CAPITOLUL 4. DETERMINAREA PUTERII DE PROPULSIE NECESARE.
STABILIREA TIPULUI DE INSTALAIE DE PROPULSIE4.1. Calculul puterii
necesare la instalaia de propulse pentru a atinge regimul de
deplasare propus
Dup cum am menionat la capitolul 2, vom considera c valorile de
referin care vor fi utilizate n continuare, vor fi valorile
rezultate n urma efecturii probelor de bazin de ctre ICEPRONAV
S.A., datorit acurateii mai ridicate n comparaie cu precizia
rezultatelor obinute n urma efecturii calculelor caracteristicii
statice, R(v), pe baza seriilor de diagrame Harvald.
Astfel, pentru a atinge o vitez de deplasare de 34 Nd, vitez la
care valoarea rezistenei totale la naintare este Rt = 2032,107
[kN], este necesar o putere de remorcare
Pr = 48358,9 [CP] (PkW)
Puterea de remorcare (de mpingere) este puterea realizat la
nivelul propulsorului; pentru a determina puterea necesar la
nivelul flanei mainii termice de propulsie, se efectueaz un calcul
n care se ine seama de randamentul mecanic al propulsorului, al
cuplajelor i mecanismelor care alctuiesc instalaia, dup cum
urmeaz:
randamentul propulsorului:
p 65 %;
randamentul mecanic al liniilor de axe:
la 98 %;
randamentul mecanic al reductor inversorului:r 87 ... 98 %;
Se determin urmtoarele valori:
puterea necesar la nivelul propulsorului:
[CP] (101818,35 kW) puterea necesar la nivelul liniilor
axiale:
[CP] (103147,6 kW) puterea necesar la nivelul reductor
inversorului:
[CP] (107445,42 kW)
La nivelul mainii termice de propulsie se ia n calcul i o rezerv
de putere de 10% pentru a acoperi necesarul de putere la
funcionarea n suprasarcin, pentru a evita suprasolicitarea mainii
termice.
Din cele de mai sus, rezult:
[CP](118189,96 kW)
Datorit puterii mari necesare, se va avea n vedere posibilitatea
utilizrii unei instalaii de propulsie combinate, care s foloseasc
turbine cu gaze pentru atingerea regimului maxim de vitez
considerat.
4.2. Rolul instalaiei de propulsie. Clasificarea instalaiilor de
propulsie4.2.1. Rolul instalaiei de propulsiePrin sistem sau
instalaie naval de propulsie, se definete complexul format din
mainile principale i auxiliare, care au rolul de a transforma
energia coninut n combustibil n energie termic, mecanic, electric i
hidraulic, destinat pentru:
1. Dispunerea navei in condiiile normale de exploatare, cu
viteza prevzut, pe drumul dorit.
2. Funcionarea mainilor i a instalaiilor ce deservesc mainile
principale de propulsie.
3. Alimentarea cu energie electric a aparaturii de navigaie a
instalaiilor de semnalizare i a aparatelor i sistemelor de msur,
control i comand, a sistemslor de propulsie i a altor
instalaii.
4. Acionarea mecanismelor de punte folosite pentru diverse
operaiuni n timpul exploatrii navei.
5. Funcionarea instalaiilor care asigur condiii normale de via
pentru cltori i echipajul navei.
6. Funcionarea diferitelor agregate i instalaii care ndeplinesc
sarcini deosebite la bordul navei.
4.2.2. Structura instalaiei de propulsieStructural, instalaia de
propulsie poate fi prezentat conform schemei din figura 4.1.
Fig. 4.1. Structura sistemului energetic al navei
Combustibilul primar intr n prima treapt de conversie (I), unde
prin ardere sau reacie nuclear, se obine energia termic coninut n
agentul termic direct (gaze de ardere) n instalaiile care utilizeaz
combustibili fosili sau n agentul intermediar (ap sub presiune) n
cazul combustibililor nucleari. Agentul termic direct obinut n urma
primei trepte de conversie lucreaz n main, unde prin destindere
realizeaz energia mecanic colectat la axul motorului sau turbinei
cu gaze, ori poate fi convertit n abur ntr-un generator de abur i
utilizat, n cazul mainilor tip turbin cu abur sau main alternativ.
Astfel, n main se realizeaz a doua treapt de conversie (II),
obinndu-se energie mecanic n urma destinderii agentului termic
obinut n prima treapt.
Energia mecanic poate fi consumat pentru propulsie i / sau n
instalaiile energetice, pentru producerea energiei electrice ori a
energiei hidro pneumatice de la bord, energia necesar fiecrui tip
de consumator obinndu-se n treapta a III-a de conversie.
Componenta principal a sistemului energetic o reprezint
instalaia de propulsie, la care conversia succesiv a
combustibilului primar se face n scopul antrenrii
propulsorului.
Din structura sistemului energetic rezult c pentru instalaia de
propulsie se pot adopta variante care deriv din posibilitatea de a
alege din mai multe maini de propulsie, transmisii i
propulsoare.
Variantele instalaiilor de propulsie rezult din schema
structural prezentat n figura 4.2, n care pentru reprezentarea
elementelor componente s-au utilizat simbolurile urmtoare:
Tabelul 4.1Simboluri ale elementelor componenete ale
instalaiilor de propulsieSimbolSemnficaiaSimbolSemnificaia
M2TMotor n doi timpiM4TMotor n 4 timpi
TTransmisie mecanic simplRTransmisie mecanic cu reductor
EElice cu pas fixRITransmisie mecanic cu reductor inversor
DNav de deplasamentEPRElice cu pas reglabil
Fig. 4.2. Structura instalaiilor de propulsie
n figurile de mai jos sunt prezentate schematic diferite tipuri
de instalaii de propulsie i definrea lro conform simbolurilor
propuse.
