Εγκαταστάσεις 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 1 K-4 Νικόλαος Π. Κυρτάτος 2016-2017
Περιεχόμενα Μαθήματος 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 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. 5. Ναυτικοί κινητήρες Diesel Κεφ. 6. Τεχνοοικονομικά / Αξιοπιστία Κεφ. 7. Αξονικό σύστημα
Σχεδιαστικές Παράμετροι Έλικας 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 3 -Σχεδίαση έλικας Υδροτομή σωστή για μία θέση (σημείο σχεδίασης) Μειωμένο β.α. στις άλλες θέσεις -Επιχειρησιακές απαιτήσεις Αρχικός Σχεδιασμός: Διάμετρος έλικας Βήμα Επιφάνεια πτερυγίων
Επίδραση σχεδιαστικών παραγόντων έλικας στην απαιτούμενη ισχύ για πλεύση σε δεδομένη ταχύτητα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 4 Επίδραση P/D και D στην απαιτούμενη ισχύ ώστε να επιτευχθεί δεδομένη ταχύτητα σε συγκεκριμένο βύθισμα Η απαιτούμενη ισχύς μειώνεται με την αύξηση του D. Δεν ισχύει το ίδιο για το P/D όπου υπάρχει βέλτιστο.
Slip-ολίσθηση 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 5
Slip-ολίσθηση 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 6
Επίδραση Καιρού 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 7
Επίδραση Αντίστασης Αέρα-Heavier Propeller 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 8 Ακόμα και με μικρή ταχύτητα ανέμου (2.5 m/sec) η προπέλα είναι κατά 1.5 % πιο βαριά όταν το πλοίο πλέει κόντρα στον άνεμο.
Σχεδίαση με βάση το Νόμο της Έλικας 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 9 -Νόμος της έλικας (Καμπύλη ζήτησης ισχύος) Κυβική με στροφές σε περιορισμένη περιοχή ισχύος - προσεγγιστικά! (εξαρτάται από αντίσταση και παρελκόμενα γάστρας) Υπερβολικό βήμα βαρειά έλικα Α Λίγο βήμα - ελαφριά έλικα Β Αλλά αν σχεδιαστεί η έλικα για 100% όταν το πλοίο είναι καινούργιο: - Σε αύξηση αντίστασης λόγω ρύπανσης ή καιρού προσεγγίζεται το όριο ροπής κινητήρα Αρχική σχεδίαση για ελαφριά έλικα ώστε με την μετακίνηση αριστερά να λειτουργεί ικανοποιητικά ~ Στροφές 100% στο μέσον της περιόδου μεταξύ δεξαμενισμών
11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 10 Για ίδια ταχύτητα πλοίου, μεγαλύτερη διαμετρος ελικας με λιγότερες στροφές (υψηλότερος β.α: έλικας) λιγότερη απαιτούμενη ισχύς Όμως περιορισμός λόγω ορίων κινητήρα Σημείο Α δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί Κυρίαρχο στην ζεύξη μηχανής / έλικας Η ΕΛΙΚΑ ΖΗΤΑ ΡΟΠΗ και Η ΜΗΧΑΝΗ ΕΠΙΣΤΡΕΦΕΙ ΜΕ ΣΤΡΟΦΕΣ (Βλ. Φυλλάδιο: Βασικές Αρχές Πλοίου)
