AC-7 nie może sterować sprzęgłami i pracować na ustalonych obrotach (l 15 lub 135 obr/min.) silnika.

4. Grupa lampko-przycisków CANCEL FUNCTIONS - kasowanie funkcji AC-7. Ogó¬łem jest osiem przycisków podświetlonych dla funkcji kasowania AC-7 (na mostku i w CMK); lampki palą się tylko wtedy, gdy przycisk danego stanu został przyciśnięty jeden raz, drugie przyciśnięcie kasuje działanie funkcji; w użyciu jest tylko 5 poniżej opisanych przyci¬sków:

• EMERGENCY RUN - awaryjny praca silnika. Po naciśnięciu tego przycisku zostanie on podświe¬tlony, a następujące funkcje bezpieczeństwa zostaną zablokowane sygnałem wysłanym do szafy HCP i regulatora prędkości obrotowej:

• zatrzymania silnika SHUT DOWN,

• zmniejszenia obciążenia silnika SŁÓW DOWN,

• ograniczenia w regulatorze Woodwarda.

167

Przycisk EMERGENCY RUN kasuje również pewne funkcje (ograniczenia) w systemie AC-7 jak:

• ręczne ograniczenie obciążenia,

• ograniczenie od ciśnienia powietrza doładowania,

• ograniczenie od wartości momentu obrotowego,

• programowe obciążanie silnika.

Funkcja EMERGENCY RUN jest kasowana przez wciśnięcie następnego przycisku w tym polu, tj. przycisku RESET EMERGENCY RUN. Użycie tej funkcji jest możliwe tylko z panelu, z którego odbywa się aktualnie sterowanie pracą silnika (mostka lub CMK).

RESET EMERGENCY RUN - kasowanie awaryjnej pracy zespołu napędowego;

CANCEL LOAD PROGRAM - kasowanie programu obciążania. Po przyciśnięciu tego przycisku zostanie on podświetlony, a program czasowego obciążenia silnika zostanie skasowany. Obciążenie wzrasta bez ograniczeń czasowych do wartości nastawionej ręcznie dźwignią sterującą. Szybkość zmiany obciążania silnika ograniczona jest jedynie ograniczeniami przyspieszenia w regulatorze prędkości obrotowej Woodwarda; realizacja tej funkcji możliwa jest tylko z panelu, z którego od¬bywa się sterowanie (mostka lub CMK);

CANCEL MANUAŁ LOAD LIMIT - kasowanie ręcznego ograniczenia obciążenia. Przycisk ten kasuje nastawę ograniczenia obciążenia ustawioną przez mechanika; powtórne przyciśniecie przyci¬sku kasuje jego działanie.

5. Grupa lampko-przycisków OTHER FUNCTIONS - pole innych funkcji AC-7:

M.E. STOP - zatrzymanie SG. Po naciśnięciu tego przycisku układ wysyła sygnał zatrzymania sil¬nika głównego do szafy sterującej HCP. Do chwili zatrzymania silnika światło lampki pulsuje; cią¬głym światłem zapali się, gdy obroty silnika spadną do zera. Wykonanie tej funkcji możliwe jest tyl-ko z panelu, z którego odbywa się aktualnie sterowanie;

M.E. START - rozruch SG. Po naciśnięciu przycisku podany zostanie sygnał do szafy sterowania HCP, który uruchamia procedurę rozruchową silnika głównego. Lampka pali się przez cały okres pracy SG; po wciśnięciu przycisku światło lampki pulsuje do momentu rozruchu i uzyskania przez srfnifc mńirmum Zd oór /min. Wy&onanie tej funkcji możliwe jest tyflćo z panelu, z którego odBywa się aktualnie sterowanie;

LAMP TEST - próba lampek;

•9

COMMISIOTSTNG LOCK - wciśnięcie przycisku umożliwia wprowadzania zmian i symulację zmian wartości parametrów systemu; po jego wciśnięciu (świeci się) możemy ustawić nowe warto¬ści parametrów na wskaźnikach cyfrowych. Przycisk ten umożliwia pokazanie na wskaźnikach trzech różnych stanów:

• kiedy przycisk jest raz przyciśnięty, lampka pali się światłem ciągłym; wyświetlacze cyfrowe pokazują kolejno: kody działania systemu, nazwę parametru i jego wartość,

• kiedy przycisk wciśniemy dwa razy, lampka będzie świecić się światłem pulsującym; wy-świetlacze pokazywać będą konfigurację wartości sygnałów INPUT/OUTPUT,

• po trzykrotnym wciśnięciu lampka zgaśnie, a wyświetlacze pokazywać będą pierwotne wartości RPM, LOAD, PITCH.

