АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРОВ ФЛЕТТНЕРА ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ ПАРОМОВ ПРОЕКТА 1809

Ж.В. Нго, К.Н. Сахно

Экспериментальные исследования процесса компенсации отклонений трасс трубопроводов ...

ceptual basis of the compensation of total variance by pipelines movement have been confirmed and the algorithm for deviations compensation of pipelines with the use of mutually parallel sections with joints and additional overmeasures have been developed.

Статья поступила в редакцию 12.10.2017 г.

УДК 629.12.001.2: 656.66.

В.И. Самулеев, к.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» Ю.П. Мухин, судовой электромеханик «Рикмерс групп» В.К. Калачёв, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРОВ ФЛЕТТНЕРА ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ ПАРОМОВ ПРОЕКТА 1809

Ключевые слова: роторы Флеттнера, гребная электрическая установка, широтно-импульсная модуляция, системы активного движения, экономия топлива, ветровые условия, моделирование.

В последнее время часто появляются весьма нестандартные подходы к решению задач экономии топлива и повышения эффективности судовых пропульсивных энергетических установок. Такой вывод был сделан в связи с успешными испытаниями спущенного в 2010-м году судна типа «ро-ро» под названием «E-Ship-1». Конструкция его необычна тем, что с целью экономии энергии в качестве движителей применяются вращающиеся цилиндры, получившие название роторов Антона Флеттнера. Авторами статьи изложены технико-экономические обоснования применения систем с такими движителями при модернизации парома проекта 1809.

В [1] роторы Флеттнера отнесены к движителям активной группы наравне с парусами. Также установки такого рода изучаются, проектируются некоторыми исследователями [2, 3] из Финляндии, Германии для многих типов судов. Чаще всего они используются как вспомогательные, однако произведёнными расчётами энергетических показателей авторы статьи не исключают использования данных систем в качестве основных энергетических установок судов.

Одним из результатов работ европейских исследователей и конструкторов является снижение расхода топлива в среднем на 30-40% на судне «Е-8Ыр-1» (Рис. 1а), построенном при совместном участии судостроительной верфи в Эмдене и немецкой фирмы «Епегсоп», которая также является и заказчиком судна [4]. Это снижение достигается за счет использования в качестве движущей силы энергии ветра, набегающего на вращающиеся цилиндры высотой 27 м и диаметром 4 м (без учёта стабилизирующих шайб). В результате при определённой скорости вращения данных цилиндров возникает необходимый упор, толкающий судно вперёд с заданной скоростью. Первым же судном, официально использующим так называемый эффект Магнуса, было судно «Букау» (Рис. 1б) немецкого инженера Антона Флеттнера. Два цилиндра раскручивались от двигателей мощностью 60 кВт каждый, с частотой 160 оборотов в минуту. Схема электродвижения представляла собой классическую схему «Вард-Леонарда». Судно развивало ход до 12-16 узлов.

б)

Рис. 1. Суда с использованием активных систем движения: а) «Е^Ыр-1», б) «Букау»

В настоящей статье произведён анализ технико-экономических показателей двух наиболее перспективных вариантов модернизации уже существующего проекта 1809. Такой проект был выбран неслучайно, потому что имеет приблизительные ширину, длину и высоту борта, схожие с судном «Е^Ыр-1», что существенно упрощает дальнейшие расчёты и исследования.

Было продолжено технико-экономическое сравнение двух уже известных и наиболее перспективных схем электродвижения с использованием систем активного движения по [7]:

1) Вариант гребной электрической установки (далее ГЭУ) на переменном токе с использованием преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (далее ШИМ),

2) Вариант ГЭУ двойного рода тока с использованием индуктивно-ёмкостного преобразователя (далее ИЕП) [5].

Все цены предоставлены поставщиками товаров и услуг с привязкой к месту модернизации судна проекта 1809 (тип «Сахалин»).

При расчёте годовых затрат затраты на топливо оказались снижены по вариантам:

1) С 1234022 до 373672 рублей,

2) С 1234022 до 380152 рублей.

Несмотря на то, что затраты на топливо оказались сниженными почти одинаково, основной упор делался на сравнение модернизационных мероприятий и стоимости оборудования по методике, изложенной в [7]. Результаты представлены в виде графиков на Рис. 2

В. И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В.К. Калачёв

Анализ вариантов систем электродвижения с использованием роторов Флеттнера при

зоооооооо

250000000 200000000

ю

£ 150000000 э

| 100000000 о

и 50000000

о

Название оси

Стоимость модернизационных мероприятий

Годовые расколы эксплуатации электрооборудования по вариантам!руб.)

