TCN - Curs Cursul ul nr.1 nr.1
SISTEME NAVALE DE PROPULSIE 1.
INTRODUCERE
Prin sistem, sau instalaţie de propulsie, se defineşte complexul format din maşinile principale şi auxiliare, care au rolul de a transforma energia conţinută în combustibil în energie: termică, mecanică, electrică şi hidraulică destinată pentru: 1. Deplasar Deplasarea ea navei navei în condiţii condiţii normale normale de de exp exploata loatare, re, cu viteza viteza prevăz prevăzută, ută, pe drumu drumull dorit; dorit; 2. Funcţion Funcţionarea area maşinilo maşinilorr şi a instalaţi instalaţiilor ilor ce ce deserv deservesc esc maşinile maşinile principale principale de propu propulsie; lsie; 3. Alimentar Alimentarea ea cu energie energie electric electrică ă a aparatu aparaturii rii de navigaţie navigaţie a insta instalaţiilo laţiilorr de semnaliz semnalizare are şi a aparatelor şi sistemelor de măsură, control şi comandă, a sistemului de propulsie şi a altor instalaţii; 4. Acţionare Acţionarea a mecanismel mecanismelor or de punte folosite folosite pentru pentru diverse diverse operaţiun operaţiunii în timpul exploată exploatării rii navei; 5. Funcţiona Funcţionarea rea instalaţii instalaţiilor lor care care asigură asigură condiţii-n condiţii-norma ormale le de viaţă viaţă pentru pentru călători călători şi şi echipajul echipajul navei; 6. funcţionarea diferitelor agregate şi instalaţii instalaţii care care îndeplinesc îndeplinesc sarcini deosebite Ia bordul bordul nanavei. 2.
CLASIF CLASIFICA ICAREA REA SISTEME SISTEMELOR LOR NAVALE NAVALE DE DE PROPUL PROPULSIE SIE
Pentru clasificarea sistemelor navale de propulsie se folosesc două criterii: 1. Tipul Tipul fluid fluidulu uluii care care evol evoluea uează ză în maşi maşinile nile princi principal pale e şi auxi auxilia liare re ale i nstalaţi ei de propulsie denumit mit flui luid motor; motor;
2. Tipul subs subsis iste temul mului ui de transmisi transmisie e a energ energiei, iei, de la la maşinil maşinile e princip principale, ale, la propu propulsor. lsor.
2.1. Clasificar Clasificarea ea sistemel sistemelor or navale navale de propulsie propulsie după după tipul tipul fluidului fluidului motor motor Fluidul motor , prin proprietăţile proprietăţile lui fizice şi chimice, chimice, determină determină atât tipul constructiv al maşinilor principale şi auxiliare ale sist sistem emul ului ui de de propulsie, propulsie, cât şi caracteristic caracteristicile ile tehnice tehnice şi economice economice de exploatare, exploatare, deci influenţează economicitatea navei. După natura fluidului motor, instalaţiil e navale de propulsie se împart în două grupe principale: 1. Sistem Sisteme e sau sau ins instala talaţii ţii de prop propuls ulsie ie cu cu gaze gaze (SPG) (SPG);; 2. Sistem Sisteme e de de propul propulsie sie cu vapori vapori (SPV). (SPV). Sistemele de propulsie din cele două grupe pot fi la rândul lor clasificate, după tipul maşinilor principale şi a felulu feluluii de energie utili zată: 1. Sistem Sistemee de propu propulsi lsie e cu motoa motoare re cu arde ardere re inter internă. nă. (SPM (SPMAG) AG);; 2. Cu turb turbin inee cu gaz gaze( e(SP SPTG TG); ); 3. Combinate Combinate,, cu motoar motoare e cu ardere ardere internă internă şi cu cu turbine turbine cu cu gaze gaze (SPMATG); (SPMATG); 4. Cu turbin turbine e cu gaze gaze care care utiliz utilizeaz ează ă energi energie e nuclea nucleară ră (SPTG (SPTGN); N); 5. Cu maşi maşini ni alt alter erna nativ tivee cu vapo vapori ri (SP (SPMAV MAV); ); 6. Cu turb turbin ine e cu cu vap vapor orii (SP (SPTV TV); ); 7. Combin Combinate ate,, cu maşin maşinii alterna alternativ tive e şi cu turb turbine ine cu cu vapori vapori (SPMAT (SPMATV); V); 8. Cu turbine turbine cu vapo vapori, ri, care care utiliz utilizeaz ează ă energ energie ie nucl nuclear eară ă (SPTVN (SPTVN). ). 9. Clasificar Clasificarea ea sistemel sistemelor or navale navale de propul propulsie sie după după tipul tipul fluidului fluidului motor motor Subsistemul de transmisie aplicat între maşinile principale şi propulsor, pentru pentru acelaşi fluid motor, depinde de tipul maşinilor de propulsie şi şi are influenţă asupra randamentului randamentului de transmisie a energiei. energiei. După acest criteriu, sistemele, navale de propulsie pot fi:
2.1.1. 2.1 .1.
