Εγκαταστάσεις. Πρόωσης K-5A Νικόλαος Π. Κυρτάτος. Κεφ. 5 Ναυτικοί κινητήρες Diesel ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Εγκαταστάσεις December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 1 K-5A Νικόλαος Π. Κυρτάτος 2009-2010 1

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 2 Κεφ. 1. Γενικά / Περιγραφή µαθήµατος Κεφ. 2. Εισαγωγή στη Ναυτική Μηχανολογία / Ιστορία Κεφ. 3. Απαιτήσεις πρόωσης / Ναυτικοί κινητήρες Κεφ. 4. Συνεργασία µηχανής / έλικας Κεφ. 5A. Ναυτικοί κινητήρες Diesel Κεφ. 6. Τεχνοοικονοµικά / Αξιοπιστία Κεφ. 7. Αξονικό σύστηµα 2

Εισαγωγή December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 3 Ο κινητήρας Diesel χρησιµοποιείται σήµερα περισσότερο από οποιαδήποτε µηχανή για την πρόωση πλοίων. Σηµαντικότερο λόγο αποτελεί ο βαθµός απόδοσής του, ο οποίος σε µεγάλες τιµές ισχύος ξεπερνά το 50%. Γενικά ως θερµική µηχανή ο κινητήρας Diesel έχει τον υψηλότερο βαθµό απόδοσης, αλλά και σε όλες τις ναυτικές εφαρµογές έχει υψηλότερο β.α. από τις µηχανές που τον ανταγωνίζονται. Έχει µεγάλο αρχικό κόστος, βάρος, όγκο και έξοδα συντήρησης 3

Εισαγωγή December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 4 Ο κινητήρας Diesel εξετόπισε την παλινδροµική ατµοµηχανή ή οποία σήµερα δεν κατασκευάζεται για καµία απολύτως εφαρµογή. Ο κινητήρας Otto (βενζινοµηχανή) χρησιµοποιείται κατά κανόνα σε µικρά σκάφη αναψυχής µε πολύµικρό συντελεστή λειτουργίας και απαιτήσεις για µικρό όγκο και βάρος. Στις µεγάλες απαιτήσεις ισχύος στον άξονα (> 25000 kw) χρησιµοποιείται και ο ατµοστρόβιλος µε συνθήκες και περιπλοκότητα που δίνουν αρκετά καλό β.α. ενώ έχει σαφώς µικρότερο αρχικό κόστος, βάρος, κατανάλωση λαδιού και έξοδα συντήρησης. Ο Αεριοστρόβιλος χρησιµοποιείται κυρίως σε πολεµικά πλοία (σε συνδυασµό µε κινητήρα Diesel) ή σεεµπορικά ειδικών απαιτήσεων (µικρού µηχανοστασίου, υψηλής ταχύτητας, όπως κάποια Ro-Ro και επιβατηγά-οχηµαταγωγά). 4

Κινητήρες Diesel για ναυτική χρήση December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 5 Οι βραδύστροφοι κινητήρες Diesel µεγάλης ισχύος (πάνω από 4000 PS) έχουν µελετηθεί, σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ειδικά ως ναυτικές µηχανές πρόωσης. Υψηλή απόδοση Απλότητα κατασκευής Μεγάλη αξιοπιστία Συνήθως µε δυνατότητα αναστροφής Πολλοί µεσόστροφοι και ταχύστροφοι κινητήρες έχουν υποστεί κατάλληλες µετατροπές ώστε να προσαρµοστούν στις απαιτήσεις µιας ναυτικής µηχανής. Τέτοιες µετατροπές περιλαµβάνουν: Προσθήκη διάταξης για την µείωση στροφών (µειωτήρας) υνατότητα αναστροφής της φοράς περιστροφής (µειωτήρας και συµπλέκτης ή αναστροφή της µηχανής) Αντικατάσταση του ψυγείου αέρα µε ψυγείο θάλασσας Αναπροσαρµογή της ονοµαστικής ισχύος του κινητήρα για αυξηµένη αξιοπιστία σε ναυτικές εφαρµογές. 5

