unitwin_mmhpe_us_2_2

UI 2: Instalații energetice navale

66

Unitatea de învăţare nr. 2

INSTALAȚII ENERGETICE NAVALE

Unitatea de studiu 2.2

Instalaţia navală de propulsie

Ritm de studiu recomandat: 100 min.

Cuprins

Instalaţia navală de propulsie cu motoare cu ardere internă (MAI).

Determinarea puterii necesare pentru propulsia navei.

Regimurile de funcţionare ale MAI şi starea de navigabilitate a navei

Influenţa funcţionării sistemului motor-propulsor asupra starea de navigabilitate.

OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU 2.2

- caracterizarea argumentata a elementelor instalatiilor navale de propulsie cu MAI;

- determinarea prin calcul a puterii necesare pentru propulsia navei;

- definirea si caracterizarea regimurilor de funcţionare ale MAI şi stabilirea facorilor de

influenta asupra starii de navigabilitate a navei.

2.2.1 Instalaţia navală de propulsie cu motoare cu ardere internă

Dezvoltarea transportului naval (maritim și fluvial) depinde în mare măsură de

evoluția și perfecționarea sistemelor de propulsie. În principiu sistemul naval de propulsie

realizează conversia unei forme primare de energie în energie mecanică, energie care se

transmite propulsorului în vederea învingerii rezistenței la înaintare a navei și deplasării

acesteia pe drumul dorit, cu viteza impusă.

Din punct de vedere energetic, o instalație navală de propulsie este alcătuită din sursa

de energie (mașina principală de propulsie) și consumatorul de energie (propulsorul). Dintre

propulsoarele navale, elicea răspunde cel mai bine tehnicii navale actuale, ea fiind cel mai

utilizat și în general cel mai eficient propulsor naval.

Sistemul naval de propulsie are un rol determinant în realizarea unei nave eficiente din

punct de vedere energetic și performante. Aprecierea eficienței unei nave se face ținând cont

de criterii economice, criterii de siguranță funcțională, criterii de confort pentru echipaj și

pasageri, etc. Analiza sistemului navă - mașină principală de propulsie - propulsor trebuie

realizată în fazele inițiale de proiectare iar tipul de sistem de propulsie utilizat trebuie ales în

procesul de proiectare al unei nave, el având un impact puternic asupra design-ului navei

însăși.

În aceste condiţii, alegerea instalației de propulsie navale implică integrarea unui

număr mare de elemente într-un spațiu funcțional delimitat, aspect care presupune: selectarea

componentelor (a mașinii principale de propulsie, a transmisiei și a propulsorului), ajustarea

acestora prin constrângerile impuse de celelalte elemente, aranjarea lor astfel încât să se

obțină performanțele cerute, o configurație satisfăcătoare și un preț de cost acceptabil.

Alegerea sistemului de propulsie depinde de profilul de operare al navei, de

performanțele tehnice și economice referitoare la reducerea costului specific al transportului și

măririi siguranței în exploatare. Experienţa şi colaborarea dintre constructorii navali şi


67

proprietarii de nave arată că parametrii de care trebuie ținut cont la alegerea unui sistem de

propulsie sunt: costul specific al transportului, eficiența propulsiei, spațiul alocat sistemului

de propulsie, siguranța, disponibilitatea şi flexibilitatea acestuia în exploatare.

Astfel, configurarea sistemului naval de propulsie presupune: determinarea puterii

instalate pentru viteza nominlă dorită, alegerea maşinii principale și a propulsorului, precum

și amplasarea sistemului la bordul navei. Evident că sistemul naval de propulsie are efect

direct asupra greutății, mărimii, vitezei, manevrabilității și amenajărilor unei nave, un criteriu

esențial în alegerea acestuia fiind legat de cerințele de spațiu și amenajare.

În cele ce urmează vom exclude considerentele expuse mai sus vom şi vom clasifica

sistemele navale de propulsie după următoarele criterii: tipul fluidului care evoluează în

maşinile principale şi auxiliare ale instalaţiei de propulsie (fluid motor); tipul subsistemului de

transmisie a energiei, de la maşinile principale la propulsor.

Fluidul motor, prin proprietăţile lui fizice şi chimice, determină atât tipul constructiv al

maşinilor principale şi auxiliare ale sistemului de propulsie, cât şi caracteristicile tehnice şi

economice de exploatare, şi prin urmare influenţează economicitatea navei. După natura

fluidului motor, instalaţiile navale de propulsie se împart în două grupe principale: sisteme

sau instalaţii de propulsie cu gaze şi sisteme de propulsie cu vapori. Sistemele de propulsie

din cele două grupe pot fi la rândul lor clasificate după tipul maşinilor principale şi a felului

energiei utilizate în: sisteme de propulsie cu motoare cu ardere internă; sisteme de propulsie

cu turbine cu gaze; sisteme de propulsie cu turbine cu vapori; sisteme combinate, care

integrează variantele de propulsie evidenţiate anterior. In fig. 2.2.1 este prezentata dependenta

randamentului termic al sistemelor de propulsie navale (LNG carrier reprezinta domeniul

specific transportoarelor LNG de mare capacitate). Graficul evidentiaza performantele

superioare ale sistemului de propulsie cu motoare Diesel, in raport cu celelalte variante

existente (cu TG, cu TV sau variante combinate). Acestea din urma sunt folosite in cazul

navelor sau structurilor marine, care executa misiuni speciale (situatii in care eficienta

energetica este sacrificata in detrimentul altor beneficii, cazul navelor militare, spre exemplu).