Schemele prezentate sugereaz o mare varietate a instalaiilor de
propulsie, dintre care poate fi aleas cea care corespunde cel mai
bine tipului navei, parametrilor nstalaiei de propulsie i
condiiilor de exploatare. n cele ce urmeaz se vor analiza cteva
exemple.
n cazul navelor de deplasament mare, nu sunt restricii n ceea ce
privete spaiul din compartimentul maini. Pescajele mari ale acestor
nave fac posibil utilizarea elicilor cu diametre mari, care au
randamente de propulsie bune. n aceste condiii se impun instalaiile
de propulsie cu motor lent i antrenare direct a propulsorului (fig.
4.3.).
Fig. 4.3.Instalaii de propulsie cu antrenare direct a
propulsorului
n cazul navelor de tonaj mediu, cu viteze mari, restriciile de
spaiu sunt mai severe i compartimentele de maini de care se dispune
sunt mai reduse. Ca atare, se vor utiliza motoare semirapide,
cuplate prin reductor la elice cu pas fix sau variabil. Configuraia
motor de propulsie reductor linie de arbori elice, poate fi ntlnit
sub diferite forme: cu un motor semirapid ireversibil, cuplat prin
reductor la o elice cu pas reglabil (fig. 4.4a.), sau cu motor
semirapid, reversibil, caz n care se poate uliliza elicea cu pas
fix, soluia fiind mai ieftin, ns cu o manevrabilitate mai slab. Dac
sunt necesare puteri mai mari, instalaia de propulsie poate fi
format din mai multe motoare, cuplate pe una sau mai multe linii de
arbori. (fig. 4.4.b), variante care permit cuplarea n diferite
configuraii la motoarele celor dou linii de arbori prin cuplaje tip
ambreiaj.
Fig. 4.4.
n cazul instalaiilor de propulsie ale navelor specializate
(pescadoare, nave tehnice, etc.), necesarul de energie electric n
mar poate fi satisfcut prin generatoare de arbore, prezentate n fig
4.5. i n figura 4.7.
Fig. 4.5.
Pentru propulsia diesel electric sunt utilizate scheme ca cea
din figura 4.6.a, iar navele propulsate cu elice contrarotative au
instalaia format din dou motoare care antreneaz elicile prin arbori
coaxiali, n sensuri contrare (fig. 4.6.b) sau se pot utiliza
reductoare planetare care mpart puterea unui motor pe cele dou
elici contrarotative (fig. 4.6.c).
a)
b)
c)Fig. 4.6.
n figura 4.7 este prezentat instalaia de propulsie conectat cu
celelalte instalaii energetice prin sistemul de preluare a energiei
electrice de la instalaia de propulsie i prin recuperarea energiei
reziduale pentru propulsie n turbine cu aburi sau gaze.
Fig. 4.7. Structura instalaiei de propulsie
n figura 4.7. s-au utilizat urmtoarele notaii:
1 motor de propulsie;
2 colector de evacuare;
3 colector de adisie;
4 turbina grupului de supraalimentare;
5 compresor;
6 generator de abur recuperativ;
7 generator pe ax;
8 turbina pentru recuperarea energiei pentru propulsie;
9 pomp alimentare;
10 elice cu pas reglabil;
11 cuplaje tip ambreiaj;
12 rcitor aer;
13 condensator;
14 filtru de aer.
4.2.3. Clasificarea instalaiilor de propulsie
Pentru clasificarea sistemelor navale de propulsie se folosesc
doua criterii:
1.Tipul fluidului care evolueaz n mainile principale i auxiliare
ale instalaiei de propulsie, denumit fluid motor;
2.Tipulsubsistemului de transmisie a energiei de la mainile
principale la propulsor: fluidul motor, prin proprietile lui fizice
i chimice, determin att tipul constructiv al mainilor principale i
auxiliare ale sistemului de propulsie, ct i caracteristicile
tehnice i economice de exploatare, deci influeneaz economicitatea
navei. Dupa natura fluidului motor instalaiile navale de propulsie
se mpart n dou grupe principale:
1) sisteme sau instalaii de propulsie cu gaze (SPG);
2) sisteme de propulsie cu aburi (SPA);
Sistemele de propulsie din cele dou grupe pot fi la rndul lor
clasificate, dup tipul mainilor principale si a felului de energie
utilizat:
1) sisteme de propulsie cu motoare cu ardere intern (SPMAI);
2) cu turbine cu gaze (SPTG);
3) combinate, cu motoare cu ardere intern i cu turbine cu gaze
(SPMATG);
4) cu turbine cu gaze care utilizeaz energie nucleara
(SPTGN);
5) cu maini alternative cu aburi (SPMAA);
6) cu turbine cu vapori (SPTA);
7)combinate, cu maini alternative i cu turbine cu vapori
(SPMATV);
8) cu turbine cu vapori, care utilizeaz energie nucleara
(SPTVN).
Subsistemul de transmisie aplicat ntre mainile principale i
propulsor, pentru acelai fluid motor, depinde de tipul mainilor de
propulsie i are influen asupra randamentului de transmisie a
energiei. Dac propulsorul este o elice cu pale fixe EPF, maina
principal trebuie sa indeplineasca doua conditii:
1) s fie reversibil;
2) turaia arborelui mainii de propulsie sp fie egalp cu turaia
propulsorului;
La transmisia direct, energia recepionata de propulsor reprezint
97 98 % din energia dezvoltat de maina de propulsie. Acest tip de
transmisie fiind cel mai simplu, a obinut o mare raspndire, att in
sistemele de propulsie ale navelor maritime ct i fluviale .