168

6. Grupa lampko-przycisków MODĘ SELECT - rodzaj pracy systemu; pole składa się z czterech przycisków pełniących następujące funkcje:

INDIYIDUAL MODĘ - tryb pracy indywidualnej. W tym trybie pracy prędkość obrotowa silnika i skok śruby ustawiane są z oddzielnych dźwigni manewrowych;

COMBINATOR MODĘ - tryb pracy kombinator. W tym trybie pracy prędkość obrotowa silnika i skok śruby nastawnej ustawiane są przy pomocy jednej dźwigni manewrowej,

FTXED 115 MODĘ - stała prędkość obrotowa 115 obr/min.; po naciśnięciu tego przycisku pręd-kość obrotowa silnika będzie utrzymywana na stałym poziomie 115 obr/min. niezależnie od warun¬ków pracy;

FDCED 135 MODĘ; stała prędkość obrotowa 135 obr/min.; po naciśnięciu tego przycisku pręd-kość obrotowa silnika będzie utrzymywana na stałym poziomie 135 obr/min. niezależnie od warun¬ków pracy.

7. Grupa lampko-przycisków COMMAND POSITION - wybór miejsca sterowania; pole składa się z czterech przycisków pełniących następujące funkcje:

PORT WING - sterowanie z lewego skrzydła mostka. Wybór tego stanowiska sterowania możliwy jest tylko z mostka; stanowisko to jest całkowicie podporządkowane panelowi na mostku; w każdej chwili przyciskami i dźwigniami na mostku możemy zmienić polecenia wydane ze skrzydła;

ENGINE ROOM CONTROL - sterowanie z CMK. Służy do przejmowania sterowania z mostka do CMK; stanowisko w CMK jest stanowiskiem nadrzędnym, przejęcie sterowania nie wymaga potwierdzenia na mostku;

BRIDGE CONTROL - sterowanie z mostka. Służy do przekazywania sterowania z CMK na mo-stek; aby to było możliwe silnik musi pracować, a sterowanie silnikiem musi odbywać się poprzez system AC-7; nie może palić się lampka ENGINE MANUAŁ CONTROL;

STARB WING - sterowanie z prawego skrzydła mostka. Wybór tego stanowiska sterowania moż¬liwy jest tylko z mostka; stanowisko to jest całkowicie podporządkowane panelowi na mostku; w każdej chwili przyciskami i dźwigniami na mostku możemy zmienić polecenia wydane ze skrzydła.

8. Grupa przycisków LOAD LIMITER - ograniczenie obciążenia silnika. Funkcja ograni-czenia obciążenia znajduje się jedynie na panelu w CMK; na mostku nie ma takiej funkcji tzn. tej grupy przycisków. Funkcja ta pozwala na ręczne ustawienie poziomu ograniczenia obcią¬żenia silnika przy użyciu przycisków INCREASE / DECREASE (zwiększenie / zmniejszenie); celem tej funkcji jest umożliwienie mechanikowi wachtowemu ustawienie (ograniczenie) mak¬symalnego obciążenia silnika głównego, gdy silnik sterowany jest z mostka; ma to na celu uniknięcie np. nadobrotów w czasie sztormu.

9. Grupa przycisków RESET - przyciski kasowania: SOUND OFF - kasowanie sygnału dźwiękowego; ALARM RESET - kasowanie sygnału wizualizowanego.

