Dobór silnika. Opracowanie charakterystyk napędowych

(1)

Dobór silnika. Opracowanie charakterystyk napędowych

Imię i nazwisko: Przemysław Swatowski Kierunek: BOiJ Rok akademicki: 2020/2021 Semestr: VII Przedmiot: Mechanika Ruchu Okrętu II Prowadzący: dr hab. inż. Paweł Dymarski Data oddania: 21.12.2020

(2)

1. Wartości obliczone w pierwszej części projektu

Aby wykonać obliczenia potrzebne do uzyskania charakterystyk napędowych potrzebne są dane z pierwszej części projektu:

1. Wartości obliczone w części pierwszej

moc naporu PT 11799,63 [ kW ] sprawność pędnika ηP 0,638 [ ] sprawność rotacyjna ηR 1,005 [ ] sprawność przekładni ηG 1,000 [ ] sprawność linii wałów ηS 0,990 [ ] sprawność kadłuba ηH 1,110 [ ] sprawność napędowa ηD 0,712 [ ] ogólna sprawność napędowa η 0,705 [ ]

ilość obrotów śruby n 100 obr/min ilość obrotów śruby n 1,667 obr/s współczynnik ssania t 0,176 [ ] współczynnik strumienia nadążającego w 0,258 [ ]

Średnica śruby D 7,61 [m]

liczba skrzydeł z 5 [ ]

współczynnik skoku P/D 0,87 [ ] współczynnik powierzchni

wyprostowanej AE/AO = 0,52 [ ] współczynnik posuwu J 0,64 [ ] prędkość dopływu VA 8,16 [ m/s ]

napór śruby T 1445,85 [ kN ]

2. Dobór silnika

Silnik główny został dobrany w oparciu o obroty silnika oraz moc na sprzęgle napędu głównego:

𝑃_𝐵 = 𝑃_𝑇

𝜂_𝑃∙𝜂_𝑅∙𝜂_𝑠∙𝜂_𝐺=18588,59 kW

Dobrany silnik to dwusuwowy silnik MAN B&W ME C8 8 cylindrów o mocy 19040 kW:

(3)

Kolejnym krokiem do utworzenia charakterystyk napędowych jest przygotowanie zakresu parametrów:

2. Dobór silnika

zapotrzebowanie na moc PB 18588,59 [ kW ]

obroty minimalne nmin 89 [obr/min]

obroty maksymalne nmax 105 [obr/min]

Δn 4 [obr/min]

zakres obrotów

n1 89 [obr/min]

n2 93 [obr/min]

n3 97 [obr/min]

n4 101 [obr/min]

n5 105 [obr/min]

moment na sprzęgle QB,L1 1764,35 [kNm]

QB,L4 1381,97 [kNm]

moment doprowadzony Qmax 1746,70 [kNm]

Qmin 1368,15 [kNm]

ΔQ 189,28 [kNm]

moc doprowadzona PDmax 18849,60 [kW]

PDmin 12751,20 [kW]

ΔPD 3049,20 [kW]

3. Opracowanie charakterystyk napędowych

3.1 Linie stałych obrotów

Tworzenie charakterystyk zaczynamy od obliczenia wartości potrzebnych do utworzenia linii stałych obrotów. Wartości te zostały obliczone z poniższych wzorów:

v_A= JnD [m/s]

v = VA

1 − w [m/s]

v_kn= 1,9438 [kn]

Współczynniki naporu i momentu zostały obliczone na podstawie wielomianów jako funkcje jednej zmiennej:

K_T = K_T(j, … )[−]

K_Q = K_Q(j, … )[−]

T = 0,001 ∙ K_Tρn²D⁴ [kN]

T_N= T(1 − t) [kN]

Q = 0,001 ∙ 1 ηR

K_Qρn²D⁵ [kNm]

P_D= 2πnQ [kW]

(4)

Obliczone wartości zostały umieszczone w tabelach poniżej:

n1= 1,483 [obr/s]

