SIŁOWNIE

Czynniki wpływające na ost. kształt statku zamawianego przez Armatora:

- polityka (np. naciski w USA do budowy statków spełniających wymogi Pentagonu);

(również kierunki przewozu);

- warunki gospodarcze (kryzys - boom);

- kierunki handlu;

- wymagania transportu (tzn. zespół wymagań obejmujących warunki przed przewozem morskim jak i po dla poszczególnych grup towarowych);

- rynek czarterów (stawki niskie - maleją zamówienia);

- warunki eksploatacyjne dla danej linii;

- OPEC;

- rynek pieniężny (statki budowane są na kredyt !!!);

- rynek statkowy (w tym zarówno statki i silniki);

------

Typy statków : w ostatnich latach jedynym nowym typem statku, który pojawił się w ciągu ostatnich 20 lat to kontenerowiec.

Przewidywania :

1 - pełna optymalizacja układów napędowych (silnik, elektrownia, pędnik etc. i załoga);

2 - eksploatacja na najtańszym paliwie

3 - spełnienie wymogów ochrony środowiska

4 - maksymalizacja wydajności procesów przeładunków

Ad 1: załoga - b. wysokie koszty, stąd dążenie do minimalizacji załóg;

trend do zalegalizowania 1 osobowej wachty na mostku i bezwachtowo

w siłowni

Docelowo redukcja do 6 osób (z rodziną);

Ad.2: tańszych paliw niż te używane już chyba nie będzie.(Gęstości pow. 1). Odrębny

problem to koszty remontów silników.

Agregaty - $ 5 na jedn. mocy przy lekkim/rok

- $ 20 przy paliwie ciężkim/rok

Trend: unifuel - wszystkie urządzenia na statku pracują na tym samym paliwie;

Ad.3: zmiany niosą konieczność ponoszenia wysokich kosztów inwestycyjnych (MARPOL

jest kosztowny - a teraz ma wejść Aneks 6. Technicznie nie problem, ale koszty -

tu z kolei paliwo odsiarczone ca 20% droższe. Koszt katalizatora ca 300 $/jedn.

mocy.

Spalarki śmieci - problem w związku z Aneksem 6 - wszystkie dotychczasowe

nie spełnią warunków + zakaz wyrzucania popiołu, chyba, że zatopiony w stałej

masie.

Ad.4: statki uniwersalne się przeżyły - są za drogie w eksploatacji. Masa urządzeń nie

jest wykorzystywana w poszczególnych przewozach.

Wielkość statku - okres trendu do max rozmiarów (uzasadnionych tanim kosztem

przewozu) minął - okazało się, że one mogą chodzić tylko na określonych trasach.

Przebudowa portu - 1x na 25 lat

" kanału - 1x na 50 lat

Obserwuje się wzrost szerokości statków - żeby mieć większy statek bez zwiększa-

nia zanurzenia.

To z kolei prowadzi do zmiany dźwigów portowych. Z drugiej strony redukuje się

urządzenia przeładunkowe na statkach.

Współczesne raty przeładunkowe:

- Ro/Ro 200-600 T/H

- kont. 600/800 T/H

Prędkość : spadek trendu budowy szybkich statków. Optymalne prędkości to:

tankowce 15 w

kontenery 22-25 w

Ad.1Silnik główny:

silniki wysokoprężne - zdecydowanie ekonomiczniejsze od turbiny

pędnik - śruba (nic sensowniejszego nie wymyślono)

elektrownia okrętowa (skojarzona w taki bądź inny sposób z silnikiem gł.)

Zależność między kosztem eksploatacji a kosztem inwestycji:

Koszty eksploatacji

- przeładunek 37%

- amortyzacja 19% (5-cio letnia)

- paliwo 20%

- załoga 8%

- remonty/konserwacja 2%

- koszty portowe 5%

- claimy 2%

- administracja 3%

- materiały 2%

Koszty eksploatacji siłowni stanowią około 50% w/w kosztów a w tym 81% to koszty paliwa.

13% amortyzacja, 4% utrzymanie/remonty, 2% oleje/smary.

Jeżeli można zmniejszyć koszty paliwa to się opłaca. Zmiana z 4% na 2% to pryszcz w stosunku do ogólnych kosztów.

