T 5. Brodski pogonski uređaji

T 5. Brodski pogonski uređaji NASTAVNA PITANJA: 1. Brodski motori - ropeler sa prekretnim krilima - sistemi brodskog motora 2. Turbinski pogon broda - gasne turbine - parne turbine - parni kotlovi 3. Dizel-električni pogon 1

Literatura: 1. Dr Andrija Lompar, Nauka o brodu, Univerzitet Crne Gore, Kotor, 2002. 2. Kurtela Željko, Osnove brodostrojarstva, Veleučili ilište Dubrovnik, Tiskara Grafoprint,, Dubrovnik, 2000. 2

3

5.1. Brodski pogonski uređaji Da bi se obezbijedila snaga neophodna za pokretanje broda, brod mora a imati pogonski uređaj koji će e pokretati propulzor, odnosno propeler. 4

ISKORISTIVOST BRODSKIH PROPULZIONIH ONIH POSTROJENJA 1a -nove generacije dizel- motora: Sulzer RTA, B&W MC-MCA, MCA, 1b -stariji dizel-motori, 2 -parne turbine sa visoko pregrijanom parom, 3 -parne turbine, 4 -plinske turbine 5

Kao pogonski uređaji na brodovima se sreću; -dizel motori, - gasne turbinc i - parne turbine. Izbor izmedu pojedinih vrsta pogona zavisi od velikog broja faktora. 6

Motori imaju najveći i stepen korisnosti, ali zauzimaju veliki prostor, imaju veliku težinu po proizvedenom kw i traže e veliki broj pomoćnih sistema i uređaja. Motori se ne mogu mnogo ni preopteretiti (najviše e oko 10%), što je ponekad u eksploataciji veoma važno. Isto tako nisu pogodni za brodove kod kojih se zahtijevaju snage veće e od 25000 kw. Motor se na brodovima ipak najviše e sreću u kao pogonski uređaji. 7

Parne turbine imaju manji stepen korisnosti od motora a veći od gasnih turbina. Proizvode više e snage po jedinici mase i zapremine od motora i manje od gasnih turbina. Međutim i one zahtijevaju dosta komplikovan sistem pomoćnih uređaja i sistema,, od kojih je najvažniji niji kotlovski sistem. Pogodne su i zbog toga što mogu da rade sa gorivima najslabijih kvaliteta. One se sreću u na vecim brodovima, posebno tankerima gdje motori ne mogu da obezbijede dovoljnu snagu. 8

Gasne turbine se na trgovačkim brodovima najmanje susreću zbog niskog stepena korisnosti. Proizvode velike snage po jedinici mase i zapremine i svoju primjenu su našle kod brzih plovnih jedinica kao što su super brzi ferry brodovi. 9

5.1.1 Brodski motori - Podjela, - princip rada, - glavni djelovi Motori su toplotne mašine u kojima se hemijska energija iz tečnog goriva u prostoru za sagorijevanje pretvara u toplotnu energiju, koja se zatim kroz širenje radnog medija pretvara u kinetičku ku energiju. Kinetička energija se zatim preko klipnog mehanizma pretvara u obrtni moment radilice motora. Osnovu rada motora predstavljaju jedan termodinamički ciklus i klipni mehanizam. 10

Na trgovačkim brodovima, kao k glavni pogonski uređaji uglavnom se sreću u dizel motori, kod kojih se teorijski termodinamički ciklus sastoji od dvije adijabate i dvije izobare. Kod dizel motora smješa a se priprema u prostoru za sagorijevanje gdje se sama od sebe pali pod uticajem visoke temperature i pritiska koji se stvore u gornjem djelu cilindra tj. prostoru za sagorjevanje na kraju kompresije. 11

Kao najekonomičniji niji dizel motori koji se upotrebljavaju kao pogonski uređaji na brodovima pojavljuju se dvotaktni motori sa ukrsnom glavom i prednabijanjem. Međutim na manjim brodovima mogu se sresti i četvorotaktni motori. Podjela motora na dvotaktne i četvorotaktne odnosi se na proces sugorijevanja, odnosno pretvaranja hemijske energije goriva u obrtni moment radilice motora. 12

Ovaj proces se može e izvršiti iti u jednom ili dva okretaju radilice. Ako se ceo proces izvrši i u jednom okretaju (dva takta), takvi motori se nazivaju dvotaktni,, a ako se čitav proces izvrši i u dva okretaja (četiri( takta), takvi motori se nazivaju četvorotaktni. 13