Fig. 2.2.1 Randamentul termic al sistemelor de propulsie navale (Sursa: Aaboe, K., undated, Presentation

MAN B&W)


68

În acest sens informaţiile furnizate de literatura de specialitate oferă o serie de

informatii cu privire la costurile cu combustibilul, costurilor de întreţinere, eficienţa, siguranţa

şi disponibilitatea în exploatare pentru toate variantele navale de propulsie.

Tabel 2.2.1 Analiza comparativă a variantelor de propulsie navală

Tip Cost-comb

USD-MWhel

Costuri

întreţinere

USD-MWhel

Eficienţă

%

Siguranţă

%

Disponibilitate

%

Motoare în:

4 timpi

2 timpi

Turbină cu

gaze cu un

singur ciclu

Cicluri

combinate

45

25

68

42

10

3

7

10

38,7

44,2

26,1

43,0

86,3

98,6

85,0

84,0

86,1

86,5

86,0

84,0

Definiţii

Siguranţa total.ore ore.pierdute.planificate ore.pierdute.neplanificate

100ore.totale ore.pierdute.planificate

Disponibilitate total.ore ore.pierdute.planificate ore.pierdute.neplanificate

100total.ore

Cu toate că acest subiect implică abordări mult mai numeroase, în continuare, vom

evidenţia doar două variante de sistemele navale de propulsie, alese în funcţie de tipul

subsistemului de transmisie aplicat între maşinile principale şi propulsor.

Instalaţia navală de propulsie cu transmisie directă

Aceste instalaţii de propulsie, fig. 2.2.2, sunt compuse din maşina de propulsie, care

poate fi un motor diesel, sau o altă maşină termică, linia de arbori şi propulsorul. În cazul în

care propulsorul este o elice cu pale fix (EPF), maşina principală trebuie să îndeplinească

două condiţii: să fie reversibilă; turaţia arborelui maşinii de propulsie să fie egală cu turaţia

propulsorului.

Fig. 2.2.2 Sistem de propulsie cu transmisie directă: 1 - arbore port - elice; 2 - etanşare tub - etambou; 3 -

lagăr - intermediar; 4 - arbore intermediar; 5 - suporţi linie de arbori; 6 - perete etanş; 7 - cuplaj; 8 - arbore de

împingere.


69

Acest tip de transmisie fiind cel mai simplu a înregistrat o raspândire mare, atât la

sistemele de propulsie ale navelor maritime cât şi la cele fluviale. 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. 2.2.3 a.

Fig. 2.2.3 Propulsoare navale: a - elice cu pas fix; b - elice cu pas reglabil.

La acest tip de propulsor, palele se pot roti în jurul axei lor longitudinale, fapt care

permite realizarea “marşului înainte” şi a “marşului înapoi” al navei, fără inversarea sensului

de rotaţie al arborelui maşinii de propulsie, fig. 2.2.3 b. În practică pentru transmisia directă,

energia recepţionată de propulsor reprezintă 95…98% din energia dezvoltată de maşina de

propulsie.

Instalaţia navală de propulsie cu reductor

Introducerea reductoarelor a condus la apariţia unor sisteme noi ca structură şi

componenţă, fig. 2.2.4, prin care s-a urmărit reducerea turaţiei arborelui portelice, la o

mărime, la care, randamentul propulsorului are valoarea maximă.

Fig. 2.2.4 Instalaţia de propulsie cu motor semi - rapid şi reductor; 1- cuplaj mecanic; 2 - reductor; 3 - linie

de arbori; 4 - propulsor.

Indiferent de varianta de propulsie, o instalaţie cu motoare cu ardere internă, se

remarcă prin existenţa circuitelor auxiliare, care asigură buna funcţionare a întregului sistem

tehnic, fig. 2.2.5.


70

Fig. 2.2.5 Schema de functionare a unui sistem de propulsie cu motor cu ardere interna: 1 - tubul etambou;

2-garnitura tub etambou tip Simplex; 3 - circuitul de ungere al pistonului; 4 - circuitul de racire al pistonului; 5 -

circuitul de racire cu aer; 6 - circuitul de ungere al cilindrului; 7 - turbo-compresor; 8 - economizor gaze de

evacuare; 9 - schimbator de caldura pentru combustibil (FO); 10 - tanc de consum; 11 - schimbator de caldura;

12 - tanc de combustibil; 13 – punte principala; 14 - sistem de separare a apei prin decantare; 15 - sistem de

separare a reziduurilor; 16 - sistem de incalzire; 17 - tanc de reziduuri petroliere (sludge tanc); 18 – separator ulei

de ungere; 19 – propulsor; 20 – caldarina; 21- sistem de ventilatie tancuri. Circuitele sistemului de

propulsie: - circuitul de ulei de ungere (lubrifiants); - circuitul de reziduuri hidrocarburi (wasted oil); -

circuitul de apa dulce (fresh water); - circuitul de apa de mare (sea water); - circuitul de combustibil (Fuel

Oil, FO); - circuitul de gaze de evacuare (soot); - fum (smoke); - circuitul de aer de supra alimentare

(blowed air).

