Componente a instalatiei de propulsie

Componente a instalatiei de propulsie

Pornind de la sistemul de propulsie compus din: masina, transmisie, propulsor se vor prezenta tendintele dezvoltarii fiecarei componente..

Masina are pondere mare in eficienta navei prin consumul de combustibil si prin greutate (gabarit). Se observa urmatoarele tendinte:

- mentinerea motoarelor lente la navele mari (figura 1.11): petroliere, bulk carrier si alte nave asemanatoare, unde criteriile de gabarit si greutate au o pondere mai mica fata de cele legate de costurile pentru combustibil si intretinere;

- trecerea la propulsia cu motoare semirapide cu gabarite si greutatea mici la port-containere si navele fast-ferry, cu preluarea puterii pentru generatorul de arbore (PTO);

- introducerea turbinelor cu gaz simple sau combinate cu motoare diesel sau turbine cu abur, avand cicluri termice regeneratoare pentru marirea randamentului. Aceste instalatii sunt utilizate acolo unde se cer puteri mari, gabarite si greutati reduse (la pasagere, fast-ferry, nave militare, etc.)

Utilizarea turbinelor cu gaz in combinatie cu turbina cu abur in varianta COGEAS, poate fi extinsa si la alte tipuri de nave cu transmiterea puterii prin linii de arbori clasice cuplate prin reductor la turbina cu gaz si la turbina cu abur (obtinut de la generatorul recuperator, figura 1.9).

Ciclul termic dupa care are loc conversia in sistemul de propulsie combinat este prezentat in figura 1.10, din care rezulta energia obtinuta in turbina cu gaz (A1) utilizata pentru propulsie, si energia recuperata din gazele de ardere (A2) in turbina cu abur, utilizata pentru propulsie sau pentru alti consumatori. Instalatiile de propulsie in varianta prezentata au performante economice (randamente) echivalente cu motoarele diesel, ceea ce justifica extinderea lor la navele comerciale de mare viteza (fast-ferry, ro-ro, etc.).

Instalatiile de propulsie care folosesc turbine cu gaze cu ciclu combinat, reprezinta o solutie economica utilizabila atat in varianta instalatiei de propulsie cu linii de arbori la care se cupleaza TG si TA (sistemul COGEAS figura 1.9), cat si in varianta turbogeneratoarelor electrice cuplate la propulsoare tip POD sau AZIPOD, lucrand dupa sistemul COGEASE, varianta mai clastica din punctul de vedere al distributiei energiei la bord, intalnita in special la pasagerele mari .

Turbinele cu abur sunt utilizate si in instalatiile cu propulsie nucleara, unde obtinerea aburului in reactorul nuclear se face cu randamente bune. Instalatiile care folosesc combustibili fosili au generatoare de abur de presiuni inalte si folosesc detenta fractionata a aburului intai intr-o turbina de inalta presiune (TIP) construita pentru a prelua eficient destinderea aburului de inalta presiune, apoi intr-o turbina de joasa presiune TJP, unde detenta este realizata intr-un sistem de conversie (ajutaj - paleti) adecvat cu nivelul presiunilor.

Figura 1.9. - Schema instalatiei de propulsie tip COGE-A-SE, cuplata cu elice cu pas reglabil

Figura 1.10 Ciclurile termice teoretice ale sistemului COGAS

Figura 1.11 - Schema instalatiei de propulsie cu motoare lente

Schema instalatiei de propulsie cu turbine este data in figura 1.12.

Turbinele cu abur sunt masini de turatie mare si se cupleaza la elice prin reductor. Nu realizeaza schimbarea sensului de rotatie, de aceea pentru mars inapoi se utilizeaza turbine separate (T2, figura 1.12), sau sunt folosite EPR.

Instalatiile cu turbine cu abur au consum de combustibil mare, de aceea au fost inlocuite cu MD sau sunt incluse in instalatii de propulsie combinate. Performantele comparative ale diferitelor masini de propulsie sunt date in figura 1.13.