Insta Instalaţ laţiile iile navale navale de propul propulsie sie cu trans transmis misie ie direct directăă
Instalaţiile Instalaţiile navale de propulsie cu tran ransmis smisie ie dir ect ă (fig.1) (fig .1) sunt compuse compuse din maşina maşina de de propuls propulsie, ie, care care
poate fi un motor diesel, sau o altă maşină termică, linia de arbori şi propulsorul.
Fig.1. Schema instalaţiei de propulsie cu transmisie directă si si EPF A.N.
1 din 10
TCN - Cursul nr.1
In acest caz, propulsorul fiind o elice cu pale fixe EPF, maşina principală trebuie să îndeplinească două condiţii: să fie reversibilă; turaţia arborelui maşinii de propulsie să fie egală cu turaţia propulsorului. La transmisia directă, energia recepţionată de propulsor reprezintă 97...98 % din energia dezvoltată de maşina de propulsie. Acest tip de transmisie fiind cel mai simplu a obţinut o mare răspândire, atât în sistemele de propulsie ale navelor maritime cât şi fluviale.
Fig.2. Schema instalaţiei de propulsie cu transmisie directă si EPR Transmisia directă poate fi aplicată şi în cazul maşinilor ireversibile, cu condiţia ca în locul EPF, să fie montat un propulsor, de tipul elice cu pas reglabil EPR (fig.2). La acest tip de propulsor, palele se pot roti în jurul axei lor longitudinale, fapt ce permite realizarea mersului „înainte" şi a ,mersului înapoi" a navei, fără inversarea sensului de rotaţie a arborelui maşinii de propulsie.
2.1.2.
Instalaţii de propulsie cu reductor
Prin introducerea reductorului de viteză s-a urmărit reducerea turaţiei arborelui port-elice, la o asemenea mărime, la care randamentul propulsorului să fie, pe cât posibil, maxim. In fig.3 este reprezentată transmisia prin reductor: a unei instalaţii de propulsie, cu maşină ireversibilă şi propulsor EPR . Aceste instalaţii pot fi realizate şi cu maşini reversibile şi EPF.
Fig.3. Instalaţii de propulsie cu reductor Prin introducerea reductoarelor s-au realizat şi sisteme noi ca structură şi componentă. Astfel au apărut sistemele de propulsie cu mai multe maşini cuplate, prin intermediul reductorului, cu un singur propulsor, de tipul EPR (fig.4),
Fig.4. şi sisteme de propulsie cu o singură maşină cuplată, prin intermediul reductorului, cu două propulsoare (fig.5). La această instalaţie maşina de propulsie este reversibilă, iar propulsoarele sunt de tipul EPF. Instalaţiile de propulsie cu. transmisie prin reductor sunt aplicate la gamă largă de nave maritime şi fluviale.
A.N.
2 din 10
TCN - Cursul nr.1
Fig.5.
2.1.3.
Instalaţiile de propulsie cu inversor-reductor
Instalaţiile de propulsie cu inversor-reductor se construiesc în mod practic numai cu motoare cu ardere internă cu piston, ireversibile, având turaţia situată în limitele 500...4.000 rot/min şi puteri până la maximum 1.000 kW. Majoritatea inversoarelor-reductoare folosite în instalaţiile navale, au cuplaje mecanice cu discuri de fricţiune, iar reductorul este realizat cu o singură treaptă de reducere.
Fig.6. In fig.6. este reprezentată o asemenea instalaţie de propulsie, cu motor ireversibil, inversor-reductor şi EPF. Instalaţiile de propulsie cu inversor reductor, mai pot fi realizate cu inversor-reductor în unghi (fig.7) sau cu transmisie în Z (fig.8).