Transmisia direct poate fi aplicat i n cazul mainilor
ireversibile, cu condiia ca n locul elicei cu pas fix s fie montat
un propulsor de tipul elice cu pas reglabil EPR. La acest tip de
propulsor, palele se pot roti n jurul axei longitudinale, fapt ce
permite realizarea mersului nainte i de rotaie a arborelui mainii
de propulsie .
4.2.3.1. Instalaia de propulsie cu turbine cu abur
La sfritul secolului al XIX-lea, Charles Parsons a conceput i
realizat prima instalaie de propulsie cu turbine cu aburi, montat
pe nava Turbinia, construit n 1894 i dotat cu o turbin de 700 KW.
Dup unele ncercri i transformri, n 1897, nava Turbinia a realizat
viteza medie record de 34,5 noduri. Din acel an, instalaiile de
propulsie cu turbine cu abur, cu toate c se aflau la nceputul
dezvoltrii lor, au devenit un concurent serios al sistemelor de
propulsie cu maini alternative de abur. Dar sistemele de propulsie
cu turbine nu au eliminat de la bordul navei subsistemul de cazane,
pentru producerea aburului. n plus, a fost nevoie s se introduca o
turbin care s fie folosit numai la mar napoi. Pentru a corela
turaia motorului turbinei cu turaia mai redus a propulsorului, a
fost necesar introducerea unui reductor de turaie. n ciuda acestor
neajunsuri, propulsia cu turbine cu aburi reprezint un succes,
demonstrat n decursul primilor 5 ani de experimentri dup care au
fost create noi unitti. n anul 1910 navele britanice de pasageri
Lusitania i Mauritania erau dotate cu turbine cu aburi, cu o putere
totala de 36850 KW , ca ulterior sa se realizeze sisteme de
propulsie cu abur, cu o putere total de 32000 KW, montat pe
portavionul Saratoga, i o instalaie de 154350 KW a portavionului
LexingtonPrincipalele avantaje care au condus la rspndirea
sistemelor de propulsie cu turbine cu abur sunt:
1) funcionarea silenioas;
2) sigurana mare n exploatare;
3) moment uniform la arborele turbinei;
4) posibiliti mai mari de a folosi combustibili inferiori;
5) masa pe unitatea de putere este mai mic dect a sistemelor cu
motoarelor cu aprindere prin compresie lente;Sistemele de propulsie
cu turbine cuabur au i urmtoarele dezavantaje:
1) consumul specific de combustibil mai mare comparativ cu al
sistemelor de propulsie cu motoare cu aprindere prin compresie
lente;
2) pericolul de incendiu i de explozie la bordul navei este mai
mare decat n cazul sistemelor de propulsie cu motoare cu aprindere
prin compresie lente;
n scopul creterii economicitii se acioneaz pentru mrirea
randamentului cazanului i turbinei, optimizarea mainilor auxiliare,
recuperarea energiilor secundare i extinderea sistemelor de
propulsie cu un singur cazan de vapori, care s asigure debitul
necesar sistemului de propulsie cu turbine.
Analizele tehnico-economice, bazate pe date recente, relev c
sistemele de propulsie cu turbine cu abur sunt competitive cu
sistemele de propulsie cu motoare cu aprindere prin compresie numai
pentru navele ale cror sisteme de propulsie necesit puteri mari, de
peste 30000 kw.
4.2.3.2. Instalaia de propulsie cu motoare cu ardere intern
Instalaia de propulsie de acest tip a fost realizat la inceput
cu motoare cu aprindere prin comprimare, ireversibile, cu
transmisie electrica a energiei intre motorul termic si propulsor.
Primul motor naval reversibil, prezentat la expozitia mondiala de
la Milano din anul 1906, avea patru cilindri si dezvolta 90 CP la
375 rot/min.
Comparnd sistemele de propulsie cu turbine cu aburi, se constat
urmtoarele:
- consumul de combustibil este mai redus, de unde va rezulta o
economicitate mai mare fata de sistemele de propulsie cu turbine cu
aburi;
- cheltuielile necesare pentru reviziile generale periodice sunt
mai mici cu 4050% la sistemele cu motoare cu aprindere prin
compresie;
- costul, precum si cheltuielile de exploatoare a sistemelor cu
motoare cu aprindere prin compresie, avand puteri de 1000030000 KW,
sunt mai mici dect ale sistemelor de propulsie cu turbine cu aburi.
La puteri mai mari de 30000 KW, dup cum s-a artat n paragraful
3.3.3.1, sistemele de propulsie cu turbine cu aburi devin mai
economice;
- durata necesar pentru punerea in funciune a sistemului cu
motoare cu aprindere prin compresie poate fi de 1030 de minute, iar
la sistemele de propulsie cu turbine cu aburi, poate fi de la una
pana la trei ore;
- posibilitatea apariiei incendiilor i a producerii exploziilor
este mult mai mica la navele cu motoare cu ardere intern, datorit
inexistentei subsistemului de generare a vaporilor;
- sistemele de propulsie cu motoare cu ardere intern produc
zgomote si vibraii mult mai puternice dect sistemepe de propulsie
cu turbine cu aburi.Datorit avantajelor tehnice i economicitii pe
care le prezint, sistemele de propulsie cu motoare cu ardere
intern, att numrul navelor dotate cu astfel de instalaii, ct i
puterea motoarelor navale a evoluat continuu.n ultimii ani (1965
1985), dup turatia liniilor axiale, s-au conturat dou tipuri
principale de instalaii de propulsie:
- cu motor lent, cuplat direct cu propulsorul;- cu motoare
semirapide, cuplate prin reductor cu propulsorul;
Dintre sistemele de propulsie cu motoare cua rdere intern,
preponderente ca numar si putere sunt cele cu motoare lente, n doi
timpi, care au urmtoarele avantaje:- cuplarea direct, cu arborele
port-elice, permite realizarea unor sisteme de propulsie mai simple
i mai sigure n funcionare, care sunt preferate de beneficiari;
- putere mare pe un singur motor pn la circa 45000 KW;
- durata de funcionare ntre dou revizii capitale este mai
mare;
folosirea combustibililor grei este mai simpla decat la
sistemele cu motoare semirapide.