J [] va [m/s] v[m/s] vkn [kn] KT(J) KQ(J) T [KN] TN [kN] Q [kNm] PD [kW]

0 0,00 0,00 0,00 0,375 0,047 2770,11 2281,47 2617,22 24392,66 0,1 1,13 1,52 2,96 0,352 0,044 2597,71 2139,47 2485,81 23167,85 0,2 2,26 3,04 5,92 0,324 0,042 2390,35 1968,69 2336,19 21773,39 0,3 3,39 4,56 8,87 0,291 0,039 2150,59 1771,23 2164,77 20175,78 0,4 4,52 6,09 11,83 0,255 0,035 1880,97 1549,17 1967,96 18341,48 0,5 5,64 7,61 14,79 0,215 0,031 1584,03 1304,60 1742,15 16236,97 0,6 6,77 9,13 17,75 0,171 0,027 1262,30 1039,63 1483,76 13828,74 0,7 7,90 10,65 20,70 0,124 0,021 918,34 756,35 1189,18 11083,25 0,8 9,03 12,17 23,66 0,075 0,015 554,69 456,84 854,82 7966,99 0,9 10,16 13,69 26,62 0,024 0,009 173,88 143,21 477,08 4446,42

n2= 1,550 [obr/s]

0 0,00 0,00 0,00 0,375 0,047 3024,71 2491,15 2857,76 27831,59 0,1 1,18 1,59 3,09 0,352 0,044 2836,46 2336,11 2714,27 26434,10 0,2 2,36 3,18 6,18 0,324 0,042 2610,04 2149,63 2550,90 24843,05 0,3 3,54 4,77 9,27 0,291 0,039 2348,25 1934,02 2363,73 23020,20 0,4 4,72 6,36 12,36 0,255 0,035 2053,85 1691,55 2148,83 20927,30 0,5 5,90 7,95 15,45 0,215 0,031 1729,61 1424,51 1902,27 18526,10 0,6 7,08 9,54 18,54 0,171 0,027 1378,32 1135,18 1620,13 15778,34 0,7 8,26 11,13 21,63 0,124 0,021 1002,75 825,86 1298,48 12645,79 0,8 9,44 12,72 24,72 0,075 0,015 605,67 498,83 933,39 9090,19 0,9 10,62 14,31 27,81 0,024 0,009 189,86 156,37 520,93 5073,29

n3= 1,617 [obr/s]

0 0,00 0,00 0,00 0,375 0,047 3290,49 2710,05 3108,88 31579,44 0,1 1,23 1,66 3,22 0,352 0,044 3085,70 2541,38 2952,78 29993,76 0,2 2,46 3,32 6,45 0,324 0,042 2839,39 2338,52 2775,05 28188,46 0,3 3,69 4,97 9,67 0,291 0,039 2554,59 2103,96 2571,43 26120,14 0,4 4,92 6,63 12,89 0,255 0,035 2234,32 1840,19 2337,65 23745,40 0,5 6,15 8,29 16,12 0,215 0,031 1881,59 1549,68 2069,43 21020,85 0,6 7,38 9,95 19,34 0,171 0,027 1499,43 1234,93 1762,49 17903,08 0,7 8,61 11,61 22,56 0,124 0,021 1090,86 898,43 1412,58 14348,69 0,8 9,84 13,27 25,79 0,075 0,015 658,89 542,66 1015,40 10314,29 0,9 11,07 14,92 29,01 0,024 0,009 206,55 170,11 566,70 5756,46

(5)

n4= 1,683 [obr/s]

0 0,00 0,00 0,00 0,375 0,047 3567,47 2938,17 3370,57 35649,49 0,1 1,28 1,73 3,36 0,352 0,044 3345,44 2755,30 3201,33 33859,44 0,2 2,56 3,45 6,71 0,324 0,042 3078,40 2535,37 3008,64 31821,47 0,3 3,84 5,18 10,07 0,291 0,039 2769,63 2281,06 2787,88 29486,58 0,4 5,12 6,91 13,43 0,255 0,035 2422,39 1995,08 2534,42 26805,78 0,5 6,41 8,63 16,78 0,215 0,031 2039,98 1680,12 2243,62 23730,08 0,6 7,69 10,36 20,14 0,171 0,027 1625,65 1338,88 1910,85 20210,48 0,7 8,97 12,09 23,49 0,124 0,021 1182,68 974,06 1531,48 16198,00 0,8 10,25 13,81 26,85 0,075 0,015 714,35 588,34 1100,88 11643,62 0,9 11,53 15,54 30,21 0,024 0,009 223,93 184,43 614,40 6498,37

n5= 1,750 [obr/s]