Επίδραση ρύπανσης 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 11 Οριακό στρώμα στην γάστρα αυξάνει με την ρύπανση Μειώνεται η ταχύτητα του νερού στον δίσκο της έλικας Για έλικα σταθερού βήματος: Για ίδια ισχύν οι στροφές μειώνονται Η ταχύτητα πλοίου μειώνεται Για να αυξηθεί η ταχύτητα πλοίου, πρέπει να αυξηθεί η ισχύς Υπερφόρτιση κινητήρα Εάν η αντίσταση αυξηθεί πέραν του 30% περιθωρίου (όπως ορίστηκε αυθαίρετα ) δεν επιτυγχάνεται η απαιτούμενη ταχύτητα (υψηλή κατανάλωση, θερμοκρασίες, υπερφόρτιση) Περίπτωση: 50% αύξηση ισχύος 2 χρόνια μετά τον δεξαμενισμό! Selfpolishing υφαλοχρώματα Καθαρισμός γάστρας με δύτη Συχνα δεν μένει υφαλόχρωμα ρύπανση γάστρας Αραιά ρύπανση γάστρας
Επίδραση ρύπανσης 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 12 Τα όρια λειτουργίας του κινητήρα μένουν σταθερά Η καμπύλη έλικας εξαρτάται από την ταχύτητα νερού στον δίσκο - Βύθισμα - Οριακό στρώμα -Καιρός Σε περίπτωση mismatch η έλικα θα παρασύρει προς τα κάτω τις στροφές μηχανής Μειώνεται η ταχύτητα πλοίου Τυχόν υπερβολική αύξηση της ισχύος (πεδίο λειτουργίας) Υπερφόρτιση Δεν είναι εφικτό να μεταβληθεί το πεδίο της μηχανής Μεταβολή της καμπύλης έλικας Αλλαγή ταχύτητας ομόρου Μείωση διαμέτρου έλικας (κούρεμα) n prop Αλλαγή βήματος (ακριβό-περίπλοκο) Σύγκριση κόστους καυσίμου με κόστος καθαρισμού γάστρας Σύγκριση κόστους επισκευής κινητήρα με διορθωτική επέμβαση στην έλικα
Συνεργασία Έλικας - Μηχανής Δεδομένη η πραγματική ισχύς πρόωσης (EHP) του πλοίου στην ταχύτητα των προδιαγραφών του 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 13 Εκλογή έλικας, προσδιορισμός παραμέτρων έλικας, βέλτιστων στροφών και βαθμού απόδοσης Μετατροπή της EHP σε ισχύ στον άξονα σε συνδυασμό με τις αντίστοιχες στροφές (απαίτηση μηχανής P sm, n m ) Προσαύξηση της P sm κατά 10-30% περίπου για να καλυφθεί η προβλεπόμενη αύξηση αντίστασης λόγω ρύπανσης της γάστρας ή/και λόγω αντίθετων καιρικών συνθηκών. (Αντίστοιχη προσαύξηση κατά περίπου 3% της ταχύτητας περιστροφής της έλικας.) Εκλογή κύριας μηχανής πρόωσης με βάση τις απαιτήσεις αυτές Σε κατάσταση δοκιμών παραλαβής, για ταχύτητα υπηρεσίας η έλικα απορροφά το 80-85% της P sm σε στροφές 2-4% μικρότερες των n m
Συνεργασία Έλικας - Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 14 Με δεδομένα την απαίτηση μέγιστης Συνεχούς Ισχύος Psm, στον άξονα και των αντίστοιχων στροφών nm, αναζητούμε κατάλληλο κινητήρα, κινητήρα δηλαδή που θα έχει ισχύ και στροφές που καλύπτουν τις ανισότητες P n D1 D1 P n Η δεύτερη ανισότητα μπορεί να καλυφθεί εύκολα όταν χρησιμοποιείται μειωτήρας στροφών sm m
Συνεργασία Έλικας - Diesel Βήματα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 15 - Με δεδομένη την απαίτηση ισχύος στροφών για το πλοίο με καθαρή γάστρα και έλικα υπολογίζουμε τον νόμο της έλικας
Συνεργασία Έλικας - Diesel 25000 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 16 Ισχύς στην έλικα 20000 15000 10000 5000 Απαιτήσεις ισχύος με καθαρή γάστρα και έλικα 0 40 60 80 100 120 140 Στροφές στην έλικα