Temă pentru studiu 2.2.1: Consultaţi sursa bibliografică de la punctul 10, US_2_2 şi

identificaţi şi alte variante de propulsie pentru nave.

2.2.2 Determinarea puterii necesare pentru propulsia navei

În faza iniţială de proiectare a unei nave, pentru evaluarea puterii de propulsie, a

caracteristicilor propulsorului, liniei de arbori, tipului şi caracteristicilor maşinii principale de

propulsie, un rol important îl are determinarea rezistenţei la înaintare. Rezistenţa la înaintare

este influenţată de o serie de factori, dintre care cei mai importanţi sunt:

- regimul de curgere al apei (laminar sau turbulent) în jurul carenei, care este determinat de

viteza navei şi de starea suprafeţei udate (rugozitate, grad de coroziune, depuneri de alge şi

vieţuitoare marine);

- adâncimea la care are loc mişcarea navei (la suprafaţă, la mică sau mare imersiune);

- viteza de deplasare a navei;

- caracteristicile şenalului navigabil (lăţime, adâncime);

- situaţia de încărcare a navei, cu implicaţiile pe care aceasta le are asupra pescajului, asietei

şi poziţiei transversale;

- factorii fizico-chimici specifici zonei de navigaţie (caracteristicile hidro-meterologice, etc.).


71

Literatura de specialitate recomandă următoarea relaţie pentru determinarea rezistenţei

totale la înaintare (nava se află în probe, carea fiind nouă şi proaspăt vopsită):

APARFNT RRRRR (2.2.1)

unde: RT - este rezistenţa totală la înaintare a navei; RFN - rezistenţa la frecare pentru navă;

RR - rezistenţa reziduă; RA - rezistenţă suplimentară, care ţine seama de rugozitatea carenei,

şi de rezistenţa aerodinamică pentru o viteză a vântului egală cu zero; RAP - rezistenţa datorată

apendicilor. În bibliografia de la sfârşitul acestui capitol sunt recomandate o serie de lucrări,

în care sunt prezentate metode analitice pentru evaluarea preliminară a rezistenţei la înaintare.

În concluzie rezistenţa înaintare este:

SvCR TT 2

2

1 (2.2.2)

unde: TC - coeficientul rezistenţei totale la înaintare; - densitatea apei; v - viteza de marş;

S - aria suprafeţei udate.

Pentru înţelegerea indicatorilor de performanţă ai lanţului de propulsie, fig. 5.2.6, vom

face următoarele precizări. În condiţii reale, o elice montată în pupa corpului navei

funcţionează într-un curent neuniform, dependent de forma carenei. Mişcarea navei induce în

jurul elicei o curgere complexă, aleatoare, care este perturbată de forma carenei, numită

mişcare de siaj. Curgerea apei în zona pupa, analizată în absenţa propulsorului, se numeşte

mişcare nominală de siaj iar viteza medie de curgere din acest plan se numeste viteză de

avans, Av . În general, viteza de avans este mai mică decât viteza navei v (raportată la viteza

apei de la infinit). În acest fel viteza efectivă este:

AW vvv (2.2.3)

iar coeficientul de siaj, w:

vvvw A /)( (2.2.4)

În momentul în care prin rotire elicea crează împingere în pupa navei, concomitent se

produce şi accelerarea apei din faţa sa, efectul global fiind reducerea presiunii în zona bolţii

pupa. Fenomenul are ca rezultat aşa numita sucţiune care contribuie la mărirea rezistenţei la

înaintare a navei peste valoarea masurată (a corpului fără elice), la aceeaşi viteză.

Fig. 2.2.6 Indicatorii de performanţă ai lanţului de propulsie


72

Dacă notăm cu T, forţa de împingere, datorată propulsorului atunci forţa de accelerare

a navei, F este:

TRTF (2.2.5)

iar coeficientul de sucţiune, t, care ia în calcul “pierderea de împingere” devine:

TRTt T /)( (2.2.6)

Astfel, randamentul corpului navei este:

)1/()1( wtH (2.2.7)

În conformitate cu fig. 2.2.6 definim randamentele parţiale ale sistemului de propulsie:

R - randamentul relativ de rotaţie; 0 - randamentul propulsorului în apă calmă; B -

randamentul propulsorului în condiţii normale de funcţionare, RB 0 ; D - randamentul

de propulsiv, BHD ; S - randamentul liniei de arbori; T - randamentul total de

propulsie.

