KONCEPCJA SIŁOWNI OKRĘTU WSPARCIA

Transkrypt

1 Rzemykowska Maria 1, Wontka Leszek 2 Wstęp KONCEPCJA SIŁOWNI OKRĘTU WSPARCIA Dynamicznie zmieniający się zakres zadań stawianych przed siłami Marynarki Wojennej RP na współczesnym teatrze działań morskich, takich jak problem zagrożeń niesymetrycznych oraz współpraca w ramach zintegrowanych zadań sojuszniczych, wymusza operowanie jednostkami pływającymi na znacznych odległościach od portów z zachowaniem wielotygodniowej autonomiczności. Celem zapewnienia wsparcia logistycznego wyżej wspomnianych jednostek, kluczowe staje się pozyskanie wielozadaniowej jednostki pomocniczej, będącej w stanie szybko, sprawnie i skutecznie dostarczyć niezbędne zaopatrzenie z portu do jednostki bojowej operującej na odległym akwenie lub przetransportować wojska lądowe w daleko położone rejony ich działań. Analizując powyższe potrzeby konieczne jest wprowadzenie do służby okrętu wsparcia, charakteryzującego się wypornością rzędu ton i prędkości operacyjnej 25 węzłów[5]. Mając na uwadze przedstawione założenia istotne staje się optymalne zaprojektowanie układu napędowego oraz elektroenergetycznego dla jednostki pomocniczej tego typu. Analiza jednostek podobnych Okręt wsparcia, to okręt, należy do rodzaju okrętów, które są jednostkami transportowymi łączącymi w sobie również cechy śmigłowcowców i okrętów dowodzenia. Jego głównym przeznaczeniem powinien być bezpieczny transport sił wojskowych Szczegółowe przeznaczenie okrętu wsparcia to: 1 inż. M. Rzemykowska, studentka, Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni, Wydział Mechaniczno-Elektryczny 2 mgr inż. L. Wontka,st. wykładowca, Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni, Wydział Mechaniczno-Elektryczny 1. Przewóz wojska wraz z niezbędną żywnością i techniką wojskową w relacji port port, port morze; 2. Transport ładunku w kontenerach zamocowanych w ładowni i na pokładzie; 3. Zaopatrywanie okrętów Polskiej Marynarki Wojennej w żywność, wodę słodką, paliwo, amunicję i uzbrojenie; 4. Remonty i obsługa serwisowa okrętów wojennych i ich wyposażenia; 5. Kontrola jednostek pływających dozór i obserwacja wyznaczonego akwenu; 6. Możliwość powstania szpitala o pow. ok. 500 m2; 7. Przekazywanie ładunków ciężkich; 8. Przewóz pojazdów mechanicznych; 9. Dysponowanie lądowiskiem z pełnym wyposażeniem; 10. Inne funkcje specjalistyczne zgodnie z potrzebami w oparciu o wyposażenie specjalistyczne przewożone w kontenerach zamocowanych na pokładzie[5]. Pomocnicza jednostka pływająca spełniająca powyższe funkcje w marynarkach wojennych innych państw i figuruje w istniejącej nomenklaturze jako Amphibious Assault Ship lub Joint Logistic Support Ship. Okręty te są projektami zrealizowanymi i stanowią bazę do stworzenia uniwersalnej, a jednocześnie wyspecjalizowanej jednostki pływającej, będącej w stanie sprostać wymaganiom stawianym przez Marynarkę Wojenną RP. Przy projektowaniu siłowni okrętowej niezbędne jest sporządzenie wykazu jednostek podobnych, która zawiera dane zbudowanych w ostatnich latach okrętów o podobnych do projektowanego zastosowaniach. W oparciu o wykaz oraz przeprowadzone obliczenia mocy napędu głównego dokonuje się m.in. doboru silników głównych. Logistyka 6/