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 6 Εγκαταστάσεις Κινητήρες Diesel Ταξινόµηση / Τύποι κινητήρων - 2-χρονοι Ίδια ισχύ µε 4-Χ µε µικρότερο ΜΕΡ κ Pmax αλλά µικρότερο u piston 4-χρονοι -Ψύξη (Συντριπτική πλειοψηφία ναυτικών µηχανών είναι υδρόψυκτες) - - ιάταξη κυλίνδρων (εν σειρά, V, συνήθως πιο εξωτικά W, Υ, Wankel δίνουν (Compactness µικρό όγκος), χρειάζονται αυξηµένη συντήρηση. - Φυσική αναπνοή Με Υπερπλήρωση ηπλειοψηφία - Εκκίνηση: Αέρας οι µεγάλες µηχανές Ηλεκτρικό µοτέρ Υδραυλικό µοτέρ - ιεύθυνση περιστροφής (Αναστρέψιµες (Αµφίδροµες) δίνουν ίση ισχύ σε κάθε διεύθυνση) - Ταχύτητα περιστροφής: Αργόστροφες (~ 50-200 rpm) Μεσόστροφες (~ 500 rpm) Πολύστροφες Ταχύστροφες ( > 1000 rpm) µικρός όγκος Ρ = ΤΩ αλλά αυξηµένες φθορές, κατανάλωση 6

Ειδικοί Περιορισµοί Ι Απαιτήσεις Ναυτικών DieseI 2-χ (Αργόστροφες): Αρχική σχεδίαση για Ναυτικούς Κινητήρες Μικρότεροι κινητήρες κυρίως 4-χ αλλά και 2-χ : Αρχικήσχεδίασηήπροέλευσηαπόάλλεςεφαρµογές και προσαρµογή για ναυτικές εφαρµογές (Marinized) και κατόπιν εξέλιξη σαν καθαρά ναυτικοί κινητήρες. December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 7 Ισχύς ( ΗΡ) Αρχική προέλευση 100 Αυτοκίνητα 300 Φορτηγά 500 Εκσκαφείς Ι Ελκυστήρες 1000 Τραίνων 10000 Ηλεκτροπαραγωγή Θαλάσσιο περιβάλλον ιάβρωση Μη χαλύβδινα εξαρτήµατα Ανοδίωση Αλουµινίου Βαφή χαλύβδινων Ζεύξη Ι Αποµόνωση µετάλλων Ταχύτητα νερού σε σωλήνες Υψηλή υγρασία Αλάτι στον αέρα Κίνηση πλατφόρµας( βάσεως) Θάλασσα για ψύξη (µικροί κινητήρες) Τοποθέτηση Ασφάλεια Προσωπικού, Κίνδυνοι εκρήξεως, Πυρκαγιά 7

Diesel December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 8 8

Κινητήρες Diesel για ναυτική χρήση December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 9 Η εγκατάσταση ενός κινητήρα Diesel, πέραν των µετατροπών του κατασκευαστή για ναυτικές εφαρµογές, περιλαµβάνει και τις ακόλουθες εργασίες που πρέπει να γίνουν από τον Μηχανικό: Επιλογή κινητήρα: επιλογή κατάλληλης ισχύος επιλογή µεταξύ µηχανών διαφορετικού τύπου αποδοτική συνεργασία κινητήρα-έλικας και εκτός του σηµείου κανονικής λειτουργίας συνεργασία µε έλικα µεταβλητού βήµατος Μελέτη όλων των παρελκοµένων: συστήµατα εκκίνησης, εισαγωγής αέρα, εξαγωγής καυσαερίου, συστήµατα καυσίµου, λαδιού λίπανσης, ψύξεως, συστήµατα χειρισµού και παρακολούθησης λειτουργίας, αξιοποίηση θερµότητας καυσαερίων και νερού ψύξεως χιτωνίων Μελέτη αξονικού συστήµατος: εκλογή µειωτήρα, σχεδιασµός άξονα, υπολογισµός αριθµού και είδους εδράνων, µελέτη ευθυγράµµισης, έλεγχος σε στρεπτικές, καµπτικές και αξονικές ταλαντώσεις Έδραση του κινητήρα: ιαµόρφωση του σκάφους ώστε να εδρασθεί ο κινητήρας Χρήση ελαστικής έδρασης σε µεσόστροφους-ταχύστροφους κινητήρες 9

Τύποι ναυτικών κινητήρων 2-Χ ή 4-Χ κινητήρες December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 10 Φυσικής αναπνοής ή υπερπληρωµένοι ιάταξη κυλίνδρων, τύπου L, τύπου V, άλλων τύπων ιάταξη µε διωστήρα-στρόφαλο (4-Χ) ή µε βάκτρο-διωστήρα-στρόφαλο (2-Χ) Στροφές λειτουργίας (βραδύστροφοι, µεσόστροφοι, ταχύστροφοι) 10