Ca dezavantaje ale acestor instalatii se pot mentiona: masa pe
unitate de putere si volumul compartimentului de maini sunt mult
mai mari in comparaie cu cele ale sistemelor cu motoare
semirapide.
Comparativ cu sistemele de propulsie cu motoare lente,
instalatiile de propulsie cu motoare semirapide au urmatoarele
avantaje si dezavantaje:
- masa i volumul compartimentului de maini pe unitatea de putere
sunt mai reduse cu aproximativ 4050%;
- costul instalaiei este mai mic cu aproximativ 1015%; -
posibilitatea antrenrii generatoarelor electrice de ctre motoarele
principale, ceea ce reduce att costul energiei electrice ct i
numrul grupurilor auxiliare diesel-generatoare;
- pot fi realizate sisteme de propulsie ntr-o gam mare de
puteri, cu un singur tip de motor, prin alegerea numrului de
cilindri pentru un motor i a numrului de motoare pentru un sistem
de propulsie;
- uzura cilindrilor, a segmenilor de piston i a pistoanelor
produs ntr-o mie de ore de funcionare este mai mic la motoarele
semirapide n patru timpi;
- posibiliti mai bune pentru amplasarea raionala a
compartimentului de maini la bordul navei;
- introducerea mai simpl a motoarelor n compartimentul maini
datorit gabaritului mai redus;
- siguran n exploatare a sistemului de propulsie cu mai multe
motoare;
- organizarea mai buna a ntreinerii, n special n cazul
sistemelor automatizate cu dou sau mai multe motoare;
- consumul de combustibil mai redus;
Ca dezavantaje se pot mentiona:
- ntreinerea supapelor de evacuare mai dificil;
- la aceeai putere exist un numr mai mare de cilindri, deci mai
multe posibiliti de apariie a defeciunilor;
- cerine mai mari privind calitatea combustibilului;
- nivelul zgomotului mai ridicat;
n general instalaiile de propulsie cu motoare cu ardere intern
sunt montate pe toate tipurile de nave, ncepnd de la alupe, avnd
puteri de numai civa zeci de kilowai, pn la cele mai mari nave de
transport cum ar fi petroliere, mineraliere, nave port containere,
care au sisteme de propulsie cu puteri de 40000 . 50000 KW, sau
chiar mai mult.
4.2.3.3. Instalaii de propulsie cu turbine cu gazeInstalaiile de
propulsie cu turbine cu gaze au nceput a fi aplicate la navele
speciale, unde masa si volumul redus reprezentau avantaje
importante. Prima instalaie cu turbine cu gaze a fost montat pe
tancul petrolier Auris, n anul 1951 i a funcionat peste 20000 de
ore. Experientele efectuate cu petrolierul au evideniat, n general,
economicitatea sczut a acestui tip de instalaie, comparativ cu
economicitatea instalailor cu motoare cu ardere intern i a celor cu
turbine cu aburi.
n anul 1965 au fost publicate principalele rezultate obtinute la
probele efectuate cu o instalatie de propulsie cu turbine cu gaze,
construit pentru echiparea navelor comerciale.Principalele avantaje
ale sistemelor de propulsie cu turbine cu gaze, comparativ cu
sistemele de propulsie cu motoare cu ardere intern i cu turbine cu
aburi sunt:
- masa instalaiei pe unitatea de putere este mai mic (1114
kg/kW);
- volumul compartimentului de maini mai redus;
- datorita lipsei organelor cu micare alternativ, n timpul
funcionrii instalatiei nu se produc vibraii;
- durata de timp necesar punerii in funciune a instalaiei este
mult mai mic decat la sistemele de propulsie cu turbine cu aburi i
comparabil cu durata de timp necesar punerii n funciune a
sistemelor cu motoare cu ardere intern;
- consum de lubrifiani mai redus decat la sistemele cu motoare
cu ardere intern;- subsistemul de rcire mult mai simplu;
Prin combinarea motorului cu ardere intern cu piston, cu turbina
cu gaze, s-au realizat sistemele de propulsie cu generatoare de
gaze cu pistoane libere i turbine cu gaze.Rezultatele obinute n
urma activitilor de exploatare a acestor instalaii au artat c din
punct de vedere economic i tehnic nu pot concura cu sistemele de
propulsie cu motoare cu ardere intern. Sistemele de propulsie cu
turbine cu gaze, s-au rspndind ndeosebi n domeniul aeronauticii,
unde au dat rezultate bune n detrimentul sistemelor de propulsie cu
motor cu ardere intern. n domeniul propulsiei navale, sistemele de
propulsie cu turbine cu gaze sunt preferate pentru tipurile de nave
la care masa redus a acestor sisteme reprezint criteriul primordial
i indispensabil, n special pentru activitile navelor militare n
teatrele de operaii.
Domeniul puterilor instalaiilor cu turbine cu gaze realizate pn
n prezent este cuprins n intervalul 5000 ... 80000 kW.4.2.3.4.