Συνεργασία Έλικας - Diesel Βήματα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 17 - Με δεδομένη την απαίτηση ισχύος στροφών για το πλοίο με καθαρή γάστρα και έλικα υπολογίζουμε τον νόμο της έλικας - Λαμβάνοντας υπ όψιν τα περιθώρια ισχύος λόγω ρύπανσης/καιρού υπολογίζουμε τις αυξημένες απαιτήσεις ισχύος-στροφών του πλοίου, για την επίτευξη της ταχύτητας υπηρεσίας και υπολογίζουμε τον νόμο της έλικας για τη ρυπασμένη κατάσταση
Συνεργασία Έλικας - Diesel 25000 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 18 Ισχύς στην έλικα 20000 15000 10000 5000 Απαιτήσεις ισχύος με ρυπασμένη γάστρα και έλικα Απαιτήσεις ισχύος με καθαρή γάστρα και έλικα 0 40 60 80 100 120 140 Στροφές στην έλικα
Συνεργασία Έλικας - Diesel Βήματα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 19 - Με δεδομένη την απαίτηση ισχύος στροφών για το πλοίο με καθαρή γάστρα και έλικα υπολογίζουμε τον νόμο της έλικας - Λαμβάνοντας υπ όψιν τα περιθώρια ισχύος λόγω ρύπανσης/καιρού υπολογίζουμε τις αυξημένες απαιτήσεις ισχύος-στροφών του πλοίου, για την επίτευξη της ταχύτητας υπηρεσίας και υπολογίζουμε τον νόμο της έλικας για τη ρυπασμένη κατάσταση - Επιλέγουμε κινητήρα ο οποίος καλύπτει τις απαιτήσεις για καθαρή και ρυπασμένη γάστρα
Συνεργασία Έλικας - Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 20 Ισχύς στην έλικα 25000 20000 15000 10000 5000 Απαιτήσεις ισχύος με ρυπασμένη γάστρα και έλικα 1 Απαιτήσεις ισχύος με καθαρή γάστρα και έλικα Χαρακτηριστική Κινητήρα 0 40 60 80 100 120 140 Στροφές στην έλικα
Συνεργασία Έλικας - Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 21 Ισχύς στην έλικα 25000 20000 15000 10000 5000 Μέγιστη ισχύς που μπορεί να απορροφηθεί από τον κινητήρα σε ρυπασμένη κατάσταση (όριο μεγίστης iσχύος) 1 Μέγιστη ισχύς που μπορεί να απορροφηθεί από τον κινητήρα σε κατάσταση δοκιμών (όριο μεγίστων στροφών) Δοκιμή του κινητήρα 0 40 60 80 100 120 140 Στροφές στην έλικα
Συνεργασία Έλικας - Diesel 25000 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 22 Ισχύς στην έλικα 20000 15000 10000 5000 Καμπύλη ισχύος σε ακόμη μεγαλύτερη ρύπανση Δεν μπορεί να επιτευχθεί η ταχύτητα υπηρεσίας (όριο μέγιστης ροπής) 1 0 40 60 80 100 120 140 Στροφές στην έλικα
Συνεργασία Έλικας Diesel + εξαρτημένης ηλεκτρογεννήτριας 25000 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 23 Ισχύς στην έλικα 20000 15000 10000 5000 Καμπύλη ισχύος με ρύπανση και γεννήτρια άξονα SG SG SG 1 Τελική Απαίτηση Ισχύος SG 0 40 60 80 100 120 140 Στροφές στην έλικα
Ηλεκτρογεννήτρια άξονα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 24 Καλύτερος βαθμός απόδοσης της Κ.Μ. Οικονομικότερη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Φθηνότερο καύσιμο της Κ.Μ. Οικονομικότερη παραγωγή ενέργειας Ακριβότερη εγκατάσταση.