2 Tabela 1. Wykaz jednostek podobnych Nazwa Wyporno ść (t) Prędkość (w) Wymiary dł/szer (m) Moc (MW) 1 San Antonio /32 29,84 2 Wasp ,2/31,8 52,2 3 Bay ,6/26,4 11,2 4 Fort Victoria ,9/30,4 17,57 5 Rotterda m ,2/ Karel Dorman ,7/30,4 22,8 7 Mistral / Absalon /19,5 16,63 Źródło: Marynarka Wojenna RP będąc członkiem NATO ma swoje zobowiązania, m.in. takie jak udział w misjach zagranicznych. Do takich zadań, Marynarka Wojenna potrzebuje rozwiązań umożliwiających strategiczny przerzut sił ekspedycyjnych. Obecnie siły naszej marynarki nie są wyspecjalizowane do takiego rodzaju transportu, dlatego poszukiwane są różne rozwiązania sprostania takiej potrzebie. Zostały więc opracowane projekty uniwersalnego transportowca logistycznego (UTL) oraz wielozadaniowego okrętu wsparcia operacji sił zbrojnych (WOWOSZ)[2]. Projekty te jednak nie spełniają najważniejszych wymagań stawianych współczesnym okrętom desantowym nie mają możliwości wysadzania desantu na nieuzbrojony brzeg. Rozważany był również projekt pozyskania dla Marynarki Wojennej RP wielozadaniowego okrętu-doku z ciągłym pokładem lotniczym, wyposażonego w nowoczesne systemy nawigacyjne, dowodzenia, łączności i obserwacji technicznej oraz systemy obrony przeciwlotniczej i przeciwrakietowej. ORP Książę Józef Poniatowski (tak miał się nazywać okręt) pełniłby funkcję bazy wojsk amfibijnych i specjalnych, nosiciela śmigłowców morskich lub samolotów lotnictwa morskiego. Mógłby również wypełniać zadania ciężkiego okrętu logistycznego, ciężkiej jednostki ratowniczej oraz okrętu szpitalnego. Jednostką, która wypełniałaby te wszystkie wymagania, mógłby być okręt klasy MISTRAL [3]. Okręty klasy Mistral Okręty klasy Mistral (rys.1) mogą transportować 450 żołnierzy desantu oraz do 70 wozów bojowych. W wewnętrznym hangarze o powierzchni 1600 m² mieści się 16 śmigłowców, a liczący 5000 m² pokład pozwala na jednoczesny start lub lądowanie sześciu z nich. W doku okręty mogą przenosić cztery barki desantowe, cztery łodzie desantowe lub dwa poduszkowce transportowe. Każdy z okrętów posiada także szpital polowy z 69 łóżkami. Rys. 1. Okręt klasy MISTRAL [13] Źródło: Okręty typu San Antonio Okręty typu San Antonio (rys.2) mogą transportować 720 żołnierzy, transport na brzeg odbywa się dwoma poduszkowcami lub barkami. Możliwy jest również za pomocą czternastu 26 tonowych transporterów amfibii. Posiada on również pokład lotniczy z którego mogą operować 4 śmigłowce. Są to jednostki jednak bardzo kosztowne[13]. Rys.2. Okręt typu San Antonio Źródło: Okręt Karel Doorman Okręt Karel Doorman (rys.3) może pomieścić 175 członków załogi i 125 innych niż wymienione osoby, takie jak załogi helikopterów i zespoły medyczne. Dla wsparcia działań jest tam w pełni wyposażony szpital. Ma pokład o powierzchni 2000 m2 do transportu materiałów, lądowania helikopterów oraz dwa miejsca ich obsługi i hangar o pojemności do 6 helikopterów. Okręt posiada sprzęt do załadunku i rozładunku materiałów i towarów w portach, blisko linii brzegowej lub na otwartym morzu. Okręt został wyposażony w środki mające na celu ochronę przed pociskami balistycznymi, bardzo odporną konstrukcje, odporne na wstrząsy instalacje i rozległe systemy przeciwpożarowe[13] Logistyka 6/2014