Instalaii de propulsie electrice
Din analiza datelor statistice, rezult o cerere din ce n ce mai
mare de nave pentru croaziere pe mare, crora li se impun exigene
deosebite privind sigurana i confortul, simultan cu cele economice.
Cerinele privind confortul pasagerelor moderne sunt puternic
influenate de tipul i structura instalaiilor de propulsie. n acest
caz, alegerea echipamentelor care vor fi montate la bordul
pasagerelor impune:
- utilizarea unor propulsoare a cror funcionare s nu produc
vibraii i zgomote generate de presiunile induse sau de forele de
lagr i s aib randamente bune;
- utilizarea unor maini cu nivel de vibraii i zgomote redus;
- adoptarea unor msuri de izolare a surselor de zgomote i
vibraii, limitnd posibilitatea transmiterii lor la nav;
Spre exemplu, n acest sens, se poate considera nava Milleium
2000, construit la Saint Nazaire i dat n exploatare n anul 2000,
avnd structura instalaiilor de propulsie prezentat n figura
4.8.
Fig. 4.8. Schema instalaiei de propulsie la nava Millenium 2000n
figur s-au fcut notaiile:
K1, K2
compresoare;
CA
camere de ardere;
G1, G2, G3 generatoare;
CR1, CR2 caldarine recuperatoare;
TG1, TG2 turbine cu gaze;
TA
turbin cu abur;
PA
pomp de alimentare;
SEP
colector de abur.
Soluiile adoptate pentru instalaiile de propulsie la aceste
tipuri de pasagere sunt deosebite, ffind impuse de confortul
ridicat. S-a optat pentru o propulsie turbo electric cu generatoare
antrenate de turbine cu gaze i avnd elicea acionat de un motor
electric, sistemul motor elice fiind montat n afara bordului ntr-un
compex numit Azipod. Schema instalaiei este prezentat n figura
4.8.
Sistemele de propulsie tip Azipod sunt folosite la scar din ce n
ce mai larg, ele avnd structura prezentat n figura 4.9 a i b i pot
realiza att propulsia, ct i guvernarea navei.
a)
b)Fig. 4.9. Structura propulsorului Azipod1 elice; 2 motor
electric; 3 contacte mobile pentru alimentarea motorului
electric;
4 motoare pentru rotirea sistemului de propulsie n scopul
guvernrii; 5 rcitoarele de aer ale motorului electric
4.2.3.5. Sisteme de propulsie cu jet
Propulsia cu jet reprezint o alternativ la propulsia cu elice
liber pentru navele rapide cu ncrcri mari ale propulsoarelor, cnd
la elicele libere nu se poate evita cavitaia. Propulsoarele cu jet
fac posibil atingerea unor viteze i ncrcri mari, deoarece
funcionarea lor n carcasa canalului de admisie permite ridicarea
presiuniistaitce n rotorul pompei hidraulice prin convertirea
sarcinii dinamice din curentul exterior al navei, ceea ce ntrzie
apariia cavitaiei n paletaturamainii hidraulice. Conversia sarcii
dinamice n presiune n canalul de admisie , mrete rezistena la
naintare a carenei, reducnd n final eficiena propulsiei. Din acest
motiv, odat cu extinderea propulsiei cu jet la un numr din ce n ce
mai mare de nave rapide, de deplasament sau cu principiu dinamic de
plutire (nave pe aripi, glisoare, nave pe pern de aer) a aprut
necesitatea optimizrii canalului de admisie avnd n vedere c dac
formele acestuia sunt realizate pentru creterea presiunii n rotor,
se mrete rezistena la naintare, iar dac forma se alegepentru o
rezisten la naintare redus, creterea presiunii n rotor va fi mic i
este posibil apariia cavitaiei. Aceste aspecte conduc la
necesitatea optimizrii formei canalului de admisie considernd
particularitile lui la fiecare caren.
Elementele care intr n componena unui sistem de propulsie cu jet
sunt prezentate n figura 4.10.
Fig. 4.10 Structura sistemului de propulsie cu jet1 captor (C);
2 canal de admisie evacuare (CAE);
3 pompa (P); 4 Ajutaj (A); 5 dispozitive de uniformizare
4.2.3.6. Sistemul de propulsie cu principiu magneto
hidrodinamic
Propulsia magneto hidrodinamic, ca variant a propulsiei clasice,
cu elice, reprezint un principiu nou, care permite depirea
limitelor propulsiei clasice, avnd n vedere urmtoarele aspecte:
- jetul reactiv care genereaz mpingerea se obine prin
interaciunea cmpurilor magnetice i electrice asupra apei, fr elice
sau alte dispozitive similare, ceea ce elimin saltul de presiune pe
pale, generator de zgomot i de excitaii pentru corpul navei.
Zgomotul, propagat n ap, reprezint un dezavantaj al propulsiei cu
elice, caretrebuie considerat mai ales la navele militare;
- este posibil reducerea consumului de energie pentru rotirea
curentului de ap, fenomen caracteristic elicei, ceea ce mrete
randamentul propulsorului magneto hidrodinamic;
- se elimin elicea sau dispozitivul echivalent acesteia, precum
i transmisia mecanic i se simplific construcia elementelor
amplasate n exteriorul navei pentru a interaciona cu apa.
Aceste aspecte au constituit argumente pentru a se adopta
programe de cercetare privind propulsia magneto hidrodinamic a
navelor, mai ales c motoarele electrice liniare, cu principiu
asemntor de funcionare, i-au dovedit eficiena n multe aplicaii
industriale i de transport.
