Анализ и реконструкция судовой энергетической установки обстановочного теплохода
Анализ и реконструкция судовой
энергетической установки
обстановочного теплохода
Введение
Обстановочные суда - это теплоходы, предназначенные для обслуживания
судоходной обстановки. На малых реках используются теплоходы проектов 391Б, Р-159
и 457. Наиболее полно требованиям производства работ по обслуживанию знаков
навигационного ограждения и комфортности для экипажей отвечает теплоход проекта
457. Судно класса «Р» Речного Регистра.
На обстановочном теплоходе проекта 457 в качестве главного двигателя
установлен двигатель 6 ЧСП12/14 - шестицилиндровый четырехтактный дизель с
реверс-редуктором, диаметром цилиндра 12 см, ход поршня 14 см, полная мощность
66 кВт или 920 л. с.
Скорость судна в глубокой воде 15 км/ч. Численность экипажа на вахте 3
человека. Штат команды 9 человек. Автономность плавания по запасам топлива 4
суток. Управление судна дистанционное из рулевой рубки. Корпус судна стальной,
сварной, набранный по поперечной системе набора.
Для обслуживания знаков судоходной обстановки в носовой части установлен
ручной кран грузоподъемностью 0,5 т. и вылетом стрелы 3,2 м. Для перевозки
речных буев РБ-14-55, хранения запасных частей и знаков судоходной обстановки
используется грузовой трюм.
В данном дипломном проекте рассматривается замена энергетической
установки на обстановочном теплоходе проекта 457. Произведен анализ
соответствия замененного главного двигателя правилам Речного Регистра.
Произведены механические и гидромеханические расчеты.
1. ОБЩАЯ
ЧАСТЬ
.1 Исходные данные
Настоящий проект по замене двигателя на обстановочном теплоходе проекта
457 разрабатывается на основании множества причин, главной из которых является
отсутствие ремонтной базы и дороговизна ремонта дизеля типа 6ЧСП12/14. С целью
экономии средств вместо дизеля типа 6ЧСП12/14 мощностью 66 кВт (90 л. с.)
проектируем в качестве главного дизеля 3Д6 мощностью 110 кВт (150 л. с.),
который выпускается АО «Холдинговая компания» Барнаултрансмаш» г. Барнаул, в
отличие от дизеля 6ЧСП12/14, который производится компанией «Юждизельмаш» г.
Токмак Украина.
В качестве исходных данных при разработке проекта использованы:
- проект 457;
- нормативные документы:
а) Правила Речного Регистра;
б) технические условия на дизель 3Д6;
в) другие руководящие технические материалы, действующие в отрасли.
1.2 Основные
данные
Главные размерения судна, конструкция корпуса, оборудование помещений,
судовые устройства и системы, электрооборудование сохраняются по проекту 457 с
соответствующими дополнениями и изменениями в связи с заменой главного двигателя.
Главные размеры судна:
Длина расчетная L =
19,9 м.
Длина габаритная L
гб = 20,5 м.
Ширина расчетная В = 3,3 м.
Ширина габаритная Вгб = 3,41 м.
Высота борта расчетная Н = 1,2 м.
Осадка расчетная Т = 0,6 м.
Согласно темы данного проекта на судне предусматривается применение
отечественного двигателя 3Д6 15/18 вместо двигателя 6ЧСП12/14.
Применение тракторного двигателя 3Д6 15/18 обусловлено:
- возможностью применения агрегатного метода ремонта на
специализированных межведомственных мотороремонтных заводах;
- возможностью приобретения централизованно изготовленных
сменных и запасных частей, деталей и узлов механизмов.
.3 Анализ
соответствия двигателя 3Д6 15/18 Правилам Речного Регистра
Дизель 3Д6 по ТУ 24.06.011-74 номинальной мощностью 110 кВт (150 л. с.)
при частоте вращения коленчатого вала 1500 мин -1 (25 с-1)
выпускается Холдинговой компанией «Барнаултрансмаш» г. Барнаул.
Дизели рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающего воздуха от
плюс 40° до минус 45 °С, длительная работа дизеля обеспечивается при продольных
и поперечных углах наклона 20°.
Дизель предлагается для применения в качестве главного двигателя на
обстановочном теплоходе проекта 457 вместо дизеля 6ЧСП 12/14 мощностью 66 кВт
(90 л. с.) при частоте вращения коленчатого вала 1550 мин -1 (26 с-1).
Анализ производится с целью определения соответствия дизеля 3Д6
требованиям разделов I и II Правил Речного Регистра.
Анализ производится по тем пунктам требований Правил, которые имеют
прямое отношение к дизелю 3Д6.
Анализ соответствия двигателя 3Д6 требованиям раздела I Правил Речного Регистра «Общие
положения».
- Главные судовые двигатели внутреннего сгорания подлежат
надзору Речного Регистра при изготовлении.
- Механические установки должны обеспечивать работу судна при
всех нормальных условиях эксплуатации, а также при длительных кренах судна 15°
и дифференте до 5°.
- Движущиеся части механизмов должны быть закрыты защитными
кожухами.
При установке двигателя на судно все движущиеся части будут закрыты
защитными кожухами.
- Нагревающиеся поверхности механизмов, представляющие
опасность в пожарном отношении, должны иметь теплоогнестойкую изоляцию или
должны предусматриваться конструктивные мероприятия, предотвращающие попадание
на них топлива и масла.
При установке двигателя на судно будут приняты меры, предотвращающие
попадание на выхлопной коллектор топлива и масла.
Анализ
соответствия двигателя 3Д6 требованиям раздела II Правил "Двигатели
внутреннего сгорания".
- Двигатели должны допускать возможность работы с перегрузкой,
равной 10 % номинальной мощности, в течение не менее 1 часа, при этом
периодичность таких режимов работы должна быть не менее 6 часов.
В особых случаях по согласованию с Речным Регистром может быть допущен
номинальный режим без перегрузки.
- Минимальная устойчивая частота вращения главных двигателей с
прямой передачей на винт должна быть не более 30 % номинальной частоты
вращения.
Двигатель 3Д6 имеет минимальную устойчивую частоту вращения вала 600 мин-1,
что составляет 25 % от номинальной.
- Двигатели с электростартерным пуском должны быть оборудованы
навешенными генераторами для автоматического заряда пусковых аккумуляторных
батарей.
Двигатель 3Д6 комплектуется навешенным генератором Г-732 N = 1,2 кВт, U = 28 В для автоматической зарядки
аккумуляторной батареи.
- Местные посты управления главными двигателями должны быть
оборудованы контрольно-измерительными приборами.
Двигатель 3Д6 оборудован местным постом управления.
- Двигатели должны быть оборудованы средствами
аварийно-предупре-дительной сигнализации (АПС) в соответствии с требованиями
стандарта.
Двигатель 3Д6 оборудован средствами аварийно-предупредительной
сигнализации по следующим контролируемым параметрам: минимальному давлению
масла в смазочной системе, максимальной температуре охлаждающей воды во
внутреннем контуре, а также аварийно-предупредительная сигнализация по
максимальной температуре в смазочной системе.
Принимая во внимание приведенный анализ, можем считать, что применение
данного двигателя обеспечивает его надежную работу.
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
2.1 Общая
характеристика двигателя
Марка проектируемого дизеля 6ЧСП 15/18 (3Д6)
Дизель является четырехтактным, рядным, нереверсивным, вертикальным,
номинальной мощностью 110 кВт, частотой вращения коленчатого вала 1500 мин-1.
Диаметр цилиндра 150 мм. Ход поршня 130 мм.
