Analiza dynamiki okr towego uk adu nap dowego z turbinowymi silnikami spalinowymi LM 2500 *)

Transkrypt

1 Analiza dynamiki okr towego uk adu nap dowego z turbinowymi silnikami spalinowymi LM 2500 *) ANDRZEJ GRZÑDZIELA CEZARY SPECHT Ocena stanu technicznego okr towego uk adu nap dowego stanowi podstaw do uzyskania niezb dnych dokumentów certyfikacyjnych zarówno dla nowo budowanych jednostek, jak i dla statków remontowanych. Próby techniczne silników realizowane sà podczas pracy na uwi zi (na tzw. palu) oraz w warunkach morskich. Celem prowadzonych badaƒ jest: weryfikacja podstawowych parametrów technicznych okr tu b dàcych przedmiotem zamówienia armatorskiego; ocena jakoêci wykonanych czynnoêci regulacyjnych i naprawczych w zakresie silników nap du g ównego, pracy p dnika oraz czystoêci (chropowatoêci bezwzgl dnej) kad uba okr towego; zdolnoêci uk adu nap dowego do krótkotrwa ej pracy przy przecià eniu. Przedstawione zadania realizowane sà w ustalonych stanach obcià eƒ. Próby stoczniowe na uwi zi sà praktycznie tylko pomiarami testowymi majàcymi na celu sprawdzenie i dopuszczenie jednostki do prób morskich. Badania w morzu sà wykonywane na otwartych akwenach lub na tzw. mili pomiarowej. Pomiary prowadzone w kursie i kontrkursie majà na celu okreêlenie maksymalnej trwa ej pr dkoêci przy jednoczesnym sprawdzeniu zakresu parametrów eksploatacyjnych elementów transmisji momentu obrotowego. Badania sà cz sto obarczone du ymi * ) Praca naukowa finansowana ze Êrodków na nauk w latach jako projekt badawczy. Dr hab. in. Cezary Specht jest zast pcà rektora komendanta Akademii Marynarki Wojennej ds. dydaktycznych, profesorem w Instytucie Nawigacji i Hydrografii Morskiej na Wydziale Nawigacji i Uzbrojenia Okr towego Akademii Marynarki Wojennej, dr in. Andrzej Grzàdziela jest kierownikiem Zak adu Nap dów Okr towych na Wydziale Mechaniczno-Elektrycznym Akademii Marynarki Wojennej. b dami wynikajàcymi z tolerancji przyrzàdów pomiarowych. Innym problemem jest brak jednoznacznie identyfikujàcych stan techniczny elementów uk adu nap dowego procedur do oceny pracy jednostki w stanach nieustalonych. Zakres badaƒ zdawczych obejmuje zagadnienia zmian parametrów technicznych silników w zakresie tzw. pola parametrów kontraktowych przy jednoczesnej kontroli rozwini cia przez silnik lub silniki kontraktowej mocy ciàg ej (rys. 1). Analiza parametrów eksploatacyjnych okr towego uk adu nap dowego Przedstawiona na rys. 1 charakterystyka pracy silnika turbinowego jest dokumentem, na którego podstawie dokonuje si oceny stanu technicznego jednostki w stanach ustalonych. Moment i moc zapotrzebowanà przez p dnik Êrubowy przedstawiono w postaci zale noêci [1, 2]: M = k M ρ n 2 WS D 5 (1) N s = 2 π M n WS = 2 π k M ρ n 3 WS D5 (2) gdzie: k M bezwymiarowy wspó czynnik momentu; ρ g stoêç wody (dla Ba tyku Po udniowego ρ = 1025 kg/m 3 ); D Êrednica Êruby; n WS pr dkoêç obrotowa Êruby. Zak adajàc, e Êruba ma sta à Êrednic D = idem oraz e pracuje w oêrodku o sta ej g stoêci, nale y zauwa yç, e moment p dnika zale y od kwadratu pr dkoêci obrotowej n WS oraz bezwymiarowego wspó czynnika momentu k M, który z kolei zale y od ROK WYD. LXVIII ZESZYT 4/