0 0,00 0,00 0,00 0,375 0,047 3855,64 3175,50 3642,83 40055,03 0,1 1,33 1,80 3,49 0,352 0,044 3615,67 2977,87 3459,92 38043,77 0,2 2,66 3,59 6,98 0,324 0,042 3327,06 2740,17 3251,67 35753,95 0,3 4,00 5,39 10,47 0,291 0,039 2993,35 2465,32 3013,08 33130,51 0,4 5,33 7,18 13,96 0,255 0,035 2618,07 2156,24 2739,14 30118,42 0,5 6,66 8,98 17,45 0,215 0,031 2204,76 1815,84 2424,85 26662,63 0,6 7,99 10,77 20,94 0,171 0,027 1756,96 1447,03 2065,20 22708,08 0,7 9,32 12,57 24,42 0,124 0,021 1278,21 1052,74 1655,19 18199,74 0,8 10,65 14,36 27,91 0,075 0,015 772,06 635,86 1189,80 13082,54 0,9 11,99 16,16 31,40 0,024 0,009 242,02 199,33 664,03 7301,44

nn= 1,667 [obr/s]

0,0 0,00 0,00 0,00 0,375 0,047 3497,18 2880,27 3304,16 34601,04 0,1 1,27 1,71 3,32 0,352 0,044 3279,52 2701,01 3138,25 32863,64 0,2 2,54 3,42 6,65 0,324 0,042 3017,74 2485,41 2949,36 30885,60 0,3 3,81 5,13 9,97 0,291 0,039 2715,05 2236,12 2732,95 28619,38 0,4 5,07 6,84 13,29 0,255 0,035 2374,66 1955,77 2484,48 26017,43 0,5 6,34 8,55 16,62 0,215 0,031 1999,78 1647,02 2199,41 23032,18 0,6 7,61 10,26 19,94 0,171 0,027 1593,62 1312,50 1873,20 19616,10 0,7 8,88 11,97 23,26 0,124 0,021 1159,38 954,86 1501,30 15721,62 0,8 10,15 13,68 26,58 0,075 0,015 700,28 576,75 1079,18 11301,19 0,9 11,42 15,39 29,91 0,024 0,009 219,52 180,80 602,30 6307,26

(6)

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00 3500,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

R [kN], TN[kN]

v [kn]

Wykres naporu efektywnego R(v), 1,2R(v), T

_N,n=ni

(v)

n1 n2 n3 n4 n5 nn R 1,2R

(7)

0,00 5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00 35000,00 40000,00 45000,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

PD [kW]

v [kn]

Wykres mocy doprowadzonej dla R(v), 1,2R(v), P

_D,n=ni

(v)

n1 n2 n3 nn n4 n5 PD 1,2PD

(8)

Poniższa tabela przedstawia punkty przecięć krzywych n=ni oraz TN=R:

Lp. n [1/s] vkn [kn] v[m/s] va [m/s] J [] KT(J) KQ(J) T [KN] TN [kN] Q [kNm] PD [kW] 1,2PD [kW]