Дизель имеет шесть цилиндров, которые располагаются в один ряд над
коленчатым валом. Порядок работы цилиндров дизеля 1-5-3-6-2-4.
Работа дизеля на гребной винт осуществляется через реверс - редукторную
передачу.
2.2 Системы,
обслуживающие силовую установку
2.2.1 Система
охлаждения
Система охлаждения двигателя - двухконтурная принудительная. Двигатель
охлаждается пресной водой, которая, в свою очередь, охлаждается забортной
водой.
2.2.1.1
Внутренний контур охлаждения
Внутренний контур охлаждения двигателя пресной водой - замкнутый.
Циркуляция пресной воды осуществляется центробежным насосом (Q = 120 л/мин, Н = 3,9 м),
установленным на переднем торце двигателя. Заполнение контура пресной водой
производится через расширительный бак, установленный на стенке капа машинного
отделения.
В качестве охлаждающей жидкости внутреннего контура охлаждения
применяется чистая мягкая вода с жесткостью не более 3 мг - экВ/л с добавлением
трехкомпонентной присадки в соотношении к общему количеству воды (по массе):
бихромат калия или натрия 1,0…1,2 %
нитрит натрия 0,05 %
тринатрийфосфат 0,05 %.
Допускается применять чистую мягкую воду без добавления присадок
жесткостью не более 3 мг-экв/л только для кратковременной работы двигателя.
Насос подает воду в блок цилиндров, откуда она, охлаждая их, поступает по
трубопроводу через регулятор температуры РТП-32Б в водяной охладитель.
Охладившись забортной водой, она поступает в водомасляный охладитель и далее по
трубопроводу во всасывающую полость насоса.
Если температура воды при выходе из двигателя ниже 70 °С, то она
поступает из регулятора температуры сразу в водомасляный охладитель.
Для контроля за температурой воды при выходе из двигателя
предусматриваются дистанционные термометр и датчик максимальной температуры с
выводом указателей на пульт управления в рулевую рубку.
2.2.1.2
Наружный контур охлаждения
Контур охлаждения забортной водой - открытый и состоит из насоса
забортной воды ВКС 1/16 вихревого, самовсасывающего (Q = 60 л/мин, Н = 16 м), ящика забортной воды и трубопроводов.
Прокачка забортной воды по наружному контуру осуществляется спомощью
насоса ВКС 1/16, приводимого в действие клиноременной передачей от главного
двигателя.
Забортная вода забирается насосом из ящика забортной воды, чемдостигается
обогрев воды в ящике в холодное время года.
От напорной трубы предусматривается отросток с запорным клапаном, для
подачи воды на промывку резиновых подшипников дейдвудной трубы.
.2.2 Система топливная
Топливная система должна обеспечивать хранение, подогрев, очистку ипериодическую
подачу в цилиндры строго определенной дозы распыленноготоплива.
Для хранения топлива предусматривают цистерны основного запаса ирасходные
топливные баки. В цистернах основного запаса хранится основноеколичество
топлива, а в расходных баках - некоторое количество его дляпитания двигателя.
Дооборудование системы включает в себя работы, связанные с изменением
подключения трубопроводов к главному двигателю.
Топливная система состоит из воздухоочистителя, впускного и выпускного
коллекторов, топливных фильтров грубой и тонкой очистки, топливного насоса,
форсунок, трубопроводов низкого и высокого давления, навешенных на двигатель, а
также цистерн запасного и утечного топлива, арматуры и трубопроводов,
расположенных на судне.
Трубопровод топлива предназначен для подачи топлива к двигателю и сбора
утечного топлива от двигателя.
Подача топлива к двигателю осуществляется непосредственно из цистерны
топлива топливозакачивающим насосом двигателя. Расходный кран цистерны
оборудован дистанционным приводом (существующим) с выводом в рулевую рубку.
Утечное топливо от форсунок и топливного насоса двигателя отводится в
расходный бак воды, откуда после отстаивания сливается.
2.2.3 Система
масляная
Узлы трения смазывают с целью уменьшения трения и снижения изнашивания
трущихся деталей. Кроме этих основных функций, масляная система обеспечивает
отвод теплоты, выделяющейся при трении, удаляет продукты изнашивания с
поверхностей трения и длительно поддерживает работоспособность масла путем
частичного восстановления его первоначальных свойств.
Система смазки двигателя комбинированная. Подшипники коленчатого и
распределительного валов, шатунный подшипник коленчатого вала
пневмокомпрессора, втулки промежуточной шестерни и шестерни привода топливного
насоса, а также механизм привода клапанов смазываются под давлением от
шестеренчатого насоса. Гильзы, поршни, поршневые пальцы, штанги, толкатели и
кулачки распределительного вала смазываются разбрызгиванием.
Очистка масла от посторонних примесей, продуктов сгорания и износа осуществляется
в центробежном фильтре.
Охлаждение масла осуществляется в водомасляном охладителе, расположенном
в машинном отделении с левого борта.
Все основные элементы системы смазки смонтированы на двигателе. Хранение
запаса чистого масла предусматривается в двух бидонах вместимостью по 20 л
каждый.
Для заправки маслом двигателя на блоке цилиндров со стороны центробежного
фильтра имеется горловина, закрываемая крышкой.
Для контроля за давлением масла в системе смазки предусматривается
дистанционный манометр и реле минимального давления с выводом показателей на
пульт управления в рулевую рубку.
Отработанное масло при замене сливается в выгородку и перекачивается
ручным насосом в бидоны.
.2.4 Система газоотвода
Продукты сгорания топлива вытесняются из цилиндров в выпускной газопровод
(коллектор), состоящий из отдельных цилиндрических чугунных сварных труб. Газы
при движении в коллекторе создают сильный шум, поэтому на пути их движения
устанавливают специальные глушители. Работа глушителей основана на расширении
газов, потере их энергии при переходе в полость повышенного объема и отделении
частиц сажи с изменением направления движения потока газов.
Система газоотвода обеспечивает отвод выхлопных газов двигателя через
глушитель в атмосферу. На трубопроводе устанавливается компенсатор. Трубопровод
изолируется.
Дооборудование системы включает в себя работы, связанные с изменением
подключения трубопровода к главному двигателю.
.3 Электрооборудование обстановочного теплохода
2.3.1
Назначение электрооборудования
Электрооборудование предназначено для запуска двигателя, питания
электрических приборов и устройств, питания цепей, освещения и
сигнально-электрических огней, систем АПС. Электрооборудование для запуска
двигателя и зарядки аккумуляторных батарей соединено по однопроводной схеме,
при которой корпус использован в качестве второго провода - "масса".
ГРЩ, ЩЦК, цепи освещения и сигнально-отличительных огней, система
контроля и АПС получают питание по двухпроводной изолированной схеме.
Номинальное напряжение - 24 В.
2.3.2 Система
пуска
В систему пуска двигателя входят: электростартер Ст1, реле стартера РС1,
реле блокировки РБ 1, добавочное сопротивление R1, контрольный элемент электрофакельного подогрева КЭ,
электрофакельный подогреватель ЭФП, трехпозиционный выключатель SA6.
Реле стартера PC1 и реле
блокировки РБ1 входят в блок реле БР. Сопротивление R1, элемент КЭ, выключатель SA6 установлены в щите контроля и сигнализации дизеля, который
расположен в рубке.