Fig.7. Fig.8. Aceste instalaţii de propulsie sunt folosite la nave cum sunt remorcherele, unele nave tehnice, şalupe şi alte ambarcaţiuni sportive sau turistice. De remarcat faptul că, prin aplicarea transmisiei cu inversor-reductor la instalaţiile navale, s-au creat condiţii pentru folosirea în propulsia navelor, a motoarelor cu ardere internă cu piston, ireversibile, construite pentru locomotive, tractoare şi automobile.
2.1.4.
Instalaţii de propulsie cu transmisie electrică.
La aceste instalaţii, energia mecanică dezvoltată de maşinile termice, ireversibile, este transformată în energie electrică de generatoarele electrice, cuplate direct cu maşinile termice. Prin tabloul de comandă, energia electrică este di stribuită electromotoarelor reversibile, cuplate cu arborii port-elice (fig.9). In general, aceste sisteme sunt destinate numai pentru navele care funcţionează timp îndelungat la diferite regimuri de viteză (remorchere. traulere. spărgătoare de gheaţă sau alte nave).
Fig.9. A.N.
3 din 10
TCN - Cursul nr.1
3.
PROIECTAREA INSTALAŢIEI DE PROPULSIE
3.1. Cerinţe generale ale ANR cu privire la instalaţiile de propulsie de la bordul navelor Regulile specificate în „Reguli pentru clasificarea şi construcţia navelor maritime”, Registrul Naval Român, Ediţia 1995, Partea A-VII „Instalaţii de maşini” RNR se aplică instalaţiilor de maşini navale, echipamentului din compartimentul maşini, liniilor de arbori, propulsoarelor şi pieselor de schimb. Cerinţele RNR sunt enunţate în ipoteza că temperatura de aprindere a combustibilului utilizat la navele cu zonă nelimitată de navigaţie este de cel puţin 600C.
3.1.1.
Cerinţe privind maşinile principale de propulsie.
În scopul asigurării unei manevrabilităţi suficiente a navei în toate condiţiile normale de exploatare, maşinile principale de propulsie trebuie să asigure posibilitatea marşului înapoi. Instalaţia principală de propulsie trebuie să poată menţine, în marş liber înapoi, cel puţin 70% din turaţia de calcul la marş înainte pentru un interval de cel puţin 30 minute. La instalaţiile principale de propulsie cu transmisii reversibile, marşul înapoi nu trebuie să ducă la supraîncărcarea maşinilor principale. Trebuie să se prevadă mijloacele de punere în funcţiune , fără aport din exterior, a instalaţiei de maşini din starea de navă lipsită de energie. Instalaţiile de maşini cu un singur motor principal cu ardere internă, în cazul ieşirii din funcţiune a uneia dintre turbosuflantele de supraalimentare , trebuie să asigure deplasarea navei cu o viteză suficientă pentru a permite manevrarea acesteia.
3.1.2.
Condiţii de mediu pentru funcţionare
Maşinile principale şi auxiliare, precum şi instalaţiile şi sistemele care asigură deplasarea ţi siguranţa navei trebuie să-şi menţină capacitatea de funcţionare în următoarele condiţii:
3.1.2.1. Înclinări:
bandă permanentă în orice bord până la 15 0; asieta de durată 5 0; ruliu ± 22,50 cu o perioadă de 7 - 9 secunde; tangaj ± 7,5 0; precum şi în cazul simultaneităţii ruliului şi tangajului; sursele de energie electrică pentru situaţii de avarie, în plus trebuie să funcţioneze eficient la bandă de durată de până la 22,5 0 concomitent cu o asietă de 10 0; pe navele petroliere, transportoare de gaze şi produse chimice, sursele de energie electrică pentru situaţii de avarie trebuie să-şi păstreze funcţionabilitatea la înclinări ale navei de până la 30 0.
3.1.2.2. Temperaturi:
aer la presiunea de 100 kPa (750 mm Hg) şi umiditatea relativă de 60%; apă: mediu de răcire apă de mare + 32 0C, mediu de răcire la intrarea în răcitorul de aer de supraalimentare + 320C.
3.1.2.3. Vibraţii:
nu este permis ca maşinile să producă vibraţii sau şocuri astfel încât alte maşini sau corpul navei să fie supuse unor acceleraţii şi amplitudini care să de păşească valorile următoare: - domeniul de frecvenţă 2 până la 13,2 Hz: amplitudinea ± 1 mm; - domeniul de frecvenţă 13,2 până la 100 Hz: acceleraţia ± 0,7g pentru mase mai mici sau egale cu 100 kg şi respectiv acceleraţia de ±70g/M pentru mase M >100 kg; - se ia în considerare o acceleraţie de cel puţin ±0,35g. în domeniile de frecvenţă menţionate nu trebuie să apară frecvenţe de excitaţie care să reproducă vibraţii de rezonanţă ale elementelor de construcţie, suporţilor, fixărilor; acolo unde prin mijloace constructive nu este posibil ca frecvenţele proprii să fie scoase în afara domeniilor menţionate, trebuie ca vibraţiile şi şocurile să fie amortizate satisfăcător pentru a nu se depăşi amplitudinile şi acceleraţiile precizate anterior.