Princip rada dvotaktnih dizel motora P-V V dijagram dvotaktnog dizel motora Prvi takt - kompresioni takt,, poćinje ulaz svježeg eg vazduha u cilindar i istovremeno izlaze produkati sagorijevanja kroz otvoreni ventil. Klip se kreće e prema gore zatvora usisni otvor, zatim zatvara izduvni ventil i počinje kompresija. Pri kraju hoda klipa u blizini gornje mrtve tačke (GMT-TDC), TDC), ubrizgač ubrizgava gorivo u cilindar, zbog visoke temperature i pritiska smeša a vrelog vazduha i goriva se sama pali. Drugi takt - radni takt,, gorivo u cilindru trenutno sagorijeva, stvara toplotu i visoki pritiska koji gura klip prema dolje. Pri kraju takta otvara se izduvni ventil, gasovi izlaze kroz izduvni vod. Klip otvara ispirne otvore, svježi i vazduh ispire cilindar, čime otpočinje izmjena radnog medija do donje mrtve tačke (DMT-BDC). 14

Toplotni bilans brodskih dvotaktnih dizel motora Toplota koja se stvara u motoru sagorevanjem goriva djelom se pretvara u efektivan rad na osovini motora a ostatak je toplotni gubitak. Pod toplotnim bilansom motora podrazumijeva se šema raspodjele toplote nastale sagorevanjem goriva. Sankey dijagram dvotaktnog dizel-motora 15

Princip rada četvororaktnog dizel motora P-V V dijagram četvorotaktnog dizel motora I takt usis,, klip se kreće e prema dolje usisni ventil je otvoren a izduvni zatvoren. Zbog kretanja klipa stvara se pod pritiska u cilindru i ulazi svjež vazduh do DMT. II takt kompresija,, od DMT klip se kreće prema gore dok su ventili zatvoreni. U cilidru dolazi do sabijanja vazduha i porasta temperature. Pri kraju kompresije ubrizgava se gorivo koje se u tim uslovima samo pali. III takt - ekspanzija,, gorivo g u cilindru sagorijeva oslobađa toplotu i povećava pritiska. Pritisak djeluje na površinu čela klipa gurajuci ga od GMT prema dolje. Ventili su i dalje zatvoreni. IV takt izduv,, u blizini DMT otvara se izduvni ventil i počinje takt izduva. Krećući se od DMT prema gore klip izbacuje produkte sagorijevanja iz cilindra. U GMT se izduvni ventil zatvara a usisni ortvara i počinje takt usisa. 16

Princip rada četvororaktnog benzinskog (Otto) motora 17

Podjela brodskih dizel motora prema broju okretaja u minuti Na osnovu ove podjele izdiferenciralo se i tržište te brodskih dizel motora, kao tržište te sporohodnih dizel motora, tržište te srednjohodnih dizel motora itd. - Na trgovačkim brodovima najveću u primjenu kao glavni pogonski uređaji imaju sporohodni dizel motori, prvenstveno zbog male specifične potrošnje goriva, najvećeg eg stepena korisnosti, te što se zbog malog broja okretaja mogu direktno spajati sa propelerskom osovinom. - Na jahtama se najčešće e koriste srednjohodni dizel motori a na brzim gliserima brzohodni dizel motori. 18

Najpoznatiji proizvođači i brodskih dizel motora Ultra sporohodni Sporohodni Srednjohodni Brzohodni Super brzohodni MAN & B&W MAN & B&W MAN & B&W VOLVO - PENTA SULZER SULZER SULZER Mitsubishi Mitsubishi PILSTIK VARTSILA MAK 19

Glavni djelovi brodskog sporohodog dizel motora 20

Glavni djelovi brodskog sporohodog dvotaktnog dizel motora Presjek Sulzerovog RTA motora 1- klip, 2- košuljica cilindra, 3- blok cilindra, 4- izduvni ventil, 5- hidraulika otvaranja ventila, 6- hidraulički aktuator, 7- dovodna cijev hidrauličkog ulja 8- odvodna cijev hidrauličkog ulja, 9- kućište ventila, 10- temeljni vijci, 11- turboduvalo, 12- rashladnik vazduha, 13- resiver, 14- klipna motka, 15- križna glava 16- klipnjača, a, 17- koljenasta osovina, 18- temeljna ploča, 19- kućište motora, 20- zglobne cijevi za dovod ulja u križnu glavu i klip, 21- cijevi za odvod ulja iz križne glave i klipa, 22- glava cilindra 21