Электрофакельный подогреватель установлен во впускном коллекторе и служит
для подогрева воздуха с целью обеспечения пуска двигателя. При включении
выключателя SA6 в первое положение осуществляется
разогрев спирали (в течение 15-20 с), при включении SA6 во второе положение одновременно со стартером включается
катушка электромагнита. При этом спираль ЭФП остается выключенной, а
контрольный элемент КЭ и сопротивление R1 шунтируются. Якорь электромагнита, служащий одновременно
клапаном, открывает отверстие, через которое топливо вытекает на раскаленную
спираль и воспламеняется. После запуска двигателя, одновременно с
автоматическим отключением стартера, отключается питание от катушки
электромагнита. Подача топлива прекращается. С возвращением выключателя SA6 в исходное положение ЭФП полностью
обеспечивается.
Защита генератора от токов короткого замыкания обеспечивается
предохранителями FU1, FU2, установленными в ГРЩ.
2.4 Установка
дизеля на судно
Перечень требований Правил Российского Речного Регистра, которые имеют
отношение к дизелю 3Д6, при установке его на судне:
. Главные судовые двигатели внутреннего сгорания подлежат надзору Речного
Регистра при изготовлении.
. Механические установки должны обеспечивать работу судна при всех
нормальных условиях эксплуатации, а также при длительном крене судна 15° и
дифференте до 5° (без строительного дифферента).
. Движущиеся части механизмов должны быть закрыты защитнымикожухами.
. Нагревающиеся поверхности механизмов, представляющие опасность в
пожарном отношении, должны иметь теплоогнестойкую изоляцию или должны
предусматриваться конструктивные мероприятия, предотвращающие попадание на них
топлива и масла.
. Двигатели должны допускать возможность работы с перегрузкой, равной 10
% номинальной мощности, в течение не менее 1 ч, при этом периодичность таких
режимов работы должна быть не менее 6 ч.
В особых случаях по согласованию с Речным Регистром может быть допущен
номинальный режим без перегрузки.
. Минимальная устойчивая частота вращения главных двигателей с прямой
передачей на винт должна быть не более 30 % номинальной частоты вращения.
. Двигатели с электростартерным пуском должны быть оборудованы
навешенными генераторами для автоматического заряда пусковых аккумуляторных
батарей.
. Каждый главный двигатель должен иметь регулятор, отрегулированный таким
образом, чтобы частота вращения двигателя не могла превышать расчетную
(номинальную) более чем на 15 %.
.Двигатели должны быть оборудованы средствами аварийно-предупредительной
сигнализации в соответствии с требованиями стандарта.
Эксплуатационная мощность (принята в проекте) N = 110 кВт (150 л. с.) при
частоте вращения коленчатого вала 1500 об/мин.
С реверс-редуктором дизель соединяется через проставыш и жестко
устанавливается на судовой фундамент. Упор винта воспринимается упорным
подшипником реверс-редуктора.
Система охлаждения дизеля на судне - двухконтурная. Отбор мощности на
насос забортной воды (ВКС 1/16) осуществляется от переднего фланца (шкива)
коленчатого вала при помощи клиноременной передачи. Снимая мощность на насос
забортной воды в ходовом режиме судна не более 1,9 кВт (2,5 л. с.).
Для охлаждения воды и масла применяются водоводяной и водомасляный
охладители от дизеля 6ЧСП 12/14.
Для регулирования температуры воды внутреннего контура дополнительно
предусматривается терморегулятор прямого действия РТП-32Б.
Управление дизелем осуществляется из рулевой рубки.
Приборы для контроля давления масла в системе смазки, температуры
охлаждающей воды внутреннего контура в системе охлаждения, частоты вращения
коленчатого вала дизеля расположены на пульте управления. Кроме того предусматривается
предупредительная сигнализация (звуковая) при падении давления масла в системе
смазки (Р < 0,06 МПа) и повышении температуры воды системы охлаждения (t > 97 °С).
Разработанный проект по замене двигателя на обстановочном теплоходе
проекта 457 удовлетворяет требованиям действующих правил надзорных организаций.
После выполнения всех работ, связанных с заменой двигателя, проводятся
швартовные и ходовые испытания по механической и электротехнической частям в
соответствии с документом 946-90-66 "Программа испытаний серийного
судна".
2.5 Общие
технические требования
Общие технические требования действительны для конструкциймеханического
оборудования главных и вспомогательных установок.
Характерные технические требования, приводятся на чертежах.
.5.1 Материалы
Все используемые в производстве материалы и полуфабрикаты должны
допускаться к приемке на склад только при наличии сертификата и при условии
соответствия сертификатных данных требованиям соответствующих стандартов и
технических условий.
Применение материалов, полуфабрикатов и изделий, поставляемых другими
предприятиями, без проверки сертификатов ОТК завода-строителя судна не
допускается.
2.5.2
Изготовление сборочных единиц и деталей
При
изготовлении сборочных единиц и деталей допуски на неуказанные предельные
отклонения размеров: отверстий H14, валов h14, стальных ± 
.
Предельные
отклонения от плоскости и прямолинейности, формы цилиндрических поверхностей,
от параллельности и перпендикулярности, предельные значения торцового и
радиального биения - по степени точности РД5Р.0002-95.
Шероховатость
поверхностей, подвергаемых механической обработке, не указанная на чертежах -
не ниже 25 ГОСТ 2789-73.
Центровые
отверстия в деталях, обрабатываемых на токарных станках, должны выполняться в
соответствии с ГОСТ 14034-74.
Механическая
обработка сборочных единиц и деталей, имеющих сварные швы, должна производиться
после выполнения сварных работ.
Поверхности
сборочных единиц и деталей, подлежащие окраске, должны предварительно очищаться
от грязи и ржавчины, а в необходимых случаях и обезжириваться.
2.5.3
Крепежные детали
Крепежные детали должны применяться в соответствии с требованиями
чертежей, при этом поверхности гаек и головок болтов должны плотно прилегать к
поверхности соединяемых деталей.
В резьбовых соединениях не допускаются перекосы и заедания.
Крепежные детали должны свободно проходить через отверстия в
соединительных узлах.
Длины выступающих над гайками концов болтов должны быть впределах:
- для болтов диаметром до 8 мм - 0 - 5 ниток резьбы;
- для болтов диаметром от 10 до 22 мм - 0 - 4 нитки резьбы;
- для болтов диаметром от 24 до 48 мм - 0 - 3 нитки резьбы
(величина фаски в длину выступающей части болта не входит).
Утопание нарезной части болта в гайке не допускается.
Во избежание самоотвинчивания гайки должны стопориться способом, указанным
на чертежах.
2.5.4 Монтаж
вспомогательных механизмов
Монтаж вспомогательных механизмов должен производиться в соответствии с
требованиями ОСТ 5.4110-87.
Сверление отверстий под болты в фундаментах должно производиться по
отверстиям в рамах механизмов или шаблонам, снятых с них.
Отклонение расположения механизмов от горизонтали или вертикали не должно
превышать 3 мм/м.
Координирование механизмов на фундаментах следует выполнять относительно
осей отверстий в фундаментах и их опорных поверхностей.
Крепление механизмов осуществлять строго по монтажным рабочим чертежам.
Допускается свисание выравнивающей прокладки с опорной поверхности до 5
мм.
2.6
Определение основных показателей работы дизеля
Среднее
эффективное давление 
, МПа
, (2.6.1)
где
- тактность дизеля, 
;
- рабочий
объем одного цилиндра, м3,
, (2.6.2)
,
.
Среднее
индикаторное давление 
, МПа
, (2.6.3)
где
- механический КПД дизеля, 
. Принимаем
.
.
Эффективный КПД
, (2.6.4)
где
- низкая теплота сгорания дизельного
топлива,
;
- удельный
эффективный расход топлива, 
;
.