10. Lampki STATUS WARNING - sygnalizacja stanów ostrzegawczych w systemie AC-7:

SYSTEM OP.- STATUS - praca systemu. Sygnalizuje pracę systemu AC-7 (na mostku pali się tylko podczas rozruchu);

I/O SIM - STATUS - symulacja wejścia / wyjścia. Pali się tylko wtedy, gdy którekolwiek z wejść/wyjść jest symulowane;

169

RECEIYE - STATUS - odbiór. Sygnalizuje przekazywanie informacji na linii łączności szeregowej (mostek, CMK, rejestrator manewrów);

TRANSMIT - STATUS - nadawanie. Sygnalizuje przekazywanie informacji na linii łączności sze¬regowej (mostek, CMK, rejestrator manewrów);

POWER FAŁ - WARNING - awaria w systemie wewnętrznego zasilania - 5V, 15V i 24V DC; COMMUNICATION - WARNING - nie używana;

MEMORY - WARNING - awaria pamięci. Sygnalizuje awarię w systemie EPROM, który zawiera nastawy wszystkich parametrów systemu;

IN / OUT - WARNING - wejście / wyjście. Sygnalizuje programowanie wejścia / wyjścia;

FAILSAFE - sygnalizuje pracę systemu ochrony przed awarią, która może np. spowodować BLACKOUT.

11. Grupa przycisków CPP EMERGENCY - awaryjne sterowanie (ustawianie) skokiem śruby nastawnej. Po przestawieniu klucza blokującego możemy awaryjnie ustawiać (stero¬wać) skok śruby przyciskami AHEAD lub ASTERN (naprzód lub wstecz). Poprzez przekaź¬niki (2 oraz 3 na rys.3.15) w serwomechanizmie otrzymujemy sterowanie bezpośrednie sko-kiem śruby; pierwszeństwo w awaryjnym sterowaniu śrubą ma panel w CMK. Awaryjne prze-sterowanie śruby jest niezależne i działa poza układem AC-7; działa również przy braku zasi¬lania AC-7.

3.6.3 Tryby pracy i programy sterowania systemu AC-7

3.6.3.1 Tryb INDMDUAL

Tryb pracy INDIYIDUAL; w tym trybie prędkość obrotowa i skok śruby są sterowane z oddziel¬nych dźwigni manewrowych. Ten tryb pracy dostępny jest tylko z CMK. Przekazanie sterowania na mostek zmienia tryb pracy na COMBINATOR.

3.6.3.2 Tryb COMBINATOR

Pojęcie COMBINATOR określa sprzężone, jednoczesne sterowanie prędkością obrotową i skokiem śruby przy pomocy jednej dźwigni sterującej - sterowanie programowe H=f(n). Ten tryb pracy jest dostępny podczas sterowania z mostku oraz z CMK - dźwignią sterowani skokiem. W celu zapewnie¬nia maksymalnej sprawności i optymalnych warunków pracy układu napędowego silnik-śruba nastawna zrealizowano sterowanie programowe H = /(»).

170

Q Krzywa COMBINATOR dla prędkości obrotowej

Krzywa ta pokazuje jak zmienia się prędkość obrotowa (RPM) w zależności od położenia dźwigni COMBINATOR (HANDLE POSITION) na mostku lub w CMK

Op.code 11 - punkty charakterystyczne krzywej, wyrażone w % wychylenia dźwigni COMBINATOR na mostku lub w CMK.

Op.code 12 - nastawa prędkości obrotowej, która będzie osiągnięta w punktach charakterystycznych krzywej.

Q Krzywa COMBINATOR dla skoku śruby nastawnej

Krzywa ta obrazuje nastawę skoku śruby nastawnej (PUCH) w zależności od pozycji dźwigni COMBINATOR (HANDLE POSITION) na mostku lub w CMK.

Op.code 20 - punkty charakterystyczne krzywej, wyrażone w procentach wychylenia dźwigni COMBINATOR na mostku lub w CMK.

OP.code 21 - nastawa skoku śruby, który będzie osiągnięty w punktach charakterystycznych krzywej.

•3

3.6.3.3 Tryb FIXED 115/135

W tym trybie pracy system AC-7 utrzymuje stałą prędkość obrotową SG (l 15 lub 135 obr/min.) niezależnie od warunków pracy, aby umożliwić załączenie sprzęgła i pracę prądnicy wałowej. Zmiana prędkości statku odbywa się teraz, tylko przez zmianę skoku śruby sterowanej dźwignią manewrową.

172

3.6.3.4 Inne funkcje pełnione przez system AC-7

Q Ograniczenie od ciśnienia powietrza doładowania SCAY. AIR LEMITER

Układ ograniczający oblicza maksymalny indeks pomp paliwowych (maksymalną dawkę paliwa) dozwolony przy aktualnym ciśnieniu powietrza doładowania wg zaprogramowanej krzywej ciśnienia.