3 Dobór silników napędu głównego oraz przekładni Rys.3. Okręt Karel Doorman[13. Źródło: Koncepcja siłowni okrętu wsparcia Obliczenie mocy napędu głównego Do obliczenia mocy zapotrzebowanej do napędu okrętu wykorzystano dwie metody. Pierwsza z nich wykorzystuje metodę Admiralicji. Polega ona na określeniu współczynnika dla mocy użytecznej, na podstawie wykazu jednostek podobnych. (1) gdzie: c e -współczynnik Admiralicji dla mocy efektywnej [-], D zadana wyporność [t], v zadana prędkość [w]. Średnia wartość współczynnika c e na podstawie listy jednostek podobnych wynosi c e =2668,467. Na podstawie wzoru (3.1) obliczono moc użyteczną N e, zatem: Moc użyteczna [MW] Moc użyteczną silnika N e zapotrzebowaną do napędu okrętu można również wyznaczyć z następującej zależności, nazywanej metodą najmniejszych kwadratów : gdzie: α N -oszacowany współczynnik regresji [-]. Średnia wartość współczynnika regresji wynikająca z listy jednostek podobnych wynosi: Moc napędu obliczona ze wzoru (3.2) po podstawieniu obliczonego współczynnika regresji, wyporności D = t oraz prędkości pływania v = 25 w wynosi: [MW] Wykorzystanie obydwóch metod obliczeniowych dało bardzo zbliżone rezultaty: - N e =35,6 [MW] metodą Admiralicji, - N e =35,8 [MW] metodą najmniejszych kwadratów. Przyjęto moc eksploatacyjną silnika napędu głównego N e = 36 [MW]. (2) Zdecydowano się na zastosowanie układu napędowego z czterema silnikami tłokowym, dwoma przekładniami redukcyjnymi, dwoma śrubami napędowymi o skoku zmiennym oraz sterem strumieniowym. Spośród silników przedstawianych w ofertach producentów zdecydowano się na zastosowanie czterech dziewięciocylindrowych silników firmy Wärtsilä 9L46F. Wystarczające do pokrycia mocy zapotrzebowanej do napędu projektowanej jednostki byłyby silniki tego samego typu, lecz ośmiocylindrowe, jednak silniki z nadmiarowymi cylindrami, wytwarzając tę samą moc, wykazują niższe jednostkowe zużycie paliwa, oraz niższą emisję spalin. Ponadto rezerwa mocy dobranych silników, obok mniejszego zużycia paliwa, zapewni również utrzymanie maksymalnej prędkości pływania w niekorzystnych warunkach bez konieczności przeciążania silników. Doświadczenia z eksploatacji tak dobranych silników na statkach handlowych, dowodzą, że wydłuża się także ich resurs międzyremontowy [11]. Silnik ten jest przystosowany do spalania zarówno taniego paliwa ciężkiego HFO (bardziej ekonomicznego w dalekobieżnych misjach) jak i lekkiego oleju napędowego MDF. Istnieje możliwość przejścia z zasilania paliwem ciężkim na olej napędowy w czasie pracy bez przerwy w zasilaniu. Tabela 2. Podstawowe parametry silnika Wärtsilä 9L46F Parametry Dane Jednostka Liczba cylindrów: 9 [-] Wysokość: 5230 [mm] Długość: [mm] Maksymalna ciągła moc kontraktowa (MCR) [kw] Moc eksploatacyjna (NCR=85%MCR) 9180 [kw] Prędkość obrotowa 600 [1/min] Zużycie oleju smarowego: 0,7 [g/kwh] Średnica tłoka: 460 [mm] Skok tłoka: 580 [mm] Ciśnienie efektywne: 2,49 [MPa] Olej napędowy: 2,0/16 [cst] Jednostkowe zużycie paliwa (MCR/NCR): 179/173 [g/kwh] Jednostkowe zużycie paliwa dla 4 silników (MCR/NCR): 716/692 [g/kwh] Źródło: Wärtsilä 46F Product Guide Zalecana charakterystyka śrubowa, oznaczona na polu pracy silnika (rys.4) linią przerywaną Logistyka 6/