Bodziec to kryzys paliwowy. Dzisiejsze silniki spalają już ok. 30% paliwa mniej niż przed kryzysem.

Koszt silnika jest dziś równoważny rocznym kosztom paliwa.

Oszczędzanie nie ma tu sensu - dziś nawet instaluje się nowe silniki na stare kadłuby ( o ile w dobrym stanie).

Porównanie statku z przed 15 l i z przed 2 lat: różnica kosztów paliwa - $ 6,000/dzień !

Dobór silnika:

- jednostkowe zużycie paliwa;

- zużycie oleju;

- koszt inwestycji;

- koszty obsługi;

- produkcja energii elektrycznej;

- zaufanie (niezawodność, własne doświadczenie, zaplecze serwisowe, dostępne referencje

udział w rynku, dostępność informacji)

Przy dziś kosztach eksploatacji każda godz. postoju to ewidentna strata.

Zużycie paliwa (1972 - 154 g/KM - 1984 120 g/KM) (Turbiny ok. 190 g/KM)

Osiągnięto to zmianami konstrukcyjnymi:

- wydłużono skok (mniejsze obroty) - większy czas na pełne spalanie paliwa w cylindrze;

- mniejsze obroty poprawiły sprawność śruby napędowej - 10% zmniejszenie obrotów

daje 5% oszczędności paliwa.

- skonstruowanie nowej generacji turbo-doładowarek. Powstał nadmiar mocy nie potrzebnej

do doładowania SG. Zużyto to do napędu generatorów lub bezpośrednio na wał. Jest to

kosztowne, ale już jest stosowane. Problemem były przekładnie redukujące obroty z

kilkunastu tyś do kilkudziesięciu.

- podniesiono stopień sprężania (nowe łożyska !)

Q.Elisabeth II - wymiana silnika - pierwszy statek z pędnikiem Grimma. Oszczędność paliwa z 600 t/doba na 270 t/doba.

Śruba Grimma:

Podział siłowni

1.Tłokowe (tylko silniki wysokoprężne)

2. Turbinowe (90-92% turb.parowe, reszta spalinowa)

3. Kombinowane ze wspomagaczami turbin spalinowych.

Ad.1 Silniki wolnobieżne i średniobieżne. Szybkoobrotowe tylko na małych jedn.

Wolnoobrotowe od 60 do 100 o/m - im lepszy silnik tym niższe obroty;

Srednioobrotowe - do 460 obr/m

Ad.2 Głównie wysokoprężne w tym ok. 70% to silniki wolnoobrotowe.

Turbiny tylko na b.dużych i b. szybkich statkach. Powód - SG o mocy 120 tyś KM

można zmieścić w stos. małym pomieszczeniu oraz możliwość przeciążania turbiny

tak momentem jak mocą - limit po stronie kotła (czy mamy parę).

Podział wg ilości silników:

- jednosilnikowe

- wielosilnikowe

reguła - jednosilnikowe - wolnoobrotowe

- wielosilnikowe - średnioobrotowe

Turbiny - z reguły dwusilnikowe

Układy napędowe mogą być:

- przekładniowe (średnioobrotowe)

- bezprzekładniowe (wolnoobrotowe)

Im więcej elementów występuje w układzie tym niezawodność jest mniejsza.

Trzy typy przekładni:

-mechaniczne

-hydrauliczne

-elektryczne (napęd diesel-elektryczny)

Najczęściej przekładnia mechaniczna, a ostatnio obserwuje się wzrost zainteresowania przekładnią elektryczną.

Przekładnie mogą pracować nie tylko jako redukcyjne, ale też jako wspomagające (łączenie dwu różnych napędów).

Przekładnie hydrauliczne b. rzadkie - pojawiły się przy turbinach na parę odlotową - łączenie napędów spalinowych z turbiną.

Śruby mogą być o stałym skoku i ze zmiennym skokiem (nastawne). Większość to skok stały - wyższa sprawność do 30%. Mimo zalet śrub nastawnych następują straty głównie z uwagi na stosunek wału do średnicy śruby.