Τύποι ναυτικών κινητήρων 2-Χ κινητήρες December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 11 Θυρίδες εισαγωγής αέρα και θυρίδες η βαλβίδες εξαγωγής των καυσαερίων Σε ναυτικές εφαρµογές είναι σχεδόν πάντα αργόστροφοι 11

Τύποι ναυτικών κινητήρων 2-Χ κινητήρες December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 12 EVO: exhaust valve opening EVC: exhaust valve closing IPO: inlet port opening IPC: inlet port closing BDC: bottom dead center TBC: top dead center 12

Τύποι ναυτικών κινητήρων 4-Χ κινητήρες December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 13 Συνήθως έχουν δύο βαλβίδες εισαγωγής και δύο βαλβίδες εξαγωγής Είναι µεσόστροφοι (µεσαίες και µεγάλες τιµές ισχύος) ή ταχύστροφοι (µικρές τιµές ισχύος) 13

Τύποι ναυτικών κινητήρων 4-Χ κινητήρες December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 14 EVO: exhaust valve opening EVC: exhaust valve closing IPO: inlet port opening IPC: inlet port closing BDC: bottom dead center TBC: top dead center 14

Τύποι ναυτικών κινητήρων Φυσικής αναπνοής ή υπερπληρωµένοι December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 15 Μηχανική υπερπλήρωση (supercharging) Στροβιλοϋπερπλήρωση (turbocharging) 15

Τύποι ναυτικών κινητήρων Φυσικής αναπνοής ή υπερπληρωµένοι December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 16 Μηχανική υπερπλήρωση (supercharging) Στροβιλοϋπερπλήρωση (turbocharging) 16

Τύποι ναυτικών κινητήρων Φυσικής αναπνοής ή υπερπληρωµένοι December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 17 17

Τύποι ναυτικών κινητήρων Ανάλογα µε τον αριθµό κυλίνδρων και τη διάταξή τους December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 18 Σε σειρά (τύπου L) Βραδύστροφοι κινητήρες µέχρι 14 κυλίνδρους Μεσόστροφοι κινητήρες µέχρι 10 κυλίνδρους Σε διάταξη V Μεσόστροφοι και ταχύστροφοι κινητήρες µέχρι 20 κυλίνδρους 18

Τύποι ναυτικών κινητήρων Ανάλογα µε τον αριθµό κυλίνδρων και τη διάταξή τους December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 19 Με αντίθετους κυλίνδρους Με αντίθετα έµβολα Μεγάλη συγκέντρωση ισχύος Ακτινωτές 19

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 20 Εγκαταστάσεις Τύποι ναυτικών κινητήρων Με βάκτρο και ζύγωµα-διωστήρα-στρόφαλο (αποµόνωση στροφαλοθαλάµου από θαλάµους καύσης) ή µόνο µε διωστήρα-στρόφαλο 20

Τύποι ναυτικών κινητήρων Ανάλογα µε τις στροφές λειτουργίας December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 21 Βραδύστροφοι 50 250 RPM Μεσόστροφοι 400 800 RPM Ταχύστροφοι 1000 2500 RPM 21

Κατάταξη ναυτικών κινητήρων Βραδύστροφοι κινητήρες December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 22-1100-80000 kw (1480-110000 HP), 55-250 rpm, BMEP έως 20 bar, βαθµός απόδοσης έως 53 %, BSFC 165 g/kwh, ειδική µάζα 25-40 kg/kw - ιάµετροι εµβόλου από 260 έως 1080 mm, διαδροµή από980-3188 mm Αριθµός κυλίνδρων 4-14 σε σειρά - Ζύγωµα-βάκτρο (Αποµόνωση στροφαλοθαλάµου από θαλάµους καύσης) - Μεγάλος λόγος διαµέτρου/διαδροµή εµβόλου - Ευθείας απόπλυσης µε βαλβίδα εξαγωγής στην κεφαλή του κυλίνδρου - Απευθείας σύνδεση µε τηνέλικα - Υπερπλήρωση µε σύστηµα σταθερής πίεσης (1 ή περισσότεροι υπερπληρωτές συνδεδεµένοι παράλληλα) - Ψύξη αέρα σε ψυγείο µετά κάθε συµπιεστή - Ηλεκτρικοί φυσητήρες (ενεργοποιούνται σε φορτία µικρότερα 30%) - Εκδόσεις µε πολύµεγάλη διαδροµή εµβόλου s/d έως 3.8 λειτουργία σε ταχύτητες 55 rpm σύνδεση µε µεγάλης διαµέτρου έλικα (υψηλή απόδοσης) σε bulk carriers & µεγάλα tankers - Μηχανές µε s/d=2.8 και Ν=100 rpm σε containerships - Μηχανές µε µικρότερους λόγους s/d σε πλοία µε περιορισµό σεβύθισµα, διάµετρο έλικας ή ύψος µηχανοστασίου - Μπορεί να λειτουργήσουν µε χαµηλής ποιότητας (φθηνά) καύσιµα - Κυριότεροι κατασκευαστές: ΜΑΝ (Β&W), Wartsila(SULZER), Mitsubishi και πολλοί licensees 22