1 Sistem prednabijanja savremenog dvotaktnog dizel-motora Motori sa prednabijanjem su lakši i manjih dimenzija nego atmosferski motori istih snaga i istih brojeva okretaja, jer u istom prostoru cilindra sagoreva veća količina goriva. Dakle glavna svrha prednabijanja je ušteda na prostoru i težini (masi) motora, a ušteda u oba slučaja iznosi 30-35%. Povećanjem snage kod istih dimenzija motora smanjuje se dio mehaničkih i toplotnih gubitaka, time se povećava ekonomičnost motora. Smanjenje specifične potrošnje goriva zavisi od pritiska prednabijanja, što je pritisak prednabijanja veći, specifična potrošnja goriva je manja. 1- hidraulički pogon izduvnog ventila, 2- izduvni ventil, 3- kućište izduvnog ventila, 4- glava cilindra, 5- košuljica cilindra, 6- blok cilindra, 7- usisni otvori, 8- klip, 9- elektromotor, 10- pomoćno duvalo (kompresor), 11- kućište ulaza vazduha, 12- elastični međukomad, 13- izduvni kolektor, 14- elastični međukomad, 15- kompresor, 16- gasna turbina, 17- grupa nepovratnih ventila, 18- resiver, 19- odvajač vode, 20- rashladnik vazduha, 21- spoj turboduvala, 22- grupa nepovratnih ventila 22

Temeljna ploča Temeljna ploča a služi i za pričvr vršćivanje motora za brodski temelj, podupiranje i nošenje radilice, kaoi za nošenje kućišta. Na dnu temeljne ploče e skuplja se ulje, zato je dno izliveno kao uljno korito zajedno sa temeljnom pločom om ili je kod zavarenih konstrukcija satavljeno iz zavarenih limova. U temeljnu ploču u ugrađeni su osnovni ležajevi radilice. Svaki osnovni ležaj oslanja se na jedan poprečni nosač koji daje temeljnoj ploči i poprečnu čvrstoću. 1- temeljna ploča, 2- kućište motora, 3- blok cilindra 23

Košuljica dvotaktnog motora sa ukrsnom glavom 1- košuljica, 2- prsten gumeni, 3- otvor za izduvni ventil, 4- rashladni prostor, 5- otvori za ulaz vazduha, 6- prijelaz rashladne vode u glavu cilindra, 7- šupernica klipne motke, 8- brtva rashladnog prostora, 9- glava cilindra 24

Glava motora Klip 1- glava motora, 2- kućište izduvnog ventila, 3- ubrizgač, 4- pritezni vijak glave, 5- rashladni prostor, 6- kompresioni prostor, 7- čelo klipa, 8- rashladni prostor klipa 1- klip, 2- klipni prstenovi, 3- klipna motka, 4- šupernica, 5- prostor za hlađenje 25

Klip sa klipnom motkom Motori sa velikim hodom klipa imaju klipnu motku. Ona spaja klip sa klipnjačom preko ukrsne glave time se smanjuju gabariti motora. Klipna motka je obično šuplja i služi i za dovod i odvod medija za hlađenje u klipa. Donji kraj klipne motke (8) spojen je sa križnom glavom (15) pomoću u konusa (12) i matice (13). Vijci (5) spajaju klipnu motku sa klipom koji se, u ovom slučaju, sastoji od gornje glave (1), vodilice od sivog lijeva (4) i umetka od čeličnog lijeva (3). Klipna motka (7) je spojena sa klipom prirubnicom (6). U šupljinu klipne motke umetnuta je cijev (9) kroz koju se dovodi ulje za hlađenje klipa. Prostor između šupljine klipne motke i cijevi služi i za odvođenje ulja do centralnih otvora (10) u prstenaste kanale (13). 26

Klipnjača Ukrsna glava Radilica 1- ležaj male pesnice, 2- vijci male pesnice, 3- tijelo klipnjače, 4- kanali za dovod ulja u ležajeve ukrsne glave, 5- velika pesnica, 6- vijci velike pesnice, 7- peta klipnjače. 1- klipna motka, 2- ukrsna glava, 3- klizna papuča, a, 4- klizna staza, 5- oslonac ležaja klipnjače, 6- klipnjača 1- rukavac, 2- oslonac koljena, 3- rame koljena, 4- spojna prirubnica, 5- odrivni greben 27

Srednjohodni motor bez ukrsne glave Srednjehodni dizel motor bez ukrsne glave proizvođača MAN &B&W,, tipa L27/38 - Snaga po cilindru = 340 kw - Broj okretaja = 800 rprn - Sredji efektivni pritisak mep = 23.5 bara - Hod klipa = 380 mm - Prečnik cilindra = 270 mm - Srednja brzina klipa = lo.1 m/s - Specifična potrošnja goriva - gr/kwh - Broj cilindara = od 6 do 9 28