Układ bezprzekładniowy, wolnobieżny, stała śruba.

Zalety:

- niezawodność

- mniej elementów

- długa żywotność (niezniszczalny)

- niska głośność

- ekonomiczność (spalanie taniego paliwa)

Wady:

- większa objętość siłowni

- większa masa siłowni

- koszt produkcji (b. duża dokładność obróbki, duży koszt braków)

Układ przekładniowy, śruba stała, silnik średniobieżny

Nadają się do niskich siłowni.

Silniki z reguły 4-suwowe, z doładowaniem. Parametry pracy podobne do wolnobieżnych : trochę większe zużycie paliwa. Moc z cylindra 400-500 kM.

Zmora - częstotliwość przeglądów (zawory, układ tłok-cylinder).

Układ bezprzekładniowy, śruba nastawna.

Głównie dla silników wolnobieżnych.

Układ przekładniowy, silnik wolnobieżny, śruba nastawna.

Zalety:

-krótki wał śrubowy

-brak tunelu

-zmniejszenie przedziału maszynowego

-ograniczenie manewrów do manewrów śrubą

-mniejsze sprężarki, mniejsze zbiorniki sprężonego powietrza

Wady:

Układy przekładniowe (elektryczne)

Zalety:

-dowolne ukształtowanie siłowni

-układy spalinowo-elektryczne mogą być budowane z gen. prądu zmiennego lub prądu stałego.

Statki rybackie mają inne układy napędowe - trzy rodzaje zapotrzebowań na energię:

1-dojście na łowisko (pusty,szybko)

2-połów (duża moc na windę trałową, mała prędkość)

3-powrót z łowiska (szybkość i chłodnia)

Stąd układ dwu silników : mały i duży.

1 - oba (śruba)

2 - mały

3 - duży (śruba), mały (energ.elektr.)

Układy zaskakujące:

Trzy silniki wolnobieżne na 3 śruby:

Główny 32 tyś kM, małe po 20 tyś.KM.

Podstawowa idea to eksploatacja przy minimalnej ilości załogi.

Silnik największy + małe pracowały na przejściu, Japonię opływano na małych (brygada remontowała Główny), w Europę opływano na Głównym, a małe remontowała brygada.

Elektrownie

W chwili obecnej udział mocy produkowanej na statku wynosi 20-30%.

Źródłem energii napędowej są silniki spalinowe, układy sprzęgnięte z silnikiem głównym lub linią wału, układu utylizacyjne (kotły ogrzewcze, turbiny), układy mieszane.

Główną pozycję kosztową stanowi paliwo.

Lekkie - 70% kosztów

Ciężkie 40-50% kosztów

Generatory wałowe (podwieszone)

Efektywność polega na :

- zmniejszeniu kosztów paliwa.

- efektywność

- niższe koszty eksploatacji

- mniejszy hałas

- mniejsza ilość spalin

- możliwość awaryjnego napędu statku przy pomocy prądu elektrycznego

(ta metoda jest stosowana na statkach badawczych, gdzie wymagana jest często

mała prędkość).

Wady

- musi być przekładnia między wałem/silnikiem a generatorem celem uzyskania

odpowiednich obrotów - i jeżeli nastąpi mały spadek obr.silnika głównego to

spadek obrotów na generatorze będzie 6-7 x większy.

Zapobiegano temu (dawniej) poprzez śrubę nastawną, ale wtedy wzrost poboru

paliwa o ok.20%.

Dopiero rozwój elektroniki tyrystorowej energetycznej pozwoliło na zapobieżeniu

tym problemom - niestety jest to b. drogie.

Zespół prądotwórczy 1,000 kW kosztuje $ 300,000. Zespól wałowy ca $ 250,000. Natomiast wałowa z regulatorem elektronicznym $ 500-600,000.

Klasyczna prądnica amortyzacja ok. 5 lat.

Z regulacją elektroniczna, lub z przekładnią planetarną - amortyzacja ok. 10 lat.

Rodzaje obciążeń

1 Statek w porcie (nie pracuje)

2 Statek w porcie (pracuje)

3 Statek w morzu

Ad.1 - najmniejsze obciążenia

Ad.2 - największe obciążenia

Ad.3 - m.więcej jak stan 2

Uwaga: włącznie urządzeń powinno być sukcesywne.