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 23 Εγκαταστάσεις Κατάταξη ναυτικών κινητήρων Μεσόστροφοι - ταχύστροφοι κινητήρες Μεσόστροφοι 400 έως 1000 rpm ταχύστροφοι πάνω από 1000 rpm Μέχρι 23850 kw (32000 HP), BMEP έως 25+ bar, Βαθµός απόδοσης έως 50 %, BSFC 185 g/kwh, ιάµετρος εµβόλων 160-640 mm Σε σειρά 5-9 κύλινδροι, σε διάταξη V 8-20 κύλινδροι Ελαφρύτεροι και µικρότεροι από αντίστοιχης ισχύος αργόστροφες µηχανές (10-15 kg/kw σε σύγκριση µε 35-40kg/kW των αργόστροφων για ισχύ στην περιοχή των 10000kW) Ακόµα κιαν συνυπολογιστούν µειωτήρας-συµπλέκτης-ψυγεία κλπ. προκύπτει 20-30% µικρότερο βάρος). Μικρότερο αρχικό κόστος. Σύνδεση µε τηνέλικα µε µειωτήρα (Αν χρησιµοποιηθεί έλικα µεταβλητού βήµατος δεν απαιτείται αναπόδιση του κινητήρα) Υπερπλήρωση µε σύστηµα σταθερής πίεσης ή σύστηµα παλµών πίεσης και ψύξη αέρα ( σε V ένας υπερπληρωτής για κάθε σειρά κυλίνδρων) Χρήση σε επιβατηγά (Ferry type vessels) και όπου απαιτείται χαµηλό ύψος µηχανοστασίου, σε ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη Χρήση 2 ή περισσοτέρων κινητήρων (ευχέρεια στη συντήρηση, ασφάλεια) Χρειάζονται καλύτερης ποιότητας καύσιµα (πιο ακριβά) (και µηχανές µε καύσιµο βαρύή ενδιάµεσο πετρέλαιο) 23

Εφαρµογές ναυτικών κινητήρων Μικρά σκάφη December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 24-4-Χ Ταχύστροφος κινητήρας - Σε συνδυασµό µε τυποποιηµένους µειωτήρες µε λόγο µείωσης µέχρι 6:1 (9:1), ενσωµατωµένους πολλές φορές στον κινητήρα, µε δυνατότητα αναστροφής (ο κινητήρας δεν αναστρέφει συνήθως). 24

Εφαρµογές ναυτικών κινητήρων December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 25 Ρυµουλκά, µεγάλα αλιευτικά και µεσαίου µεγέθους εµπορικά. Επίσης σε επιβατηγά, κρουαζιερόπλοια και µεγάλα εµπορικά µε απαιτήσεις χαµηλού µηχανοστασίου -4-Χ Μεσόστροφος κινητήρας - Σε συνδυασµό µε µειωτήρες στροφών. - Σε διατάξεις δύο, τριών ή τεσσάρων που κινούν µία ή δύο έλικες - Σε σύγκριση µε τον βραδύστροφο κινητήρα, η λύση περισσότερων του ενός µεσόστροφων έχει µικρότερο βάρος και αρχικό κόστος αλλά λίγο µεγαλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίµου 25

Εφαρµογές ναυτικών κινητήρων Μεγάλα πλοία µέσης ταχύτητας December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 26-2-Χ βραδύστροφος κινητήρας - Ανώτερος η από οποιαδήποτε άλλη µηχανή πρόωσης. - Καίει καύσιµο λεβήτων(χαµηλής ποιότητας, χαµηλής τιµής) - Βέλτιστη ειδική κατανάλωση καυσίµου - Μεγάλο βάρος, ύψος µηχανοστασίου και αρχικό κόστος - Μόνο σε LNG και αεροπλανοφόρα τον ανταγωνίζεται ο ατµοστρόβιλος (επειδή υπάρχει διαθέσιµο εξατµιζόµενο φυσικό αέριο, boil-off και επειδή το κόστος και το βάρος 2-Χ κινητήρων στην περίπτωση των αεροπλανοφόρων είναι πολύ µεγάλα) 26