Snaga koju razvija dizel motor zavisi od: - broja cilindara motora, - prečnika cilindara, - hoda klipa, - srednjeg pritiska u cilindru i - broja okretaja motora Jedan od nedostataka motora je i taj što se može e preopteretiti za svega oko 10%. S obzirom da režimi plovidbe mogu biti i zahtjevniji od projektovanih, uobičajeno je da se kod izbora motora za brod uzima oko 15% rezerve snage ("morska rezerva"). Ova snaga se postiže e na radnoj tački koja se označava ava sa MeR (Maximum Continuous Ratings) i pri radu na njoj motor postiže e 100% svoje snage, pri 100% svog broja okretaja i 100% srednjeg indiciranog pritiska. 29

Međutim motor će e najveći i dio svog radnog vijeka raditi na ekonomičnoj noj snazi i ova radna tačka bi trebala da bude ona tačka pri kojoj motor ima najmanju specifičnu potrošnju goriva SFC (Specific Fuel Consumption). Ova radna tačka naziva se ECR (Economic Continuous Ratings). Specifična potrošnja goriva mijenja se sa snagom motora na način kako je to prikazano na slici 30

Odnos snage dizel motora i broja okretaja Snaga koju motor tokom eksploatacije daje zavisi od opterećenja enja i ukoliko se prikaže e u funkciji od broja okretaja motora, predstavlja njegovu vanjsku karakteristiku. 31

5.1.2 Propeleri sa prekretnim krilima Priliko razmatranja izbora propelera i razmatranja minimalne specifične potrošnje goriva dizel motora, vidimo da se motor i propeler mogu optimalizovati za jedan režim rada. Odnosno, za onaj režim u kojem propeler ima maksimalan stepen korisnosti ηp a motor minimalnu specifičnu potrošnju goriva SFC min. Spoj glavčine propelera sa osovinom 1- osovina propelera, 2- glavčina propelera, 3- klin, 4- matica, 5- kapa propelera, 6- košuljica brtvenice, 7- brtveni prsten, 8- prstenasta brtva, 9- svornjak, 10- čep 32

Ako dođe do promjene režima, ni motor ni propeler neće e raditi sa optimalizovanim stepenom korisnosti i doći će e do gubitka određene količine ine energije. Kod rada propelera sa fiksnim krilima, motor uvijek daje ono što propeler traži, te se sve radne tačke nalaze na propelerskoj krivoj, kako je to prikazano na slici Ako motor ne radi u radnoj tački, zbog promjene režima eksploatacije, ni motor ni propeler neće e raditi sa maksimalnim stepenima korisnosti. 33

Da bi se izbjegli gubitci potrebno je da motor radi konstantno sa s nejvećim stepenom korisnosti, kao i da propeler ima veći i stepen korisnosti, primjenjuju se propeleri sa prekretnim krilima. Kod propelera sa prekretnim krilima, promjenom koraka propelera H mijenja se i propelerska kriva te je uvijek moguće e raditi na ekonomičnoj noj snazi uz postignuti maksimalni stepen korisnosti propelera za date uslove, što je grafički prikazano na slici 34

Danas se primjenjuju i višere erežimski propeleri. Mijenjanjem korka propelera, možemo obezbjeđivati da propeler ima maksimalan stepen korisnosti. Istovremeno promjenom koraka propelera pri istom broju okretaja možese povcćavati zakretni moment propelera, pa time i opterećenje enje motora, to znači i da podešavanjem koraka možemo postići i da mator uvijek radi na ekonomičnoj noj snazi. 35

Propeleri sa prekretnirn krilima imaju znatno složeniju konstrukciju i sisteme upravljanja oni su srazmjerno i skuplji od propelera sa s fiksnim krilima. Takođe,, tokom t eksploatcije zahtijevaju i određen veći i tretman kontrole i održavanja. Glavčina propelera sa prekretnim krilima 36

Izbor između ugradnje fiksnog ili propelera sa prekrctnim krilima a i mora biti zasnovan na projekciji buduće e eksploatacije broda. Ako će e brod većinu svog radnog vijeka ploviti u određenom režirnu plovidbe (veliki tankeri, linijski brodovi, kontejnerski brodovi,,... ), onda nema potrebe za ugradnjom propelera sa prekretnim krilima, jer se investicija neće e isplatiti. Kod brodova koji će e ploviti u raznim režimima plovidbe, ugradnja propelera sa prekretnim krilima će e se vjerovatno isplatiti. U brodogradnji je evidentan trend sve veće e primjene propelera sa prekretnim krilima. Izgled propelera sa prekretnim krlima prikazan an je na slici Propeler sa visokozako šenim prekretni m krilima Srednjehodnog dizel motora sa reduktorom i propelerom. 37

Pitanja? HVALA NA PAŽNJI 38