Utilizând relaţia (5.2.2) rezultă că puterea de remorcare EP este:

SvCvRP TTE 3

2

1 (2.2.8)

În mod analog puterile parţiale ale sistemului de propulsie: TP - puterea furnizată de

elice, HET PP / ; DP - puterea la axul portelice, BTD PP / ; BP - puterea la flanşa maşinii

principale de propulsie, SDB PP / . Prin urmare relaţia dintre randamentele parţiale şi

puterile parţiale asociate sistemului de propulsie se poate scrie sub forma:

SRHSBH

B

D

D

T

T

E

B

ET

P

P

P

P

P

P

P

P 0 (2.2.9)

Pornind de la relaţiile (5.2.2) şi (5.2.8) se observă că rezistenţa la înaintare şi puterea

de remorcare depind de puterea a treia a vitezei, fig. 5.2.7.

Fig. 2.2.7 Relaţiile funcţionale )(1 vfRT şi )(2 vfPE

Temă pentru studiu 2.2.2: Care este valoarea aproximativă a puterii necesare penru

propulsie pentru următoarele nave: cargou 15.000 tdw, petrolier 150.000 tdw, container

6000 TEU.


73

2.2.3 Regimurile de funcţionare ale motoarelor cu ardere internă

După cum se precizează şi în sursele bibliografice, de la sfârşitul acestei unităţi de

studiu, exploatarea motoarelor cu ardere internă, utilizate în domeniul naval preupune

realizarea corelărilor necesare în raport cu starea de navigabilitate. În cele ce urmează vom

încerca să clarificăm câteva din aceste aspecte.

Puterile regimurilor de funcţionare ale motoarelor principale

Este de domeniul evidenţei că motoarele de propulsie funcţionează în diferite condiţii

de exploatare, determinate de starea tehnică a navei şi a instalaţiei de propulsie, precum şi de

factorii externi, care influenţează funcţionarea. În ansamblul lor condiţiile de exploatare,

reliefate prin indicatorii de putere, economicitate, solicitări termice, mecanice şi altele,

caracterizează regimul de funcţionare al motorului naval de propulsie.

Regimul de funcţionare al motorului de propulsie, depinde de: tipul navei, condiţiile

de navigaţie, construcţia corpului navei, tipul propulsorului şi al modului de transmitere a

energiei de la motor la propulsor. Cunoaşterea regimului de funcţionare permite studierea

corespunzătoare a alegerii diferitelor componente ale sistemului de propulsie. Regimurile de

funcţionare ale motoarelor de propulsie se împart în: regimuri permanente sau staţionare şi

regimuri nepermanente sau nestaţionare.

Regimul permanent se caracterizează prin: sarcină, turaţie şi solicitări termice şi

mecanice ale organelor motorului constante, în limitele de variaţie datorate sistemelor de

reglare. Pentru regimul nepermanent este caracteristică variaţia în limite largi a factorilor mai

sus menţionaţi.

Aprecierea regimului de funcţionare al motorului se realizează prin intermediul

indicilor energetici, economici şi de exploatare. Ca indici energetici şi economici se admit:

puterea efectivă, puterea indicată, momentul motor, presiunea medie efectivă şi presiunea

medie indicată, turaţia, consumul specific de combustibil, efectiv şi indicat. Ca indici de

exploatare se pot menţiona mărimile presiunii, ale temperaturii stabilite la probele prototipului

şi unii parametri suplimentari care permit estimarea solicitărilor termice şi mecanice ale

motorului principal.

În terminologia de exploatare, pentru motoarele de propulsie navale sunt folosiţi

următorii termeni, care caracterizează regimurile de funcţionare:

Puterea nominală (Pnom) reprezintă puterea pe care o dezvoltă motorul în timpul

regimului nominal (nominal rating) în mod continuu, timp îndelungat. Durata de funcţionare

la puterea nominală este dependentă de tipul motorului (rapid, semi-rapid sau lent) şi este

prescrisă de uzina constructoare reprezentând puterea de calcul.

Puterea maximă (Pe max) este puterea cea mai mare pe care o poate dezvolta motorul pe

o durată limitată de maxim 1-2 ore, în timpul regimului de suprasarcină. Puterea dezvoltată în

timpul acestui regim este cu 15-20% mai mare decât puterea corespunzătoare regimului

nominal iar nmax≈1,1·nnom.

Puterea de exploatare (Pexpl) este puterea pe care, poate să o dezvolte motorul fără

restricţie asupra duratei de funcţionare, în timpul regimului de exploatare. În mod curent

enoml PP )9,0...8,0(exp iar noml nn 95,0exp . Puterea de exploatare este dezvoltată de motorul

principal la regimul de viteză nominală al navei. Pentru navele flotei comerciale regimul de


74

putere se realizează în timpul celei mai mari durate de timp din întreaga durată de exploatare

anuală a unei nave.

Puterea economică (Pe_ec) este puterea este puterea la care motorul funcţionează cu

consum specific minim de combustibil. În mod obişnuit, în timpul regimului economic

(economy rating) enomece PP )85,0...8,0(_ .

Puterea minimă (Pe min) este puterea pe care o dezvoltă motorul la deplasarea navei cu

viteză minimă, fără restricţii de timp. Regimului de putere minimă îi

corespunde nomel PP _min_exp )25,0...2,0( şi noml nn )35,0...25,0(exp .