Индикаторный
КПД
, (2.6.5)
.
Удельный
индикаторный расход топлива 
, 
, (2.6.6)
.
2.7
Определение расхода топлива, воздуха и отработавших газов
Часовой
расход топлива дизелем 
, 
, (2.7.1)
.
Количество
топлива, подаваемого в цилиндр за каждый цикл 
, 
, (2.7.2)
.
Теоретически
необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива 
, кмоль/кг
, (2.7.3)
где
- состав дизельного топлива в долях массы: 
- углерод,
; 
- водород, 
; 
- кислород, 
.
.
Масса
воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива 
, (2.7.4)
где
- молярная масса воздуха, 
.
.
Суммарный
коэффициент избытка воздуха
, (2.7.5)
где
- коэффициент продувки, 
;
- коэффициент
избытка воздуха для сгорания, 
.
Принимаем
.
.
Расход
воздуха дизелем 
, кг/ч
, (2.7.6)
,
Количество
отработавших газов 
, кг/ч
, (2.7.7)
,
Количество
продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива с теоретически
необходимым количеством воздуха 
,
кмоль/кг
, (2.7.8)
.
Количество
воздуха, расходуемого при сжигании 1 кг топлива 
,
кмоль/кг
, (2.7.9)
.
Количество
отработавших газов, расходуемых при сжигании 1 кг топлива 
, кмоль/кг
,
(2.7.10)
.
Объемная
доля продуктов сгорания в отработавших газах 
,
(2.7.11)
.
Объемная
доля избыточного воздуха в отработавших газах 
,
(2.7.12)
.
Молярная
масса отработавших газов 
, кг/кмоль
, (
2.7.13)
.
2.8
Определение основных параметров рабочего процесса двигателя
Первоначальной задачей является определение давлений и температур
рабочего тела в цилиндре в характерных точках индикаторной диаграммы и
установление закономерностей изменения этих параметров в промежуточных точках.
Индикаторная диаграмма представляет зависимость давлений в цилиндре от
его объема. Характерными точками расчетной индикаторной диаграммы, которая
представлена на рисунке 2.1, являются:
-
- начало сжатия рабочего тела;
- конец
сжатия и начало сгорания;
- конец
сгорания и начало расширения;
- конец
расширения рабочего тела.
Точки
a и b соответствуют наибольшему объему цилиндра 
,
определяемому при положении поршня в нижней метровой точке.
Точка
всегда соответствует наименьшему объему цилиндра 
,
определяемому положением поршня в верхней метровой точке.
Рабочий
объем цилиндра 
, дм3
,( 2.8.1)
.
Объем
камеры сжатия , дм3
,(2.8.2)
где
- геометрическая степень сжатия, 
.
.
Объем
цилиндра, соответствующий точке индикаторной
диаграммы , дм3
,(2.8.3)
.
Объем
цилиндра, соответствующий точке индикаторной
диаграммы равен объему цилиндра, соответствующему точке
.
Давление
в начале сжатия 
, МПа
,(2.8.4)
Температура
рабочего тела в начале сжатия 
, К
,(2.8.5)
где
- приращение температур в результате
подогрева, 
. Принимаем 
;
- коэффициент
остаточных газов, 
;
- температура
остаточных газов, 
. Принимаем 
;
- температура
воздуха перед выпускными органами дизеля, , К.
,(2.8.6)
.
.
Коэффициент
наполнения
,(2.8.7)
где
- давление воздуха перед впускными
органами цилиндра.
.
Давление
рабочего тела в конце сжатия 
, МПа
,(2.8.8)
где
- средний показатель политропы сжатия, 
.
Принимаем
.
.
Температура
рабочего тела в конце сжатия 
, К
,(2.8.9)
,
Параметры
конца сгорания характеризуются давлением 
и
температурой 
. Прежде чем определить температуру , необходимо вычислить некоторые характерные величины,
относящиеся к процессу сгорания.
Коэффициент
молекулярного изменения при сгорании топлива 
,(2.8.10)
.
Действительный
коэффициент молекулярного изменения 
,(2.8.11)
.
Степень
повышения давления при сгорании 
,(2.8.12)
где
- наибольшее давление сгорания, 
.
Принимаем
.
.
Температура
рабочего тела в конце сгорания 
определяется
из уравнения сгорания
,(2.8.13)
где
- универсальная газовая постоянная, 
;
- средняя
молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания в точке , 
;
(2.8.14)
- коэффициент
эффективного выделения тепла до точки ,
;
- средняя
молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания в точке , 
;
(2.8.15)
- температура
рабочего тела в точке , 
;
(2.8.16)
- средняя
молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания,
;
-
средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для
воздуха,
;
В
формулы 2.8.13, 2.8.14, 2.8.15 значения температур 
подставляем для тех точек, в которых вычисляем
теплоемкость.
Так
как зависит от температуры , то
уравнение 2.8.14 решаем методом последовательных приближений со сходимостью 
.
Вычисляем
при 
,
;
Обозначим
правую часть уравнения 2.8.13 через 
.
Примем
первое приближение 
и вычисляем при 
;
Температура
рабочего тела в конце сгорания ,
,
.
Проверим условие сходимости
,
.
Сходимость обеспечивается.
Температура
рабочего тела в конце сгорания 
;
.
Степень
предварительного расширения 
,(2.8.17)
.
Объем
цилиндра, соответствующий концу сгорания 
,(2.8.18)
.
Степень
последующего расширения продуктов сгорания 
,(2.8.19)
.
Давление
рабочего тела в конце расширения 
, МПа
, (2.8.20)
где
- средний показатель политропы
расширения, 
. Принимаем 
.
,
Температура
рабочего тела в конце расширения 
,(2.8.21)
.
После
определения параметров характерных точек индикаторной диаграммы вычисляем
показатели рабочего процесса.
Расчетное
среднее индикаторное давление 
, МПа
, (2.8.22)
.
Среднее
индикаторное давление действительного цикла 
, МПа
, (2.8.23)
где
- коэффициент полноты индикаторной
диаграммы, 
. Принимаем 
.
,
Индикаторная
мощность двигателя 
, кВт
,(2.8.24)
.
Индикаторный
КПД 
,(2.8.25)
.
Удельный
индикаторный расход топлива 
,(2.8.26)
.
Эффективная
мощность 
,(2.8.27)
.
Эффективный
КПД 
,(2.8.28)
.
Удельный
расход топлива 
,(2.8.29)
.
Часовой
расход топлива дизелем 
,(2.8.30)
.
Расход
воздуха дизелем 
и количество отработавших газов 
вычисляется по формулам
;
;
2.9
Построение индикаторной диаграммы
Индикаторную
диаграмму построим в координатах давление 
- объем 
. По оси абсцисс откладываем вычисленные ранее объемы 
, соответствующие положению характерных точек
индикаторной диаграммы. По оси ординат откладываем вычисленные ранее давления,
соответствующие характерным точкам индикаторной диаграммы.
В
процессе наполнения цилиндра воздухом (линия 
) и
выпуска отработавших газов (линия 
) условно
примем, что давление по линии сохраняется
постоянным, при этом 
; соединив точку с точкой
, получим условное изображение процессов наполнения и
выпуска.
При
заданном угле поворота коленчатого вала текущий
объем , дм3
,(2.9.1)
где
- площадь поперечного сечения цилиндра, дм2
,(2.9.2)
- перемещение
поршня от верхней мертвой точки, дм.