Op. code 26 - wartość ciśnienia powietrza doładowania,

Op. code 27 - wartości graniczne dawki paliwa w funkcji powietrza doładowania.

173

Q Ograniczenie od momentu obrotowego TORQUE L1MITER

Układ ograniczający obciążenie (momentem obrotowym) oblicza maksymalny indeks pomp pali¬wowych (maksymalną dawkę paliwa) dozwolony przy aktualnej prędkości obrotowej wg krzywej ograniczenia momentu obrotowego.

Parameter setting

Op. code 28 RPM values on

Default

20.0

88.7

110.8

127.4

140.0

Breakpoint

Adjusted

Op. code 29 fuel index on

Default

65.0

75.0

82.0

96.0

102.0

Breakpoint

Adjusted

Op. code 28 - wartości prędkości obrotowej w punktach charakterystycznych krzywej, Op. code 29 - indeks pomp paliwowych w punktach charakterystycznych krzywej.

Q Krzywa przeciążenia OYERLOAD

174

W momencie przekroczenia zaprogramowanej krzywej układ włącza alarm przeciążenia (OYERLOAD). Krzywa ta jest taką samą krzywą jak krzywa ograniczenia momentu obrotowego, lecz nastawa punktów na osi obciążenia (dawki paliwa) jest większa tak, aby alarm był uruchomiony dopie¬ro po przekroczeniu krzywej ograniczenia obciążenia. W normalnych warunkach przekroczenie tej krzywej nie jest możliwe ze względu na działające ograniczenia od momentu obrotowego i powietrza doładowania.

Parameter setting

Op. Code 30 RPM values on

Default

0.0

88.7

110.8

127.4

140.0

Breakpoint

Adjusted

Op. Code 3 1 fuel index on

Default

73.0

80.0

88.0

95.0

110.0

Breakpoint

Adjusted

Op. code 30 - wartość prędkości obrotowej w punktach charakterystycznych krzywej,

Op. code 31 - indeks pomp paliwowych (wartość dawki paliwa) w punktach charakterystycznych krzywej.

G Programowe obciążanie silnika LOAD PROGRAM

System AC-7 posiada program obciążania silnika, umożliwiający uniknięcie uszkodzenia silnika na skutek nadmiernych obciążeń termicznych przy szybkim zwiększaniu obciążenia. Program zwiększa (lub zmniejsza) w sposób powolny obciążenie silnika w nastawionym okresie czasu ( ok.30 min.). Zmiana obciajżenia odbywa się poprzez powolną zmianę skoku śruby (od wartości ok.75% pełnego skoku śruby do 100% skoku). Obciążenie w tym przypadku jest odczytywane z położenia śruby, a nie z położenia listwy paliwowej. Istnieje możliwość odłączenia tego programu przez użycie funkcji CANCEL LOAD PROGRAM lub EMERGENCY RUN.

Op. code 8 thermic program adjustments

Op. Code

Parameter

Parameter descriptions

Parameter units

Defaults

Adjust

Enable th. prg

True / False

True

Th. prg start

On-100% Lever

70%

Th. top command

0+100%Lever

100 %

Th. dead band

0^-100% Lever

Load up time

On-999 min

30 min

Load down time

0-^999 min

30 min

175

G Przejście przez obroty krytyczne

System zapewnia samoczynne przechodzenie przez obszar zabronionej prędkości obrotowej (ob-rotów krytycznych). Praca silnika w tym obszarze jest zabroniona; obroty są zwiększane powyżej gór-nej lub zmniejszane poniżej dolnej granicy obrotów krytycznych. System umożliwia ustawienie dwóch przedziałów obrotów krytycznych.

Q Ustalanie szybkości zmiany prędkości obrotowej silnika

Zbyt szybka zmiana prędkości obrotowej silnika może spowodować jego przeciążenie, a także uszkodzenie. Zastosowano więc filtr przyspieszenia prędkości obrotowej, który zapewnia utrzymanie

RPM odpowiedniej szybkości zmiany prędkości obrotowej. Przyspieszenie określa się w ———, dla dwóch

»j

przedziałów prędkości obrotowej tj. niskiego - od prędkości minimalnej do pewnej prędkości granicz-nej i wysokiego - powyżej tej prędkości. Zmianę prędkości określa się dla fazy zwiększania i zmniejsza¬nia prędkości obrotowej silnika.

