Podstawy Automatyzacji Okrętu

Transkrypt

1 Politechika Gdańska Wydział Oceaotechiki i Okrętowictwa St. iż. I stoia, sem. IV, kieruek: Oceaotechika, sec.: ZiMwGM Podstawy Automatyzacji Okrętu 9 SEROWANIE NAPĘDU SAKU M. H. Ghaemi Marzec 7 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku

2 9. Sterowaie aędu statku W skład kowecjoalego układu sterowaia aędu statku wchodzi:. silik aędowy,. rzekładia, 3. śruba aędowa, 4. wały rzeoszące aędu (wał silikowy omiędzy silikiem a rzekładią, wał śruby omiędzy rzekładią a śrubą aędową), 5. regulator aędu (sygałem regulowaym jest z reguły rędkość kątową śruby) Uroszczoy schemat układu sterowaia aędu statku, H- skok śruby aędowej, w- rędkość kątowa wału silika aędowego Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku

3 atężeie rzeływu owietrza turbodołado warka atężeie rzeływu sali momet oorowy + - regulator rędkości serwomotor oma aliwa silik + - śruba okrętowa kadłub statku ołożeie listwy aliwowej atężeie rzeływu aliwa momet aędowy mierik rędkości Przykładowy schemat blokowy sterowaia aędu statku (saliowy silik wysokoręży z doładowaiem owietrza, jako silik aędowy statku, oraz śruba aędowa o stałym skoku) 9.. Charakterystyki statycze śrub aędowych. śruby o stałym skoku. śruby o skoku zmieym (regulowaym), tzw. śruby astawe Własości śrub zależą ogólie od trzech wielkości: rędkości wody w śladzie kadłuba: w [m/s] szybkości obrotowej śruby: [obr/s] średicy śruby: D [m] Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 3

4 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 4 D J w Q Q K K J D Q K D K 5 4 bezwymiarowy wsółczyik rędkości: bezwymiarowy wsółczyik siły aoru śruby bezwymiarowy wsółczyik mometu aędowego śruby srawość śruby (w wodzie otwartym) Defiicje moc obieraa moc rzekazywaa 5 4 Q Q D D D w w ) ( Ie straty: w w ) ( ; w w: wsółczyik strumieia adążającego ),4, ( w straty związae z siłą ssaia śruby: t ) ( t: wsółczyik siły ssaia śruby ),,5 ( t w t w t t w H ) ( ) ( ) ( wsółczyik efektywości kadłuba:

5 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 5

6 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 6 wsółczyiki mometu i siły aoru śruby a wodzie otwartej i za kadłubem statku różią się: QB Q B K K 3 straty mechaicze ),95,8 ( m srawość całkowitą aoru ędika: m B H calk J D Q J D 5 4 Q J K J K Przykład charakterystyk śruby aędowej

7 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 7 Q J K J K wsółczyik aoru śruby z regulowaym skokiem (wyłączie w staach ustaloych) Dla śruby z regulowaym skokiem:

8 wsółczyik mometu obrotowego śruby z regulowaym skokiem Zalety aędu statku śrubami z regulowaym skokiem:. bezawroty (jedokierukowy) ruch śruby. łatwość zatrzymaia statku 3. łatwość cofaia statku 4. łatwość zmiay rędkości statku 5. lesza srawość aędu rzy częściowym obciążeiu 6. osiągięcie omialej mocy w różych warukach eksloatacyjych 7. ie są iezbęde aędy omocicze (zmiejszeie całkowitej mocy istalowaej) 8. mały oór śrub ie aędzaych (ustawieie w chorągiewkę ) Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 8

9 9.. Charakterystyki dyamicze śrub aędowych rówaie różiczkowe ruchu śruby Q s Q Q lub: s f J : momet bezwładości śruby aędowej, wraz z wodą towarzyszącą Q : momet ooru śruby Q f : momet tarcia Q s : momet aędowy silika : rędkość kątowa śruby d J dt d J dt Q Q Q f w ostaci oeratorowej Q s + - J s ( s) s f J s w (, w Q(, w ) ) Q ( s) Q( s) ; ( Q ) Q t w R Kadłub statku m ( t) R Uroszczoy schemat blokowy sterowaia rędkości kątowej śruby aędowej statku. Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 9