Давление
промежуточных точек политропы сжатия 
, МПа
,(2.9.3)
Давление
промежуточных точек политропы расширения 
, МПа
,(2.9.4)
Расчет политроп сжатия и расширения выполнен в таблице 2.1
Таблица 2.1 - Расчет политроп сжатия и расширения
|
    
|
|
|
|
|
|
0
|
0,000
|
0,240
|
4,800
|
7,000
|
|
15
|
0,038
|
0,370
|
3,533
|
7,000
|
|
30
|
0,147
|
0,500
|
1,811
|
4,306
|
|
45
|
0,317
|
0,800
|
0,951
|
2,382
|
|
60
|
0,530
|
1,176
|
0,561
|
1,466
|
|
75
|
0,767
|
1,595
|
0,370
|
0,998
|
|
90
|
1,007
|
2,018
|
0,267
|
0,742
|
|
105
|
1,233
|
2,417
|
0,209
|
0,591
|
|
120
|
1,430
|
2,765
|
0,174
|
0,499
|
|
135
|
1,590
|
3,048
|
0,152
|
0,441
|
|
150
|
1,706
|
3,253
|
0,139
|
0,407
|
|
165
|
1,777
|
3,378
|
0,132
|
0,388
|
|
180
|
1,800
|
3,420
|
0,130
|
0,380
|
3.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ
3.1 Расчеты
сопротивления воды движению судна
Характеристики обстановочного теплохода проекта 457:
- длина по конструктивной ватерлинии L = 19,9 м.
- ширина на мидель-шпангоуте В = 3,3 м.
- осадка Т = 0,6 м.
- водоизмещение V = 23 м2.
- коэффициент полноты δ = 0,582.
- смоченная поверхность Ω = 59 м2.
- номинальная мощность двигателя N = 110 кВт.
- номинальная частота вращения Пн = 25 с-1.
- тип движителя винтовой.
- диаметр гребного винта D = 0,7 м.
- количество винтов X = 1.
- расчетная скорость U = 19,5 км/ч.
В качестве движителя на судне установлен гребной винт, за которым
расположен руль с пропорциональной перекладкой.
Расчёт сопротивления движению судна на глубокой воде выполнен методом
пересчета с прототипа. В качестве прототипа принят грузовой теплоход проекта
Р168.
Смоченная поверхность корпуса Ω, м2
, (3.1.1)
.
Сравнительные значения характеристик обстановочного теплохода и
судна-прототипа приведены в таблице.
Коэффициенты остаточного сопротивления судна-прототипа приняты по данным
модельных испытаний.
Расчет сопротивления движению судна на глубокой воде выполнен в таблице
2.1.
Надбавка на шероховатость и выступающие части в расчете принята ∆ξ
= 0,9 ·10-3.
Таблица 3.1 - Сравнительные значения характеристик теплохода проекта 457
и судна-прототипа
Вариант
судна 
|
Проектируемое судно 6,03
5,5 0,582 7,00 7,30 Судно-прототип 6,85 6,65 0,862 7,15 8,70
|
Таблица 3.2 - Расчет сопротивления движению судна
|
Наименование величин
|
Значение
|
|
Число Фруда  0,040,080,120,160,20
|
|
|
|
|
|
|
Скорость судна  , м/с1,102,213,314,425,52
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент остаточного
сопротивления судна-прототипа 1,000,700,701,201,80
|
|
|
|
|
|
|
Число Фруда по
водоизмещению  0,110,210,320,430,53
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент æL/B
|
0,92
|
0,91
|
0,90
|
0,88
|
0,86
|
|
Коэффициент æ’L/B
|
1,02
|
1,02
|
1,03
|
1,03
|
1,03
|
|
Коэффициент KL/B
|
0,90
|
0,89
|
0,87
|
0,85
|
0,83
|
|
Коэффициент æB/T
|
0,98
|
0,98
|
0,97
|
0,97
|
0,97
|
|
Коэффициент æ’B/T
|
0,92
|
0,92
|
0,91
|
0,89
|
0,88
|
|
Коэффициент KB/T
|
1,07
|
1,07
|
1,07
|
1,09
|
1,10
|
|
Коэффициент æδ
|
1,40
|
1,40
|
1,45
|
1,57
|
1,63
|
|
Коэффициент æ’δ
|
1,13
|
1,13
|
1,14
|
1,18
|
1,18
|
|
Коэффициент K0
|
1,24
|
1,24
|
1,27
|
1,33
|
1,38
|
|
Коэффициент  7,827,827,827,827,82
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент  8,708,708,708,708,70
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент  1,111,111,111,111,11
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент  1,331,311,311,371,40
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент остаточного
сопротивления судна  1,330,920,921,642,52
|
|
|
|
|
|
|
Число Рейнольдса  0,541,101,642,192,73
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент сопротивления
трению  2,332,122,021,941,88
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент полного
сопротивления  4,563,943,844,485,30
|
|
|
|
|
|
|
Сопротивление судна  19773294944960776886102341
|
|
|
|
|
|
|
Расчетное сопротивление
судна  1950380370341465729321
|
|
|
|
|
|
|
Скорость судна U,
м/c
|
10,8
|
12,96
|
15,16
|
17,3
|
19,5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.2 Определение потребной мощности судовой силовой установки
Для дальнейшего расчета принимаем скорость судна U = 4,72 м/с.
Мощность подведенная к гребному винту Np, Вт
, (3.2.1)
где
- пропульсивный КПД движетеля, = 0,50…0,75. Принимаем = 0,5.
Вт = 120
кВт.
Для
обеспечения судна электроэнергией во время его движения используем
валогенератор мощностью 5 кВт.
Тогда эксплуатационная мощность на фланце реверс-редукторной передачи,
приходящаяся на один двигатель, Ne = 115 кВт.
.3
Определение основных размеров главного двигателя
Среднее эффективное принимаем ре = 0,74 МПа.
Число цилиндров принимаем L = 6.
Частоту вращения коленчатого вала принимаем n = 1500 мин-1.
Величину
отношения хода поршня к диаметру цилиндра принимаем 
.
Диаметр
цилиндра D, м
, (3.3.1)
где К - коэффициент тактности, К = 0,5.
м = 145
мм.
Ход поршня S, м
, (3.3.2)
м = 174
мм.
Средняя скорость поршня Сm , м/с
, (3.3.3)
м/с.
Таким
образом, по определенным выше параметрам принимаем к установке двигатель 3Д6
(6ЧСП 5/18).
3.4 Расчет
элементов гребного винта
Исходные данные:
- мощность главного двигателя Np = 120 л. с.;
- частота вращения коленного вала nдв = 1500 мин-1;
- передаточное число реверс-редуктора i = 2,02;
- диаметр гребного винта Д = 0,7 м;
- число лопастей винта Z = 4;
- дисковое отношение Θ = 0,70.
Расчет элементов гребного винта выполнен в таблице 3.3.
Таблица 3.3 - Расчет элементов гребного винта
|
Расчетные формулы
|
Расчетные значения
|
|
U , м/с
|
4,9
|
|
 (см. рисунок 2.1)870
|
|
|
 , м/с3381
|
|
|
 , кгс1261
|
|
|
 0,394
|
|
|
 0,343
|
|
|
 1,0
|
|
|
 0,39
|
|
|
 0,39
|
|
|
 120
|
|
Шаг
гребного винта 
.
Проверка
выбранного дискового отношения винта.