Εγκαταστάσεις 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 25
Συνεργασία Έλικας Μεταβλητού βήματος- Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 26 Μπορεί να γίνει ρύθμιση του βήματος ώστε να συνεργάζεται καλύτερα ο κινητήρας με την έλικα, ανάλογα με τις απαιτήσεις του πλοίου τη δεδομένη στιγμή Οι παράγοντες που επηρεάζουν οικονομικά την συνολική απόδοση της συνεργασίας κινητήρα-έλικας είναι - Ο βαθμός απόδοσης της έλικας στο επιλεγμένο βήμα - Η ειδική κατανάλωση καυσίμου του κινητήρα - Η συνολική ισχύς στην οποία εργάζεται ο κινητήρας (έμμεσο κόστος λόγω μεγαλύτερων φθορών του κινητήρα όταν αυτός εργάζεται σε υψηλότερες τιμές ισχύος) Η βελτιστοποίηση μπορεί να γίνει με κάθε ένα από τα παραπάνω κριτήρια
Συνεργασία Έλικας Μεταβλητού βήματος- Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 27
Συνεργασία Έλικας Μεταβλητού βήματος- Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 28 Συνδυασμός στροφών βήματος έλικας για την επίτευξη ελάχιστης ισχύος σε κάθε ταχύτητα (μέγιστος βαθμός απόδοσης έλικας) Ελάχιστη δυνατή φθορά της μηχανής για δεδομένη ταχύτητα
Συνεργασία Έλικας Μεταβλητού βήματος- Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 29 Συνδυασμός στροφών βήματος έλικας για την επίτευξη ελάχιστης ειδικής κατανάλωσης του κινητήρα σε κάθε ισχύ
Συνεργασία Έλικας Μεταβλητού βήματος- Diesel 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 30 Συνδυασμός στροφών βήματος έλικας για την επίτευξη ελάχιστης τιμής του γινομένου P e b e (παροχή καυσίμου ανά ώρα λειτουργίας) για κάθε ταχύτητα Ελάχιστη κατανάλωση καυσίμου για κάθε μίλι, με δεδομένη ταχύτητα
11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 31
Συνδυασμός μηχανών, CODAD x2 4000 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 32 Ισχύς (kw) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Α Γ Δ Β 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Ταχύτητα πλοίου (knots)
Συνδυασμός μηχανών CODAG 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 33
Επιλογή μηχανών από τα εγχειρίδια των κατασκευαστών 4-Χ Κινητήρας + μειωτήρας 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 34
Επιλογή μηχανών από τα εγχειρίδια των κατασκευαστών 2-Χ Κινητήρας Layout Diagram 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 35 ΖΕΥΞΗ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΤΗ ΣΥΜΠΙΕΣΗ ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΕΓΧΥΣΕΩΣ Βέλτιστο σημείο λειτουργίας ΟΠΟΥΔΗΠΟΤΕ
Επιλογή μηχανών από τα εγχειρίδια των κατασκευαστών 2-Χ Κινητήρας Layout Diagram 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 36
Επιλογή μηχανών από τα εγχειρίδια των κατασκευαστών 2-Χ Κινητήρας Load diagram 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 37
Επιλογή μηχανών από τα εγχειρίδια των κατασκευαστών 2-Χ Κινητήρας Load diagram 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 38
Γραμμική και Λογαριθμική Κλίμακα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 39
Κύρια σημεία στο Πεδίο Λειτουργίας 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 40
Τυπικό Διάγραμμα Φόρτισης Μηχανής Line 1: Propeller curve through SMCR point (M)- layout curve for engine Line 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 41 Line 2: Heavy propeller curve-fouled hull and heavy seas Line 3: Speed limit Line 4: Torque/speed limit Line 5: Mean effective pressure limit Line 6: Light propeller curve-clean hull and calm weather-layout curve for propeller Line 7: Power limit for continuous running Line 8: Overload limit Line 9: Sea trial speed limit Line 10: Constant MEP lines