1 0 0 0,00 0 0 0,375 0,047 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

2 0,750 9,85 5,07 3,76 0,659 0,144 0,024 271,84 223,88 336,38 1585,16 1902,19 3 1,350 17,58 9,04 6,71 0,653 0,147 0,024 896,26 738,16 1103,20 9357,67 11229,20 4 1,483 19,23 9,89 7,34 0,650 0,148 0,024 1092,73 899,97 1341,04 12498,54 14998,25 5 1,550 19,94 10,26 7,61 0,645 0,150 0,024 1211,83 998,07 1480,24 14415,97 17299,16 6 1,617 20,63 10,61 7,87 0,640 0,153 0,025 1338,66 1102,52 1627,63 16533,18 19839,82 7 1,667 21,18 10,90 8,08 0,637 0,154 0,025 1434,26 1181,26 1739,65 18217,55 21861,06 8 1,683 21,37 10,99 8,16 0,637 0,154 0,025 1466,36 1207,70 1777,39 18798,91 22558,69 9 1,750 22,11 11,37 8,44 0,634 0,156 0,025 1599,69 1317,50 1933,57 21260,68 25512,82

3.2 Linie stałego momentu

Linie stałego momentu uzyskuje się w podobny sposób jak linie stałych obrotów. Wszystkie wartości obliczone są wg. wzorów podanych powyżej, ponadto:

n = √ QηR

K_QρD⁵ [obr/s]

Q1= 1368,15

J [] KQ [] n [1/s] va [m/s] v[m/s] vkn [kn] KT(J) [] T [KN] TN [kN] PD [kW]

0 0,047 1,06 0,00 0,00 0,00 0,375 1412,75 1163,54 9106,16 0,1 0,044 1,09 0,83 1,11 2,17 0,352 1394,86 1148,81 9343,76 0,2 0,042 1,12 1,71 2,30 4,47 0,324 1365,72 1124,81 9638,33 0,3 0,039 1,16 2,66 3,58 6,97 0,291 1326,04 1092,12 10012,66 0,4 0,035 1,22 3,72 5,01 9,74 0,255 1275,78 1050,73 10501,41 0,5 0,031 1,30 4,94 6,66 12,94 0,215 1213,62 999,54 11161,23 0,6 0,027 1,41 6,42 8,66 16,83 0,171 1135,55 935,24 12094,09 0,7 0,021 1,57 8,37 11,28 21,93 0,124 1030,78 848,95 13509,24 0,8 0,015 1,85 11,28 15,21 29,57 0,075 866,13 713,34 15933,74 0,9 0,009 2,48 16,99 22,90 44,52 0,024 486,49 400,67 21328,46

Q2= 1557,42

0 0,047 1,13 0,00 0,00 0,00 0,375 1608,20 1324,51 11059,79 0,1 0,044 1,16 0,88 1,19 2,31 0,352 1587,84 1307,74 11348,37 0,2 0,042 1,20 1,82 2,45 4,77 0,324 1554,67 1280,42 11706,13 0,3 0,039 1,24 2,84 3,82 7,43 0,291 1509,49 1243,21 12160,78 0,4 0,035 1,30 3,97 5,35 10,39 0,255 1452,28 1196,09 12754,38 0,5 0,031 1,39 5,27 7,10 13,81 0,215 1381,53 1137,82 13555,76 0,6 0,027 1,50 6,85 9,24 17,96 0,171 1292,66 1064,63 14688,76 0,7 0,021 1,68 8,93 12,04 23,40 0,124 1173,38 966,40 16407,52 0,8 0,015 1,98 12,04 16,23 31,54 0,075 985,96 812,03 19352,16 0,9 0,009 2,65 18,13 24,44 47,50 0,024 553,79 456,11 25904,26

(9)

Q3= 1746,70

0 0,047 1,20 0,00 0,00 0,00 0,375 1803,65 1485,49 13136,05 0,1 0,044 1,23 0,93 1,26 2,45 0,352 1780,81 1466,68 13478,81 0,2 0,042 1,27 1,93 2,60 5,05 0,324 1743,61 1436,04 13903,73 0,3 0,039 1,32 3,00 4,05 7,87 0,291 1692,94 1394,31 14443,73 0,4 0,035 1,38 4,20 5,66 11,01 0,255 1628,78 1341,46 15148,77 0,5 0,031 1,47 5,58 7,52 14,63 0,215 1549,43 1276,11 16100,60 0,6 0,027 1,59 7,26 9,78 19,02 0,171 1449,76 1194,02 17446,30 0,7 0,021 1,78 9,46 12,75 24,78 0,124 1315,99 1083,85 19487,71 0,8 0,015 2,09 12,75 17,19 33,41 0,075 1105,78 910,72 22985,16 0,9 0,009 2,80 19,20 25,88 50,31 0,024 621,10 511,54 30767,29