Минимально
допустимое дисковое отношение винта из условия обеспечения предельного значения
относительной толщины лопасти определяется
, (3.4.1)
где
- предельное значение относительно толщины лопасти на
радиусе 
= 0,1
- упор
гребного винта при расчетном режиме его работы, Р = 1261 кгс;
-
коэффициент прочности для винтов из углеродистой стали, = 0,065;
-
коэффициент, характеризующий возможную максимальную нагрузку на лопасть, = 1,5.
<
.
Величина принятого дискового отношения по этому критерию достаточна.
Минимально допустимая величина дискового отношения из условия отсутствия
кавитации
, (3.4.2)
где
= 1,3 - эмпирический коэффициент;
= 0,56 - кавитационная
характеристика;
- абсолютное
гидростатическое давление на уровне оси винта,
;
- плотность
воды, = 1000 кг/м3;
- глубина
погружения оси гребного вала под ватерлинию, 
= 0,3 м.
Абсолютное гидростатическое давление на уровне оси винта из формулы
кгс/см3,
<.
Дисковое отношение гребного винта окончательно принимаем равным 0,70.
Диаметр ступицы в плоскости диска винта принят
м.
Средняя ширина лопасти определяется по формуле
, (3.4.3)
где
- радиус винта, 
м;
- радиус
ступицы, = 0,07.
м.
Максимальная ширина лопасти определяется по формуле
, (3.4.4)
м.
Координаты контура спрямленной поверхности лопасти на различных
относительных радиусах определены и представлены в таблице 3.4, где приняты
обозначения
,
- отстояния от осевой линии лопасти до
входящей и выходящей кромок соответственно;
,
- длина входящей и выходящей частей профиля
соответственно;
- полная
длина сечения лопасти на заднем относительном радиусе.
Таблица 3.4 - Координаты контура лопасти
|
Параметр
|
Численное значение
|
|
 0,30,50,70,80,95
|
|
|
|
|
|
|
 0,5260,5760,5140,417
|
|
|
|
|
|
|
 , мм1481621451180
|
|
|
|
|
|
|
 0,3330,4080,4670,484
|
|
|
|
|
|
|
 , мм94115132137110
|
|
|
|
|
|
|
 , мм242277277255110
|
|
|
|
|
|
|
 0,350,350,350,350,35
|
|
|
|
|
|
|
 , мм859711211860
|
|
|
|
|
|
|
 , мм15718016513750
|
|
|
|
|
|
Относительная толщина лопасти на оси винта
. (3.4.5)
Условная толщина лопасти на оси винта
, (3.4.6)
мм 
мм.
Толщина лопасти у края определяется по формуле
, (3.4.7)
где
- максимальная относительная толщина на конце
лопасти,
.
мм.
Принимаем
мм.
Угол
наклона образующей лопасти принят равным 
.
Сечения
лопасти на относительных радиусах 0,3; 0,5; 0,7; 0,8 и 0,95 приведены в
таблицах.
Обозначения,
принятые в таблицах, приведены на схематическом профиле на рисунке 3.2.
Таблица 3.5 - Сечение лопасти на радиусе 0,3
|
Наименование
|
Величина
|
Значения
|
|
Входящая часть
|
 0,20,40,60,8
|
|
|
|
|
|
 0,9800,9300,850-
|
|
|
|
|
|
 , мм24,523,321,317
|
|
|
|
|
|
 -0,2--
|
|
|
|
|
|
 , мм-0,51,52,5
|
|
|
|
|
|
Выходящая часть
|
0,9600,868-0,500
|
|
|
|
|
|
, мм2421,718,512,5
|
|
|
|
|
|
----
|
|
|
|
|
|
 , мм--00,5
|
|
|
|
|
|
Входящая часть
|
0,20,40,60,8
|
|
|
|
|
|
0,9700,760
|
|
|
|
|
|
, мм19,41815,212,2
|
|
|
|
|
|
Выходящая часть
|
0,9650,8500,6840,460
|
|
|
|
|
|
, мм19,31713,79,2
|
|
|
|
|
Таблица 3.7 - Сечение лопасти на
радиусе 0,7
|
Наименование
|
Величина
|
Значения
|
|
Входящая часть
|
0,20,40,60,8
|
|
|
|
|
|
 0,9700,8900,7700,600
|
|
|
|
|
|
, мм15,514,212,39,6
|
|
|
|
|
|
Выходящая часть
|
0,9650,8600,7200,520
|
|
|
|
|
|
, мм15,413,811,580,3
|
|
|
|
|
Таблица 3.8 - Сечение лопасти на
радиусе 0,8
|
Наименование
|
Величина
|
Значения
|
|
Входящая часть
|
0,20,40,60,8
|
|
|
|
|
|
0,9700,7880,620
|
|
|
|
|
|
, мм12,612,010,18,1
|
|
|
|
|
|
Выходящая часть
|
0,9650,8700,7300,540
|
|
|
|
|
|
, мм12,511,39,57,0
|
|
|
|
|
Таблица 3.9 - Сечение лопасти на
радиусе 0,95
|
Наименование
|
Величина
|
Значения
|
|
Входящая часть
|
0,20,40,60,8
|
|
|
|
|
|
0,9700,9300,8400,720
|
|
|
|
|
|
, мм8,78,47,66,5
|
|
|
|
|
|
Выходящая часть
|
0,8700,7550,600
|
|
|
|
|
|
, мм8,57,86,85,4
|
|
|
|
|
Толщина лопасти S, мм
спрямленного цилиндрического сечения должна быть не менее определяемой по
формуле
,(3.4.8)
где
- коэффициент зависимости радиуса 
расчетного поперечного сечения и шарового отношения 
;
- коэффициент
зависящий от ледового усилия, 
;
- мощность
на гребном валу, кВт, 
кВт;
- коэффициент
центробежных напряжений в зависимости от радиуса поперечного сечения;
- диаметр
гребного винта, 
м;
- частота
вращения гребного винта, 
с-1;
- число
лопастей, 
;
- ширина
спрямленного цилиндрического сечения лопасти, м;
- временное
сопротивление материала лопасти.
Толщина
лопастей проверяется в двух поперечных сечениях на радиусах 
и 
.
Расчет толщины лопасти в требуемых сечениях представлен в таблице 3.10.
Таблица 3.10 - Расчет толщин лопасти в сечениях
|
 , мм , мм , мм , мм
|
|
|
|
|
|
|
0,25
|
96
|
0,232
|
26
|
109,5
|
21,8
|
|
0,6
|
210
|
0,282
|
18
|
67
|
12,1
|
Из расчета следует, что принятая толщина лопасти больше допускаемой
Правилами.
В результате расчета получены следующие основные конструктивные элементы
гребного винта:
- Диаметр D = 0,7 м.
- Число лопастей Z = 4.
- Шаг H =
700 мм.
- Шаговое отношение H/D = 1,0.
- Дисковое отношение Θ = 0,7.
Расчетная
скорость U = 19,5 км/ч (4,9 м/с).
4. РАСЧЕТ
ЭКОНОМИИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ ЗАМЕНЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Об экономичности работы двигателя судят по расходу им топлива. Часовой
расход топлива, отнесенный к эффективной мощности двигателя, есть удельный
расход топлива. Удельный расход топлива достаточно точно отражает экономичность
работы двигателя, потому что теплота сгорания дизельного топлива различных
марок колеблется в небольших пределах. Основные экономические показатели вынесены
в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 - Основные показатели дизелей К 161-2 и 3Д6
|
Расход топлива
|
Марка дизеля
|
|
К 161-2
|
3Д6
|
|
Удельный расход топлива g ,
г/кВт · ч (г/л. с · ч)
|
265 (195)
|
223 (164)
|
|
Мощность на фланце РРП N , кВт
(л. с)66,2 (90)66,2 (90)
|
|
|
|
Расход топлива за 1 час
работы G , л17,5414,76
|
|
|
|
Расход топлива за месяц (
10 суток), л
|
1178,7
|
991,9
|
|
Расход топлива за навигацию
(около 7 месяцев), л
|
8250,8
|
6943,1
|
Считаем,
что с фланца реверс - редукторной передачи (РРП) двигателя 3Д6 будем снимать
необходимую для теплохода мощность N= 66,2 кВт (90 л.с), которая обеспечит заданную
скорость хода как и двигатель К 161-2.