2 v p /n WS jest prawie niezmienny, co w analizie stanów ustalonych skutkuje twierdzeniem, e przy sta ej pr dkoêci p ywania mo na przyjàç uproszczenie: J = idem oraz k M = idem rys. 2 [3]. Nale y jednak zauwa- yç, e wi kszoêç kolizji morskich nast puje w trakcie manewrowania, a wi c poza stanami ustalonymi. Zatem modelowanie oraz badania morskie zachowania si uk adu kad ub silnik Êruba w stanach nieustalonych pozwalajà nie tylko na weryfikacj przyj tych uproszczeƒ, ale przede wszystkim skutkowaç mogà prognozowaniem zachowania si jednostki podczas awaryjnych manewrów, np. CA A NAPRZÓD CA A WSTECZ, a tak e umo liwiç obserwacj charakterystycznych parametrów diagnostycznych w procesie akceleracji i deceleracji. Procesy zwi kszania pr dkoêci p ywania okr tów odbywajà si zawsze przy w àczonym nap dzie Êruby i dlatego niezale nie od rozwiàzaƒ konstrukcyjnych analiza procesu mo e byç podobna. Po uwzgl dnieniu zale noêci (1) i (2) równania dynamiki ruchu okr tu przyjmà postaç: (4) Rys. 1. Przyk adowe pole pracy okr towego silnika turbinowego bezwymiarowego wspó czynnika posuwu okreêlonego jako: J = (3) D n ws gdzie: v p post powa pr dkoêç Êruby wzgl dem wody. Badania eksperymentalne dowiod y, e w stanach ustalonych dla podobnych wypornoêci kad uba oraz przy podobnych warunkach pogodowych iloraz v p gdzie: R opór okr tu, T e napór p dnika, M moment, m masa okr tu, m masa wody towarzyszàcej. Dla przyspieszania okr tu powinna wyst powaç nadwy ka rzeczywistej si y naporu nad wielkoêcià oporu statyki p ywania. Z kolei wielkoêç si y naporu (5) zale y od zapotrzebowanego momentu Êruby, który przedstawia zale noêç (1). T = k T ρ n 2 WS D 4 (5) Dla Êrub o skoku ustalonym wzrost pr dkoêci p ywania mo e byç realizowany tylko poprzez zwi kszanie pr dkoêci obrotowej silnika nap dowego i tym samym obrotów Êruby, co uzyskuje si przez zwi kszenie iloêci paliwa dostarczanego do silnika w jednostce czasu. Im wi kszy b dzie nadmiar rzeczywistej si y naporu Êruby T e wobec wielkoêci oporu statyki p ywania R, tym krótsze b dà czasy oraz drogi manewru (rys. 3, 4). Taka sytuacja wyst puje równie w trakcie akceleracji okr tów O.H. Perry w zakresie od pr dkoêci v = 7 kn wzwy. Rys. 2. Charakterystyka hydrodynamiczna Êruby swobodnej, gdzie: η p sprawnoêç p dnika, v p pr dkoêç post powa kad- uba okr tu, J wspó czynnik posuwu Rys. 3. Podstawowe zale noêci i parametry zwi kszania pr dkoêci okr tu 34 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 4/2009

3 jak i badaƒ morskich konieczne jest posiadanie dok adnej informacji o chwilowej pozycji Êrodka ci koêci okr tu, którà mo e zapewniç system GPS lub jego wersje ró nicowe. Rys. 4. Zmiany pr dkoêci post powej okr tu eby móc okreêliç wielkoêci liczbowe analizowanych parametrów, przedstawiono je w postaci analitycznej. Pos u ono si pierwszym z równaƒ (4), uwzgl dniajàc, e: Równanie (6) po sca kowaniu w przedziale pr dkoêci, tzn. równanie procesu przyspieszania od v 1 do v 2, przyjmie postaç: Z równania (7) wynika, e w czasie przyspieszania statku akumulowana przez niego energia kinetyczna ruchu wzrasta kosztem nadmiaru si y naporu Êrub ΣT e wobec wielkoêci jego bie àcego oporu R. Czas manewru w funkcji naporu Êrub nap dowych mo na uzyskaç z pierwszego z równaƒ (4). Jest to czas przyspieszania od pr dkoêci v 1 do v 2. Po przekszta ceniu otrzymano: By uzyskaç wielkoêç drogi manewru, pomno ono pierwsze z równaƒ (8) przez pr dkoêç p ywania v. Uzyskano w ten sposób drog przebytà przez okr t w czasie przyspieszania od pr dkoêci v 1 do v 2. Po dalszych przekszta ceniach uzyskano: Analizujàc równania (8) i (9,) nale y zauwa yç, e w badaniach eksperymentalnych najwa niejszym czynnikiem, majàcym wp yw na jakoêç otrzymanych wyników, jest mo