Рис. 2. Зависимость модернизационных мероприятий от годовых расходов

Доходы и затраты на оборудование по вариантам модернизации были рассчитаны в предыдущей статье [6] и представлены здесь в виде зависимости изображённой на Рис. 3.

25000000 20000000 15000000 10000000 5000000

о

Доходь[[руб)  Затраты(руб]

Рис. 3. Зависимость доходов от затрат по вариантам модернизации

Далее производилось имитационное моделирование с предварительными расчётами: расчёта упора и момента сопротивления ротора, рабочей зоны ротора и расчётов двигателей двух схем модернизации с использованием систем активного движения.

Методика расчёта упора для роторов Флеттнера предусматривает расчёт упора для двигателя. В данном случае применялся классический расчёт сопротивления гребного винта для одновальных судов объёмного водоизмещения [8], данные которого применяются в расчётах самой системы активного движения при номинальных ветро-волновых условиях. Согласно данным расчётам упор номинальный для судна проекта 1809 составил 832 кН при работе одного ГЭД на скорости вращения винта 100-230 оборотов в минуту.

Затем данный упор фактически переносится на систему активного движения, как функция момента сопротивления движению судна, так как имеет то же значение при номинальных ветро-волновых условиях.

Затем по уже имеющимся данным упора рассчитывалось рабочее сечение ротора и разделение его на 4 равных по площади сечения с целью агрегатирования и, как следствие, снижения мощности приводных двигателей и снижения отрицательного кренящего момента при сильном воздействии ветра [9]. Согласно расчёту, сечение одно ротора составило 30x4 м (без учета концентрационных шайб). Как было изложено выше, размеры рабочего сечения роторов Флеттнера для судна «Е-8Ыр-1» составляют 27x4 м, что говорит о сходных ходовых качествах сравниваемых судов.

Параллельной задачей являлись расчёты и подбор соответствующего приводного электродвигателя обеих схем модернизации, необходимого для построения схемы и экономического расчёта и для построения модели для имитационного моделирования. Мощность на валу согласно расчётам рабочего сечения составила 250-300 кВт на 1 из 4 роторов. В варианте №1 им являлся асинхронный двигатель с питанием от преобразователя с ШИМ. В варианте №2 им являлся двигатель постоянного тока с независимым возбуждением с использованием ИЕП. Расчёты производились согласно литературе [10, 11].

Необходимым условием являются отдельные расчёты ветровых условий района работы вышеуказанного судна. Они производились на основании данных гидрометеорологических очерков лоций Охотского моря, Татарского пролива [12]. В качестве примера на Рис. 4 наглядно показано распределение и повторяемость ветров в акватории Татарского пролива за январь месяц.

Рис. 4. Распределение и повторяемость ветров в акватории Татарского пролива за январь месяц

В.И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В.К. Калачёв

Анализ вариантов систем электродвижения с использованием роторов Флеттнера при ...

При расчётах использовалась классическая формула (1) оценки повторяемости средне-годичной скорости ветра на данных маршрутах (Татарский пролив: порт Ва-нино-порт Холмск) [13].

и

где

t, - вероятность повторяемости данной скорости ветра (%) r, - интервал наблюдения, Я, - количество интервалов.

Согласно расчётам и анализу данных среднегодичной скорости ветра с вероятностью 13% можно сказать, что среднегодичная скорость ветра в вышеуказанных районах составляет не ниже 8 м/сек.

Как известно из теории аэродинамики, цилиндр, вращающийся в потоке воздуха, имеет силу, перпендикулярную основному потоку (2) [14]:

P = S х u х v х 8.1,

где

Р - сила выталкивающая цилиндр из потока (сила тяги),

S - площадь сечения цилиндра(имеется ввиду диаметр умноженный на высоту цилиндра),

v - скорость ветра(м/с), u - скорость вращения цилиндра,

8,1 - коэффициент принятый для продувок цилиндров в аэродинамической трубе.

Однако, несмотря на универсальность данной формулы при расчётах активных движителей, таких как роторы Флеттнера, она не раскрывает всей природы воздействия ротора на привод, в данном случае на электропривод. В частности, это обусловлено отсутствием в формуле плотности воздуха и различной природой воздействия ветра на вращение.

Известна более подробная формула (3), исключающая данные недостатки [15]:

P= Ct х р х n х V х S,

где

Р - сила тяги, (Н) Ct - коэффициент момента, n - скорость вращения (об/мин), V - скорость ветра(воздуха, м/с), S - площадь сечения.