Deoarece turbinele cu gaze (TG) sunt din ce in ce mai des intalnite in sistemele de propulsie navale, dominate de motoare diesel (MD), se impun cateva aprecieri comparative intre cele doua tipuri de masini de propulsie. In mod normal TG este o masina cu gabarite si greutati reduse insa cu consum mare de combustibil (230-240 g/kWh) fata de circa 190 g/kWh pentru MD. In plus TG necesita combustibili de buna calitate, bine rafinati, fara sulf, ceea ce mareste costul lor. Tendinta este de a se extinde consumul combustibililor cu continut redus de sulf si in transportul aerian, rutier si in alte domenii ceea ce va eficientiza tehnologiile de rafinare prin care se reduce sulful, micsorandu-se costul. Pentru reducerea consumului se urmareste recuperarea caldurii din gazele evacuate, prin preluarea acesteia intr-un sistem cazan recuperator-turbina cu abur si transformarea in energie de propulsie dupa schemele din figura 1.6 si figura 1.9.

Prin recuperarea energiei gazelor, consumul specific poate cobori la 170 g/kWh (sub consumul MD). Daca la aceasta se adauga si gabaritele si greutatile reduse, nivelul coborat al zgomotului si vibratiilor, precum si intretinerea simpla, rezulta perspectivele extinderii acestui sistem de propulsie si la unele nave comerciale care necesita puteri mari. Posibilitatile utilizarii TG pentru propulsie devin din ce in ce mai atragatoare odata cu perfectionarea propulsoarelor tip POD sau AZIPOD, cu transmisie electrica, mai simple decat sistemele clasice. Extinderea lor la navele comerciale este inca blocata de existenta cazanului recuperator si a turbinei cu abur, care maresc spatiul ocupat de instalatia de propulsie si reduc avantajele TG privind gabaritele si greutatile. Un alt motiv care limiteaza extinderea utilizarii TG este costul mai mare al combustibilului rafinat, care are insa tendinta de a cobori. In acest context se extinde utilizarea turbinelor cu gaze la navele fast-ferry, la linere si la port-containerele mari.

Au fost facute progrese in constructia si exploatarea instalatiilor nucleare de propulsie aplicate in special la navele la care sunt cerute puteri si autonomii foarte mari (portavioane, submarine, s.a). Conversia de energie in instalatiile nucleare de propulsie se face in reactoare, unde reactia de fisiune controlata printr-un moderator (grafit, apa grea) produce caldura. Aceasta este preluata si transmisa de un agent termic intermediar la un generator de abur cuplat la una sau mai multe turbine de propulsie care antreneaza elice prin linii de arbori clasice, ori generatoare electrice in cazul propulsiei electrice obisnuite, (cu propulsoare POD (AZIPOD)) sau in cazul propulsiei MHD. Astfel, de exemplu, pe portavionul 'Entreprise' sunt montate opt reactoare, iar pe portavionul 'Nimitz' doua; se adopta mai multe reactoare pentru a mari fiabilitatea si flexibilitatea instalatiei energetice a navei. Primele reactoare navale aveau o durata de functionare intre doua alimentari de cativa ani (2 - 3). Ele s-au modernizat marindu-si durata dintre alimentari pana la doua decenii. La puteri mici propulsia nucleara nu este inca competitiva. In cazul portavioanelor si a submarinelor mari, indicii de performanta pentru gabarit si greutate, precum si costul exploatarii, avantajeaza propulsia nucleara asa cum rezulta din figura 1.13, insa posibilitatea poluarii radioactive limiteaza aplicarea acestui sistem de propulsie, preponderent la navele militare.