3.1.2.4. Zgomot:
A.N.
nivelul de zgomot din compartimentele de lucru trebuie să corespundă Rezoluţiei IMO A.468(XII) „Codul nivelului de zgomot la bordul navelor”; nivelul de zgomot din compartimentul de maşini nu trebuie să depăşească limita nivelului de zgomot de 90 dB.
4 din 10
TCN - Cursul nr.1
3.1.3.
Amplasarea maşinilor, căldărilor, echipamentelor, tubulaturilor şi armăturilor, trebuie să asigure un acces liber spre ele pentru deservire şi reparaţii în caz de avarie. Maşinile cu axa arborelui principal orizontală trebuie montate paralel cu planul diametral al navei. Montarea acestor maşini într-un alt plan este permisă cu condiţia ca construcţia lor să fie adaptată la funcţionarea în condiţiile stipulate pentru condiţiile de mediu. Maşinile şi echipamentele ce fac parte din completul instalaţiilor de maşini trebuie să fie montate şi fixate pe postamente rezistente şi rigide. Maşinile principale, transmisiile lor, lagărele de împingere ale liniilor de arbori trebuie fi xate în întregime sau parţial pe postamente cu buloane calibrate; în locul unor astfel de buloane se pot folosi limitatori speciali. Buloanele care fixează pe postamentele navei maşinile principale şi auxiliare, lagărele liniei de arbori, precum şi buloanele care îmbină diversele părţi ale liniei de arbori trebuie să fie asigurate pentru prevenirea autodeşurubării.
3.1.4.
Cerinţe privind amplasarea şi montarea maşinilor şi a echipamentelor
Cerinţe privind piesele de rezervă
Fiecare navă trebuie să fie dotată cu materiale, scule şi aparate de măsură şi control, necesare pentru deservirea şi repararea cu mijloacele bordului a maşinilor, mecanismelor şi tubulaturilor. Numărul sau cantitatea de materiale, scule şi aparate de măsură şi control se stabilesc de către armator în funcţie de dimensiunea navei şi de zona de navigaţie. Piesele de rezervă trebu9ie amplasate şi bine fixate în locuri uşor accesibile, marcate şi protejate contra coroziunii. Numărul pieselor de rezervă pentru motoarele cu combustie internă, reductoare şi cuplaje, linii de arbori şi propulsoare, instalaţii de maşini, se stabileşte conform normelor RNR, în funcţie de zona de navigaţie a navei.
3.2. Alegerea maşinilor principale de propulsie 3.2.1. Condiţii tehnice şi economice impuse unui sistem de propulsie 3.2.1.1. Siguranţa mare în funcţionare Într-un anumit moment, în funcţie de condiţiile reale de navigaţie, nava poate fi surprinsă în împrejurări foarte grele, pe mare agitată, departe de orice port, supusă unor oscilaţii mari de ruliu şi tangaj. Dacă în asemenea condiţii grele de navigaţie, sistemul de propulsie va fi scos din funcţiune, ca urmare a unei defecţiuni, atunci nava care nu va mai putea fi guvernată poate ajunge în situaţia de a se răsturna şi scufunda. Astfel este imperios necesar ca instalaţia de propulsie să funcţioneze în mod sigur, pentru ca nava când trece prin astfel de condiţii să nu se pericliteze viaţa personalului de la bord precum şi încărcătura sa. Numeroasele evenimente marine înregistrate în istoricul navigaţiei, justifică pe deplin importanţa de prim ordin ce trebuie atribuită siguranţei în funcţionare a sistemului de propulsie.
3.2.1.2. Accesibilitatea pentru controlul în timpul funcţionării şi pentru asigurarea între- ţinerii Pentru evitarea unor defecţiuni care pot apare în timpul funcţionării, sistemul de propulsie trebuie astfel proiectat şi construit încât să existe posibilitatea de a f se executa controlul funcţionării sale, atât prin observaţie directă cât şi prin prevederea şi montarea unor sisteme de semnalizare-avertizare a posibilităţilor de apariţie şi producere a avariilor. De asemenea trebuie să existe spaţiile necesare executării în bune condiţii şi în deplină siguranţă a operaţiunilor de întreţinere periodică.