Pl, P2 - wielkości przyspieszeń prędkości obrotowej w niskim zakresie prędkości ( , od¬

powiednio przy zwiększaniu i zmniejszaniu prędkości),

P3, P4 - wielkość przyspieszenia prędkości obrotowej w wysokim zakresie prędkości odpowiednio przy zwiększaniu i zmniejszaniu prędkości),

P5 - poziom graniczny pomiędzy niską i wysoką prędkością obrotową.

176

Q Program sterowania śrubą nastawną

Sterowanie skokiem śruby nastawnej realizowane jest w/g specjalego programu wypracowywa¬nego przez system AC-7 na podstawie sygnałów z szafy sterującej SG, listwy paliwowej (obciążenie) i sygnału z serwomotoru śruby nastawnej.

Zmiana skoku śruby odbywa się w trzech trybach pracy: tryb wyłączony, tryb wolny i tryb szybki. Sygnał wysyłany do układu sterowania śrubą, przez system AC-7, składa się z szeregu impulsów ste¬rujących przekaźnikiem elektrohydraulicznym serwomechanizmu śruby. Impulsy grupowane są w cy¬kle, a cykle w okresy, w/g poniższego diagramu.

177

O różnicy pomiędzy trybami pracy serwomechanizmu śruby nastawnej (a tym samym o prędkości z jaką będzie ona przesterowywana) decyduje ilość cykli, w których jest wysyłany sygnał uruchamiający serwomechanizm; przykładowo - w trybie szybkim sygnał uruchomienia serwomechanizmu jest wysy¬łany w ciągu 5 cykli, przez l cykl sygnał nie jest wysyłany; w trybie wolnym są to odpowiednio 2 i 4 cykle.

Po wychyleniu dźwigni manewrowej (lub po sygnale zmiany skoku z systemu AC-7) komenda jest porównywana z odpowiadającym jej skokiem śruby, a następnie następuje wybór trybu pracy w zależ¬ności od różnicy pomiędzy wielkością zadaną i rzeczywistą w/g powyższego diagramu. Jeżeli różnica pomiędzy komendą a aktualnym skokiem śruby jest większa niż górna granica wybierany jest tryb szybki, jeżeli mieści się w przedziale pomiędzy górną i dolną granicą wybierany jest tryb wolny, jeśli jest mniejsza od dolnej granicy serwomechanizm pozostaje w spoczynku. Porównanie komendy i skoku śruby odbywa się co l okres.

Istnieje możliwość zmiany następujących parametrów:

• P l - górna granica trybu pracy śruby,

• P2 - dolna granica trybu pracy śruby,

• P3 - ilość cykli w okresie,

• P4 - ilość cykli uruchamiających serwomechanizm w trybie wolnym,

• P5 - ilość cykli uruchamiających serwomechanizm w trybie szybkim,

• P6 - ilość impulsów w cyklu.

Przesterowanie śruby w systemie INDIYIDUAL i FDCED (l 15 lub 135 obr/min.) posiada swój wła¬sny program zmiany skoku. Program ten poprzez powolne przesterowanie śruby nie pozwala na prze¬ciążenie silnika i umożliwia regulatorowi prędkości obrotowej silnika utrzymywanie stałych obrotów prądnicy wałowej. Poniższy diagram pokazuje zwłoki czasowe wprowadzane do programu między poszczególnymi komendami.

Delay between

Astern

Ahead

Max. Fuli

Fuli Half

Half Słów

Słów D.s.

D.s. Stop

Stop D.s

D.s.

Słów

Słów Half

Half

Fuli

Fuli Max

PAR.

Op. code 9 Increase

Default

Stop to Max.