10 9.3. Model matematyczy silika aędowego 8 emertura, ciśieie, rędkość 7 65 Wskaźik aliwa, srawość. a. Charakterystyki statycze 6 6 emeratura gazu wylotowego (sali), [K]. 55 Średie ciśieie efektywe Średie ciśieie efektywe, [MPa] Wskaźik aliwa Ciśieie owietrza srężego, [kpa] Ciśieie gazu wylotowego (sali), [kpa] Prędkość końca łoaty srężrki, [m/s] rędkość kątowa silika, [obr./mi.] Charakterystyki statycze silika saliowego 4L6-MC MAN-B&W 6 5 Efektywa srawość termicza Power [%] Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku

11 8 emertura, ciśieie, rędkość 7 Wskaźik aliwa, srawość emeratura gazu wylotowego (sali), [K]. 55 Średie ciśieie efektywe Średie ciśieie efektywe, [MPa] Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 5 Wskaźik aliwa Ciśieie owietrza srężego, [kpa] Ciśieie gazu wylotowego (sali), [kpa] Prędkość końca łoaty srężrki, [m/s]

12 b. Charakterystyki dyamicze Qs s) h( s) ( s e K s s s h : ołożeie listwy aliwowej, : czas zwłoki, omiędzy zmiaą ołożeia listwy aliwowej, a zmiaą atężeia rzeływy aliwa założeia: - średia moc silika jest roorcjoala do wskaźika atężeia doływy aliwa - silik dwusuwowy - małe odchyleia od stau ustaloego - szybkość obrotowa: 5-5 obr/mi Q s h czas zwłoki aroksymuje się jako ołowy czasu omiędzy kolejymi załoami stała czasowa: s Z,9 Z Z (Z : liczbą cylidrów) wsółczyik wzmocieia: K s Q ( h( Stała czasowa turbodoładowarki wyosi -3s! s ) ) Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku

13 B ra k e E g i e P o w e r Power [kw] im e [ s ] Przykładowa charakterystyka dyamicza silika saliowego 4L6-MC MAN-B&W (zależość mocy efektywej od czasu rzy skokowym zmiaie w ołożeiu listwy aliwowej) asmo rzeoszeia tego tyu układu sterowaia jest miejsza od wartości dla wysokorężych silików średioobrotowych (5-5 obr/mi): a bazie statystyczej idetyfikacji Q s ( s) h( s) K s s s s s Qs ( s) h ( s ) K s s s Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 3

14 * V * Regulator rędkości kątowej Ukad Kombiatorowy H * D Regulator skoku Silik saliowy ma Dmuchawy ma m a 3 Srężarka omocicze M C Chłodica owietrza a m clr m am, am Kolektor owietrza X f m f m a Porty owietrza, hr cyli tc dyamika walu turbodoadowarki m,, F cyli Cylidry i m g Zawory wydmuchowe m gm, gm, Fgm, gm, sur Kolektor sali urbia M wyj M e Układ trasmisji mocy Q Pędik Vw H D Kadłub V Sygały mechaicze Sygały sterujące Charakterystyki ędika zajdującego się za kadłubem statku Sygały termodyamiczo-rzelywowe Schemat ideowy modelu dyamiki układu aędowego statku Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 4

15 * V * Regulator rędkości kąt owej Ukad Kombiat orowy H * D Regulator skoku X f Silik saliowy ma Dmuchawy ma m a 3 Srężarka omocicze Chłodica owiet rza a m clr m f m, am am m a Kolekt or owiet rza Porty owiet rza, hr m,, F cyli cyli Cylidry i m g Zawory wydmuchowe m gm, gm, Fgm, gm, sur Kolekt or sali M C tc dyamika walu t urbodoadowarki Sygały mechaicze Sygały st erujące Sygały t ermodyamiczo-rzelywowe Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 5

16 H D urbia wyj M e Układ trasmisji mocy Pędik Kadłub V Q Vw M Charakt eryst yki ędika zajdującego się za kadłubem statku Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 6

17 9.4. Model matematyczy regulatora aędu statku regulator rędkości kątowej + - mierik rędkości kątowej czło ksztatujący sygał sterujący wzmaciacz h silik saliowy - J s Q s + Q Schemat blokowy układu sterowaia rędkości śruby okrętowej, : rędkość kątowa śruby, Q: momet ooru śruby, Q s : momet aędu silika. mierik rędkości kątowej: mechaiczo-hydrauliczy: elektryczo-hydrauliczy: G Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 7 M G M s m m m s m s m. czło kształtujący sygał sterujący: G ( s) K ( s ) 3. wzmaciacz: G w ( s) w s m s R R Rd Ri dla regulatorów mechaiczo-hydrauliczych: Rd