Puterea la mers în gol corespunde regimului de turaţie minimă stabilă, când motorul

funcţionează fără sarcină iar nomee PP _min_ )15,0...05,0( şi noml nn )2,0...15,0(_minexp .

În cazul sistemului de propulsie cu EPF, la care motorul principal este cuplat direct cu

propulsorul, turaţia arborelui motor, la regimul prevăzut, se stabileşte din condiţia realizării

vitezei impuse navei. În acelaşi timp, în funcţie de condiţiile de navigaţie (condiţiile

hidrometeorologice specifice zonei de navigaţie, pescajul, starea carenei, starea tehnică a

motorul principal, etc.), viteza navei poate să varieze în decursul aceluiaşi voiaj. Prin urmare,

la aceeaşi viteză a navei, totală sau parţială, turaţia arborelui şi puterea motorul principal, nu

se menţin constante, acestea oscilând în jurul unor mărimi medii. Datorită celor arătate prin

puterea de exploatare e expP , se înţelege mărimea medie a puterii pentru care în decursul

voiajului se realizează viteza dată a navei.

În cazul sistemului de propulsie cu EPR, viteza navei poate fi realizată atât prin

modificarea turaţiei propulsorului cât şi prin modificarea raportului de pas, ceea ce conferă

acestor instalaţii unele calităţi suplimentare faţă de sistemele d epropulsie cu EPF.

La unele tipuri de nave, sistemul de propulsie trebuie să îndeplinească condiţii

suplimentare, cum ar fi realizarea de împingeri maxime la viteze reduse ale navei

(remorchere, spărgătoare de gheaţă, etc.).

Caracteristicile funcţionale ale motoarelor navale

Pentru aprecierea indicilor tehnico-economici ai motoarelor, care funcţionează în

diferite condiţii, se folosesc caracteristicile funcţionale. Prin intermediul acestor caracteristici

se stabilesc dependenţele funcţionale între parametrii principali ai motoarelor navale şi

factorii care influenţează funcţionarea lor. Este necesar să deosebim caracteristicile proprii ale

motorului şi caracteristicile receptorului de energie, acţionat de motor. Caracteristicile

motoarelor navale depind de tipul şi construcţia sa, pe când caracteristicile receptorului de

energie depind de tipul şi construcţia acestuia după cum am arătat şi în cadrul capitolului

(formele corpului navei, construcţia propulsorului şi condiţiile de navigaţie).

Pentru construcţia caracteristicilor se consideră ca parametru principal şi variabilă

independentă: turaţia arborelui motor (arborelui port-elice), sau puterea. În primul caz se

deosebesc caracteristicile de turaţie, care pot fi: exterioare, limitative, parţiale, universale,

economice, de elice, de regulator şi de mers în gol.

Caracteristica de turaţie desemnează dependenţa dintre un parametru principal de

funcţionare al motorului (Pe, Me, pe, ce, s.a.) şi turaţia n a arborelui cotit. Pentru o poziţie fixă

a organului de reglare şi o cantitate maximă de combustibil injectat pe ciclu caracterisitca de

turaţie se numeşte caracterisitcă externă.


75

Pentru reprezentarea grafică din fig. 2.2.8 numim caracteristică exterioară de turaţie

limită (de putere maximă - maximorum), curba 1, care reprezintă dependenţa puterii maxime

accesibilă a motorului principal, în funcţie de turaţie. Funcţionarea motoarelor navale pe

această caracteristică este permisă pe durate scurte de timp, numai pe standul de probe al

uzinei constructoare. Deoarece funcţionarea motoarelor navale în aceste condiţii conduce la

depăşirea solicitărilor termice maxime, folosirea caracteristicii exterioare de putere limită-

maximă, în exploatare este cu desăvârşire interzisă.

Caracteristica exterioară de putere maximă, )(max_ nfPe , curba 2, reprezintă

dependenţa dintre puterea maximă şi turaţie, când motorul funcţionează cu organul de reglare

delimitat (pentru puterea maximă), pentru o durată redusă de timp. Durata de funcţionare la

putere maximă, inclusiv durata de funcţionare între două regimuri de putere maximă sunt

prescrise în normele tehnice de exploatare ale motoarelor navale.

Fig. 522.8 Caracteristicile de turaţie ale unui motor de propulsie navală

Caracteristica exterioară a puterii nominale, curba 3, reprezintă dependenţa dintre

puterea motorului şi turaţie, pentru care uzina constructoare garantează toţi indicii principali

de exploatare ai motorului.

Caracteristica puterii de exploatare, curba 4, reprezintă dependenţa dintre puterea

motoarelor navale folosită în exploatare şi turaţie. Pe această caracteristică motoarele navale

trebuie să funcţioneze sigur şi economic fără limitarea duratei de timp.

Caracteristicile puterilor parţiale, curbele 5, se obţin prin reducerea cantităţii de

combustibil injectate pe un ciclu.

Pentru situaţia de exploatare în care motorul naval funcţionează în gol, puterea

dezvoltată la oricare turaţie, va fi egală cu puterea consumată prin frecări mecanice şi pentru

acţionarea mecanismelor proprii. Turaţiile minime la care motorul funcţionează sigur şi stabil

sunt cuprinse între de circa (25-30%) din turaţia nominală. Turaţiile minime delimitează

domeniul de funcţionare al motorului prin curba 7.