liwoêç dok adnego okreêlenia parametrów ruchu kad uba. ZnajomoÊç charakterystyk hydrodynamicznych Êruby oraz program obliczeƒ oporu ca kowitego pozwala na wyznaczenie charakterystyk nap dowych dla stanów nieustalonych. Tak wi c zarówno na potrzeby modelowania, (6) (7) (8) (9) Analiza przydatnoêci systemów DGPS i EGNOS dla dynamicznego pozycjonowania jednostki PowszechnoÊç wykorzystania systemu GPS w szeroko rozumianej nawigacji zapewnia uzyskiwanie dok adnoêci okreêlenia pozycji na poziomie 13 m (p = 0,95) w p aszczyênie horyzontalnej [4, 5]. Wi kszoêç wspó czesnych odbiorników GPS wykorzystywanych w nawigacji morskiej umo liwia korekt pozycji przez wykorzystanie pomiarów ró nicowych zapewniajàcych zwi kszenie dok adnoêci. Z tego wzgl du autorzy w ramach badaƒ wykonali analiz, polegajàcà na ocenie porównawczej dok adnoêci wyznaczenia wspó rz dnych pozycji dla dwóch rozwiàzaƒ ró nicowych systemu GPS, mo liwych do zastosowania w procesie pomiaru parametrów ruchu okr tu, niezb dnych do wyznaczania charakterystyk nap dowych, na obszarze Ba tyku Po udniowego, a sà nimi: ró nicowy system DGPS wykorzystujàcy stacj referencyjnà Rozewie (301 KHz), Europejski Geostacjonarny Satelitarny System Wspomagania Nawigacyjnego EGNOS wykorzystujàcy korekty ró nicowe transmitowane przez àcze satelitarne. Dla dwóch rozwiàzaƒ ró nicowych GPS: DGPS LF/MF oraz EGNOS i mo liwoêci ich zastosowania do oceny charakterystyk nap dowych przeprowadzono dwutygodniowà kampani pomiarowà obu systemów, która mia a nast pujàce cele: okreêlenie horyzontalnej dok adnoêci wyznaczenia pozycji przez system EGNOS w d ugotrwa ej sesji pomiarowej, na podstawie równoleg ych pomiarów DGPS LF/MF dokonanie analizy porównawczej pomi dzy systemem EGNOS oraz rozwiàzaniem DGPS wykorzystujàcym referencyjne stacje morskie w celu ustalenia optymalnego rozwiàzania pozycyjnego dla pomiarów charakterystyk nap dowych [6, 7]. Punkt referencyjny dla odbiorników EGNOS oraz DGPS wyznaczono na maszcie portu handlowego w Gdyni. Podstawowe za o enia pomiarowe obejmowa y: d ugoêç sesji pomiarowej 2 tygodnie (ok. 2,5 mln pomiarów), L1 pomiary kodowe, minimalna wysokoêç topocentryczna > 5, parametry sygna u: SS/SNR 40/19, PDOP< 10, HDOP< 6. Rejestracji dokonano z wykorzystaniem standardu NMEA-0183, depesza GGA co 1 s (rys. 5) z nast pujàcymi parametrami: przep ywnoêç binarna 4800 bodów, 8 bitów danych (bit 7 = 0, najbardziej znaczàcy bit = 0), bez kontroli parzystoêci, 1 bit stopu, logicznej 1 odpowiada napi cie od -15 V do 0,5 V, logicznemu zeru odpowiada napi cie od +4 V do 15 V. Dla realizacji tej transmisji u ywano 9-stykowego z àcza RS 232C. Przyk adowe wyniki pomiarów zobrazowano w formie graficznej na rys. 6 W tabeli zestawiono wartoêci statystyk b du okreêlenia pozycji dla obu analizowanych systemów. Nadmieniç w tym miejscu nale y, e dodatkowo prezentowanà miarà jest b àd pozycji z p = 0,95 obliczony z uzyskanego zbioru wyników. ROK WYD. LXVIII ZESZYT 4/