Example No1: Normal Case without shaft Generator 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 42
Example 2: Normal case, with shaft generator (PTO) 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 43
Example 3: Special case, with shaft generator (PTO) 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 44
Example 4: Electric shaft motor for Power Take-In (PTI) 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 45
Example 5: With or without shaft generator (PTO), CPP Propeller 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 46
Επίδραση ρύπανσης στο CSO 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 47
Επίδραση ρύπανσης, CPP Propeller 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 48
Παράδειγμα 1 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 49 Για την κίνηση με ταχύτητα 15 kn ενός πλοίου με καθαρή γάστρα και έλικα, απαιτείται ισχύς 12500 kw και αντίστοιχη περιστροφική ταχύτητα τη έλικας 115 RPM. Ο κινητήρας που τελικά επιλέχθηκε αποδίδει μέγιστη συνεχή ισχύ στην πέδη 16000 kw στις 460 RPM και συνδέεται στην έλικα μέσω μειωτήρα στροφών ο οποίος παρέχει λόγο μείωσης i=4 και έχει βαθμό απόδοσης 0.98. Για τον κινητήρα επιτρέπεται για συνεχή λειτουργία υπερτάχυνση 4% των ονομαστικών στροφών του με σταθερή ισχύ. Αν ισχύει ο νόμος της έλικας, ζητούνται: Α) Να υπολογισθεί το περιθώριο ισχύος του κινητήρα για ταχύτητα 15 kn στην κατάσταση δοκιμών Β) Να υπολογιστεί η μέγιστη ταχύτητα του πλοίου, χωρίς υπερφόρτωση του κινητήρα στην κατάσταση δοκιμών. Πόση ισχύ καταναλώνει στο σημείο αυτό ο κινητήρας και ποια είναι η ροπή στρέψης του ως ποσοστό της μεγίστης; Γ) Ποια είναι η μέγιστη περιστροφική ταχύτητα της έλικας αν λόγω ρύπανσης υποθέσουμε αύξηση της απαίτησης ισχύος κατά 20% και αντίστοιχη αύξηση της περιστροφικής ταχύτητας κατά 2% για να επιτευχθεί ταχύτητα 15 kn; Ποια είναι η ροπή στρέψεως του κινητήρα στο σημείο αυτό ως ποσοστό της μεγίστης; Δ) Υπάρχει δυνατότητα με αλλαγή του λόγου μείωσης να μπορεί ο κινητήρας να αποδώσει την μέγιστη ισχύ του σε καθαρή γάστρα, ενώ ταυτοχρόνως να ικανοποιεί τις απαιτήσεις σε ρυπασμένη γάστρα; Αν ναι, ποιος είναι ο βέλτιστος λόγος μείωσης;
Παράδειγμα 1 20000 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 50 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 c 1 f fmax cmax 0 0 20 40 60 80 100 120 140
Παράδειγμα 1 20000 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 51 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 c 1 f 0 0 20 40 60 80 100 120 140
Μεταβατικά φαινόμενα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 52 Ένα σημαντικό και αρκετά ενδιαφέρον μεταβατικό φαινόμενο είναι η αναπόδιση του πλοίου (crash-stop) 2-X κινητήρες. Αναστροφή της μηχανής 4-Χ κινητήρες. Αναστροφή της μηχανής ή χρήση ρεβέρσας Όλες οι περιπτώσεις: Έλικα μεταβλητού βήματος
Μεταβατικά φαινόμενα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 53 Οι χαρακτηριστικές αντιστάσεως και οι απαιτήσεις ισχύος που ορίστηκαν μέχρι τώρα αναφέρονται σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Οι απαιτήσεις ισχύος διαφοροποιούνται σε μεταβατικές καταστάσεις του πλοίου Σε ορισμένες περιπτώσεις, η απαιτήσεις ισχύος που προκύπτουν από ανάλυση των μεταβατικών φαινομένων μπορεί να επηρεάσουν την απαίτηση σε εγκατεστημένη ισχύ του πλοίου
