Basics of ship propulsion Part I Basic principles of ship propulsion and ship power engineering

Opis

Basics of ship propulsion, Part I, Basic principles of ship propulsion and ship power engineering

Siłownie okrętowe, cz. I Podstawy napędu i energetyki okrętowej

Autorzy: Zygmunt Górski, Mariusz Giernalczyk

Wydawnictwo Uniwersytet Morski w Gdyni

 

„Basic of ship propulsion”, part I, „Basic principles of ship propulsion and ship power engineering” to anglojęzyczna wersja podręcznika pt. „Siłownie okrętowe”, cz. I, „Podstawy napędu i energetyki okrętowej” autorstwa Mariusza Giernalczyka i Zygmunta Górskiego. Stanowi kompendium informacji o podstawach napędu okrętowego, energetyki okrętowej oraz budowie i eksploatacji siłowni statków morskich. Obejmuje  zarówno wiadomości teoretyczne, jak i praktyczne, dotyczące zadań, konfiguracji, parametrów eksploatacyjnych i obsługi różnych typów siłowni okrętowych. W czterech rozdziałach oprócz wstępnych informacji dotyczących m.in. zadań i klasyfikacji siłowni okrętowych omówiono dokładnie okrętowy układ energetyczny, jego sprawność, jak i sprawność siłowni okrętowej wraz ze sposobami jej podwyższania. Scharakteryzowano okrętowy układ ruchowy, opór statku, pędniki okrętowe, śruby, silniki napędowe i turbiny. Określono także warunki współpracy silnika, śruby i kadłuba, omawiając szczegółowo charakterystyki napędowe. Dołączono także spis oznaczeń i symboli używanych w książce. Zalecane pozycje literaturowe podano w bibliografii.

SPIS TREŚCI

Wstęp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Spis oznaczeń i symboli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1. Siłownia okrętowa wiadomości wstępne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.1. Zadania siłowni okrętowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2. Klasyfikacja siłowni okrętowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3. Źródła energii w siłowni okrętowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.4. Odbiorniki energii na statku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2. Podstawy energetyki okrętowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1. Okrętowy układ energetyczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1.1. Zapotrzebowanie energii do napędu statku . . . . . . . . . 40

2.1.2. Zapotrzebowanie statku na energię elektryczną . . . . . . 44

2.1.3. Zapotrzebowanie statku na energię cieplną . . . . . . . . . 48

2.2. Sprawność urządzenia i układu energetycznego . . . . . . . . . . 48

2.2.1. Sprawność urządzenia energetycznego. . . . . . . . . . . . 48

2.2.2. Sprawność układu energetycznego . . . . . . . . . . . . . . 50

2.3. Sprawność siłowni okrętowej i sposoby jej podwyższania . . . . 60

2.3.1. Sprawności ogólna i energetyczna siłowni okrętowej . . . 60

2.3.2. Podwyższanie sprawności energetycznej siłowni

spalinowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.3.3. Sprawność siłowni turboparowej i sposoby jej

podnoszenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.3.4. Sprawność siłowni kombinowanej . . . . . . . . . . . . . . 100

3. Okrętowy układ ruchowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.1. Wielkości charakteryzujące okrętowy układ ruchowy . . . . . . . 110

3.2. Opór statku. Charakterystyki oporowe kadłuba . . . . . . . . . . . 118

3.2.1. Charakterystyka oporowa kadłuba . . . . . . . . . . . . . . 128

3.2.2. Czynniki wpływające na zmianę oporu podczas

eksploatacji statku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.3. Pędniki okrętowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3.3.1. Koła łopatkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3.3.2. Śruby napędowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

3.3.3. Pędniki strugowodne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

CONTENTS

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

List of denotations and symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1. Basic information about marine power plant . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.1. Tasks of marine power plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2. Classification of marine power plants . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3. Sources of energy in marine power plant . . . . . . . . . . . . . . 31

1.4. Energy receivers on seagoing ship . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2. Basics of marine power engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.1. Ship power engineering system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.1.1. Energy demand for ship propulsion. . . . . . . . . . . . . . 41

2.1.2. Ship demand for electric power . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.1.3. Ship demand for heat energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2. Efficiency of energetic unit and energetic system . . . . . . . . . 49

2.2.1. Efficiency of energetic unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.2. Efficiency of energetic system . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.3. Marine power plant efficiency and means of its improvement . . 61