SIŁOWNIE PAROWE

Dzisiejsze siłownie parowe to tylko turbiny.

Turbiny pracują tylko w jednym kierunku - stąd muszą być 2 turbiny - do pracy naprzód i do pracy wstecz. Stąd miejsce.

Turbiny wstecz ok. 40% mocy turbiny naprzód.

Dziś robi się turbiny pracy wstecz umieszczone w środku turbiny naprzód.

Turbiny dzieli się na dwie części - turbinę wysokoprężną i niskoprężna. Turb.biegu wstecz siedzi w części niskoprężnej.

PARA

Jedynym źródłem pary są dziś kotły wodno-rurkowe.

Ciśnienia w kotłach:

- Europa / Japonia 105 barów

- USA 63 bary

Progi dają różne właściwości pary.

Normalna para (100 o) ma małą wartość energetyczną. Stąd zaczęto dogrzewać już wytworzoną parę do 480 do 510 a nawet 600 o , która ma znacznie więcej energii (i ciśnienia).

W tej chwili wymóg posiadania 1 kotła, ale niewielu armatorów zgadza się na konstrukcje z jednym kotłem. Szwedzi i Japończycy poszli na 1.5 kotła - mały jest wystarczający, żeby gdzieś dojechać.

Schemat siłowni parowej:

Manewrowanie siłownią parową.

1.Gotowość do ruchu siłowni. Nie można uruchomić turbiny bez podgrzania (z uwagi na wysoką temperaturę następują duże zmiany liniowe). Praktycznie turbina w czasie postoju jest ciągle grzana minimalną ilością pary bądź z kotła bądź parą napędową - stąd obraca się śruba.

Obroty turbin średnio 6,000/min stąd przekładnie redukcyjne (największy i najcięższy element siłowni parowej).

Średnica koła dużego około 12 m (120 ton !!).

2.Ruch turbiny.

Wszystko (moc,obroty) zależy od masy pary "g". Nie reguluje się turbiny parametrami pary.

1 - Zamknięcie zaworu pary "naprzód". (0-1 zamykanie pary "naprzód - ok. 5 sek.)

2 - Półotwarcie zaworu pary "wstecz". (1-2 - ca 5 sek.)

3 - Obroty naprzód = 0. (2-3 oczekiwanie na zatrzymanie obrotów wału)

4 - Pełna para wstecz. (3-4 otwieranie zaworu "wstecz" ok. 5 sek.)

5 - Maksymalne obroty wstecz. (3-5 rozpędzanie turbiny "wstecz")

6 - Prędkość statku naprzód = 0

Dla statku 20,000 DWT od CN do CW 200 sek. (1,000 m).

TYPOWE USZKODZENIA SILNIKA

1.Wyłączenie 1 układu tłok-cylinder (pęknięcie koszulki)

2. Awaria turbodoładowarki

3. Awaria chłodnicy powietrza.

Ad.1

Ubytek mocy nie jest proporcjonalny do stosunku n/m (gdzie n - ilość odłączonych układów a m ilość wszystkich układów) - następuje niezrównoważona praca układu SG i trzeba ograniczyć moc dla celów bezpieczeństwa. Turbina nie dostaje pełnej ilości spalin i może nastąpić tzw. zasysanie - zakłócenie pracy. Stosowany sposób to wyłączenie drugiego cylindra "dla równowagi".

Manewrowanie z uszkodzonym silnikiem : rozruch powietrzem, kierowane do układu, gdzie tłok jest powyżej górnego położenia, a następnie dalej do innych.

Można obracarką, ale najszybciej jest na moment kopnąć wstecz, a potem naprzód. Uzgodnić to z mechanikami przed manewrami i w trakcie manewrów tylko potwierdzić telegramem manewr z maszyny.

Przesunięcie zakresu obrotów krytycznych. Może nastąpić w górę lub w dół - trzeba to zbadać przed manewrami.

Ad.2 - musi nastąpić zablokowanie dolotu powietrza.

Gdy chcemy mieć sterowny statek maszyna blokuje turbodoładowarkę, żeby turbina się nie rozleciała. Można uzyskać 35% mocy i prędkości.