Pentru a obine efectul propulsiv generat de reaciunea
hidrodinamic a unui curent de ap de mare accelerat de un propulsor
magneto hidrodinamic, vor trebui create condiiile care genereaz
micarea conductorilor prin care circul curent electric, aflai
ntr-un cmpmagnetic, fenomen care st la baza funcionrii mainilor
electrice. n cazul propulsoarelor magneto hidrodinamice, rolul
conductorilor l joac apa de mare, conductoare, iar curentul este
concretizat de fluxul de ioni din ap, care sub aciunea unui cmp
electric transport sarcinile electrice ntr-un spaiu aflat sub
aciunea unui cmp magnetic. Fora transmis sarcinii Q, care se mic n
cmpulmagnetic cu viteza indus de cmpul electric, va fi dat de
relaia lui Lorentz:
sau, considernd q sarcina corespunztoare unui volum unitar de
lichid, se obine ecuaia lui Laplace pentru calculul forei:
a)
b)
c)
d)Fig. 4.11. Diferite variante constructive de instalaii de
propulsie cu principiu magneto hidrodinamica) PMHD cu accelerarea
exterioar a apei la o nav de deplasament; b) - PMHD cu accelerarea
exterioar a apei la un submarin sau nav SWATH; c), d) PMHD cu
accelerarea interioar a apei
4.2.3.7. Sisteme de propulsie nucleare
Propulsia nuclear a navelor este utilizat n principal la navele
militare, din motive de siguran i de protecie a mediului. Avnd n
vedere potenialul foarte mare oferit de instalaiile de propulsie
nuclear, n contextul creterii capacitii de transport i a vitezelor
navelor comerciale, precum i faptul c instalaiile de propulsie
nuclear sunt deja folosite la navele militare, se impune o analiz
privind aplicarea acestui sistem de propulsie la navele de
transport, avnd n vedere faptul c blocajul utilizrii acestora din
cauza siguranei i polurii va fi depit prin soluii tehnice
eficiente.
Propulsia nuclear a navelor comerciale devine avantajoas cnd
parametrii de operare ai navei cer puteri mari i un grad ridicat de
utilizare a navei, moment n care devin evidente avantajele
propulsiei nucleare:
- durata foarte mare de mar ntre dou realimentri cu combustibil,
ceea ce mrete autonomia i capacitatea de transport prin reducerea
cantitilor de combustibil ambarcate;
- realizarea unor viteze foarte mari, ceea ce confer navei
respective competitivitate.
Societile de clasificare i Regulamentele internaionale au
elaborat normative speciale pentru navele cu propulsie nuclear,
avnd n vedere urmtoarele particulariti ale acestora:
- instalaia nuclear de propulsie trebuie s funcioneze n
condiiile micrii ei, odat cu nava, dup ase grade de libertate;
- exist riscul ca, n cazul coliziunii sau eurii, s se distrug
reactorul, cu consecine dezastruoase pentru echipaj i pentru mediul
nconjurtor,
- exist pericolul iradierii personalului ambarcat i se impun
msuri de protecie adoptate prin construcie sau adoptate n timpul
exploatrii.
Registrele de clasificare au elaborat deja Reguli pentru navele
cu propulsie nuclear. Astfel, Lloyd`s Register of Shipping, n
capitolul R, seciunea C, are prevzute Reguli pentru navele cu
propulsie nuclear, care reglementeaz:
- construcia corpului, impunnd realizarea unor structuri
rezistente la oc, capabile s preia sarcini care corespund
acceleraiilor de 3g pe orice direcie;
- controlul recipienilor sub presiune;
- construcia i controlu reactorului;
- ntreinerea, controlul i protecia contra radiaiilor;
Studiile efectuate de firma Vickers, specializat n construcia
reactoarelor nucleare pentru nave, au artat c propulsia nuclear
devine mai economic dect cea clasic la navele cu puteri mai mari de
40 000 KW, n aceast categorie ncadrndu-se navele port container
moderne, petrolierele, navele fast ferry, etc.
n reactor se realizeaz reacia de fisiune, controlat a
combustibilului nuclear, construcia lui fiind determinat de modul n
care se realizeaz controlul fisiunii i se sistemul de preluare a
cldurii degajate, utilizat la producerea aburului.
Schema unui reactor naval, realizat de firma Vickers,
specializat n reactoare navale, este dat n figura 4.12. i are
urmtoarea structur:
- miezul reactorului, 1, format din materialul radioactiv,
amplasat ntr-o carcas care conine grafit, cu rol de moderator;
- intensitatea radiaiilor determinate de fisiune i energia
termic transmis moderatorului este reglat prin lpcile mobile de
grafit, 2;
- reglarea poziiei moderatorului mobil 2 se face printr-un
dispozitiv 3, care, prin coborre, blocheaz reacia nuclear,
absorbind energia particulelor care realizeaz fisiunea;
- preluarea cldurii rezultate prin fisiune se face printr-un
agent intermediar (ap sub presiune n cazul reactoarelor Vickers)
circulat n interiorul reactorului cu pompele de circulaie 4;
- cldura preluat de agentul intermediar este transmis
vaporizatorului 5, unde se produce abur printr-un circuit
caracteristic generatoarelor de abur, avnd ca agent termic apa
supranclzit;
- aburul obinut se destinde n dou trepte, n turbina de nalt,
respectiv de joas presiune, cuplate prin reductor la linia de
arbori (fig. 4.13.). Pentru a limita radiaiile radioactive i
termice, miezul reactoruluieste protejat cu un ecran 6, dintr-un
material care absoare radiaiile nucleare i termice.