3.2.1.3. Îndeplinirea parametrilor de proiectare Pentru navele comerciale, parametrii principali de proiectare sunt încărcătura utilă şi viteza. În timpul exploatării, nava trebuie să realizeze parametrii pentru care a fost proiectată şi construită, pentru a se îndeplini condiţiile de competitivitate atât din punct de vedere tehnic cât şi economic.
3.2.1.4. Economicitatea maximă În timpul exploatării navei, sistemul de propulsie al acesteia trebuie să funcţioneze în deplină siguranţă, cu cheltuieli cât mai reduse, astfel încât costul specific al transportului să fie cât mai mic. Pentru navele comerciale, costul specific, exprimat în lei / tonă x milă marină, reprezintă indicele prin care se poate aprecia şi compara economicitatea unei nave faţă de o altă navă de acelaşi tip. Factorii care influenţează costul specific al transportului sunt următorii: consumul specific de combustibil al maşinilor sistemului de propulsie;
A.N.
5 din 10
TCN - Cursul nr.1
consumul de combustibil al maşinilor auxiliare; consumul specific de lubrifiant al maşinilor principale şi auxiliare ale sistemului de propulsie; costul specific al combustibilului utilizat pentru alimentarea maşinilor principale şi auxiliare; costul specific al lubrifiantului utilizat pentru ungerea maşinilor principale şi auxiliare; costul instalaţiei de propulsie; numărul şi nivelul de retribuire a persoanelor necesare pentru deservirea instalaţiei de propulsie. În afara factorilor enumeraţi mai sus, pot interveni şi alţi factori asupra economicităţii sistemului de propulsie, dar cu o influenţă directă mult mai redusă. În final, alegerea tipului sistemului de propulsie al unei nave, trebuie să fie rezultatul unei analize tehnico-economice în care să se ia în considerare toţi factorii de care poate depinde siguranţa în navigaţie şi economicitatea navei.
3.2.2.
Tipuri de maşini navale
O etapă esenţială din cadrul procesului de proiectare a unei nave este selecţia maşinii principale de propulsie. Proiectantul trebuie să aleagă dintr-un spectru larg de opţiuni, mergând de la motoare diesel mici de turaţie ridicată, turbine cu abur mari, şi până la instalaţii complexe de propulsie combinate precum COGAS (Combination Gas Turbine and Steam Turbine). Maşinile principale de propulsie utilizate pentru propulsia navelor funcţionează pe baza unuia dintre următoarele patru tipuri de cicluri termodinamice: 1. Ciclul Brayton: turbinele cu gaze; 2. Ciclul Otto: motoare termice alternative cu combustie externă; 3. Ciclul Diesel: motoare termice diesel cu combustie internă, cu turaţie redusă ≤ 200 rpm, cu turaţie medie 200....750 rpm, cu turaţie ridicată ≥ 750 rpm; 4. Ciclul Rankine: turbine cu abur. Criteriile principale în selecţia tipului maşinii principale de propulsie sunt cerinţele de putere necesară, condiţiile preconizate pentru exploatarea navei, consumul specific de combustibil şi greutatea specifică. Alţi factori importanţi care sunt adesea utilizaţi în selectarea maşinii principale de propulsie sunt: costul de achiziţie şi costul pe ciclul de viaţă, cerinţele de întreţinere şi reparaţii, consumul normat de ulei de ungere, raportul dintre puterea maximă şi puterea maximă continuă. Cerinţele de putere sunt cea mai importantă constrângere, şi selecţia tipului maşinii se realizează în funcţie de domeniul de puteri care poate fi asigurat de fiecare dintre ele: turbine cu abur: 8.000 ...peste 100.000 CP; turbine cu gaze: 500...45.000 CP; motoare diesel: 15...45.000 CP, motoare Otto: 10...500 CP.