Согласно произведённым расчётам, формула наиболее подходит для проведения моделирования.

Далее данная формула собирается в виде имитационной модели в составе моделей ГЭУ для двух вариантов модернизации, а именно:

1) Вариант ГЭУ на переменном токе с использованием

2) Вариант ГЭУ двойного рода тока с использованием ИЕП [5].

Рис. 5. Имитационная модель ротора Флеттнера

Рис. 6. Имитационная модель ГЭУ на переменном токе с использованием преобразователей с ШИМ и систем активного движения

Рис. 7. Имитационная модель двойного рода тока с использованием ИЕП и систем активного движения

После проработки обоих имитационных моделей были получены следующие графики, изображенные на рис. 8 и рис. 9.

В. И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В.К. Калачёв

Анализ вариантов систем электродвижения с использованием роторов Флеттнера при ...

К В) Напряжение стат ори РГЭД

ущих -

у V Ч/ V V" рт/

11

t

М

[ Увеличение скорости ветра с 8 до 14 м/сек

- 1

Рис. 8. Графики напряжения статора, скорости вращения, момента сопротивления роторного гребного электродвигателя (РГЭД) ГЭУ переменного тока с использованием ШИМ

л

Рис. 9. Графики напряжения статора, скорости вращения, момента сопротивления роторного гребного электродвигателя (РГЭД) ГЭУ двойного рода тока с использованием ИЕП

После анализа графиков обоих моделей было выявлено следующее:

1) Согласно расчётам экономических показателей, вариант №1 показал отрицательный результат вследствие большой цены на оборудование, а соответственно, и окупаемость его ниже, чем у варианта №2, где осуществляется лишь частичная модернизация. Годовая экономия топлива составила две трети от общего количества затрачиваемого топлива до модернизации;

2) При возмущающем воздействии (увеличение скорости ветра) со стороны ротора наблюдалось изменение скорости вращения, объясняющееся увеличением силы трения воздуха, которое физически было описано в [14]. При этом ток главной цепи возрастал в ГЭУ двойного рода тока на 80 А, в ГЭУ переменного тока на 10А. Падение оборотов при этом наблюдалось только у ГЭУ двойного рода тока. У ГЭУ переменного тока наблюдалось при этом увеличение уровня гармонических составляющих на 10 % в верхнем экстремуме;

3) Среди особенностей, не учитываемых в модели и расчётах экономических показателей, необходимо выделить режим работы гребного винта называемый турбинным. В таком режиме винт вращается от набегающего потока и фактически не создает ни отрицательного, ни положительного упора. Такой режим на судах данного проекта используется для снижения сопротивления встречного потока, набегающего на носовой винт. В случае работы системы активного движения расход мощности на враще-

ние одного носового и одного кормового винта будет существенно сказываться на расходе топлива;

4) Необходимо также учитывать, что в данном случае увеличение ветра является приращением момента сопротивления и, как следствие, некоторым приращением упора и увеличением скорости движения судна. Скорость вращения в данном случае под нагрузкой снижается, а ток главной цепи увеличивается.

Выводы:

1) Основываясь на данных результатов моделирования двигателей обеих схем ГЭУ при применении систем активного движения на судах проекта 1809, результатах расчётов экономических показателей, представляется возможным сделать вывод о том, что при использовании на судах систем активного движения наиболее экономически и технически оправданной является применение схемы ГЭУ с использованием ИЕП.

2) Применение систем активного движения даёт снижение расхода топлива, согласно расчётам, на 30-40%, а с учётом цен на оборудование, монтаж и эксплуатацию, даёт снижение срока окупаемости.

Список литературы:

[1] Полонский В.И. Электрооборудование и электродвижение судов. - М. Транспорт, 1965. -330 с., ил.

[2] Norsepower [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.norsepower.com

[3] International Wind ship Association [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://wind-ship.org/en/grid-homepage/

[4] Enercon E-Ship 1.A Wind-Hybrid Commercial Cargo Ship-[электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ship-efficiency.org/onTEAM/pdf/06-STG_Ship_Efficiency_2013_100913_Paper.pdf

[5] Самулеев В.И., Мухин Ю.П. Исследование переходных процессов в ГЭУ паромов проекта 1809 (тип «Сахалин») с использованием индуктивно-емкостного преобразователя. / Вестник ВГАВТ. Вып. 45. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2015. - С. 281-288.