Można dopasować silnik do pracy bez turbodoładowania (praca w trybie wolnozasysającym) i uzyskać w ten sposób ca 75% mocy (turbodoładowarka zablokowana). Nie ma kłopotów w czasie manewrów.

Ad.3 Wyłącza się zespoły uszkodzonych rurek. Należy zmniejszyć dawkę paliwa aby obniżyć tempertury do poziomu wydajności układu chłodzenia.

MANEWROWANIE SG

t1 - ca 20 sek.

t1o- ca 30 sek. (należy jak najszybciej zejść do manewrowych !!)

t2 - ca 20 min (przejście z obr. manewrowych na morskie)

t3 - 15 sekund (zejście awaryjne - konieczność wychłodzenia silnika przed

ponownym startem - zimne powietrze rozruchowe - ca 40 minut !!!)

t4 - ok.30-40 minut

Współpraca silnika ze śrubą.

Silnik musi pokonać tzw. opór holowania, który zależy od:

- kształtu kadłuba

- zanurzenia statku

- głębokości pod stępką

Opór ten rośnie wykładniczo ze wzrostem prędkości.

Pole współpracy silnika głównego wysokoprężnego ze śrubą stałą.

Silnik jest zabezpieczony przed przekroczeniem obrotów nominalnych o ponad 5%.

Moc nominalna to moc potrzebna do pokonania oporów śruby, oporów w SG, oporów pomp itd.

Krzywa pompowania - zakłócenia przy przepływie spalin.

Prędkość statku wynika z nastaw silnika i przebiegu krzywych oporów śruby - muszą się one przecinać z krzywymi nastaw tylko wewnątrz pola. Wówczas współpraca SG ze śrubą jest stabilna.

Moment = siła x ramię. W silnikach wysokoprężnych można przeciążyć silnik momentem. Nie można tego zrobić w odniesieniu do turbiny.

-----

Ekonomizacja transportu (oszczędności na kosztach paliwa) doprowadziły do powszechnego przejścia na jednorodne paliwo na statkach - głównie paliwo ciężkie. Ich optymalizacja energetyczna doprowadziła do powstania różnych mieszanek, które nierzadko są niestabilne. Dlatego nie wolno mieszać paliwa z różnych bunkrowań.

----

Przygotowanie siłowni do ruchu.

Czas zależy od:

- stanu siłowni przed uruchomieniem;

- różnica temperatur paliwa i temperatury wody/temperatury zewnętrznej (podgrzanie paliwa);

- temperatura oleju;

Przy dłuższym postoju należy założyć, że trzeba około 1 godz. na 1 tonę pojemności kotła celem uzyskania pary o odpowiednich parametrach i w odpowiedniej ilości.

Współpraca silnika ze śrubą w warunkach nadzwyczajnych

W warunkach sztormowych przy wyjściu śruby z wody regulator zdejmuje obroty i dochodzi do krzywej lekkiej. W następnym momencie następuje wejście śruby głęboko do wody i regulator dodaje obrotów ale może to zrobić tylko do krzywej nastawy nominalnej, następnie współpraca ustala się wzdłuż krzywej śrubowej dla ciężkich warunków. Zdjęcie obrotów wyniesie Dn.

Nie jest to korzystna sytuacja tak dla silnika jaki i dla statku i ładunku. Żeby sobie z tym poradzić należy zjechać ze średnimi obrotami tak, aby regulator dawał sobie radę w obie strony, tj. żeby przyrost i zdjęcie nastaw przez regulator mieściły się między krzywymi śrubowymi (tzn. amplituda wahań regulatora).

Współpraca silnika ze śrubą nastawną

Dla mechanika śruba nastawna oznacza, że droga na każdym obrocie (w danym punkcie śruby) jest wielkością zmienną (H) - czyli skok, natomiast średnica śruby (D) jest stała. Stosunek h/D jest potocznie nazywany ciężkością śruby.

Śruba nastawna daje dużą elastyczność przy zmiennych obciążeniach silnika.