Расход
топлива за 1 час работы двигателя 3Д6 составит
G= gN (4.1)
G= 223 · 66,2 = 14762 г/час 
14,76 кг/час
Расход
топлива за 1 час работы двигателя К 161-2 составит
G
= gN (4.2)
G= 265 · 66,2 = 17543 г/час 17,54 кг/час
В
месяц теплоход находится в навигации 10 дней по 8 часов в сутки,
продолжительность навигации 7 месяцев. Итого двигатель теплохода отрабатывает
за навигацию Т :
Т
= 7 · 10 · 8 = 560 часов
Двигатель
3Д6 расходует топлива за время навигации Т :
(4.3)
кг =
6943,1 л.
Двигатель
К 161-2 расходует топлива за это же время навигации Т:
(4.4)
9822,4 кг
= 8250,8 л.
Тогда,
экономия топлива составит
кг.
Стоимость
1 кг дизельного топлива составляет 6070 руб. Тогда, в денежном выражении это
составит
6070
· 1556,8 = 9449776 руб.
5.
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Важнейшим фактором повышения эффективности судоремонтного производства
является его специализация.
В Республике Беларусь на флоте преимущественно эксплуатируются однотипные
дизеля ряда ЗД6 (6ЧСП15/18) и ЗД12 (12ЧСП15/18).
Для капитального ремонта этих дизелей имеются специализированные
предприятия такие как «Пинский судостроительно-ремонтный завод», «Борисовский
140-ой ремонтный завод», а капитальный ремонт дизеля типа К1612 (6ЧСП12/14),
которые выпускают Дизелестроительный завод им. С.М.Кирова производится в г.
Токмак, Запорожская область, Украина.
Основные показатели данных дизелей представлены в таблице 5.1
Таблица 5.1 Основные показатели дизелей
|
Наименование показателей
|
Марка дизеля
|
|
К161-2
|
ЗД6
|
|
Удельный расход топлива
г/(кВт·ч) (г/(л.с.·ч))
|
265 (190)
|
223 (164)
|
|
Расход топлива в % к дизелю
К1612
|
100
|
90
|
|
Мощность на фланце РРП, кВт
(л.с.)
|
66,2 (90)
|
66,2 (90)
|
|
Ресурс до первого
капитального ремонта, ч
|
18000
|
18000
|
|
Стоимость дизеля на апрель
2011 года, бел. руб.
|
26300000
|
33800000
|
|
Стоимость капитального
ремонта, бел. руб.
|
17700000
|
7800000
|
Как видно из таблицы 5, стоимость капитального ремонта дизелей ЗД6
7800000 рублей, а К1612 соответственно 17700000 белорусских рублей, а
моторесурс до первого капитального ремонта одинаков, но целесообразно
использовать дизель ЗД6. При установке двигателя ЗД6 на теплоход проекта №457
скорость судна на тихой воде увеличилась до 19,5 км/ч, согласно
гидромеханическим расчетам, позволит более оперативно производить обслуживание
оборудования в навигационный период.
6. РАСЧЕТ
МЕСТНОЙ ВИБРАЦИИ
6.1 Общая
часть
Расчет выполнен в соответствии с Правилами Речного Регистра.
Согласно Правилам для судов менее 25 метров расчет общей вибрации
допускается не проводить, поэтому выполняется только расчет местной вибрации.
При расчете вибрации проверяется отсутствие резонанса пустеем сравнения
частот свободных колебаний с частотами возмущающих сил, вызываемых работой
главных и вспомогательных механизмов судна, гребных винтов и других источников
вибрации.
Местные колебания первого тона холостого набора, ребер жесткости и
пластин наружной обшивки, палубы, стенок рамного набора проверяются в следующих
районах:
) днище на участке от транца до сечения состоящего в нос от центра диска
гребного винта на расстоянии трех диаметров винта, то есть от транца до 44 шп;
) в машинном отделении;
) цистернах, примыкающих к машинному отделению.
6.2 Расчет
местной вибрации
Для предотвращения резонанса частоты свободных колебаний первого тона
должны превышать не менее, чем на 50% для пластин и на 30% для холостого набора
и ребер жесткости частоты возмущающих сил, численно равные
) произведению числа лопастей гребного винта на частоту вращения вала
(районах-терпика);
) частоте вращения коленчатого вала двигателя, умноженной на число
вспышек за один оборот (район машинного отделения).
На
судне установлен двигатель 6ЧСП 15/18 (ЗД6), имеющий 
.
Передаточное
отношение реверс-редукторной передачи 1:2,02.
Число
вспышек за один оборот коленчатого вала двигателя определяется по формуле
,(6.2.1)
где
- число цилиндров двигателя, 
;
- коэффициент
для четырехтактного двигателя, 
.
.
Число
лопастей гребного винта - 4.
Частоты
возмущающих сил для различных эксплуатационных режимов работы двигателя
приведены в таблице 6.1.
Таблица
6.1 Частоты возмущающих сил
|
Наименование частот
возмущающих сил
|
Режим работы двигателя
|
|
Полный ход  Средний ход  Тихий
ход 
|
|
|
|
Частота вращения винта,
умноженная на число лопастей
|
49,5
|
29,7
|
19,8
|
|
Частота вращения коленвала
двигателя, умноженная на число вспышек за один оборот
|
75,0
|
45,0
|
30,0
|
Частота свободных колебании первого тона пластины наружной обшивки, Гц,
опертой на рамный набор и не подкрепленной ребрами жесткости определяется по
формуле
, (6.2.2)
где
- короткая сторона пластины, м;
- длинная
сторона пластины, м;
-
толщина пластины, м;
- модуль
упругости первого рода материала пластины, 
;
- плотность
материала пластины, 
;
- коэффициент
Пуассона, 
;
Влияние присоединенных масс жидкости на частоты свободных колебаний
пластин учитывается по формуле
,(6.2.3)
где
- коэффициент влияния присоединенных масс
на частоту свободных колебаний пластин, определяемой по формулам:
,(6.2.4)
если пластина соприкасается с двух сторон с жидкостями различной плотности
,(6.2.5)
где
- плотность жидкостей, кг/м3;
- плотность
материала пластины, кг/м3;
- коэффициент,
определяемый в зависимости от отношения сторон пластины.
Пластина днища между кильсоном и бортом в районе ахтерпика (шп. 44-45).
;
;
.
Частота свободных колебаний
,
Частота
свободных колебаний с учетом влияния присоединенных масс забортной воды
;
;
.
Пластина
днища между фундаментными балками
;
;
.
Частота свободных колебаний
,
Частота
свободных колебаний с учетом влияния присоединенных масс забортной воды
;
.
Пластина
днища между фундаментными балками
;
;
.
Частота свободных колебаний
,
Частота
свободных колебаний с учетом влияния присоединенных масс забортной воды
;
.
Пластина
днища между фундаментными балками
;
;
.
Частота свободных колебаний
,
Частота
свободных колебаний с учетом влияния присоединенных масс забортной воды
;
.
