INSTALATII DE PUNTE, CORP SI MASINI

CONSIDERATII PRIVIND INSTALATIILE DE PUNTE

INSTALATIA DE ANCORARE

1. Descrierea instalatiei si implementarea acesteia la bordul navei

Instalatia de ancorare are rolul de a asigura mentinerea navei la punct fix in conditii de siguranta, indiferent de conditiile hidrometeorologice si de aspectul rundului marii, si de a genera forta necesara virarii ancorei si lantului acesteia indiferent de adancimea la care acestea au fost imersate. Pe parcursul stationarii la ancora, instalatia de ancorare trebuie sa asigure preluarea fortelor de reactiune provocate de actiunea factorilor externi navei.

Asupra unei nave aflate "la ancora" actioneaza mai multe tipuri de forte exterioare: forta exterioara datorata actiunii vantului asupra partii emerse a navei, forta exterioara produsa de valurile ce lovesc opera moarta a navei si forta exterioara produsa de actiunea curentilor de apa in care stationeaza nava. Insumarea acestor forte exterioare duce la obtinerea unei forte rezultante cu componente pe orizontala si pe verticala. Componenta verticala este neglijabila din punct de vedere valoric, mai ales pe mare calma. Componenta orizontala este suficient de mare pentru a determina deplasarea navei in planul sau de actiune. Din punct de vedere al echilibrului static, nava nu se va deplasa in plan orizontal sub actiunea rezultantei fortelor exterioare daca acesteia i se va opune o forta egala si de sens contrar. Aceasta din urma forta trebuie asigurata de instalatia de ancorare pe toata perioada utilizarii sale.

Forta orizontala de echilibrare generata de instalatia de ancorare nu poate fi produsa, in lipsa unor elemente fixe, la suprafata apei - mai ales in mare deschisa, decat prin crearea unei legaturi mecanice directe cu fundul marii considerat fix. Legatura directa se realizeaza in mod efectiv prin lantul de ancora si ancora situata la capatul acestuia care coboara si se aseaza pe fundul apei. Fortele de interactiune dintre ancora si lantul acesteia cu fundul apei au drept componenta preponderenta forta de frecare care trebuie sa fie suficient de mare pentru a asigura echilibrarea fortelor exterioare ce actioneaza asupra navei. Forta de frecare produsa la nivelul fundului apei este transmisa navei prin lantul de ancora la nara ancorei ce o preia si o aplica corpului navei. Pentru ca fortele de frecare amintite sa fie suficient de mari este necesar ca asupra ancorei asezata pe fundul apei sa nu actioneze nici o forta verticala in afara de cea arhimedica proprie. Suplimentar, forta de frecare este marita si datorita afundarii ancorei in malul existent pe fundul apei precum si prin coborarea (filarea) in apa a unei lungimi de lant cat mai mari (de cca. 2.3 ori mai mare) in raport cu cea impusa strict de adancimea apei in locul respectiv.

In concluzie, prin utilizarea instalatiei de ancorare, nava este mentinuta intr-un perimetru restrans datorita legaturii flexibile dintre aceasta si fundul marii. Instalatia de ancorare trebuie sa prezinte siguranta in exploatare si sa permita actionarea mecanica de la bord.

Ancorele sunt elemente de fixare a navei fata de fundul apei, prin intermediul lanturilor sau paramelor. Ancorele existente in echiparea navelor comerciale sunt de diferite tipuri constructive, cele mai utilizate fiind cele de tip Hall. Acestea, desi nu sunt caracterizate de un factor de smulgere k_s (raport intre forta orizontala de smulgere si greutatea ancorei) foarte ridicat → k_s = 3.4, prezinta o serie intreaga de avantaje legate de siguranta deosebita in exploatare si fixarea usoara in nara de bordaj. Din punct de vedere constructiv, aceste ancore sunt alcatuite dintr-un fus articulat, cap cu brate, bolt de asamblare, bolturi de sustinere si o cheie dreapta de care se fixeaza lantul de ancora. Masa ancorei Hall fara fus reprezinta cel putin 60% din masa totala a ancorei.