3.2.2.1. Turbinele cu abur Turbinele cu abur furnizează un moment de torsiune uniform, sunt adecvate pentru instalaţiile de propulsie de puteri mari şi foarte mari, şi pot utiliza abur de presiune foarte ridicată, necesar a fi produs în cazane de abur, pe care îl evacuează la presiuni foarte scăzute. Randamentul termic este în consecinţă rezonabil de ridicat, iar consumul de combustibil pentru instalaţiile de propulsie cu turbine cu abur de puteri mari este relativ redus, de aproximativ 0,3 kg combustibil lichid per kWh. Turbinele cu abur sunt în mod uzual proiectate pentru a funcţiona cu randamentul optim la aproximativ 90% din puterea nominală. Pe de altă parte, turbinele cu abur sunt nereversibile, şi turaţiile lor de funcţionare, adoptate pentru a asigura cel mai bun randament, sunt cu mult mai ridicate decât turaţiile de funcţionare a tipurilor de propulsoare utilizate în mod uzual. Aceasta face necesar să se instaleze reductoare-inversoare între turbinele cu abur şi liniile axiale, pentru a reduce turaţia arborelui la cea mai potrivită valoare pentru propulsor şi de a realiza schimbarea sensului de rotaţie al acestuia. Necesitatea prezenţei sistemelor de reducere a turaţiei şi de inversare a sensului de rotaţie face ca avantajele prezentate de utilizarea turbinelor cu abur să fie diminuate prin valorile ridicate ale costurilor de achiziţie a instalaţiei de propulsie, prin pierderile de putere relativ mari prin sistemul de transmisie şi prin perioada de timp relativ mare necesară pentru punerea instalaţiei de propulsie în funcţiune.
3.2.2.2. Motoarele diesel Motoarele diesel sunt fabricate în o mare diversitate de modele şi de mărimi, de la acelea destinate echipării ambarcaţiunilor de dimensiuni mici şi până la acelea destinate echipării supertancurilor petroliere. Mo-
A.N.
6 din 10
TCN - Cursul nr.1
toarele diesel pot fi construite să fie reversibile, ocupă un spaţiu relativ redus şi au un consum de combustibil foarte mic, în medie aproximativ 0,2 kg combustibil per kWh. Instalaţiile de propulsie cu motoare diesel sunt proiectate astfel încât motorul termic să funcţioneze la aproximativ 85% din puterea sa nominală. Funcţionarea motorului termic la acest nivel de putere asigură menţinerea costurilor de întreţinere a motorului la un nivel rezonabil. Motoarele diesel cu turaţie redusă pot fi cuplate direct cu linia axială, fără a fi necesare sisteme de reducere a turaţiei. Instalaţiile de propulsie cu motoare diesel prezintă dezavantajul că motoarele diesel sunt în mod obişnuit mai grele şi mai scumpe decât turbinele cu abur de putere corespunzătoare. De asemenea, momentul de torsiune produs de un motor diesel este limitat de către presiunea maximă care poate fi dezvoltată în fiecare cilindru. Prin urmare, motorul poate produce momentul de torsiune maxim numai la puterea maximă, deci la turaţia maximă de funcţionare. Aceasta poate conduce la probleme de nechilibrare între motorul diesel şi propulsor.
3.2.2.3. Turbinele cu gaze Turbinele cu gaze au fost iniţial dezvoltate pentru utilizare în domeniul aeronautic. Aceste turbine prezintă avantajul că nu sunt necesare echipamente suplimentare, sunt uşoare din punct de vedere al greutăţii, asigură puteri relativ mari cu cerinţe reduse de spaţiu, asigură o acţionare lină şi uniformă a propulsorului, şi se pun în funcţiune în o perioadă de timp redusă, (aproximativ 15 minute). Instalaţiile de propulsie cu turbine cu gaze, întocmai ca cele cu motoarele diesel, sunt proiectate să funcţioneze la aproximativ 85% din puterea nominală a turbinelor. Turbinele cu gaze prezintă dezavantajul că sunt scumpe, funcţionează la turaţii ridicate comparativ cu cele recomandate pentru propulsor, fiind necesare sisteme de reducere a turaţiei şi de schimbare a sensului de rotaţie, şi sunt foarte sensibile la calitatea combustibilului.
3.2.3.
Analiza comparativă între tipurile de maşini navale
La alegerea unei maşini navale, pentru o anumită instalaţie de propulsie este necesar a fi cunoscute caracteristicile principale, constructive şi funcţionale, ale acestor maşini termice. Caracteristicile principalelor tipuri de maşini navale utilizate în prezent pentru propulsia navelor comerciale sunt prezentate Tabelul 1. Tabelul nr. 1. Nr. crt. 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Criteriul de comparaţie
UM
1
Consumul specific de combustibil Tipul combustibilului utilizat Masa pe unitatea de putere Puterea maximă dezvoltată de un agregat Costul relativ comparativ Timpul necesar pentru schimbarea sensului de marş Timpul necesar pentru punerea în funcţiune Puterea pentru marş înapoi din puterea nominală Suprasarcina maximă posibilă Randamentul efectiv Durata de funcţionare în regim de suprasarcină Durata de funcţionare între două revizii generale
Motorul Diesel
2
Turbina cu abur 3
4
Turbina cu gaze 5
kg/kWh kg/kW kW
0,300-0,530 Păcură/cărbune 14-15 100.000
0,155-0,180 Motorină/păcură 10-38 45.000
0,320-0,600 kerosen 5-10 45.000
sec.