Adjust

Op. code 10 Decrease

Default

Max. To Stop

Adjust

Dla przykładu: przy wychyleniu dźwigni manewrowej śruby z położenia DEAD SŁÓW na MAX czas przesterowania wynosi 2 + 2 + 3 + 5 + 8 = 20*. W przypadku tzw. "CRUSH MANUEWER" (przejście z całej naprzód na całą wstecz) śruba przesteruje się w czasie ok. 100 s. Manewr taki wyko¬nywany jest w próbach morskich, z załączoną prądnicą wałową. Odłączenie prądnicy wałowej (przy rozrzucie prędkości obrotowej powyżej 10 %) spowoduje przejście w stan BLACK-OUT, co jest nie¬dopuszczalne i eliminuje przyjęcie przez armatora programu sterowania. Czas przesterowania wg GL (GERMAN1SCHER LLOYD) nie może być dłuższy niż 2 min 40 s. Wykonanie takiego manewru wymaga skasowanie opcji LOAD PROGRAM (programu obciążenia), gdyż w normalnym układzie zmiana prędkości obrotowej ze STOP na CAŁA NAPRZÓD trwałaby ok. 30 min.

178

3.6.4 Zmiana wartości parametrów w systemie AC-7

Istnieją dwie grupy parametrów dostępnych w systemie zdalnego sterowania AC-7: SYSTEM OP.CODES oraz I/O CHANNELS. Grupa OP.CODES dotyczy parametrów systemu, natomiast grupa I/O CHANNELS dotyczy wejść i wyjść sygnałów systemu dla ich kalibracji i sprawdzenia. Numery kanałów I/O są umieszczone na diagramie połączeń systemu. Dostęp do grupy OP.CODES oraz do grupy I/O CHANNELS jest dokonywany przy pomocy przycisku COMMIS. LOCK. Jednokrotne wciśnięcie tego przycisku umożliwia dostęp do grupy OP.CODES - przycisk jest podświetlony. Dwu-krotne wciśnięcie umożliwia dostęp do grupy I/O CHANNELS - oświetlenie przycisku pulsuje. Po-wrót panelu do normalnego trybu pracy uzyskuje się poprzez trzykrotne wciśnięcie przycisku COMMIS. LOCK - przycisk gaśnie.

Numery OP.CODES z nazwą parametru i jego wartością są wskazywane na wyświetlaczu cyfro-wym, który normalnie wskazuje prędkość obrotową, obciążenie silnika i wartość skoku śruby nastaw-nej. Gdy naciśnięty jest przycisk COMMIS. LOCK (świeci się lub pulsuje) wyświetlacze zamiast nor-malnych wartości RPM, LOAD, PITCH wskazują parametry systemu. W tym trybie przyciski umiesz-czone pod wskaźnikami będą podświetlone i można z nich dokonywać zmian wartości parametrów.

Rozmieszczenie wyświetlaczy i przycisków jest pokazane poniżej

Obroty

Obciążenie

Skok śruby

Wyświetlacz

OP. CODES

PARAMETER

YALUE

Przyciski

DOWNUP

LOWER RAISE ENTER

Wszystkie parametry w systemie posiadają wartości DEFAULT (domyślne), umieszczone na stałe w pamięci. W przypadku awarii pamięci umożliwia to odtworzenie parametrów systemu. W praktyce wartość DEFAULT okazuje się zbyt mało dokładna i zachodzi konieczność precyzyjniejszego ustawie¬nia wartości przyciskami LOWER i RAISE. Wartość po regulacji jest oznaczona jako ADJUSTED w tabelach OP. CODES.

System AC-7 umożliwia symulację stanu wszystkich parametrów dostępnych w grupie l/O CHANNELS (np. prędkości obrotowej, skoku śruby, indeksu pomp paliwowych), co ułatwia testowa¬nie systemu przy odstawionym silniku. Symulacja kanałów wejścia i wyjścia (I/O CHANNELS) jest możliwa przez zmianę ich wartości z FALSE na TRUE w polu PARAMETER. Wartości odczytywa¬nych parametrów mogą być zmieniane (symulowane) poprzez naciskanie przycisków LOWER I RAISE pod polem YALUE.

3.6.5 Podstawowe procedury obsługi silnika z systemem AC-7

•9

G Rozruch silnika ( opis odnosi się do silnika typu MC na statku serii B-183)

Silnik powinien być uruchamiany z CMK. Rozruch z mostka jest dopuszczalny, ale tylko w sytu-acjach awaryjnych. Przed uruchomieniem silnika należy:

• przygotować silnik do ruchu zgodnie z wymaganiami producenta,

• ustawić w położenie AUTOMAT dmuchawy pomocnicze,

• dźwignię skoku śruby ustawić w położenie "O" lub dźwignię manewrową na mostku w położenie STOP (jeśli sterowanie jest z mostka),

• załączyć sterowanie skokiem śruby i przekładnią z systemu AC-7,

• lampka alarmowa ENGINE NOT REDY nie powinna się świecić,

• dźwignię nastawy prędkości obrotowej ustawić w położenie ok. 4 działki na skali (jeżeli sterowanie jest z CMK), a tryb pracy na INDIYIDUAL,

179

• nacisnąć przycisk START na panelu AC-7.