76

Prin caracteristică de regulator, curba 8, domeniul de funcţionare al motorului este

delimitat în partea turaţiilor nominale şi maxime.

La funcţionarea în sarcină, motorul de propulsie navală este delimitat de caracteristica

de elice, curba 9.

Temă pentru studiu 2.2.3: Pentru navele identificate în cadrul temei 2.2.3,

determinati valorile aproximative pentru: puterea nominală (Pnom), puterea maximă (Pe max),

puterea de exploatare (Pexpl), puterea economică (Pe_ec), puterea minimă (Pe min), puterea la

mers în gol.

2.2.4 Influenţa funcţionării sistemului motor-propulsor asupra stariiea de navigabilitate

Pentru a intelege modul in care funcţionarea sistemului motor naval-propulsor

influenteaza starea de navigabilitate, in cele ce urmeaza vom analiza câteva situaţii de

navigaţie.

Navigaţia pe valuri mari presupune o rezistenţa de val mai ridicata si implicit o

creştere cu 3-4% a solicitarilor asupra elicei, fata de navigatia in apa calma, cand la aceeaşi

putere la elice, turaţia va fi cu 3-4% mai redusă. Pe de altă parte, în unele cazuri cu vânt

puternic din prova, procentul de crestere poate fi şi mai mare. Pentru a evita avarierea pupei şi

a elicei, ofiţerul de cart va reduce viteza navei.

In faza de accelerare a navei, elicea va fi mult mai solicitată decât în cazul unui marş

cu viteză constantă iar motorul va funcţiona supraturat.

În cazul navigaţiei în zone cu ape puţin adânci rezistenţa reziduală a navei va creşte

iar elicea va fi suprasolicitată faţă de cazul în care se navigă în mare deschisă.

În cazul navigaţiei la regimuri de viteza mai mici decat viteza de siguranţă efectul de

guvernare al cârmei va fi insuficient din cauza vitezei reduse a curentului (de obicei viteza de

siguranţă este de 3,5-4,5 Nd). Potrivit legii de funcţionare a elicei va fi necesară o putere

scăzută de propulsie care va fi mai mare pe vreme nefavorabilă datorită creşterii rezistenţei la

înaintare.

Analizand situatiile de navigatie prezentate mai sus deducem ca puterea consumata si

turatia motorului naval difera de la un caz la altul. Pentru intelegerea mai facila a modului in

care sistemul de propulsie influenteaza starea de navigabilitate vom reprezenta diagrama din

figura 2.2.8 intr-o forma mai simpla.

După cum se cunoaşte, puterea dezvoltată de un motor diesel BP este proporţională cu

presiunea medie efectivă pe şi turaţia motorului n. Folosind constanta c, BP poate fi exprimat

astfel:

3ncnpcP eB (2.2.10)

În cazul general expresia este:

i

B ncP (2.2.11)

În figura 2.2.9 este reprezentata funcţia liniară bxay Logaritmand relatia

(2.2.11) obtinem:

)lg()lg()lg( cniPB (2.2.12)


77

care este echivalentă cu ecuaţia dreptei bxay :

Prin urmare, curbele de elice vor fi paralele cu liniile care au o panta i=3, iar curbele

corespunzatoare presiunii medii efective ep , vor fi paralele cu dreptele care au o panta i=1,

figura 2.2.10. În concluzie, pentru diagramele motorului şi pentru diagramele de sarcină

descrise mai jos, se folosesc scări logaritmice, rezultând diagrame simple cu linii drepte.

Fig. 2.2.9 Reprezentări liniare Fig. 2.2.10 Curbele functiei putere in scări logaritmice

Pe baza acestei analogii utilizarea scărilor logaritmice, pentru constructia

caracteristicilor de functionare, permite reprezentarea acestora prin linii drepte, aspect care

asigura o interpretare mult mai facila a diagramelor de functionare ale motoarelor navale.

Fig. 2.2.11 Domeniul si punctele de functionare ale motorului principal: L1-L3, L2-L4 - liniile valorilor

extreme ale presiunii medii efective; L1-L2, L3-L4 - liniile corespunzatoare valorilor extreme ale turatiei; 2- curba

de elice „grea” (Heavy propeller curve - fouled hull and heavy weather); 6- curba de elice „uşoară” (Light

propeller curve - clean hull and calm weather); MP - punct de funcţionare continuă maximă pentru propulsie

(Specified propulsion point); SP - punct de funcţionare continuă pentru propulsie (Continuous service propulsion

point SP) Service propulsion point); PD - punct proiectat de funcţionare a elicei (Propeller design point - PD);

PD’ - punct alternativ proiectat de funcţionare a elicei (Propeller design point - PD); LR - functionarea elicei

uşoare (Light running propeller); HR - functionarea elicei grele (Heavy running propeller).