Επιλογή τύπου κινητήρα Diesel Μικρά ταχύπλοα σκάφη: 4-Χ ταχύστροφος κινητήρας December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 27 Μικρά εµπορικά πλοία µεσαίας-υψηλής ταχύτητας <3000 kw: 4-Χ µεσόστροφος κινητήρας Μεγάλα πλοία µεσαίας ταχύτητας >10000 kw : 2-Χ βραδύστροφος κινητήρας Αµφισβητούµενη περιοχή: 5000 15000 kw 27

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 28 Εγκαταστάσεις Επιλογή τύπου κινητήρα Diesel Αµφισβητούµενη περιοχή: 5000 15000 kw - Καύσιµο: Οβ.α. του 2-Χ κινητήρα µεγαλύτερος από τον αντίστοιχο του 4-Χ. 2-Χ κινητήρας, βαρύ καύσιµο. 4-Χ κινητήρας, MDO (50% ακριβότερο. Σε µεγάλες τιµές ισχύος βαρ καύσιµο ήενδιάµεσο καύσιµο (5 % ακριβότερο) Τυπικές καταναλώσεις: 2-Χ b e =160-190 g/kwh, 4-X b e =170-200 g/kwh - Κυλινδρέλαιο: Μεγάλοι 4-Χ 2-X - Μάζα: 1.3 g/kwh 0.8 g/kwh Μεσόστροφος / βραδύστροφο : 2:1. Βάρη παρελκοµένων µεγαλύτερα για 4-Χ λόγωτου µειωτήρα - Χώρος: Ίδιο µήκος και πλάτος περίπου αλλά πλεονεκτεί ο 4-Χ στούψος(µικρότερη απαίτηση ύψους µηχανοστασίου) - Συντήρηση - αξιοπιστία: Μεσόστροφος: Περισσότερους κυλίνδρους και βαλβίδες, µειωτήρα (ίσως συµπλέκτη) εποµένως περισσότερα εξαρτήµατα για συντήρηση. Μικρότερη αξιοπιστία, µεγαλύτερο χρόνο επισκευών/συντήρησης - Αρχικό κόστος: Ο 4-Χ κινητήρας είναι κατά 5-10% φθηνότερος από τον 2-Χ σεχαµηλές µέσες ισχείς, ενώ πλησιάζουν οι τιµές τους καθώς πλησιάζουµε τηνισχύτων30000 kw 28

Ασφάλεια December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 29 Σήµατα κινδύνου (+ Αυτόµατο σταµάτηµα) - Χαµηλή πίεση λαδιού - Υψηλή θερµοκρασία νερού ψύξεως χιτωνίων - Στροφές > 115% Έκρηξη στροφαλοθαλάµου α) Αδύνατη έκρηξη λόγω πλούσιου µείγµατος αλλά β) Εάν δηµιουργηθεί τρύπα στα πλάγια του κινητήρα, ο αέραςπου θα µπει στον στροφαλοθάλαµο δυνατή έκρηξη Να µήν ανοίγονται οι θυρίδες µετά από έκρηξη. Χρησιµοποιούνται: - Στιβαρή κατασκευή τροφαλοθαλάµου - Ελατηριωτές αυτόκλειστες θυρίδες ασφαλείας Κίνδυνος πυρκαγιάς Προσοχή µε γραµµές καυσίµου. υνατότητα διακοπής τροφοδοσίας από έξω από το µηχανοστάσιο. Ανάκτηση Θερµότητας - Θέρµανση νερού για: χώρους, καύσιµο, απόσταξη νερού - Ατµοποίηση Το κόστος επιπλέον εγκαταστάσεων πρέπει να εξετάζεται προσεκτικά 29