4 w zasadzie nie powinna być przekraczana, za wyjątkiem przyspieszania lub manewrowania. Śruba o skoku zmiennym powinna być dobrana tak, aby podczas pływania swobodnego przy ustawieniu jej maksymalnego skoku pobierała 85% mocy MCR silnika przy znamionowej prędkości obrotowej. W przypadku napędu przekładniowego, obroty optymalne śruby można również uzyskać po przez dobranie przekładni redukcyjnej o odpowiednim przełożeniu.[2] Rys. 4 Pole pracy silnika Wärtsilä. Źródło: Wärtsilä 46F Product Guide Do projektowanego układu napędowego dobrano dwie przekładnie redukcyjne tego samego producenta typu TCH 370 [9]. Zatem układ ten może przedstawiać się następująco: Rys. 5. Rozmieszczenie silników głównych w siłowniach Źródło: Wärtsilä 46F Product Guide 1112 Logistyka 6/2014

5 Dobór elektrowni i kotłowni okrętowej Na etapie projektu wstępnego nie jest znany bilans elektryczny okrętu, dlatego dokładne określenie mocy elektrowni nie jest możliwe. Jednak spośród jednostek podobnych można wybrać takie rozwiązania, które najlepiej odpowiadają rozwiązaniu przyjętym w tym projekcie. Zatem dla projektowanej jednostki moc elektrowni oszacowano na: kw Moc elektrowni dobrana w ten sposób jest stosunkowo duża, można jednak przyjąć ją za prawdopodobną, zważywszy na zastosowanie na jednostce steru strumieniowego. W tym wypadku zdecydowano się na cztery zespoły prądotwórcze firmy Wärtsilä typu 2400W6L32. Parametry zostały podane w tabeli 3.2[9]. Tabela 3. Podstawowe parametry agregatu prądotwórczego Wärtsilä 2400W6L32 Opis Jednostk Dane i 1. Moc nominalna silnika 2400 [kw] 2. Liczba cylindrów 6-3. Prędkość obrotowa 750 [1/min] 4. Lepkość spalanego paliwa paliwo lekkie/ciężkie (w 50 o C) 2,0/700 [mm 2 /s] 5. Jednostkowe zużycie paliwa 192 [g/kwh] 6. Częstotliwość wytw. napięcia 50 [Hz] 7. Napięcie 3 x 400 [V] Źródło: Wärtsilä Auxpack 32 Na okrętach napędzanych silnikami spalinowymi, obecność instalacji parowych wynika głównie z korzystnych właściwości grzewczych pary wodnej. Parę wodną produkuje się w kotłach. Projektowana jednostka jest zasilana paliwem ciężkim, którego stosowanie wymaga ciągłego ogrzewania zbiorników. Ponieważ widmo obciążeń silników głównych na okrętach jest diametralnie różne od widma obciążeń na statkach, stąd wyklucza się zastosowanie kotłów utylizacyjnych lub kombinowanych. W związku z tym kotłownia na danej jednostce będzie wyposażona w dwa klasyczne kotły opalane, które zagwarantują ciągłą pracę kotłowni. Podobnie jak w przypadku elektrowni, wstępne zapotrzebowanie na parę grzewczą, którego wartość decyduje o wyborze kotła, można jedynie oszacować. Średnie zapotrzebowanie takiej jednostki na parę grzewczą w przeciętnych warunkach zimowych, wynosi: ] (3) gdzie: strumień pary grzewczej na postoju okrętu [kg/h], N nom moc nominalna lub kontraktowa silników głównych, Zapotrzebowanie na parę grzewczą po podstawieniu do wzoru mocy nominalnej silników głównych N nom = kw wynosi: Dla projektowanego okrętu wstępnie dobrano dwa kotły parowe firmy Alfa Laval OS, o wydajności 2300 kg/h każdy[1]. Instalacja centralnego systemu chłodzenia Zastosowanie systemu centralnego chłodzenia jest koncepcją, która wyniknęła z zapotrzebowania na jak najbardziej niezawodną jednostkę. System ten polega na tym, że zmniejszono do minimum liczbę urządzeń, armatury i długości rurociągów pozostających w styczności z wodą morską, w związku z tym takie rozwiązanie ogranicza korozję elementów instalacji chłodzenia, zmniejszając jej koszty eksploatacji. Wadą tego systemu jest jego sumaryczna większa masa. System centralnego chłodzenia został również zaprojektowany na najbardziej niekorzystne warunki wody zaburtowej tj. klimat tropikalny, w warunkach umiarkowanych pozostanie duży zapas wydajności cieplnej chłodnic. 