Qn= 1757,33

0 0,047 1,20 0,00 0,00 0,00 0,375 1814,62 1494,52 13256,11 0,1 0,044 1,23 0,94 1,26 2,46 0,352 1791,65 1475,60 13602,00 0,2 0,042 1,27 1,93 2,61 5,07 0,324 1754,22 1444,77 14030,80 0,3 0,039 1,32 3,01 4,06 7,90 0,291 1703,24 1402,79 14575,74 0,4 0,035 1,38 4,21 5,68 11,04 0,255 1638,68 1349,62 15287,22 0,5 0,031 1,47 5,60 7,55 14,67 0,215 1558,85 1283,87 16247,74 0,6 0,027 1,59 7,28 9,81 19,07 0,171 1458,58 1201,28 17605,74 0,7 0,021 1,78 9,49 12,79 24,86 0,124 1323,99 1090,44 19665,82 0,8 0,015 2,10 12,79 17,24 33,51 0,075 1112,51 916,26 23195,22 0,9 0,009 2,81 19,26 25,96 50,46 0,024 624,88 514,65 31048,48

(10)

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00

R [kN], TN [kN]

v [kn]

Wykres naporu efektywnego R(v), 1,2R(v), T

_N,Q=Qi

(v)

Q1 Q2 Q3 Qn R 1,2R

(11)

0,00 5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00 35000,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00

PD [kW]

v [kn]

Wykres mocy doprowadzonej dla R(v), 1,2R(v), P

_D,Q=Qi

(v)

Q1 Q2 Q3 Qn PD 1,2PD

(12)

3.2 Linie stałej mocy

Powtarzamy powyższy algorytm dla linii stałej mocy, obliczając inaczej obroty śruby:

n = ( PDηR

2πK_QρD⁵)

1 3

[obr/s]

Obliczone wartości zostały umieszczone poniżej:

PD1= 12751,20

0 0,047 1,19 0,00 0,00 0,00 0,375 1797,60 1480,50 12751,20 0,1 0,044 1,22 0,44 0,59 1,14 0,352 1744,62 1436,87 12751,20 0,2 0,042 1,24 2,01 2,70 5,25 0,324 1673,19 1378,04 12751,20 0,3 0,039 1,27 3,09 4,16 8,08 0,291 1583,82 1304,43 12751,20 0,4 0,035 1,31 4,25 5,72 11,13 0,255 1476,14 1215,75 12751,20 0,5 0,031 1,37 5,53 7,45 14,49 0,215 1348,32 1110,48 12751,20 0,6 0,027 1,44 7,00 9,43 18,34 0,171 1195,85 984,90 12751,20 0,7 0,021 1,55 8,79 11,85 23,03 0,124 1008,31 830,44 12751,20 0,8 0,015 1,74 11,22 15,12 29,39 0,075 758,96 625,08 12751,20 0,9 0,009 2,11 15,33 20,66 40,15 0,024 350,98 289,07 12751,20

PD2= 15800,40

0 0,047 1,28 0,00 0,00 0,00 0,375 2073,82 1707,99 15800,40 0,1 0,044 1,31 0,47 0,63 1,23 0,352 2012,70 1657,66 15800,40 0,2 0,042 1,33 2,15 2,90 5,64 0,324 1930,29 1589,79 15800,40 0,3 0,039 1,37 3,31 4,47 8,68 0,291 1827,19 1504,87 15800,40 0,4 0,035 1,41 4,56 6,15 11,95 0,255 1702,96 1402,56 15800,40 0,5 0,031 1,47 5,94 8,00 15,56 0,215 1555,50 1281,11 15800,40 0,6 0,027 1,55 7,52 10,13 19,70 0,171 1379,60 1136,24 15800,40 0,7 0,021 1,67 9,44 12,73 24,74 0,124 1163,25 958,05 15800,40 0,8 0,015 1,86 12,05 16,24 31,56 0,075 875,59 721,13 15800,40 0,9 0,009 2,26 16,46 22,19 43,13 0,024 404,91 333,49 15800,40