Instalatiile de propulsie combinate folosesc diverse tipuri de masini cuplate la instalatia de propulsie a navei si sunt adoptate cand un singur tip de masina nu indeplineste convenabil conditiile de exploatare care impun regimuri de mars specifice. Ele se obtin cupland doua tipuri de masini diferite pe instalatia de propulsie (motoare diesel cu turbine cu gaz, turbine cu abur cu turbine cu gaz sau cu motoare diesel, etc.) sau doua masini de acelasi tip insa de puteri diferite. Ca exemplu se pot considera navele militare care au regimul de 'fortaj', cand se cere toata puterea instalata si regimul de 'croaziera' pentru marsul economic. In aceeasi categorie intra si pescadoarele sau alte nave tehnice, la care regimul de mars difera mult din punct de vedere al consumului de putere de regimul tehnologic specific. La navele militare, unde criteriile de gabarit si greutate sunt importante, se utilizeaza varianta CODAG pentru acoperirea celor doua regimuri (TG pentru fortaj si MD pentru croaziera).

Figura 1.12 - Schema instalatiei de propulsie cu turbine.

Manevrabilitatea instalatiilor de propulsie combinate depinde de tipul masinilor utilizate. In acest sens motoarele diesel navale au o manevrabilitate buna si satisfac cerintele de exploatare. Turbina cu abur este ireversibila si necesita montarea unor trepte de 'mars inapoi ' pe acelasi ax cu turbina de 'mars inainte'. Turbinele cu gaz nu sunt reversibile si din acest motiv sunt utilizate in instalatiile de propulsie cu transmisie electrica la care reversibilitatea este realizata prin motorul electric. Daca turbina cu gaz este utilizata intr-o instalatie de propulsie cu transmisie mecanica, se folosesc elice cu pas reglabil.

Calitatea combustibililor fosili lichizi, utilizati in instalatiile de propulsie navale, depinde de tehnologia de distilare a titeiului. Combustibilul greu (cu vascozitate mare) are compusi care afecteaza costul de exploatare prin echipamentul de tratare impus si prin lucrarile de intretinere mai complexe. Unii compusi ai combustibililor grei (sulf, asfalt, etc.) determina uzuri ale masinii, ceea ce reduce din avantajul costului redus. Combustibilii bine rafinati sunt mai scumpi insa protejeaza bine masina. Un parametru esential al masinii, definit de eficienta conversiei, este consumul specific. El reprezinta criteriul economic principal care determina alegerea masinii, valorile lui comparative fiind date in figura 1.13.c.

O situatie deosebita apare la navele care transporta gaze lichefiate. Dintre acestea unele gaze naturale (LNG) trebuie pastrate la temperaturi foarte coborate pentru a fi mentinute in stare lichida la presiuni coborate (metanul la -160° in conditiile presiunii atmosferice). Mentinerea acestor temperaturi necesita izolarea termica foarte eficienta a rezervoarelor. Caldura infiltrata prin izolatie determina vaporizarea partiala a metanului si pentru a evita cresterea periculoasa a presiunii in rezervoare vaporii trebuie lichefiati sau evacuati. Lichefierea impune instalatii frigorifice speciale care complica exploatarea navei. O solutie convenabila practicata pe metaniere consta in utilizarea vaporilor obtinuti prin incalzirea naturala a marfii pentru instalatia energetica a navei, in locul combustibililor fosili uzuali (motorina, combustibil greu). In acest context s-au dezvoltat motoare care pot functiona cu vapori de metan. Acestia sunt introdusi cu aerul aspirat in cilindru, formand amestecul care la compresie se aprinde realizand ciclul motor. Odata cu aparitia metanierelor unele firme de motoare (spre exmplu Wartsila)

si-au adaptat motoarele pentru a functiona atat cu combustili obisnuiti, cat si cu vapori de metan, reducandu-se mult cantitatea de combustibil obisnuit stocata la bord.