2.3.1. Total and energetic efficiency of marine power plant . . . 61

2.3.2. Improvement of diesel engine marine power plant

energetic efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3.3. Efficiency of steam turbine marine power plant and

means for its improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

2.3.4. Efficiency of combined marine propulsion . . . . . . . . . 101

3. Marine moving object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.1. Characteristic data of marine moving object . . . . . . . . . . . . 111

3.2. Ship resistance. Hull resistance characteristics . . . . . . . . . . . 119

3.2.1. Hull resistance characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.2.2. Reasons for change of ship resistance during

ship operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.3. Ship thrusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

3.3.1. Paddle wheels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

3.3.2. Screw propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

3.3.3. Waterjet thrusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

3.3.4. Pędniki azymutalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

3.3.5. Pędniki gondolowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

3.3.6. Pędniki cykloidalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

3.4. Geometria i charakterystyki śrub okrętowych . . . . . . . . . . . . 164

3.4.1. Charakterystyki hydrodynamiczne i charakterystyki

obrotowe śrub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

3.4.2. Wpływ kształtów i wymiarów skrzydła na

charakterystyki śrub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

3.4.3. Charakterystyki obrotowe śruby . . . . . . . . . . . . . . . 176

3.4.4. Kawitacja śrub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

3.5. Charakterystyki wysokoprężnych silników napędowych

statku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

3.5.1. Charakterystyki prędkościowe zewnętrzne . . . . . . . . . 188

3.5.2. Charakterystyki obrotowe śrubowe . . . . . . . . . . . . . 192

3.5.3. Charakterystyki uniwersalne . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

3.5.4. Charakterystyki obciążeniowe . . . . . . . . . . . . . . . . 198

3.5.5. Pole pracy silnika okrętowego . . . . . . . . . . . . . . . . 201

3.5.6. Zasady doboru silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

3.6. Charakterystyki i pole pracy okrętowych turbin napędu

głównego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

3.6.1. Charakterystyka zewnętrzna i pole pracy turbiny

parowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

3.6.2. Charakterystyka zewnętrzna i pole pracy turbiny

gazowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

3.7. Współpraca silnika, śruby i kadłuba . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

3.7.1. Warunki współpracy silnika, śruby i kadłuba . . . . . . . 220

3.7.2. Współpraca silnika wysokoprężnego ze śrubą

o stałym skoku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

3.7.3. Współpraca silnika wysokoprężnego ze śrubą

o skoku nastawnym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

3.7.4. Praca śruby przy manewrowaniu – krzywe

Robinsona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

3.7.5. Samoregulacja prędkości obrotowej silnika

napędzającego śrubę . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

3.7.6. Współpraca silnika wysokoprężnego wyposażonego w

regulator prędkości obrotowej ze śrubą napędową . . . . 236

3.7.7. Sterowanie programowe układów napędowych ze

śrubą nastawną. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

3.7.8. Współpraca silnika turbinowego ze śrubą o stałym

skoku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

3.3.4. Rudder propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

3.3.5. Azipod propulsors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

3.3.6. Cycloid thrusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

3.4. Geometry and characteristics of screw propellers . . . . . . . . . 165

3.4.1. Hydrodynamic and rotational characteristics of

propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

3.4.2. Influence of blade shape and dimensions on

propeller characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

3.4.3. Rotational characteristics of propeller . . . . . . . . . . . . 177

3.4.4. Cavitation of propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

3.5. Characteristics of seagoing ship main propulsion diesel

engines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

3.5.1. Rotational constant fuel setting characteristics. . . . . . . 189

3.5.2. Diesel engine propeller characteristics . . . . . . . . . . . 193

3.5.3. Diesel engine universal characteristics . . . . . . . . . . . 193

3.5.4. Diesel engine load characteristics . . . . . . . . . . . . . . 199

3.5.5. Ship propulsion engine load diagram . . . . . . . . . . . . 201

3.5.6. Principles of engine selection . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

3.6. Characteristics and load diagram of seagoing ship main

propulsion turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

3.6.1. Steam turbine load characteristic and load

diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

3.6.2. Gas turbine load characteristic and load

diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

3.7. Cooperation of engine, propeller and hull . . . . . . . . . . . . . . 221

3.7.1. Cooperation conditions of engine, propeller and hull . . . 221

3.7.2. Cooperation of diesel engine and fixed pitch

propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

3.7.3. Cooperation of diesel engine and controllable

pitch propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

3.7.4. Operation of propeller during manoeuvres – Robinson

curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

3.7.5. Self-control of rotational speed of engine driving ship

propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

3.7.6. Cooperation of diesel engine equipped with speed

governor and propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

3.7.7. Program-following control of ship propulsion equipped

with controllable pitch propeller . . . . . . . . . . . . . . . 243

3.7.8. Cooperation of turbine and fixed pitch

propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

3.7.9. Współpraca silnika turbinowego ze śrubą o skoku

nastawnym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

3.7.10. Współpraca silnika elektrycznego ze śrubą o stałym

skoku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

3.7.11. Układy napędowe wielosilnikowe . . . . . . . . . . . . . . 254

3.7.12. Układy napędowe kombinowane . . . . . . . . . . . . . . 258

3.7.13. Odbiorniki mocy w układzie napędowym . . . . . . . . . 262

4. Charakterystyki napędowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

4.1. Charakterystyki napędowe mocy układów napędowych

ze śrubą o stałym skoku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

4.2. Charakterystyki napędowe mocy układów napędowych

ze śrubą o skoku nastawnym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

4.3. Charakterystyki napędowe zużycia paliwa układów

napędowych ze śrubą o stałym skoku . . . . . . . . . . . . . . . . 282

4.4. Charakterystyki napędowe zużycia paliwa układów

napędowych ze śrubą o skoku nastawnym . . . . . . . . . . . . . 284

4.5. Charakterystyki napędowe naporu układów napędowych

ze śrubą o stałym skoku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

4.6. Charakterystyki napędowe naporu układów napędowych

ze śrubą o skoku nastawnym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

4.7. Metody wykonywania charakterystyk napędowych mocy

układów napędowych ze śrubą o stałym skoku . . . . . . . . . . 292

4.7.1. Wykonanie charakterystyki napędowej mocy metodą

G. D. Siłukowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

4.7.2. Wykonanie charakterystyki napędowej mocy metodą

Silowič-Fanceva (jugosłowiańską) . . . . . . . . . . . . . . 302

4.8. Wykonanie charakterystyk napędowych zużycia paliwa

układów napędowych ze śrubą o stałym skoku . . . . . . . . . . 310

4.9. Wykonanie charakterystyk napędowych mocy i zużycia

paliwa układów napędowych ze śrubą o skoku nastawnym . . . 316

Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

3.7.9. Cooperation of turbine and controllable pitch

propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

3.7.10. Cooperation of electric motor and fixed pitch

propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

3.7.11. Multi-engine propulsion plants. . . . . . . . . . . . . . . . 255

3.7.12. Combined propulsion plants . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

3.7.13. Power receivers in propulsion plant . . . . . . . . . . . . . 263

4. Ship propulsion characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

4.1. Propulsion characteristics of power for propulsion plants

equipped with fixed pitch propeller. . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

4.2. Propulsion characteristics of power for propulsion plants

equipped with controllable pitch propeller . . . . . . . . . . . . . 275

4.3. Propulsion characteristics of fuel consumption for propulsion

plants equipped with fixed pitch propeller. . . . . . . . . . . . . . 283

4.4. Propulsion characteristics of fuel consumption for propulsion

plants equipped with controllable pitch propeller . . . . . . . . . 285

4.5. Propulsion characteristics of thrust force for propulsion

plants equipped with fixed pitch propeller. . . . . . . . . . . . . . 289

4.6. Propulsion characteristics of thrust force for propulsion

plants equipped with controllable pitch propeller . . . . . . . . . 291

4.7. Elaboration methods of power propulsion characteristics for

propulsion plants equipped with fixed pitch propeller. . . . . . . 293

4.7.1. Elaboration of power propulsion characteristic using

G.D. Silukhov method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

4.7.2. Elaboration of power propulsion characteristic using

Silowič-Fancev method (Yugoslavian Method) . . . . . . 303

4.8. Elaboration of fuel consumption propulsion characteristics for

propulsion plant equipped with fixed pitch propeller . . . . . . . 311

4.9. Elaboration of power and fuel consumption propulsion

characteristics for propulsion plants equipped with

controllable pitch propeller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330