W przypadku zwiększenia obciążenia nastąpi automatyczny spadek obrotów (patrz rys. niżej, "a"). Jeżeli jednak przesunie się nastawę śruby w kierunku "lżejszej śruby" wówczas regulator zwiększy obroty w dozwolonych granicach i przy utrzymaniu mocy (na nawet lekko większej) i znacznie lepszej współpracy silnik-śruba. Prędkość oczywiście spadnie. (b)

Holowanie

Następuje radykalna zmiana warunków pływania

Wykres dla holownika wygląda inaczej. W trakcie "pustych" przebiegów holownik pracuje na połowie mocy. Można to rozwiązać (np. na statkach rybackich lub dużych holownikach przez zastosowanie dwóch SG):

Porównanie siłowni parowej z silnikiem wysokoprężnym w warunkach sztormowych.

Miarą obciążenia silnika jest dawka paliwa, stąd nastawy paliwowe decydują o obciążenia. Na turbinach paliwo jest kierowane do wytwarzania źródła energii. Miarą obciążenia turbiny jest masa pary przepływającej przez turbinę. Nastawy paliwa są wielkościami stałymi, a tylko ilość pary jest regulowana.

Spadki mocy i prędkości są znacznie mniejsze, turbina jest więc bardziej elastyczna. Jeżeli jeszcze dodać do tego, że turbiny w zasadzie mają dużą rezerwę mocy to turbina może zachować żądaną prędkość statku w różnych warunkach współpracy turbina-śruba.

Wytwarzanie energii elektrycznej na statku.

Drobnicowce - moc agregatów (wytwarzana) ok. 20% SG.

Statki specjalistyczne (np. chłodniowce) nawet ok. 40%.

Źródła energii:

- agregaty

- układy sprzęgnięte z układem/wałem napędowym

- układy utylizacyjne (kocioł ogrzewany spalinami - La Mont - turbina -generator elektryczny)

- układy napędzane energią spalin. (nowa generacja turbin ma o tyle lepszą sprawność, że występuje nadmiar mocy, którą można wykorzystać gdzie indziej, m.innymi do napędu generatorów, problemem była kwestia redukcji wysokich obrotów)

- układy mieszane

Paliwo lekkie b. drogi koszt eksploatacji rzędu 70%, paliwo ciężkie do 40% kosztów paliwa.

Stosowany jest na statkach (niemal bez wyjątku) prąd przemienny. Przepisy dopuszczają zmiany częstotliwości o +- 5% (od 50 lub 60 Hz). Częstotliwość zależy od ilości par biegunów i od obrotów. Agregaty (czterosuwy) są tak konstruowane, aby zapewnić dużą stabilność obrotów.

Podwieszone generatory połączone są poprzez przekładnię redukcyjną. Obroty jednak generatora są ok. 600-700/min - obroty SG około 100/min. Stąd zmiana o 1% obrotów SG spowoduje zmianę o około 6-7%. Dzieje się tak w warunkach sztormowych. Przekroczenie 5% spowoduje wyrzucenie generatora z szyn. Stąd prądnice wałowe mogą pracować do stanu morza 4.

Ale są sytuacje, w których można to załatwić samemu np. przez nagłe wyłożenie steru. Generatory (automatyka) jest wyposażona w systemy badania trendu obrotów, tak aby w odpowiednim czasie włączyć agregaty. Ale występuje tu opóźnienie 30-50 sekundowe, stąd nagłe zwiększenie obciążenia (i w efekcie spadku obrotów) musi skończyć się black-out'em.

Klasyczny zespół prądotwórczy kosztuje 300 tyś $ , a prądnica wałowa z przekładnią około 250 tyś $. Jeżeli układ prądnicy wałowej wyposażyć w automatykę i dodatki to cena wzrośnie do $ 500 tyś.

Okazuje się, że amortyzacja prądnicy wałowej (przy pracy silnika około 48% czasu) trwa około 5 lat. A nowej generacji generatory 10 - 15 lat.

Dlatego coraz częściej stosuje się układy utylizacyjne.

Układy utylizacyjne - powstało ostatnio parę udanych konstrukcji gdzie powstało dużo nadwyżek spalin, które kierowane do kotła dawały ilość pary wystarczającą do napędzania turbiny.

---