Fig. 4.12 Schema reactorului care folosete ca agent intermediar
apa sub presiune
Dei propulsia nuclear a navelor civile este blocat din
considerente ecologice i de siguran, ea reprezint un potenial
important care mai devreme sau mai trziu va fi valorificat.4.3.
Determinarea tipului de instalaie de propulsie ce va fi
instalat
Adoptarea variantei de propulsie adecvate pentru un tip de nav
se face considernd anumite criterii: economice, de gabarit, de
siguran funcional i de exploatare simpl. Ele conduc la o variant a
instalaiei de propulsie care satisface cel mai bine condiiile de
exploatare. Datorit particularitilor impuse de performane i de
condiiile de exploatare, instalaiile de propulsie sunt corelate cu
tipurile de nave i cu particularitile acestora.
Ca exemplu, n acest sens, se pot considera navele amfibii i
principiu dinamic de sustentaie i anume navele e pern de aer i
ecranoplanele, la care se impune propulsia cu elice eolian, sau
navele moderne de tip ferry boat, de viteze mari (40 ... 45 Nd) la
caredevine avantajoas propulsia cu jet, fiind eficint la viteze
mari i mai puin sensibil la cavitaie. La navele moderne pot fi
utilizate, din considerente de siguran sau exploatare, instalaii de
propulsie combinate, formate din mai multe maini, cuplate la
propulsor prin transmisii mecanice.
4.4. Studiu comparativ al sistemelor combinate de propulsie
n 1993, Departamentul German pentru Tehnologii Militare i
nzestrare a comandat efectuarea unui studiu comparativ al
sistemelor de propulsie CODOG (Combinated Diesel Or Gas), CODAG
(Combinated Diesel And Gas) i CODAD (Combinated Diesel And Diesel)
n vederea echiprii noilor fregate de tip F124 ce urmau s intre n
serviciu. n studiu s-a inut cont de urmtoarele considerente:
dispunerea ct mai eficient a liniilor axiale;
deplasamentul relativ limitat al acestei clase de nave;
spaiul relativ limitat disponibil pentru compartimentul
maini;
realizarea celor mai mici invenstiii posibile i costuri de
ntreinere ct mai mici pentru realizarea urmtoarelor performane:
- 15% - 10 Nd;
- 70% - 18 Nd; - 12% - > 26 Nd;
- 3 % - > 27 Nd;
- viteza maxim > 27 Nd; - viteza de mar 18 Nd;
- autonomia > 4000 Mm;
- nava s fie operativ pe mare de gradul 6;
Fig. 4.14. Diferite concepte de realizate a instalaiei de
propulsie combinate
Rezultatul studiului a determinat alegerea unui sistem de
propulsie realizat dup conceptul CODAG. Principalele argumente care
au nclinat balana decizional n favoarea acestului concept sunt
urmtoarele:
85% din tipul de funcionare nava va fi propulsat cu motoare cu
ardere intern, restul de 15% fiind utilizate turbinele cu gaze
pentru atingerea unor regimuri superioare de deplasare;
n tot timpul n care nava este n serviciu, motoarele cu ardere
intern nu vor fi nlocuite;
datele obinute n timpul funcionrii motoarelor cu ardere intern
pot furniza date importante privind ntreinerea i frecvena
reviziilor acestora;
prin utilizarea tuturor mainilor termice de propulsie se vor
putea atinge regimuri superioare de vitez, iar la obinerea
vitezelor de mar sunt folosite numai motoarele cu ardere
intern;
autonomia i durata de funcionare (implicit eficiena navei) sunt
mai mari, comparativ cu sistemul COGOG;
semntura acustic a instalaiei CODAG este mai mic sau cel mult
egal cu cea a instalaiei de propulsie CODOG;
Elementul principal al acestui tip de instalaei de propulsie
este sistemul reductor inversor, care d posibilitatea operrii
instalaiei n mai multe variante, cum ar fi:
funcionarea cu un singur motor Diesel, care s antreneze cele dou
linii axiale prin intermediul cuplajelor elastice ncruciate ale
reductor inversorului; n acest variant de cuplare, nava va realiza
regimuri inferioare de vitez, necesare n timpul manevrelor de
acostare;
antrenarea celor dou linii axiale de ctre o singur turbin cu
gaze, realizndu-se astfel regimuri de viteze superioare celor
rezultate n urma folosirii variantei anterioare, regimuri necesare
la navigarea pe mare liber;
antrenarea liniilor axiale conform principiului combinat de
propulsie CODAG, situaie n care motoarele termice si turbinele
funcioneaz concomitent i la capacitate maxim, realizndu-se regimuri
maxime de vitez, necesare la deplasarea n cadrul teatrelor de
operaii; n aceast variant instalaia livreaz la ax maximum de
putere;
fiecare linie axial este antrenat de cte un motor / turbin,
realizndu-se regimuri intermediare de deplasare, funcie de
necesitile corespunztoare fiecrei situaii.
Fig. 4.15. Variantele de operare a conceptului de propulsie
CODAG
Utiliznd acest concept de instalaie de propulsie sunt
disponibile i alte combinaii funcionale, cum ar fi antrenarea uneia
dintre liniile axiale de ctre o turbin cu gaze i a celeilalte cu un
motor cu ardere intern.
Conceptul de propulsie CODAG presupune automatizarea complet a
instalaiei. Considernd c toate elementele instalaiei de propulsie
pot suporta acest nivel de automatizare, oricare dintre variantele
de acionare poate fi activat prin simpla acionare a contactului
corespunztor de pe panoul de comand. n situaia n care condiiile
pentru cuplare n varianta respectiv nu sunt ndeplinite, contactul
respectiv nu va putea fi acionat, acest fapt fiind semnalizat pe
panoul de comand.