1 - silniki główne, 2- pompy wody zaburtowej, 3- filtry, 4- skrzynie kingstonowe, 5- chłodnica oleju smarowego, 6- chłodnice wody słodkiej obiegu HT, 7- chłodnica centralna, 8- pompy wody słodkiej obiegu LT, 9- pompy wody słodkiej obiegu HT Rys. 6. Instalacja centralnego chłodzenia Źródło: własne Do chłodnicy centralnej siłowni nr 2 Logistyka 6/

6 Zapas paliwa i oleju Pomimo, że silnik główny przystosowany jest do spalania zarówno paliwa ciężkiego jak i lekkiego oleju napędowego projektowana jednostka będzie zasilana jedynie ciężkim olejem napędowym. Zastosowanie tego rodzaju paliwa jest określone we wstępnych wymaganiach armatora jakim jest Marynarka Wojenna. Tabela 4. Zestawienie zapasów paliwa ciężkiego dla poszczególnych urządzeń siłowni Przeznaczenie Wielkość zapasu [t] 1. Do silników głównych 1661,6 2. Do silników pomocniczych 356,5 3. Do zasilania kotłów Źródło: własne Silniki główne oraz zespoły prądotwórcze są przystosowane do pracy na paliwie ciężkim w całym zakresie pracy, z tego względu mogą nie zostać wzięte pod uwagę przy obliczaniu zapasu paliwa. Należy jednak pamiętać o wypadku gdy kotły opalane zostaną uszkodzone, lub potrzebne będzie szybkie uruchomienie siłowni, po której będzie można przejść na paliwo ciężkie. Z racji takiego rozumowania zostanie obliczony również zbiornik zapasowy oleju napędowego do uruchomienia i cyku pracy jednego silnika głównego. Zapas ten wynosi tyle ile zapas paliwa ciężkiego (415,4 t), dlatego te obliczenia zostały pominięte. Z uwagi na niskie zużycie oleju napędowego do opalania kotła, jego wielkość zapasu została pominięta Podsumowanie Marynarka Wojenna wprowadzając okręt wsparcia sprostałaby swoim zobowiązaniom w ramach działalności członkowskiej w NATO. Powinna więc przyjąć do służby okręt, charakteryzujący się wypornością rzędu ton i prędkością operacyjną 25 węzłów[5]. Moc napędu głównego obliczona metodą Admiralicji i moc napędu głównego obliczona metodą najmniejszych kwadratów praktycznie nie różnią się między sobą. Może to wynikać z faktu, że kadłuby okrętów z listy jednostek podobnych są do siebie podobne, pomimo, że okręty te mają różne wyporności. Można zatem przyjąć, że moc silników napędu głównego jest dobrana z zadawalającą dokładnością. Zastosowanie silnika Wärtsilä 9 L46F oraz przekładni TCH 370 tego samego producenta zwiększa ich wspólną niezawodną pracę, dłuższy czas eksploatacji Logistyka 6/2014 i brak dodatkowych problemów gwarancyjnych i remontowych. Niestety takie rozwiązania w MW RP często są pomijane, zważywszy na tzw. czynnik ekonomiczny, który zmusza konstruktorów do obierania pozornie tańszych rozwiązań, czyli dobierania tańszej przekładni od producenta, który nie jest jednocześnie producentem silnika. Silniki napędu głównego Wärtsilä 9 L46F, o mocy kw każdy, odpowiadają założeniu, iż wyznaczoną prędkość = 25 w okrętu uzyskamy poprzez obciążenie silników w zakresie od 80% do 90% jego mocy nominalnej. Rezerwa mocy dobranych silników, obok mniejszego zużycia paliwa, zapewni również utrzymanie maksymalnej prędkości pływania w niekorzystnych warunkach bez konieczności przeciążania silników. Silniki napędu