[6] Самулеев В.И., Мухин Ю.П. Технико-экономический анализ вариантов схем электродвижения при модернизации парома проекта 1809(тип «Сахалин»). / Вестник ВГАВТ. Вып. 49. -Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2016. - С. 251-258.

[7] Горфинкель Н.Я. Экономика предприятия / Горфинкель. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2013. - 663 с.

[8] Ходкость и управляемость судов: учебное пособие для вузов водного транспорта/Басин А.М. - Л. : Транспорт, 1977. - 456 с.

[9] Крючков Ю.С., Перестюк И.Е. Крылья океана. - Л.: Судостроение, 1983. - 255 с.

[10] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; Питер 2008. 288 стр.: ил.

[11] Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0:учебное пособие. - СПб.: КОРОНА-принт, 2001. - 320 с., ил.

[12] Лоция Татарского пролива и Охотского моря №1402. 2010. Отделение геодезии и картографии Министерства обороны РФ.

[13] Безруких П.П. «Ветроэнергетика», (справочное и методическое пособие). М.: Энергия, 2010 год, 313 страниц.

[14] Авиационная подъёмно-транспортная система и ветроэнергетические устройства вихревого типа: монография / Л.В. Михненков. - М.: РИО МГТУ ГА, 201 4. - 96 с., 64 рис.

[15] Seifert J. Micro Air Vehicle lifted by a Magnus Rotor. A Proof of Concept./ American Institute of Aeronautics and Astronautics journal.2011.1-10pps.

ANALYSIS OF ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS WITH THE USE OF FLETTNER ROTORS IN THE MODERNIZATION OF FERRIES PROJECT 1809

V.I. Samuleev, Yu.P. Mukhin, V.K. Kalachev

В. И. Самулеев, Ю.П. Мухин, В.К. Калачёв

Анализ вариантов систем электродвижения с использованием роторов Флеттнера при ...

Key words: rotors of the Flettner propeller electric installation, pulse width modulation, a system of active movement, fuel economy, wind conditions, modeling.

Recently in the periodical literature and the press often appear very unusual, successful approaches to solving the problems of fuel economy and efficiency for ship propulsion and power plants. This conclusion was madden in connection with the successful tests, launched in 2010, the year of the vessel type «ro-ro» under the name «E-Ship-1 ». The design is unusual in that for saving energy as propulsion applied rotating cylinder called as Anton Flettner rotors. The authors presented a feasibility study of application systems including propulsion for example, stated in early articles systems modernization project of the ferry in 1809.

Статья поступила в редакцию 24.10.2017 г.

УДК 556.5

М.В. Смирнова (Игонина), доцент, к.т.н. ФГБОУВО «ВГУВТ»

Е.Ю. Чебан, доцент, к.т.н. ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

Е.В. Володченко, студент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

Е.Ю. Бердникова, студент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

Е.С. Солина, студент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ГИДРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЧАСТКОВ ГОРЬКОВСКОГО И ЧЕБОКСАРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩ С ПРИТОКАМИ В ЛЕТНИЙ ПЕРИОД 2017 ГОДА

Ключевые слова: Горьковское водохранилище, Чебоксарское водохранилище, гидрохимические показатели, притоки, загрязнение, химический анализ, синезеленые водоросли

Рассмотрены результаты гидроэкологических исследований в озерной части Горьков-ского водохранилища и на участке Чебоксарского водохранилища, а также их притоков. Отмечено влияние таких притоков как Санахта и Троца на содержание органических веществ по величине БПК5 в воде Горьковского водохранилища, а также р. Керженец на загрязнение Чебоксарского водохранилища. Влияние р. Кудьма однозначно определить не удалось, т.к., по всей видимости, еще до впадения ее в Чебоксарское водохранилище, она сильно разбавляется в устье напротив с. Кадницы. Установлено, что вынос загрязняющих веществ притоками в водохранилище существенно зависит от скоростей течений, как в устье притоков, так и в самом водохранилище. Как показали предварительные результаты исследования на двух различных по скоростному режиму участках Горьковского и Чебоксарского водохранилищ, влияние притоков наиболее заметно при малых скоростях течений в водохранилище.

1. Введение

Горьковское и Чебоксарское водохранилища Волжского каскада характеризуются высокой антропогенной нагрузкой и связанными с этим типичными для волжского бассейна проблемами: цветением токсичных синезеленых водорослей, промышленными сбросами, масштабными гидротехническими работами на участке от Городца до Нижнего Новгорода. В то же время, экологическое состояние Волги и ее притоков играет важную роль в качестве жизни региона.