Exploatarea instalaiei se va face conform unui algoritm bine
stabilit, care va fi urmrit computerizat, preungerea, lansarea,
reglarea turaiei mainii termice, cuplarea n sarcin, controlul
ncrcrii la liniile axiale, decuplarea i oprirea motorelor
realizndu-se automat, nefiind necesar intervenia operatorului
uman.
Fig. 4.16. Captur a programului de supraveghere i comand a
instalaiei de propulsie CODAG
Pentru studiul posibilitii implementrii acestui sistem s-au
efectuat diferite teste n care au fost simulate diverse situaii,
verificndu-se timpii de rspuns ai ntregii instalaii, ncrcrile
elementelor componente i eventualele probleme care ar putea apare n
timpul exploatrii. Reglajele i concluziile finale au rezultat n
urma probelor de mare, cnd s-au efectuat teste urmrindu-se
comportarea ntregului sistem reprezentat de man, att pe mare calm,
ct i n condiii grele.
Acest concept de propulsie a fost implementat cu succes la
bordul navelor Marinei Militare Germane de tip F124, cum ar fi
fregata Sachsen, care a avut o comportare excelent n timpul
probelor de mare. Comportarea instalaiei de propulsie s-a ncadrat n
parametrii calculai iniial, unle prognoze ce priveau performanele
fiind chiar depite.
Din Septembrie 2001 acest concept de propulsie i-a dovedit
eficiena prin parcurgerea a mai mult de 12 000 Mm, n cadrul
exerciiilor i n situaii reale, n cadrul teatrelor de operaii.
Experiena cptat n cadrul proiectului de echipare a fregatelor
germane de tip F124 formeaz baza de plecare a altor proiecte
asemntoare i mrete ncrederea acordat eficienei navelor din clasa
MEKO.
4.5 Concluzii
Pentru a putea atinge viteza dorit de 32 Nd, este nevoie de
creterea puterii totale instalate de la 33760 CP la 86987,813 CP.
Pentru aceasta, am optat pentru un sistem combinat de propulsie cu
motoare diesel i turbine cu gaze. Creterea vitezei de deplasare a
navei este asigurat cu ajutorul turbinei cu gaze, care poate
antrena elicea prin intermediul aceluiai reductor de turaie.
Turbina cu gaze poate fi utilizat i ca surs independent de
propulsie n cazul avarierii motorului diesel.PAGE 119
_1174762836.vsdM4T-R-EPR-D
a)
b)
_1174763081.bin
_1174763409.bin
_1174763880.bin
_1175016721.bin
_1307718976.unknown
_1175016925.bin
_1175015399.bin
_1174763586.bin
_1174763663.bin
_1174763487.bin
_1174763302.bin
_1174763354.bin
_1174763142.bin
_1174762939.bin
_1174762995.bin
_1174762857.vsd(M4T)2-R-EPR-D
_1173961488.unknown
_1174762772.vsdMAINA
TRANSMISIE
PROPULSOR
CARENA
M.A.C.
M2TM4T
C.A.
CILINDRU-PISTONBIEL-MANIVEL
GENERATORABUR
TURBINACU GAZE
CAMERA DE ARDERE
TG
REACTOR NUCLEAR
TURBINA CU ABUR
MECANICSIMPL
T
REDUCTORINVERSOR
ELECTRIC
HIDROSTATIC
HIDRODINAMIC
ELICE CUPAS FIX
ELICE CUPAS REGLABIL
E
EPR
ELICEN DUZ
ED
ELICECONTRAROTATIVE
ECR
PROPULSOARECU JET
PJ
PROPULSOARE CU ARIPIOARE
PA
PROPULSOARE MHD
MHD
ELICE AERIAN
EA
DEPLASAMENT
D
GLISOARE
G
NAVE PEARIPI PORTANTE
NAP
ECRANOPLANE
EPL
NAVE PE PERN DE AER
NPA
CU PLUTIRE REDUS
SWAT
SUBMARINE
S
REDUCTOR
R
RI
TE
TS
THD
TURBINA
MAINALTERNATIV
TA
MA
GENERATORABUR
TAN
Puteremecanic
Puteremecanic
Puteremecanic
Puteremecanic
Combustibilifosili
Combustibilifosili
Combustibilifosili
Combustibilnuclear
_1174762808.vsdM2T-T-E-D
_1174557719.unknown
_1174762706.vsdCOMBUSTIBIL PRIMAR
COMBUSTIBILI NUCLEARI
COMBUSTIBILI FOSILI LICHIZI SAU SOLIZI
REACIENUCLEAR
ARDEREA COMBUSTIBILULUI
REACTORNUCLEAR
C.A.SEPARAT
C.A. INCLUS N MAINA MOTOARE
TURBIN CU GAZE
MOTOARE
PUTERE MECANIC
GEN. DE ABUR
GEN. DE ABUR
ENERGIE TERMIC PENTRU INSTALAIILE BORDULUI
AG. TERMICINTERMEDIAR
GAZE DE ARDERE
GAZE DE ARDERE
PUTERE MECANIC
TURBINA CU ABUR
MAIN ALTERNATIV
PROPULSIE
GENERATOARE ELECTRICE
ACIONRI ELECTRICE
GENERATOAREHIDRO-PNEUMATICE
ACIONRIHIDRO-PNEUMATICE
I
II
III
C.A. - CAMER DE ARDERE
_1174557872.unknown
_1174557679.unknown
_1173960950.unknown
_1173960966.unknown
_1173960241.unknown