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 30 Εγκαταστάσεις Ψύξη Αντοχή Υλικών Λιπαντικά ( ανθρακοποίηση σε υψηλές θερµοκρασίες) Ογκοµετρική απόδοση 20% για 40000 kw ισχύ 16000 kw!!! πρέπει να µεταφερθούν από το ψυκτικό σύστηµα Καύσιµα Αργό πετρέλαιο : Η χρήση του έγινε δυνατή µε τηνεξέλιξητων αλκαλικών λιπαντικών κυλίνδρου Απαιτούνται: - Θέρµανση αντλιών καυσίµου µε θερµό καύσιµο - Θέρµανση σωληνώσεων µε ατµό - Αύξηση ανοχών σε εκχυτήρα (µπέκ) και αντλία για αποφυγή κολλήµατος - Ψύξη του µπέκγιααποφυγήεξανθρακωµάτων (τρουµπέτες) - ιαχωριστής - ιαυγαστήρας εν σειρά για νερό και ακαθαρσίες (Πρόβληµα στον διαχωρισµό ανρ καυσίµου > ρ νερού ) Αντλία καυσίµου µεταβλητού χρονισµού για χαµηλότερα φορτία - Αποφυγή υπερβάσεως Pmax σε ψηλά φορτία (Pmax ~ 120) 30

Βασικά χαρακτηριστικά µεγέθη D ιάµετρος κυλίνδρου, m December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 31 s ιαδροµή εµβόλου, m r=s/2 ακτίνα στροφάλου, m n στροφές ανά πρώτο λεπτό RPM f=n/60 συχνότητα, sec -1 c m =2sf µέση ταχύτητα εµβόλου, m/s A=πD 2 /4 επιφάνεια εµβόλου, m 2 V h =As όγκος εµβολισµού κυλίνδρου, m 3 s/d λόγος διαδροµής προς διάµετρο κυλίνδρου, - z αριθµός κυλίνδρων, - V H =zv h συνολικός όγκος εµβολισµού, m 3 31

Βασικά χαρακτηριστικά µεγέθη Vc όγκος χώρου συµπίεσης, m 3 December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 32 ε=(v c +V h )/V c λόγος συµπίεσης, - p i µέση ενδεικνύµενη πίεση, Ν/m 2 p e µέση πραγµατική πίεση, Ν/m 2 p e =p i n m n m µηχανικός βαθµός απόδοσης - p r =p i -p e µέση πίεση µηχανικών απωλειών, Ν/m 2 p z µέγιστη πίεση καύσεως, Ν/m 2 P e =a p e V H f πραγµατική ισχύς, W a=1 για 2-Χ κινητήρα, a=0.5 για τετράχρονο κινητήρα Μ d =P e /(2πf) ροπή στρέψης κινητήρα, Nm n e =P e /(m B H u ) πραγµατικός βαθµός απόδοσης, - 32

Βασικά χαρακτηριστικά µεγέθη b e =3600/(n e H u ) ειδική κατανάλωση καυσίµου, kg/kwh December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 33 m B =b e P e κατανάλωση καυσίµου, kg/h H u κατώτερη θερµογόνος δύναµη καυσίµου, kj/kg m g ολική παροχή αέρα, kg/s λ z =m z /m g λόγος αέρα που παρίσταται στην καύση προς συνολικό αέρα - λ=m g /m min mb ολικός λόγος αέρα - m g -m z παροχή αέρα απόπλυσης kg/s G Μάζα του κινητήρα χωρίς παρελκόµενα kg 33

Τυποποιηµένες συνθήκες στις οποίες δίνεται η Μέγιστη Συνεχής Ισχύς December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 34 Κατά τις µετρήσεις ενός κινητήρα στην πέδη, προδιαγράφονται σύµφωνα µε το ISO 3046/1 1986 οι ακόλουθες συνθήκες περιβάλλοντος: Βαροµετρική πίεση : Θερµοκρασία αναρροφώµενου αέρα: 750 mmhg (1bar) 25 ο C Σχετική υγρασία: 30 % Θερµοκρασία µέσου ψύξεως του αέρα υπερπλήρωσης Κατώτερη θερµογόνος δύναµη καυσίµου 25 ο C 42700 kj/kg 34

Τυποποιηµένες συνθήκες στις οποίες δίνεται η Μέγιστη Συνεχής Ισχύς December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 35 Οι παράµετροι λειτουργίας ενός κινητήρα Diesel (ισχύς, ειδική κατανάλωση, παροχή καυσαερίων, κλπ.) δίδονται από τον κατασκευαστή µετά από µετρήσεις στην πέδη. Όταν ο κινητήρας εργάζεται επί πλοίου, τότε επικρατούν διαφορετικές συνθήκες περιβάλλοντος οι οποίες επηρεάζουν την συµπεριφορά και αποδοτικότητά του. Για να εκτιµηθεί η ειδική κατανάλωση του κινητήρα σε πραγµατικές συνθήκες, αλλά και η αντίστοιχη ισχύς ψύξεως (για τον υπολογισµό των κυκλωµάτων ψύξης) και η ισχύς καυσαερίων (για τυχόν χρήση τους από λέβητα καυσαερίων) πρέπει να γίνονται οι κατάλληλες διορθώσεις των µετρηµένων τιµών, ώστε να ανταποκρίνονται στις πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας 35