78

Pornind de la aspectele matematice evidenţiate mai sus, in cele ce urmează vom

analiza punctele de funcţionare specifice propulsiei, diagrama de incarcare, figura 2.2.11 şi

caracteristicile funcţionale ale motorului naval de propulsie, figura 2.2.12.

Punct proiectat de funcţionare a elicei (Propeller design point - PD)

Estimările pentru puterea şi turatia, care trebuie dezvoltate de elice, se fac pe baza

unor calcule teoretice, ulterior validate prin intermediul testelor în bazinele de incercari

(situatie in care nava are corpul curat iar conditiile de navigatie corespund situatiei de mare

calmă). Coordonatele putere-turatie pentru punctul PD corespund punctului proiectat de

funcţionare al elicei, aflat pe curba 6. Constructorii navali utilizeaza un punct de funcţionare

al elicei "PD , care include total sau parţial aşa-numita rezervă de mare (sea margin).

Carena încărcată (Foulled hull). Rezerva de mare (Sea margin).

Dupa cum am mentionat în acest capitol rezistenta la inaintare creste odată cu

încărcarea carenei cu vegetatie si scoici si cu înrăutatirea conditiilor de navigatie (valuri,

vanturi, etc). În aceste conditii elicea devine „grea”, iar dacă motorul nu furnizează o putere

mai mare, viteza navei va scădea. Daca vom lua in calcul rezistenta la inaintare suplimentara,

indusa de valurile si vanturile puternice, este necesar ca motorul sa dispuna de o rezerva de

putere, care sa asigure functionarea in conditii mai dificile de navigatie. Rezerva de putere

asociata acestor conditii se numeste rezerva de mare care de cele mai multe ori are o valoare

de aproximativ 15% din puterea motorului.

Punct de funcţionare continuă pentru propulsie (Continuous service propulsion point SP)

Punctul SP, numit punct de funcţionare continuă pentru propulsie, se află pe curba 2 şi

inglobeaza atat „functionarea grea” cat si „rezerva de mare”. Curba 6 reprezinta functionarea

elicei usoare LR, evidentiata prin intermediul coeficientului de functionare usoara fLR (light

running factor):

_[%]100.

..

ic

icccLR

n

nnf (2.2.13)

unde: nc.c - turatia motorului cand carena este curata; nc.i - turatia motorului cand carena este

incaracta cu vegetatie si scoici.

Rezerva motorului (Engine margin)

În plus fata de rezerva de mare proiectantul sistemului de propulsie navala asigura si o

rezerva a motorului, ale carui valori sunt de aproximativ 10% din puterea motorului. Punctul

de functionare corespunzator se defineste ca punct de funcţionarea continuă maximă pentru

propulsie MP, puterea fiind cu 10% mai mare decat cea din punctul SP. Daca motorul

principal nu asigura si antrenarea unui generator de ax punctul MP este identic cu punctul M,

corespunzator functionarii continue maxime a motorului (engine specificed MCR).

Corelarea funcţionării sistemului motor naval - propulsor impune analiza rezervelor de

mare si de motor pentru funcţionarea uşoară sau grea a elicei. Daca situatia de funcţionare se

referă la degradarea corpului şi elicei, cele doua rezerve iau in consideraţie influenţa vantului şi

starea mării.


79

Caracteristicile funcţionale ale motorului de propulsie navală

Utilizarea diagramelor construite pe baza scarilor logaritmice este mult mai usoara, in

comparatie cu diagramele construite cu scari liniare. Transpunerea caracteristicilor

functionale din scara liniara din fig 2.2.8 in scara logaritmica este realizata in fig. 2.2.12.

Fig. 2.2.12 Caracteristicile funcţionale ale motorului naval: O- punctul de funcţionare optimă O

(caracterizeaza funcţionare economică a motorului); M - punctul de funcţionare maximă continuă; A - punctul de

referinţă (speed and power reference point); 1 - Caracteristica de elice (propeller curve), corespunzătoare

parametrilor nominali; 2 - Caracteristica de „elice grea” („carena cu barbă şi marea agitată” - heavy propeller

curve fouled hull and heavy seas); 3 - Caracteristica de turaţie maximă acceptată pentru funcţionare continuă

(105% din valoarea nominală); 4 - Caracacteristica externă de putere maximă; 5 - Caracteristica presiunii medii

efective realizată la exploatarea continuă; 6 - Caracteristica de „elice uşoară” („carena curată şi mare calmă”,

light propeller curve clean hull and calm weather); 7 - Caracteristica puterii maxime continue; 8 - Caracteristica de funcţionare în suprasarcină; 9 - Caracteristica de turaţie maximă stabilită în cadrul probelor de mare, 110 %

din valoarea nominal (Sea trial speed limit); 11- Curbele de presiune medie efectivă constantă (Constant mean

effective pressure, mep, lines).

Analiza acestei diagrame ne arata ca functionarea continua fara limitare de timp a

motorului este permisa in interiorul ariei limitate de liniile 4-5-7-3. Domeniul dintre liniile 4-1

corespunde exploatarii navei in conditiile „elicei grele”: aceelerarea navei, carena incarcata,

ape mai putina adanci, vreme rea. În conditiile „elicei usoare” domeniul se extinde pana la

linia 6. Domeniul de functionare in suprasarcina este limitat prin linia 8, situatie in care

exploatarea motorului in aceasta zona este permisa pentru interval reduse de timp (1-12 ore).