System poda impuls rozruchu (ok. l s) do szafy HCP, lampka START zacznie migać. Po uzyskaniu przez silnik obrotów zapłonowych (20 obr / min) lampka START zacznie świecić się światłem ciągłym aby zasygnalizować pracę silnika. Jeżeli silnik nie podejmie pracy na paliwie, wówczas lampka zgaśnie po upływie ok. 10 s.

Q Zatrzymanie silnika

Podczas normalnej eksploatacji silnik należy zatrzymywać z CMK. Awaryjnie można robić to z mostka. W celu zatrzymania silnika należy:

• ustawić dźwignię skoku śruby w CMK w położenie "O", lub dźwignię manewrową w położenie STOP (jeśli sterowanie jest z mostka),

• dźwignię prędkości obrotowej ustawić w położenie "O" (jeśli sterowanie jest z CMK), a tryb pracy na INDIYIDU AL,

• nacisnąć w panelu AC-7 przycisk SG STOP.

System AC-7 poda impuls zatrzymania silnika do szafy HCP (ok. l s), lampka SG STOP zacznie migać. W momencie gdy obroty silnika spadną poniżej 20 obr / min lampka będzie palić się światłem ciągłym, sygnalizując zatrzymanie się silnika.

G Wybór rodzaju sterowania

Po uruchomieniu silnika należy wybrać rodzaj sterowania poprzez wciśnięcie wybranego przycisku w panelu AC-7 w opcji MODĘ SELECT. Sterując z CMK możemy wybrać:

• sterowanie indywidualne skokiem śruby i prędkością obrotową silnika,

• sterowanie kombinowane; prędkość obrotowa silnika i skok śruby sterowane są przy pomocy jed¬nej dźwigni sterowania skokiem. Podczas sterowania z mostka (możliwa tylko praca COMBINATOR) używamy do tego celu dźwigni manewrowej.

3.7 System zdalnego sterowania firmy SIEMENS

Innym stosowanym od kilku lat rozwiązaniem może być system zdalnego sterowania zespołem napędowym ze śruba nastawną firmy Siemens typu PROFA 23.

Układ składa się,z następujących modułów:

• ustalania limitu prędkości obrotowej (opcja "Chief limiting"),

• przekaźnika zwiększania skoku śruby i prędkości obrotowej silnika,

• elektronicznego regulatora prędkości obrotowej,

• modułu współpracy silnika głównego z prądnicą wałową,

• modułu kontroli działania elementu wykonawczego zmiany skoku śruby;

• modułu kontroli aktualnych wartości: prędkości obrotowej silnika, skoku śruby i dawki paliwa.

180

Rys. 31 Schemat blokowy układu PROFA 23 firmy Siemens

Na rys. 31 przedstawiono schemat blokowy systemu PROFA 23. Engine telegraph system - układ telegrafu maszynowego Bridge - mostek Wing - skrzydło (mostka) ECR (Engine Control Room) - CMK Safety system - układ bezpieczeństwa Operating panel - panel sterowniczy Printer - drukarka

Reference value - wielkość wzorcowa faiput \VmVtVng - ograniczenie sygnaiu wejściowego Reference value limiting - ograniczenie wielkości wzorcowej Automatic speed reduction - automatyczne ograniczenie prędkości obrotowej Runup transmitter - przekaźnik startowy Emergency stop - awaryjny stop Emergency manoeuvre - manewr awaryjny Fast runup - szybki start

181

Słów runup - powolny start

Fast reset for emergency manoeuvre - szybkie przestawienie do manewru awaryjnego

Speed function generator - element sterujący prędkością obrotową

Basic speed - podstawowa prędkość obrotowa

n = const with shaft generator operation - stała prędkość obrotowa przy pracy prądnicy wa-łowej