Μεταβατικά Φαινόμενα-Επιτάχυνση Κατά την επιτάχυνση του πλοίου η καμπύλη της έλικας (μαύρη καμπύλη) γίνεται προς στιγμή «πιο βαριά» και στη συνέχεια επανέρχεται. 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 54
11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 55 Εγκαταστάσεις Κινήσεις πλοίου κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων Ισορροπία δυνάμεων στο πλοίο dvs ms T Vs, n R Vs 0 dt Ισορροπία ροπών του άξονα d Mdp Vs, n MdM F, n 0 dt M s, μάζα του πλοίου V s, ταχύτητα του πλοίου t, χρόνος Τ, ώση έλικας n, στροφές έλικας R, αντίσταση συνδυασμού πλοίου-έλικας ΣΘ, ροπή αδράνειας περιστρεφόμενων μερών ω, γωνιακή ταχύτητα έλικας Μ dp, ροπή στρέψεως έλικας Μ dm, ροπή στρέψεως κινητήρα F, ποσοστό παροχής καυσίμου ή ατμού
Μεταβατικά Φαινόμενα Καμπύλες Robinson 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 56 Οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την συμπεριφορά του πλοίου σε μεταβατικά φαινόμενα λύνονται συνήθως αριθμητικά. Γραφικά η επίλυσή τους μπορεί να παρουσιαστεί με χρήση των καμπυλών Robinson
Μεταβατικά Φαινόμενα Καμπύλες Robinson 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 57
Μεταβατικά Φαινόμενα Καμπύλες Robinson 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 58
Αναπόδιση 1. Λειτουργία έλικας ως υδρόμυλου Ισχύς 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 59 Πρόσθετη τριβή φρένου άξονα Απώλειες τριβών αξονικού 2. Χαρακτηριστικές έλικας στο πλοίο (4-τεταρτημόρια) Έλικα σταθερού βήματος Τ ροπή Ισχύς έλικας ως στροβιλος Kaplan Στροφές Vs=0 Πλοίο δεμένο Vs=max -Ν ανάποδα Ν στροφές πρόσω Vs=0 -Τ Μέγιστος βα, ως στρόβιλος Kaplan
Αναπόδιση αναστρεψίμων 2-X μηχανών Σταμάτημα πετρελαίων Μείωση της ταχύτητας έλικας και κινητήρα. Η ταχύτητα του πλοίου παραμένει σχεδόν αμετάβλητη 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 60 Στο 30-40% των στροφών της έλικας εισάγεται αέρας ανάποδα στη μηχανή. Οι στροφές μειώνονται και αναστρέφονται. Στο -30% των στροφών της έλικας εισάγεται πετρέλαιο (ανάποδα) Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να εκκινηθεί ανάποδα η μηχανή
Αναπόδιση 4-X μηχανών με μειωτήρα και συμπλέκτη 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 61 Σταμάτημα πετρελαίων Μείωση της ταχύτητας της έλικας στροφών κινητήρα. Η ταχύτητα του πλοίου παραμένει σχεδόν αμετάβλητη. Η ροπή στον άξονα μηδενίζεται Αποσύμπλεξη Αναστροφή κινητήρα. Δίδονται αυξημένες στροφές για να μην σβήσει κατά στην σύμπλεξη Σύμπλεξη / ολίσθηση συμπλέκτη (παραγωγή θερμότητας που πρέπει να απαχθεί). Ταχύτητα παραμένει σχεδόν αμετάβλητη. Τέλος ολίσθησης συμπλέκτη Αύξηση στροφών ανάποδα μέχρι τις μέγιστες Μείωση ταχύτητας του πλοίου, μηδενική ταχύτητα του πλοίου, πλοίο ανάποδα.
Διαδικασία οπισθοδρομήσεως Diesel µε μειωτήρα και συμπλέκτη 1. Κόβονται πετρέλαια (ΣΗΜΕΙΟ Α) Στροφή κινητήρα και έλικας πέφτουν Ταχύτητα πλοίου περίπου αμετάβλητη Μηδέν ροπή στον άξονα σε 7-10 sec 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 62 2. Αποσύμπλεξη (ΣΗΜΕΙΟ Β) 3. Αναστροφή Κινητήρα Δίδονται αρκετές στροφές για να μην σβήσει στην σύµπλεξη Τµήµατα συμπλέκτη περιστρέφονται αντίθετα. 4. Σύµπλεξη / Ολίσθηση συμπλέκτη Η θερμότητα λόγω τριβής πρέπει να απαχθεί. Ταχύτητα πλοίου παραμένει σχεδόν αμετάβλητη. Με αναμονή να πέσει η ταχύτητα του πλοίου ο χρόνος της διαδικασίας οπισθοδρομήσεως αυξάνεται σημαντικά 5. Ολίσθηση Συμπλέκτη σταματά (ΣΗΜΕΙΟ D) 6. Αύξηση στροφών ανάποδα μέχρι μέγιστο 7. Μείωση της ταχύτητας πλοίου, μηδενική ταχύτητα πλοίου D 8. Πλοίο ανάποδα.