Puterea de propulsie [mii CP]        Puterea de propulsie[miiCP]
a) b)

Diesel direct    1 Turbina cu abur

Nuclear2 Diesel direct

Turbina cu abur 3 Turbina cu gaze

(regenerativa)(regenerativa)

Turbina cu abur4 Diesel cu reductor

Diesel cu reductor 5 Nuclear

Turbina cu abur si gaze

Turbina cu gaze (regenerativa)

Puterea instalata [mii CP]

c)

1- Masini alternative (cu abur)

2 - Turbine cu abur-generator electric

3 - Turbina cu abur

4 - Turbina cu gaz

5 - Turbina cu gaz-turbina cu abur

6 - Diesel-electric

7 - Diesel semirapid

8 - Diesel lent

Figura 1.13 - Performante pe diferite tipuri de instalatii de propulsie.

Transmisia reprezinta o componenta principala a instalatiei de propulsie, iar structura ei este determinata de tipul masinii si al propulsorului, remarcandu-se urmatoarele tendinte:

- ramane sub forma clasica, prin linii de arbori, la motoarele lente.

- se utilizeaza reductoare la instalatiile de propulsie cu motoare semirapide.

- se extinde utilizarea elicelor cu pas reglabil (EPR) la port-containere, nave fast-ferry si alte nave cu regimuri diverse de exploatare, ale caror transmisii sunt mai complexe.

- se studiaza posibilitatea utilizarii elicelor contrarotative (ECR) , acest sistem fiind montat pe mai multe nave port-container; in acest caz se complica transmisia, insa creste randamentul propulsorului pana la 70%.

- se extinde propulsia diesel-electrica la care transmisia mecanica este redusa sau dispare complet (sisteme POD sau AZIPOD).

Variantele transmisiilor utilizate in instalatiile de propulsie navale moderne sunt prezentate in figura 1.14, din care se remarca:

Transmisia directa utilizata in cazul motoarelor lente montate pe nave cu deplasament mare (figura 1.14a). Este simpla, robusta si sigura. Datorita elicelor cu greutate mare se incarca excesiv lagarul din pupa al tubului etambou, ceea ce complica tehnologia de centraj a liniei de arbori, fiind necesare metode de centraj curb care permit controlul sarcinii pe lagare .

Transmisia prin reductor este utilizata in mai multe variante deja prezentate. Ea creaza posibilitatea adaptarii masinii de propulsie (motor semirapid, turbina) la elice, asa cum se arata in figura 1.5, astfel ca randamentul de propulsie sa fie maxim, iar gabaritele si greutatile reduse ale masinilor sa permita marirea capacitatii de transport a navei. Sunt frecvente la port-containere, nave ro-ro, linere, etc.

Transmisii diesel sau turbo-electrice. Se pot utiliza in doua variante:

- cu diesel-generatoare (sau turbo-generatoare) care alimenteaza motorul electric de propulsie, montat in compartimentul masini si cu antrenarea directa a elicei (figura 1.14b) sau prin reductor (figura 1.14c).

- in varianta POD sau AZIPOD, cand dispare transmisia (figura 1.14d).

La alegerea transmisiei va trebui sa se considere compatibilitatea ei cu masina si cu propulsorul, siguranta functionala, precum si costul initial si de exploatare.

Una din problemele importante ale exploatarii instalatiei de propulsie este reglarea turatiei. Aparitia convertoarelor de frecventa de putere mare aplicate pe nave a facut posibil reglajul turatiei la I.P cu transmisii electrice dupa necesitatile de manevra impuse de Reguli sau dupa legi de comanda stabilite din criterii de optimizare.

O solutie interesanta adoptata de firma 'Wartsila' pentru ameliorarea randamentului propulsiei diesel sau turbo-electrice consta in cuplarea elicelor contrarotative cu randamente foarte bune (60 -70)% cu masina, printr-o transmisie combinata mecanica si electrica, mai simpla decat cea mecanica cu reductor planetar, realizata in doua variante.

In varianta din figura 1.14e, ambele elice sunt antrenate din compartimentul de masini, una direct de la motorul termic iar a doua prin reductor de la un electromotor cuplat la reteaua de forta a bordului.