1,0 20-25
1,25 20-25
0,98 20-25
min.
20-180
20-60
20-60
%
35-40
80-95
35-40
% % ore
120 28-34 4-5
110 35-42 1-2
115 24-32 1-2
ore
60.000
30.000
40.000
Trebuie remarcat faptul că în cazul navelor comerciale cel mai important factor este economicitatea, a cărei importanţă derivă din faptul că în costul cheltuielilor de exploatare, costul combustibilului are ponderea cea mai mare. Astfel că, la alegerea tipului maşinii de propulsie pentru o navă comercială este necesar a fi considerate ca având prioritate criteriile nr.1, nr.2 şi nr.10. Referitor la criteriul nr.10, mărimile randamentului termic efectiv sunt raportate la întregul ansamblu termic, format din toate elementele constitutive ale sistemului de propulsie, în care se produc transformări energeti-
A.N.
7 din 10
TCN - Cursul nr.1
ce. În fig.10 sunt prezentate mărimile randamentului efectiv pentru principalele tipuri de maşini utilizate în prezent pentru propulsia navelor.
Fig.10. Randamentul efectiv al transformării energiei în principalele tipuri şi instalaţii de propulsie navale.
3.2.4.
Reductoare-inversoare. Generalităţi
Utilizarea din ce în ce mai mult a instalaţiilor de propulsie navale acţionate de motoare termice cu turaţie medie a condus la dezvoltarea proiectării şi fabricaţiei reductoarelor şi a reductoarelor – inversoare pentru aceste tipuri de unităţi de propulsie. Puterile nominale de 10.000 BHP ale motoarelor termice ce funcţionează la turaţii de aproximativ 400 rpm nu mai sunt un fapt ieşit din comun şi în prezent sunt disponibile pe piaţă motoare termice cu turaţii medii capabile să livreze o putere nominală de până la 18.000 BHP, astfel că producătorii de reductoare navale sunt puşi în faţa unor noi probleme de proiectare privind transmisia acestor puteri ridi cate. Reductoarele navale pot fi clasificate pe baza domeniului de putere transmis şi pe baza asigurării schimbării sensului de rotaţie, astfel: reductoare navale propriu zise: asigură transmiterea puterii unui motor termic şi reducerea turaţiei; reductoare - inversoare navale: asigură transmiterea puterii unui motor termic, reducerea turaţiei şi schimbarea sensului de rotaţie la flanşa de ieşire; reductoare navale cu flanşe duble sau multiple de antrenare: asigură transmiterea puterii de la două sau mai multe motoare termice pe o singură linie de arbori şi reducerea turaţiei.
A.N.
8 din 10
TCN - Cursul nr.1
3.2.5.
Tipuri de reductoare–inversoare
Reductoarele-inversoare în general, din punct de vedere al schemei utilizate pentru transmiterea fluxului de putere, se produc în una dintre formele de bază prezentate în fig.11, reductoare-inversoare cu două trepte de reducere (cazul a şi b), cu o treaptă de reducere, (cazul c, d, e şi e), şi cu angrenaje planetare, (cazul f şi g).
Fig.11. Reductoare–inversoare: schema de transmitere a fluxului de putere. a – reductor-inversor cu două trepte de reducere a turaţiei şi pinioane de transmitere în lanţ; b – reductor–inversor cu două trepte de reducere şi pinion de inversare a sensului de rotaţie; c – reductor–inversor cu o singură treaptă de reducere şi cuplaje cu caneluri; d – reductor–inversor cu discuri; e – reductor–inversor cu cuplaj exterior cu discuri; f – reductor-inversor planetar cu roţi dinţate conice; g – reductor–inversor cu roţi dinţate cilindrice.