Modę selector switch - włącznik wyboru opcji

match - dopasowywać, dobierać

Fud injection actual - rzeczywista dawka paliwa

Fuel injection actual value matching - dopasowanie rzeczywistej wielkości dawki paliwa (patrz niżej)

Actual speed value matching - dopasowanie rzeczywistej wielkości prędkości obrotowej (cho-dzi o przetworzenie sygnału z miernika na sygnał użyteczny w procesie sterowania)

Conwerter - przetwornik

Angle transducer (fuel injection) - przetwornik kątowy (tutaj: zamiana położenia kątowego li-stwy paliwowej na sygnał prądowy)

« controller - regulator prędkości obrotowej

Tachogenerator - prądnica tachometryczna

Main engine - silnik główny

Shaft generator - prądnica wałowa

Acutator - element wykonawczy

Controllable pitch propeller - śruba o zmiennym skoku

Angle transducer (pitch) - przetwornik kątowy (tutaj: zamiana wychylenia kątowego skrzydeł śruby na sygnał prądowy)

Pitch actual value matching - dopasowanie wielkości rzeczywistej wartości skoku śruby

Load control, input fuel injection ninin - kontrola obciążenia, sygnał wejściowy dawki paliwa utrzymującej minimalną prędkość obrotową

Fuel admmission function generator - generator funkcyjny dawki paliwa

Pitch function generator - generator funkcyjny skoku śruby

Tracking - śledzenie

Shaft generator function generator - element sterujący pracą prądnicy wałowej

Overload limiting - zabezpieczenie przed przeciążeniem

Astern limiting - ograniczenie skoku śruby przy ruchu wstecz

electr. / manuał - elektrycznie / ręcznie

Ahead - naprzód

Astern - wstecz

182

Rys.32 Zmiana skoku śruby w funkcji czasu

Rysunek 32 przedstawia program zmian skoku śruby w czasie. Każdemu położeniu płatów śruby odpowiada określona wartość napięcia wysłana ze stanowiska sterowania do elementu wykonawczego. Napięcie w zakresie od O do +10V odpowiada wychyleniu płatów śruby do ruchu "naprzód", natomiast w przedziale od O do -lOV ruchowi "wstecz". Szybkość zmian skoku śruby (a rym samym szybkość zmian obciążenia silnika) może być zmieniana w zależności od sytuacji nawigacyjnej lub stanu technicz¬nego silnika głównego (lub innych elementów układu napędowego). W sytuacji wymagającej uzyskanie przez statek największej prędkości w najkrótszym czasie realizowany jest wariant Crash manoeuyre (manewr zderzeniowy, awaryjny). Kiedy natomiast istnieje niebezpieczeństwo awarii silnika wskutek nadmiernych naprężeń cieplnych, realizowany jest program powolnego obciążania - słów.

Podczas zwiększania skoku śruby przy ruch naprzód w przedziale od zera do wartości określonej jako Switch over point l operator nie ma wpływu na szybkość tej operacji. Zakres ten odpowiada mocom manewrowym ("pół naprzód", "wolno naprzód" etc.) kiedy zagrożenie przeciążeniem cieplnym silnika jest nieznaczne a jednocześnie potrzebne jest możliwie szybkie realizowanie poleceń operatora. Podobnie problem ten wygląda podczas ruchu "wstecz".

•v

183

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
DELEGACJE SŁUŻBOWE I, PRAWO PRACY
DELEGACJE SŁUŻBOWE, PRAWO PRACY
delegacja służbowa, korospondencja
Delegacja służbowa w kraju - moje, Prywatne, Technik administracji, I semestr 2013-wiosna, Technika
Delegacje służbowe
Opinia prawna w sprawie delegacji służbowych
Wyjazdy służbowe- delegacje, Pilot wycieczek
delegacja-potwierdzenie pobytu służbowego, WTZ
Wyjazdy służbowe- delegacje, Pilot wycieczek
D19250711 Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 23 września 1925 r w sprawie należności za podróże s
ak id,16290,,delegacja,wydatki,rachunki,podroz sluzbowa,rozliczenie,poniesione wydatki,dieta
Delegacja wyjazdu służbowego
Delegacje podróże krajowe i zagraniczne
podroze sluzbowe
PODROZE SLUZBOWE
delegacja wzor, Różne Dokumenty, KADROWE
organizowanie spotkań służbowych
DELEGACI RZĄDY

więcej podobnych podstron