11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 63 Εγκαταστάσεις Διάγραμμα Robinson - Αναπόδιση πλοίου Μηχανή με συμπλέκτη όρια κινητήρα ροπή κινητήρα ροπή έλικας ροπή συμπλέκτη Ροπή +Τ τριβές εδράνων αξονικού -N E 0 Αρχική μείωση N λόγω σύμπλεξης (governor) Vso Πλοίο δεμένο Έλικα πίσω ώση D C Έλικα N=0 φρεναρισμένη stop Ολίσθηση συμπλέκτη -T Vso Πλοίο δεμένο Έλικα εμπρός ώση V=0 Μέγιστος βα, σε λειτουργία έλικας ως στρόβιλου Kaplan B A Vsf=full Μέγιστη ταχύτητα πλοίου εμπρός Έλικα εμπρός ώση Σημείο ισορροπίας η έλικα ως Kaplan ισορροπεί τις τριβές αξονικού +N Στροφές Η ροπή ανάποδα κατά την ολίσθηση συμπλέκτη φαίνεται σαν αύξηση τριβών στο αξονικό. Αν είναι μεγαλύτερη από την ροπή Kaplan της έλικας, το αξονικό θα φρενάρει Μέγιστη ταχύτητα πλοίου εμπρός Vsf Τελικό σημείο, μέγιστη Μέγιστες στροφές έλικας ώση ΕΘΝΙΚΟ όπισθεν ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ώση όπισθεν Vso<Vs<Vsf
Καμπύλες Robinson - Αναπόδιση 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 64 1. Πλοίο κινείται με πλήρη ταχύτητα μπροστά Α. Κόβονται τα πετρέλαια στη μηχανή Α-Β. Οι στροφές της έλικας πέφτουν γρήγορα χωρίς να αλλάζει αισθητά η ταχύτητα του πλοίου λόγω αδράνειας Β-C. Το πλοίο αρχίζει να επιβραδύνεται λόγω των μηχανικών απωλειών του κινητήρα. C-D. Αναστροφή μηχανής (αέρας ανάποδα). Επιβράδυνση του πλοίου D-E. Πετρέλαια (ανάποδα). Η μηχανή εκκινείται και η έλικα προσδίδει αρνητική ώση 10 λεπτά μετά την εντολή για αναπόδιση το πλοίο έχει ταχύτητα πρόσω 4 kn και έχει διασχίσει 3 km
Καμπύλες Robinson - Αναπόδιση 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 65
Εγκαταστάσεις Καμπύλες Robinson - Αναπόδιση 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 66
Προβλημα στην επιτάχυνση σε μηχανές υποβαθμισμένης ισχύος (derated engines) 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 67 Εύρος στροφών (40-60% NMAX) στο οποίο η μηχανή εμφανίζει αυξημένες ταλαντώσεις( Barred Speed Range BSR) Πρέπει κατά την επιτάχυνση να ξεπερνιέται γρήγορα. Για γρήγορη επιτάχυνση απαιτείται ικανοποιητικό Power Margin Derated Μηχανές εμφανίζουν μικρότερο power margin=> Slower Acceleration Less Power Margin=> Slower Acceleration Derated Engine
Προβλημα στην επιτάχυνση σε μηχανές υποβαθμισμένης ισχύος (derated engines) Solution No1: Increased Light Running Margin 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 68 Solution No2: Dynamic Limiter Function Increases the amount of fuel exceeding engine limiters for a limited amount of time Closure of exhaust valve earlier for increased torque Opening of exhaust valve earlier in order to increase the exhaust energy to the turbine
Προβλημα στην επιτάχυνση σε μηχανές υποβαθμισμένης ισχύος (derated engines) Increased power available when applying the DLF 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 69
Προβλημα στην επιτάχυνση σε μηχανές υποβαθμισμένης ισχύος (derated engines) Faster passage from BSR when applying the DLF 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 70
ΜΟΝΤΕΛΟ SPSM/ ΕΝΜ Τρεις βασικές μονάδες: 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 71 Γάστρα Χαρακτηριστικά έλικας Υδροδυναμική απόδοση (Ώση και Ροπή) Έλικα Χαρακτηριστικά Μηχανής Θερμοδυναμική απόδοση Χαρακτηριστικά Υπερπληρωτή Μηχανή Χαρακτηριστικά μορφής γάστρας Αντίσταση πλοίου
ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΝΜ Γάστρα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 72 Ισορροπία δυνάμεων στο πλοίο dvs ms T Vs, n R Vs 0 dt R = f (Μορφή Γαστρας, Βύθισμα, Καιρός, Ταχύτητα Πλοίου) Πρόβλεψη Συνολικής Αντίστασης Πλοίου: Εμπειρικές Μέθοδοι (e.g.holtrop-mennen) Δοκιμές Δεξαμενών Δοκιμές σε ανοιχτή θάλασσα - Sea trials Επίλυση με χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστομηχανικής Δυναμικά μοντέλα αντίστασης ειδικών συνθηκών (Ice ridges, Shallow water, etc.) Resistance (N) 80000 60000 40000 20000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Ship Speed (knots)
ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΝΜ Έλικα 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 73 Εξισώσεις Ροπής και Ώσης Συστηματικές Σειρές Cq 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10 Mdp f ί, VS, n, P D Tdp f ί, VS, n, P D Λειτουργία τεσσάρων τεταρτημορίων -0.15-0.20 BLUE : - P/D RED : + P/D 0 45 90 135 180 225 270 315 360 Advance Angle (deg)
ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΝΜ Μηχανή 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 74 d,, 0 dt Ισορροπία ροπών του αξονικού συστήματος του πλοίου Mdp Vs n MdM F n Ισορροπία ροπών στον άξονα d του υπερπληρωτή M M dt Επίλυση με χρήση λογισμικού προσομοίωσης λειτουργίας κινητήρών TC T C Π.χ.
ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΝΜ 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 75 Παράδειγμα Εφαρμογής: Πλεύση δεξαμενόπλοιου (ice class) σε πάγους με εμβολισμό και προσπέλαση στερεού τμήματος πάγου (ice ramming cycle) MARINE DIESEL ENGINE DATA Bore (mm) 500 Stroke (mm) 2200 Number of cylinders 4 Nominal Speed (rpm) 120 Nominal Power (kw) 6700 PROPELLER CHARACTERISTICS Series Gutsche-Shroeder Diameter (m) 6.0 Number of blades 3 Expanded Blade Area Ratio 0.70 Wake Fraction 0.2927 Thrust Deduction Factor 0.1721 HULL PARTICULARS Type Ice Class Tanker Class IA Length (m) 100 Breadth (m) 18 Draught (m) 8.5 Displacement (tn) 7000
ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΝΜ 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 76 Συνολική Αντίσταση Πλοίου Αντίσταση σε ανοικτή θάλασσα [Holtrop - Mennen] Αντίσταση πλεύσης σε θρυμματισμένο πάγο [Englund -Wilhelmson] Αντίσταση πρόσκρουσης σε στέρεο πάγο [Riska]
ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΝΜ Στάδια κύκλου θραύσης πάγου: 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 77 Πρόσκρουση στον πάγο με ταχύτητα V Σταδιακή εισχώρηση στον πάγο και μείωση της ταχύτητας (μέχρι ακινητοποίησης) Αναπόδιση του πλοίου και αποκόλληση από τον πάγο Δεύτερη πρόσκρουση στον πάγο, θραύση και προσπέλαση του εμποδίου
Αποτελέσματα: ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΝΜ 11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 78 Ροπή Μηχανής Ταχύτητα Μηχανής T/C Speed (rpm) Engine Torque (knm) Engine Speed (rpm) Ταχύτητα Υπερπληρωτή Ταχύτητα Πλοίου 600 500 400 300 200 100 120 110 100 90 18000 16000 14000 12000 10000 6 Ship Speed (knots) 3 0-3 -6 P/D 0.8 0.4 0.0-0.4-0.8 P/D 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Running Time (sec)
11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 79
11/10/2016 Εγκαταστάσεις 2016-2017 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 80