Τυποποιηµένες συνθήκες στις οποίες δίνεται η Μέγιστη Συνεχής Ισχύς Επί πλοίου, ρεαλιστικές συνθήκες περιβάλλοντος αποτελούν οι παρακάτω: December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 36 Βαροµετρική πίεση : Θερµοκρασία αναρροφώµενου αέρα: 750 mmhg (1bar) 45 ο C Σχετική υγρασία: 60 % Θερµοκρασία µέσου ψύξεως του αέρα υπερπλήρωσης 32 ο C Συνήθως, ο κάθε κατασκευαστής παρέχει στοιχεία για τον υπολογισµό της διόρθωσης που απαιτείται όταν ο κινητήρας εργάζεται σε διαφορετικές συνθήκες περιβάλλοντος από τις πρότυπες 36

Ειδική κατανάλωση σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 37 Ελλείψει στοιχείων από τον κατασκευαστή, µπορούν να γίνουν οι παρακάτω προσεγγίσεις, όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε συνθήκες περιβάλλοντος διαφορετικές από τις πρότυπες: Όταν κατά την λειτουργία κινητήρα Diesel στο πλοίο χρησιµοποιείται καύσιµο µε διαφορετική θερµογόνο δύναµη, η ειδική κατανάλωση πρέπει να πολλαπλασιάζεται µε το λόγο 42700 / Η u όπου Η u ηθερµογόνος δύναµη του καυσίµου που καταναλώνεται. 37

Ειδική κατανάλωση σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας Αύξηση της θερµοκρασίας εισόδου του αέρα για σταθερή ισχύ έχει ως αποτέλεσµα: December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 38 - Αύξηση της ειδικής κατανάλωσης του καυσίµου κατά 0.2-1.0% για κάθε 10 Κ αύξησης της θερµοκρασίας του αέρα - Μείωση της παροχής αέρα (και καυσαερίων) σε ευθεία αναλογία προς το λόγο των απόλυτων θερµοκρασιών του αέρα - Αύξηση της θερµοκρασίας εξόδου των καυσαερίων κατά 1.5-2.0 K για κάθε βαθµό αύξησης της θερµοκρασίας του αέρα Αύξηση της θερµοκρασίας εισόδου του νερού ψύξεως του αέρα υπερπλήρωσης, για σταθερή ισχύ, έχει ως αποτέλεσµα: - Αύξηση της ειδικής κατανάλωσης του καυσίµου κατά 0.2-0.6% για κάθε 10 Κ αύξησης της θερµοκρασίας του νερού - Μείωση της παροχής αέρα (και καυσαερίων) κατά 0.5-2% για κάθε 10 Κ αύξηση της θερµοκρασίας του νερού - Αύξηση της θερµοκρασίας εξόδου των καυσαερίων κατά 3-6 K για κάθε 10 Κ αύξησης της θερµοκρασίας του αέρα 38

39 December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 39

Αργόστροφοι Κινητήρες Diesel Οι κινητήρες αυτοί είναι ειδικά σχεδιασµένοι για πρόωση πλοίων, και λόγω των χαµηλών στροφών συνδέονται απ' ευθείας µε τηνέλικα, χωρίς µειωτήρα. December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 40 Στροφές ~100 rpm Μέση ταχύτητα εµβόλου Cm < 8 m/sec Όσο αυξάνεται το Cm, αυξάνονται: αδρανειακές δυνάµεις, φορτία εδράνων Μεγάλη διαδροµή s Για µείωση στροφών πρέπει να αυξηθεί S/D. Όρια S/ D< 4 Άρα ο κινητήρας είναι ψηλός, φαρδύς άρα βαρύς και ακριβός Βαρύτερη µηχανή για να αντέξει Επίσης στις 2-Χ µηχανές τα ελατήρια των εµβόλων πρέπει να ολισθαίνουν πάνω από θυρίδες, που περιορίζει περισσότερο το Cm Οι 2-X κινητήρες έχουν διπλάσιο αριθµό διαδροµών ισχύος από τους 4-χ κινητήρες έτσι ώστε να έχουν ίση ισχύ µε τους4-x σε µικρότερη ΒΜΕΡ, άρα να υπόκεινται σε λιγότερα φορτία Ηθερµοκρασία καυσαερίων στους 2-X είναι µικρότερη λόγω του αέρα αποπλύσεως και της αναπόφευκτης ανάµειξης. Αυτό δυσχεραίνει την στροβιλο-υπερπλήρωση. 40