Полученные
результаты показывают, что свободные колебания пластин ниже пределов, требуемых
Регистром. Для повышения частоты свободных колебаний пластин с целью
предотвращения резонанса устанавливаются продольные ребра жесткости из уголка
45×28×4
мм ГОСТ8510-86 на расстоянии 250 мм.
Частота
свободных колебаний пластин наружной обшивки, опертых на рамный набор и
подкрепленных ребрами жесткости, рассчитывается так же, как частота свободных
колебаний пластин, не подкрепленных ребрами жесткости.
В
качестве короткой стороны 
берется короткая сторона ячейки 
образованной рамным набором и ребром жесткости, а в
качестве длинной стороны пластины 
, берется
длинная сторона ячейки 
.
Проверочный
расчет. Пластины днища между кильсоном и бортом в районе ахтерпика (шп. 44-45).
;
;
.
Частота свободных колебаний без учета воздействия жидкости
,
Частота
свободных колебаний с учетом влияния присоединенных масс забортной воды с одной
стороны пластины
;
.
Частота
возмущающих сил на полном ходу 49,5 Гц.
Полученные
частоты свободных колебаний днищевых пластин в ахтерпике превышают действующие
в одном районе частоты возмущающих сил более, чем на 50%, что удовлетворяет
требованиям Правил.
Расчет
свободных колебаний стенки флора.
Рассматривается
стенка флора как пластина, не соприкасающаяся с жидкостью.
Наибольший
пролет флора 
в машинном отделении между фундаментной балкой и
бортом
;
;
.
Частота свободных колебаний
,
что
намного выше частоты возмущающих сил.
Остальные
участки стенок флоров и кильсонов, как имеющих равные с флорами размеры, не
проверяются, так как их пролеты меньше, и, следовательно, частоты свободных
колебаний выше.
Расчет
свободных колебаний жесткости.
Частота
свободных колебаний первого тона ребер жесткости 
, Гц,
определяется по формуле
,(6.2.6)
где
- коэффициент, равный при свободно
опертых концах профиля, 
;
- модуль
упругости первого рода, 
;
-
момент инерции поперечного сечения ребра с присоединенным пояском
обшивки, м4;
- масса
на единицу длины ребра с учетом массы пластины шириной, равной расстоянию между
ребрами, кг/м;
-
длина ребра, м;
- площадь
поперечного сечения изолированного ребра, м2.
Влияние присоединенных масс жидкости на частоту свободных колебаний ребер
жесткости учитывается по формуле
,(6.2.7)
где
- коэффициент, определяемый в зависимости
от размеров 
, то есть размеров пластин до установки ребер
жесткости;
,(6.2.8)
где
- коэффициент, определяемый в зависимости от размеров
пластин;
-
приведенная толщина пластин с ребром, м;
.(6.2.9)
В
случае соприкосновения пластины, подкрепленной ребрами жесткости, с жидкостью с
двух сторон определяется по формуле
,(6.2.10)
Ребра жесткости, установленные в ахтерпике для повышения частоты
свободных колебаний пластин днищевой обшивки
профиль - 45×28×4 мм;
длина
ребра 
;
расстояние
между ребрами жесткости 
;
площадь
сечения ребра жесткости 
Таблица
6.2 Частоты возмущающих сил
|
Эскиз профиля
|
Размеры связей, мм
|
Площадь сечения связей, см2
|
Отстояние ц.т. связей от
основной, см
|
Статистический момент, см3
|
Момент инерции
|
|
|
|
|
|
Переносный, см4
|
Собственный, см4
|
|
45×28×4
|
2,80
|
3,39
|
9,49
|
32,17
|
5,68
|
|
4×20
|
3,00
|
0,20
|
1,60
|
0,32
|
-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сумма
|
|
10,80
|
|
11,09
|
38,7
|
38,7
|
|
|
A
|
|
B
|
C
|
C
|
Момент инерции
.
Масса
на единицу длины ребра с учетом массы пластины шириной .
.
Приведенная толщина пластины с ребром
.
Концы
свободно оперты, 
Частота
свободных колебаний ребер жесткости без учета влияния жидкости
,
Частота
свободных колебаний ребер жесткости с учетом присоединенных масс жидкости при 
.
.
что значительно превышает частоту возмущающих сил.
Также для пластин днища ахтерпика, подкрепленных ребрами жесткости должно
соблюдаться условие
,
,
то
есть выбранные ребра жесткости удовлетворяют требованиям Правил.
Заключение
Расчет
местной вибрации показал, что для рамного днищевого набора ахтерпика и
машинного отделения требуемое превышение частот свободных колебаний над
частотами возмущающих сил соблюдается.
Для
пластин днище ахтерпика и машинного отделения это условие соблюдается при
установке дополнительных продольных ребер жесткости по днищу.
Ребра
жесткости, установленные для повышения частот собственных колебаний пластин, их
уголка 45×28×4
мм также удовлетворяют требованиям
Правил.
На
конструктивном чертеже эти ребра не нанесены.
Список
использованных источников
дизельный двигатель речной
1. Басин А.М., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна / А.М. Басин,
В.Н. Анфимов. - Л.: Речной транспорт, 1961. - 684 с.
2. Бланк Ш.П., Миташвили, А.А., Легосшаев В.А. Экономика
внутреннего водного транспорта / Ш.П. Бланк, А.А. Миташвили, В.А. Легосшаев. -
М.: Транспорт, 1983. - 464 с.
3. Бронштейн Д.Я. Устройство и основы теории судна / Д.Я.
Бронштейн. - Л.: Судостроение, 1988. - 336 c.
. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В.А.
Ваншейдт. - Л.: Судостроение, 1962. - 544 с.
. Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф. Судовые дизели / А.Ф. Гогин, Е.Ф.
Кивалкин. - М.: Транспорт, 1978. - 478 с.
. Кончаев В.И. Банатов Н.Н. Учебник судового моториста / В.И.
Кончаев, Н.Н. Банатов. - М.: Транспорт, 1966. - 284 с.
. Лесюков В.А. Теория и устройство судов внутреннего плавания
/ В.А. Лесюков. - М.: Транспорт, 1967. - 352 с.
. Охрана труда на железнодорожном транспорте / Под ред. Ю.Г.
Сибарова. -М.: Транспорт, 1981. - 288 с.
. Петровский Н.В. Основы проектирования судовых дизельных
установок / Н.В. Петровский. - Л.: Судостроение, 1965. - 360 с.
. Ренский Н.М. Эксплуатация главных двигателей серийных
теплоходов/ Н.М. Ренский. - М.: Речной транспорт, 1963. - 120 с.
. Руководство по расчету и проектированию гребных винтов
судов внутреннего плавания / Под ред. А.М. Басина, Е.И. Степанюка. - Л.:
Транспорт, 1977. - 266 с.
. Сенков Г.И. Судовые энергетические установки / Г.И. Сенков.
- Л.: Судостроение, 1983. - 272 с.
. Симсон А.Э. Газотурбинный надув дизелей / А.Э. Симсон. -
М.: Машиностроение, 1968. - 196 с.
. Слободянюк Л.И., Поляков В.И. Судовые паровые и газовые
турбины и их эксплуатация / Л.И. Слободянюк, В.И. Поляков. - Л.: Судостроение,
1983. - 360 с.
. Танатар Д.Б. Судовые дизели / Д.Б. Танатар. - Л.: Морской
транспорт, 1962. - 306 с.
. Хандов З.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / З.А.
Хандов. - М.: Транспорт, 1969. - 304 с.