Reductoarele-inversoare cu două trepte de reducere au în general o lungime maximă relativ mare iar capacitatea lor de transmitere a puterii nu este aceeaşi pentru ambele sensuri de rotaţie, motive pentru care nu sunt utilizate decât pentru transmiterea puterilor relativ mici. Reductoarele-inversoare cu o singură treaptă de reducere a turaţiei se construiesc pentru transmiterea puterilor mari, puterea fiind transmisă prin un cuplaj către un arbore intermediar de la unul din cele două pinioane de antrenare. Prin asigurarea asigurării transmiterii puterii de la unul din cele două pinioane de antrenare se asigură schimbarea sensului de rotaţie al arborelui condus. La acest tip de reductor-inversor cele două lanţuri de transmitere a puterii sunt proiectate pentru aceeaşi capacitate de transmitere, ceea ce înseamnă că fluxul de putere poate fi asigurat la aceeaşi valoare indiferent sensul de rotaţie al propulsorului şi de sensul de rotaţie al motorului termic. Reductoarele-inversoare planetare, datorită complexităţii proiectului şi întrucât roţile dinţate conice funcţionează la viteze periferice ridicate, sunt fabricate în mod curent numai pentru domeniul puterilor relativ mici. În cazul reductoarelor-inversoare navale, cele mai mici dimensiuni ale acestora se obţin prin utilizarea roţilor dinţate cilindrice. Astfel, reductoarele-inversoare cu roţi dinţate cilindrice şi cuplaje integrate cu discuri multiple au devenit aplicaţia standard din acest domeniu. A.N.
9 din 10
TCN - Cursul nr.1
Când două motoare termice nereversibile sunt utilizate pentru a acţiona un singur propulsor, se foloseşte un reductor-inversor dublu în cazul în care propulsorul este o elice cu pale fixe. Aceste reductoare-inversoare duble sunt similare ca proiect cu reductoarele-inversoare simple, cu diferenţa că ele au două perechi de pinioane conducătoare care angrenează cu roata dinţată principală. Realizarea raportului de transmitere între motorul termic de turaţie medie şi propulsor poate fi asigurată uşor prin utilizarea unei singure trepte de reducere, în afară de cazul în care amenajarea generală din compartimentul de maşini nu impune utilizarea reductoarelor-inversoare cu axe coaxiale. Întrucât distanţa dintre axele arborelui de intrare şi cel de ieşire are influenţă asupra postamentelor navei, este de dorit ca aceasta să fie cât mai redusă. Totuşi, cea mai mică distanţă posibilă între axele arborilor reductorului-inversor nu este de o importanţă deosebită, întrucât pe navă trebuie să se asigure o distanţă minimă i mpusă între fundul navei şi carterul motorului de propulsie.
3.2.6.
Utilizarea cuplajelor elastice pentru protecţia împotriva vibraţiilor torsionale
Scopul utilizării cuplajelor elastice între motoarele diesel şi reductoare este acela de a proteja instalaţia de propulsie faţă de forţele de excitaţie ce sunt produse de către motorul termic şi de a creşte elasticitatea torsională a instalaţiei de propulsie până la o valoare la care cea mai mică frecvenţă naturală de ordinul unu este menţinută sub frecvenţa de funcţionare, şi în acelaşi timp de a asigura ca vibraţiile torsionale să fie amortizate. Aceste condiţii pot fi îndeplinite prin utilizarea cuplajelor cu alunecare, de tip hidrodinamic, hidrostatic sau electromagnetic, dar care sunt relativ scumpe şi prezintă pierderi de putere în timpul funcţionării. În prezent cuplajele cu elemente elastice au devenit consacrate în acţionările din domeniul marin. Cupla jele de acest tip sunt ieftine şi în timpul funcţionării asigură transmiterea integrală a puterii, fără pierderi. Suplimentar, datorită elasticităţii lor transversale faţă de axă, nu necesită alinierea precisă a axelor, acesta fiind un avantaj în cazul utilizării amortizoarelor elastice pentru fixarea motorului termic. Materialul din care sunt executate elementele elastice ce asigură transmiterea fluxului de putere este cauciucul, cu sau fără inserţii.
Fig.12. Construcţia cuplajului elastic tip VULKAN EZR 3022, seria 1300, grupa 3002.
Tabelul nr.2 - Caracteristicile cuplajului elastic tip VULKAN EZR 3022, seria 1300. Diametre, [mm]
Lungimi, [mm]
B2
B2max
A1
A2
D1
S1
T1
Z1
F2
H1
K2
L1
N2
R1
V2
245
380
1386
1194
1315
38
24
1244
4
40
61
1002
475
10
75
A.N.
10 din 10