Temă pentru studiu 2.2.4: Pentru voiajul N.S Albatros, pe ruta Constanta-Instanbul

analizati modul in care functionarea motorului principal influenteaza starea de

navigabilitate.


80

2.2.5 TESTE DE AUTOEVALUARE

1. În cazul instalaţiei navale de propulsie cu transmisie directă afirmaţia corectă este

următoarea:

a) dacă maşina de propulsie este reversibilă atunci propulsorul este o elice cu pas fix;

b) dacă maşina de propulsie este ireversibilă atunci propulsorul este o elice cu pas fix;

c) reductorul dezvoltă forţa de împingere necesară învingerii rezistenţei la înaintare;

d) dacă maşina de propulsie este un motor rapid sau semirapid propulsorul va asigura rotaţia

propulsorului cu turaţii cât mai mari.

2. În cazul instalaţiei navale de propulsie cu transmisie direct afirmaţia corectă este

următoarea:

a) dacă maşina de propulsie este ireversibilă atunci propulsorul este o elice cu pas fix;

b) lagărul de împingere dezvoltă forţa de împingere necesară învingerii rezistenţei la

înaintare;

c) dacă propulsorul este elice cu pas fix sistemul este prevăzut cu un mecanism de schimbare

a pasului;

d) toate variantele de răspuns sunt incorecte.

2.2.6 LUCRARE DE VERIFICARE

1. Pentru sistemul de propulsie cu transmisie indirectă al unei nave comerciale se cunosc:

viteza de marş 20 Nd; rezistenţa totală la înaintare RT = 500 KN; coeficientul de siaj w = 0,3;

coeficientul de sucţiune t = 0,25; randamentul relativ de rotaţie al propulsorului ηR = 1;

randamentul propulsorului în apă calmă η0 = 0,6; randamentul reductorului - inversor, ηred

=0.96; randamentul liniei de arbori ηla =0.96. În condiţiile în care maşina de propulsie

funcţionează corespunzător regimului economic de marş calculaţi: randamentul total de

propulsie; puterea la flanşa maşinii de propulsie (puterea efectivă pentru propulsie sau

puterea nominală); puterea corespunzătoare regimului economic Pec.; puterea

corespunzătoare regimului de exploatare Pexpl.; rezerva de putere ΔP.

2. Precizaţi elementele componente pentru schemele de propulsie din fig.

Fig. 2.2.13


81

2.2.7 RĂSPUNSURI LA TESTELE DE AUTOEVALUARE

1. A; 2. B.

2.2.8 BIBLIOGRAFIE

1. Dragalina, A., Costiniuc, C., ş.a., 2007. Maşini şi instalaţii navale. Editura Muntenia,

Constanţa, ISBN 978-973-692-206-0.

2. Filip, G., 2011. Vademecum Roman-englez Pentru Cadeti Electromecanici (Romanian-

English Guide Book for Electromechanic Cadets). Ediţie electronică aniversară, Târgu Mureş,

2011, ISBN 9730119058, 9789730119053.

3. Harvald, S., A., 1977/1986. Prediction of Power of Ships.

4. Journée, J.M.J, Meijers, J.H.C, 1980/2001. Ship Routeing for Optimum Performance.

Rapport 0529-P, 1980, Delft University of Technology, Ship Hydromechanics Laboratory,

Mekelweg 2, 2628 CD Delft, The Netherlands. Reprinted: 24-11-2001, Website:

www.shipmotions.nl.

5. MAN Diesel & Turbo, 2012. Basic Principles of Ship Propulsion.info-

[email protected] www.mandieselturbo.com.

6. McGeorge, H., D., 2002. Marine Auxilary Machinery. Elsevier Science, Linacre House,

Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041, ISBN 0 7506

4398 6.

7. Mohamed Morsy El-Gohary, Hossam Ahmed El-Sherif, 2007. Ship Propulsion Systems.

Alexandria University, Faculty of Engineering Naval Architecture and Marine Engineering

Department.

8. Moody, R., D., 1996. Preliminary power prediction during early design stages of a ship.

Cape Technikon Theses & Dissertations, Theses & Dissertations. Cape Peninsula University

of Technology Digital Knowledge.

9. Nicolae, F., 2003. Mașini si instalații navale. Volumul 1. Editura Ex Ponto, Constanta 2003

ISBN: 9736442616.

10. Taylor, D., A., 1996. Introduction to Marine Engineering. Elsevier Butterworth

Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford 0X2 80F 200 Wheeler Road, Burlington, MA

01803.

11. Trifan, A., Olaru, N., 2010. Instalaţii energetice navale cu motoare cu ardere internă.

Tehnologii de reducere a poluării mediului marin. Editura Dobrogea 2010.

12. Uzunov, G., Pruiu, A., ş.a., 1997. Manualul ofiţerului mecanic maritim, vol.1, vol.2.

Editura Tehnică, Bucureşti, 1997.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

unitwin_mmhpe_us_2_2

Documents