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 44 Ενεργειακός ισολογισµός Εσωτερικόέδρανοώσεως Έδραση: Κιβωτιοειδές ενσωµατωµένο στο double-bottom Ακαµψία: Βάρος Μετάδοση ώσεως Ροπές κινητήρα Αποφυγή κραδασµών Λόγω της αυξήσεως του S/ D, χρησιµοποιείται πλέον µόνο η ευθύγραµµη απόπλυση(uniflow)` Κατασκευή 44

Diesel December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 45 WARTSILA RT-FLEX 45

Καπάκι Ψύξη µε αυλούς κοντά στον χώρο καύσεως December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 46 Βαλβίδες (Uniflow απόπλυση) - Ατσάλι υψηλής θερµοκρασίας ή NiMonic - Περιστρεφόµενες: οµοιοµορφία θερµοκρασίας, καθαρισµός έδρας, οµοιοµορφία φθορών - Υδραυλική κίνηση (ευκολία συντηρήσεως) - Ελατήριο αέρα οµαλότερη λειτουργία, αποφυγή αστοχίας λόγω κραδασµών - Ψύξη Tmax < 450 - Αποφυγή θερµής διαβρώσεως - υνατότητα: επί τόπου ρεκτιφιέ / αναγοµώσεως - Ψύξη έδρας 46

December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 48 Εγκαταστάσεις Κύλινδροι : Ψύξη κοντά στον χώρο καύσεως Λίπανση κυλίνδρου για αποφυγή διαβρώσεως από όξινα κατάλοιπα καύσεως. Έµβολο + Βάκτρο Έµβολο µε παρειές για κλείσιµο θυρίδων εισόδου στο ΑΝΣ σε Εγκάρσια/Ανάστροφη σάρωση Ψύξη µε - νερό - λάδι (µικρότερη δυνατότητα µεταφοράς θερµότητας αλλά δεν χρειάζεται απόλυτη στεγανότητα στις ιάφραγµα: Ζύγωµα: Στροφαλοφόρος: ιαχωρίζει κύλινδρο από µηχανικά µέρη για προστασία από προϊόντα καύσεως. συναρµολογούµενος (Shrink fit) συγκολλητός, µικρότερο µήκος, βάρος, δυνατότητα Monoblock σφυρήλατοι για µικρούς κινητήρες σωληνώσεις µέσα στον κινητήρα) Παίρνει τις πλάγιες ωθήσεις του µηχανισµού διωστήρα - στοφάλου 48

Μεσόστροφοι και Πολύστροφοι Κινητήρες Diesel December 2009 Εγκαταστάσεις 2009-2010 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 52 (Σηµ.: Λόγω προελεύσεως αυτών από µή-ναυτικές µηχανές µόνο ειδικά θέµαταθααναφερθούν) Τοποθέτηση Απαίτηση δυνατόν άκαµπτης βάσης, Ελαστικοί σύνδεσµοι εάν ευθυγράµµιση ατελής, χρησιµοποιούνται ελαστικές βάσεις Μεγάλες µηχανές Ανοχές επιτρέπουν θερµική διαστολή του κινητήρα προς την διεύθυνση µακριά από ωστικό έδρανο / µειωτήρα Μικρές µηχανές Ζυγοστάθµηση + Στρεπτικές ταλαντώσεις µε χρήση προγράµµατος Η/Υ Ελαχιστοποίηση δυνάµεων, ροπών µε χρήσηβέλτιστης: Σειράς αναφλέξεως, Γωνίας σφηνώσεως στροφάλου, Θέσεως µαζών ζυγοσταθµίσεως Χρήση - αποσβεστήρων ταλαντώσεων ( vibration dampers) - ελαστικών υδραυλικών συµπλεκτών (fluid couplings) Τυχόν προβλήµατα συντονισµού που παρατηρούνται στις δοκιµές πλοίου µπορούν να διορθωθούν µε τοπική αύξηση της ακαµψίας της βάσεως του κινητήρα 52