głównego oraz elektrowni są przystosowane zarówno do spalania paliwa lekkiego jak i ciężkiego. Utarło się, że okręty marynarek powinny być zasilane paliwem lekkim, gdyż skraca to okres przygotowania jednostki do wyjścia na morze i do walki, jest to rozwiązanie uzasadnione. Pamiętać jednak należy, że projektowana jednostka jest okrętem wsparcia, przeznaczonym przede wszystkim do transportowania i zaopatrywania na duże odległości, co za tym idzie, większość wyjść na morze będą długoterminowe i zaplanowane z wyprzedzeniem. W trakcie załadunku kontenerów czy wojskowych środków transportu, siłownia może zostać przygotowana do uruchomienia. Paliwo ciężkie jest kilkukrotnie tańsze od lekkiego, zatem eksploatacja siłowni będzie o wiele mniej kosztowna. Do projektowanej jednostki dobrano dwa kotły opalane o podobnej mocy, aby zapewnić niezawodność pracy kotłowni, która jest niezbędna dla funkcjonowania wielu instalacji okrętowych przede wszystkim paliwowej (paliwo ciężkie). Zastosowanie kotłów utylizacyjnych lub kombinowanych, korzystne ze względów ekonomicznych, jest niecelowe na okrętach wojennych, ze względu na różnorodne widmo obciążeń silników głównych. Streszczenie Okręt wsparcia we współpracy w ramach zintegrowanych działań sojuszniczych jest jednym z podstawowych wymogów technicznych stawianych przed członkami NATO. Marynarka Wojenna wprowadzając takiego rodzaju okręt sprostałaby potrzebom zapewnienia wsparcia logistycznego jednostkom biorącym udział w działaniach. W artykule zawarto koncepcje

7 rozwiązania siłowni okrętu wsparcia. Na podstawie wykazu jednostek podobnych obliczono moc napędu głównego przez co dobrano silniki główne. Dobrano również inne urządzenia siłowniane. Abstract 11. Wojnowski W., Okrętowe siłownie spalinowe cz. III, Wydawnictwo Akademii Marynarki Wojennej, Gdynia Memeber States of NATO are obliged to take part in joined operation. Support ship is one of the basic requirements to cope with this task. Polish Navy introducing this type of ship would satisfy the demands of logistics support to the warships participating in the joined operation. The article present conceptions of engine room proper to a specific requirements of support ship. On the basis of a list of similar ships propulsion power was calculated and the main engine was chosen. Other engine room equipment was also indicated. Literatura 1. Aalborg OS Manual, 2. Bursztyński A., Drewek W., Zieliński M., Uwarunkowania i możliwości strategicznego transportu wojsk i techniki wojskowej, Wydawnictwo J.P., Bursztyński A., Kozłowski D., Zdolności sił amfibijnych państw Unii Europejskiej, Zeszyty Naukowe Nr 2 AMW, Gdynia Herdzik J., Możliwości obniżenia zużycia paliwa poprzez modyfikacje elementów okrętowego układu napędowego Zeszyty naukowe Nr 178A AMW, Gdynia Lus T., Wstępne wymagania taktycznotechniczne dla dużego okrętu logistycznego dla MW RP, Logistyka nr 5/2011, ISSN Michalski R., Siłownie okrętowe. Obliczenia wstępne oraz ogólne zasady doboru mechanizmów i urządzeń pomocniczych instalacji siłowni motorowych, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin Wärtsilä 46F Product Guide, 8. Wärtsilä Auxpack 32, 9. Wärtsilä Marine Reduction Gears, 10. Wojnowski W., Okrętowe siłownie spalinowe cz. II, Wydawnictwo Akademii Marynarki Wojennej, Gdynia 1999 Logistyka 6/