A doua varianta are transmisia simplificata; una din elice (cea din prova) este antrenata prin linia de arbori de la motorul de antrenare iar elicea din pupa este antrenata printr-un electromotor in varianta POD. O amenajare a unei instalatii de propulsie in aceasta varianta este ilustrata in figura 1.14f. Varianta din figura 1.14e, ca si cea de referinta poate realiza cresteri ale randamentului cu circa 10% fata de propulsia clasica, iar cea din varianta prezentata in figura 1.14f, are crestere de circa 5% din cauza restrictiilor de pozitionare a celor doua elice si a unei geometrii a palelor mai putin corelate cu particularitatile curgerii prin cele doua elice .

Propulsorul reprezinta elementul care realizeaza prin interactiunea cu apa forta necesara deplasarii navei.

Dintre toate propulsoarele navale elicea si-a dovedit calitatile prin simplitate, robustete si eficienta. Din aceste motive se va utiliza mult timp la propulsia navelor, perfectionandu-se constructiv si hidrodinamic astfel:

- se vor diversifica tipurile de elice, in corelare cu particularitatile carenelor, ale masinii de propulsie si cu randamentul global. In acest sens se vor utiliza: elice simple, elice cu unghi de intoarcere mare (figura 1.15.), elice in duza, s.a.

- in cazul propulsiei diesel electrice este oportuna utilizarea propulsoarelor cu coloana fixa (POD) sau cu coloana rotitoare (AZIPOD), (figura 1.14d) variante care realizeaza propulsia, iar guvernarea si schimbarea sensului de mars se obtin prin rotirea coloanei;motorul electric este amplasat intr-un bulb carenat suspendat de corp (figura 1.7); in aceasta varianta motorul electric din bulb poate antrena o elice sau doua elice amplasate in tandem (care se rotesc in acelasj sens), solutie care permite micsorarea diametrului fara a afecta randamentul, permitand controlul cavitatiei prin reducerea incarcarii elicelor; sunt utilizate si propulsoare POD cu transmisie mecanica la elicele in tandem prezentate in figura 1.16a, sau in varianta AZIPOD cu transmisie electrica.

- exista tendinta extinderii propulsiei cu elice contrarotative clasice, acestea putand fi realizate si in varianta POD sau AZIPOD ca in figura 1.14f.

- pentru viteze mari se impun propulsoarele cu jet, ale caror randamente si comportare la cavitatie sunt bune.

- sunt studiate posibilitatile de a extinde propulsia magneto-hidrodinamica la unele nave comerciale.

a) Instalatie de propulsie (IP) cu b) Transmisie diesel-electrica directa

transmisie directa

c)Transmisie diesel-electrica cu reductor

d) Transmisie diesel-electrica cu propulsoare POD/AZIPOD

e)

f)

g) Schema sistemului de propulsie CODMAE cu ECR

Proceduri de exploatare

Problema care ne-o punem este aceea daca este oportuna constructia unei astfel de nave, daca realizarea ei ar asigura exploatarea in conditiile unei eficiente maxime.

Un asemenea studiu tehnico-economic presupune argumente pro si contra in primul rand din punct de vedere al schimbarilor economice (ce transportam, de la cine si catre cine in sensul rutei de plecare, in ce conditii de rentabilitate efectuam aceste transpoturi etc) precum si din punctul de vedere al constructiei si exploatarii navei.

Cum un asemenea studiu nu face obiectul acestui proiect, ne vom referi in continuare la cateva aspecte referitoare la alegerea tipului de nava.

Consultand din literatura de specialitate articolul 'Principalele tendinte in dezvoltarea constructiilor de cargouri de marfuri generale' de Strele S.B. prezentam tabelul in care sunt surprinse cateva date referitoare la particularitatile constructive ale acestui tip de nava.

Aceeasi revista prezinta in continuare evolutia vitezei (fig. 2.1) functie de deadweight.

Fig.2.1.

Prin aceasta analiza statistica putem deduce plaja de valori pentru fiecare marime (dimensiune) luate in discutie.