(13)

PD3= 18849,60

0 0,047 1,36 0,00 0,00 0,00 0,375 2332,70 1921,21 18849,60 0,1 0,044 1,38 0,50 0,67 1,30 0,352 2263,96 1864,59 18849,60 0,2 0,042 1,41 2,28 3,08 5,99 0,324 2171,26 1788,25 18849,60 0,3 0,039 1,45 3,52 4,74 9,21 0,291 2055,29 1692,74 18849,60 0,4 0,035 1,50 4,84 6,52 12,68 0,255 1915,55 1577,65 18849,60 0,5 0,031 1,56 6,30 8,49 16,50 0,215 1749,69 1441,04 18849,60 0,6 0,027 1,64 7,97 10,75 20,89 0,171 1551,83 1278,08 18849,60 0,7 0,021 1,77 10,01 13,50 26,24 0,124 1308,46 1077,65 18849,60 0,8 0,015 1,98 12,78 17,22 33,47 0,075 984,89 811,16 18849,60 0,9 0,009 2,40 17,46 23,53 45,74 0,024 455,46 375,12 18849,60

PDn= 18402,71

0 0,047 1,35 0,00 0,00 0,00 0,375 2295,69 1890,73 18402,71 0,1 0,044 1,37 0,49 0,67 1,29 0,352 2228,03 1835,01 18402,71 0,2 0,042 1,40 2,27 3,05 5,94 0,324 2136,81 1759,88 18402,71 0,3 0,039 1,44 3,49 4,70 9,14 0,291 2022,67 1665,87 18402,71 0,4 0,035 1,48 4,80 6,47 12,57 0,255 1885,15 1552,61 18402,71 0,5 0,031 1,55 6,25 8,42 16,37 0,215 1721,92 1418,17 18402,71 0,6 0,027 1,63 7,91 10,66 20,72 0,171 1527,20 1257,80 18402,71 0,7 0,021 1,76 9,93 13,39 26,03 0,124 1287,70 1060,55 18402,71 0,8 0,015 1,96 12,67 17,08 33,21 0,075 969,26 798,28 18402,71 0,9 0,009 2,38 17,32 23,34 45,38 0,024 448,23 369,17 18402,71

(14)

4. Charakterystyki śrubowe

Wykres charakterystyk śrubowych pokazuje zależność między mocą na sprzęgle wału a obrotami śruby dla warunków „uciągu na palu” v=0, oporu na wodzie spokojnej TN=R oraz warunków oporu statku z dodatkiem żeglugowym TN=1,2R.

Wartość mocy na sprzęgle wału obliczamy następująco:

𝑃_𝐵 = 𝑃_𝐷 𝜂_𝑠∙𝜂_𝐺

W tabeli poniżej zostały przedstawione wartości naniesione na wykres charakterystyk śrubowych:

n [obr/min] PDv=0 PBv=0

89 24392,66 24639,05 93 27831,59 28112,72 97 31579,44 31898,42 101 35649,49 36009,58 105 40055,03 40459,63

TN=R

n [obr/min] PD PB

89 12498,54 12624,79 93 14415,97 14561,59 97 16533,18 16700,18 101 18798,91 18988,80 105 21260,68 21475,43

TN=1,2R

n [obr/min] PD PB

89 13223,24 13356,80 93 15230,90 15384,75 97 17413,15 17589,04 101 19739,01 19938,39 105 22289,16 22514,30

(15)

0,00

5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00 35000,00 40000,00 45000,00

0 20 40 60 80 100 120

PB [kW]

n [obr/min]

Charakterystyki śrubowe

v=0 TN=R TN=1.2R