18 9.5. Dwu lub wielosilikowy aęd śruby okrętowej siliki tego samego rodzaju,. dwa siliki wysokoręże, dwie turbiy gazowe, dwie turbiy arowe, siliki różego rodzaju,. silik saliowy i turbia gazowa, turbia gazowa i turbia arowa CODOG: COmbied Diesel Or Gas turbie CODAD: COombied Diesel Ad Diesel CODLAG: COmbied Diesel-eLectric Ad Gas turbie CODAG: COmbied Diesel Ad Gas turbie COGAG: COmbied Gas turbie Ad Gas turbie CONAS: COmbied Nuclear Ad Steam COSAG: COmbied Steam Ad Gas turbie COGAS: COmbied Gas Ad Steam turbie CODEG: COmbied Diesel ad Electric roulsio Gas turbie Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 8

19 Naędy mechaicze z wykorzystaiem silików saliowych diesla Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 9

20 Naędy elektrycze z wykorzystaiem silików saliowych diesla Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku

21 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku

22 Diesel Electric Drie POD Proulsio htt:// htt:// Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku

23 Układy aędowe z wykorzystaiem turbiy arowej dla statków LNG Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 3

24 silik silik silik silik sygał sterujący sygał sterujący regulator sygał sterujący regulator regulator sygały mierzoe rądica rądica Uroszczoy schemat struktury układu sterowaia dwusilikowego aędu śruby okrętowej, z idywidualymi regulatorami silików. Uroszczoy schemat struktury układu dwusilikowego aędu śruby okrętowej, ze wsólym regulatorem. Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 4

25 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku Sterowaie rędkości liiowej statku R t m ) ( rówaie ruchu statku: m: masa statku : siła aoru śruby okrętowej R : siła ooru kadłuba statku c b a siła aoru: R R siła ooru (aroksymacja): ) ( t c b a t m ieliiowe rówaie różiczkowe! liearyzacja: rozwiięcie ieliiowej fukcji w szeregu aylora rzy małych odchyleń od stau rówowagi (ustaloego) oraz odstawieie w szeregu aylora tylko składowe liiowe.

26 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 6 w staie rówowagi: ) ( R t R R R t t m ) ( ) ( c b a R R dt d m dt d m dt d m m ) ( ) (

27 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 7 Rozwiąć w szereg Maclauria fukcję : R t ) ( c b b a b c b a R R b t c b a t t ) ( ) (

28 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 8 b t c b a t dt d m ) ( liiowe rówaie ruchu kadłuba statku: b a b t c m t ) ( s + + Schemat blokowy ruchu kadłuba statku

29 9.7 Dobór algorytmu fukcyjego kombiatora orzez miimalizacji zużycia aliwa MCR Qmax 3 Ne [kw ] [t/day] [rm] Przykładowa ogóla charakterystyka zużycia aliwa silika Przykładowa charakterystyka zużycia aliwa dla kokretego silika Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 9

30 Przykładowa charakterystyka układu aędowego statku dla róże wartości wsółczyika skoku śruby oraz rędkości liiowej statku Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 3

31 V=6 [K.] 35 3 he M iimum Fuel Cosum tio Cure (MFCC) FC [t/day] 5 4 H/D= [rm] Zużycie aliwa w zależości od wsółczyika skoku śruby oraz rędkości liiowej statku jako fukcja rędkości kątowej silika Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 3

32 a) b) H/D [-].85.8 [rm] V [K.] V [K.] Otymale sygały zadae układu sterowaia aędu statku, tj. rogram układu kombiatorskiego: a) zaday skok śruby, b) zadaa rędkość kątowa silika w zależości od zadaej Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 3

33 Dodatek Wielosilikowe i/lub wielośrubowe układy aędowe statków Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 33

34 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 34

35 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 35

36 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 36

37 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 37

38 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 38

39 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 39

40 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 4

41 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 4

42 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 4

43 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 43

44 Podstawy automatyzacji okrętu 9. Sterowaie aędu statku 44