4 Analiza porównawcza dok adnoêci okreêlenia pozycji w p aszczyênie horyzontalnej systemów DGPS LF/MF oraz EGNOS DGPS EGNOS Nr pomiaru rms 2rms 95% wszystkich Nr pomiaru rms 2rms 95% wszystkich (p = 0,65), m (p =0,95), m pomiarów, m (p = 0,65), m (p = 0,95), m pomiarów, m ,8824 0,76 1, ,6205 9,2411 9, , ,71 1, ,1557 8,3114 7, , ,66 1, ,8219 3,6439 3, , ,72 1, ,5034 7,0069 5,9393 Σ 0,8587 0,717 1,6021 Σ 3,7120 7,4240 6,6970 Badania pilota owe przeprowadzono na okr tach podczas rutynowych badaƒ diagnostycznych silników nap du g ównego. Program badaƒ obejmowa : pomiar parametrów uk adu nap dowego; pomiar przyrostu pr dkoêci kad uba; pomiar chwilowych pozycji oraz przebytej drogi wg wskazaƒ odbiornika DGPS. Rys. 5. Format komunikatu NMEA typu GGA Przeprowadzenie pomiaru czasu ruszania okr tu z miejsca wykonano dwukrotnie, a do momentu osiàgni cia przez okr t pr dkoêci 25 w z ów. W zwiàzku z tym cz stotliwoêç pomiarów systemu DGPS wynosi a 1 sekund, wystàpiç móg b àd odczytu faktycznej pozycji okr tu. Przy obliczeniu przebytej drogi dokonano korekcji pozycji o przemieszczenie Rys. 6. Rozk ad pozycji wzgl dem wartoêci oczekiwanej systemu EGNOS (a) i DGPS (b) w czasie kampanii pomiarowej W trakcie badaƒ stwierdzono, e dla pomiaru wspó rz dnych pozycji niezb dnych dla wyznaczenia przebytej drogi, system DGPS wykorzystujàcy stacj referencyjnà w Rozewiu zapewnia utrzymanie dok adnoêci pomiaru przebytej drogi poni- ej 2 m (p = 0,95) przy dost pnoêci 99,9967% ( wyznaczenia, na mo liwych). Natomiast wykorzystanie systemu EGNOS dla przeprowadzonych badaƒ jest niewskazane, bowiem pomimo zadowalajàcej dok adnoêci okreêlenia pozycji dost pnoêç systemu wynios a 88,7266% ( wyznaczenia, na mo liwych). Przeprowadzone badania wykaza y, e system DGPS wykorzystujàcy lokalne stacje referencyjne mo e byç z powodzeniem stosowany do wyznaczania przebytej drogi podczas okreêlania charakterystyk nap dowych jednostek, gwarantujàc przy tym bardzo wysokà dost pnoêç serwisu. Rys. 7. Zmiany pr dkoêci obrotowej wa u turbiny nap dowej Rys. 8. Zmiana naporu i oporu okr tu w funkcji czasu 36 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 4/2009

5 10,5 m. Na podstawie wyników pomiarów dokonano analizy zmian pr dkoêci post powej okr tu i sporzàdzono wykres zmian pr dkoêci obrotowej wa u turbiny nap dowej w zale noêci od czasu rys. 7 oraz wykres zmian wartoêci oporu i naporu w funkcji czasu rys. 8. Wnioski Zastosowanie analiz parametrów eksploatacyjnych w stanach nieustalonych ma wiele ograniczeƒ oraz narzuca rygorystyczne wymogi powtarzalnoêci badaƒ. U ytkowane wspó czeênie przez zespo y naukowe AMW systemy pomiarowe mogà podo aç tym wymaganiom. Uzyskane wyniki mogà stanowiç doskona à platform nowych, kompleksowych badaƒ diagnostycznych nie tylko okr towego uk adu nap dowego, ale tak e urzàdzeƒ sterowych, nawigacyjnych itp. Przedstawione wyniki analiz i badaƒ pilota owych stanowià podstaw do wdro enia pomiarów wszystkich parametrów eksploatacyjnych w stanach nieustalonych na potrzeby okr towego, wielosymptomowego systemu diagnostycznego. LITERATURA 1. Charchalis A.: Opory okr tów wojennych i p dniki okr towe. AMW, Gdynia Wojnowski W.: Okr towe si ownie spalinowe cz. I. AMW, Gdynia Kruppa C.: Practical aspects in the design of high speed small propellers. Int. Shipbuilding Progress, Vol. 23, Nov. 1976, nr Cydejko J., Oszczak S.: The Maritime Tests of EGNOS System Test Bed (ESTB) Performance in Poland. a 11th IAIN World Congress Proceedings, Berlin Gauthier L., Ventura-Traveset J., Toran F., Lasthievent Ch., Bedu J.: EGNOS Operations and Their Planned Evolution. ESA bulletin. No 124. November Gauthier L., Michel P., Ventura-Traveset J., Benedicto J., EGNOS: The First Step in Europe s Contribution to the Global Navigation Satellite System. ESA bulletin. No 105. February Global Positioning System Standard Positioning Service. Performance Standard. Assistant Secretary of Defense ROK WYD. LXVIII ZESZYT 4/