Lantul de ancora este alcatuit din zale de un anumit calibru (diametrul sarmei zalei - d) si tip constructiv. Se deosebesc astfel zale terminale (au un calibru cu 20% mai mare decat al zalelor normale si intra in angrenare directa cu cheia de capat a ancorei si cheia de prindere de corpul navei), zale vartej (impiedica torsionarea lantului), zale intarite (plasate de o parte si de alta a zalelor vartej), zale de cuplare a cheilor de lant (zale Kenter) si zale obisnuite. Zalele care formeaza lantul se obtin prin sudare electrica sau prin forjare.

Cheile de lant, avand lungimi cuprinse intre 27,5) m cuprind un anumit numar de zale de lant in mod obligatoriu impar. Dupa pozitia pe care o ocupa in lant, cheile de lant pot fi: de ancora, care se prind de ancora; intermediare; de capat, care se fixeaza de corpul navei [12]. Lungimea totala a lantului depinde de adancimea de ancorare (H) prevazuta pentru nava respectiva. Astfel:

pentru H < 25 m → L_tmin = 4∙H;

pentru 25 m < H < 50 m → L_tmin = 3∙H;

pentru 50 m < H < 150 m → L_tmin = 2,5∙H;

pentru 150 m < H < 250 m → L_tmin = 1,5∙H.

In practica se pot utiliza, pentru nave mai mici, si cabluri de otel sau parame in locul lantului de ancora, mai ales cand adancimea apei este foarte mare. In functie de posibilitati [A1] si nevoi, o nava poate fi dotata cu 2 pana la 4 ancore din care 2 sunt situate la prova intr-un bord si in altul.

Ancora si lantul sau reprezinta doar o parte din ansamblul instalatiei de ancorare, din aceasta mai facand parte si dispozitivele de actionare a lantului (vinciuri de ancora), dispozitivele de franare a lantului (stopele de lant), narile de punte si bordaj, tuburile de ghidare, ghidajele pentru lant (situate pe punte cu rolul de a aseza lantul dupa o directie favorabila antrenarii sale pe tamburii vinciurilor), putul lantului de ancora, dispozitivul de prindere a lantului de corpul navei.

Dispozitivele de actionare a lantului de ancora sunt de obicei de tipul vinciurilor sau cabestanelor, fiind antrenate, in mod uzual, de electromotoare de curent alternativ sau continuu, exceptie facand navele ce transporta produse petroliere la care actionarea se face cu masini rotative cu aburi sau pneumatice. Actionarea electrica prezinta avantajele unei puneri in functiune mai rapide, randament ridicat, posibilitate de automatizare si control de la distanta [5]. Legatura dintre axul motorului electric si axul barbotinei cabestanului se face prin intermediul unei transmisii mecanice in care sunt intercalate o frana electromagnetica (cu rolul de a bloca axul barbotinei in cazul disparitiei accidentale a tensiunii de la bornele motorului electric) si un sistem reductor de tip melc roata melcata sau de tip planetar. Aferente actionarii electro-mecanice a cabestanelor (vinciurilor) sunt amplasate si tablouri electrice de actionare, control si reglaj al functionarii motorului electric.

Instalatia de ancorare a navei de proiectat este dotata cu un vinci de ancora cu doua seturi de tamburi si barbotine, antrenat de un electromotor de curent alternativ cu rotor in scurtcircuit.

Stopele sunt amplasate pe puntea instalatiei - puntea teuga - si au rolul de a asigura franarea si chiar blocarea lantului pe parcursul diferitelor manevre executate si de a transmite lantului de ancora actiunea fortei rezultante exterioare ce se manifesta asupra navei. Se deosebesc astfel stope de manevra si stope de stationare. Totodata exista stope fixe si stope cu lant. Stopele sunt amplasate pe puntea teuga intre mecanismul de actionare al lantului si nara de punte a tubului de ghidare din bordaj. Dimensionarea stopelor trebuie sa tina seama de tensiunile maxime ce pot aparea in aceste dispozitive si care nu trebuie sa depaseasca nivelul de 40% din limita de curgere a materialului de constructie a stopelor cand ancora se afla la post si 95% cand trebuie sa asigure franarea lantului pe perioada filarii acestuia. Rezistenta materialului de executie al stopei trebuie sa fie egala cu cea a materialului lantului de ancora.

Narile de punte si de bordaj impreuna cu tuburile de ghidare reprezinta decupari in puntea si in bordajul navei, avand rolul de a permite virarea, filarea si depozitarea lantului de ancora la bordul navei. Forma constructiva si pozitionarea acestor elemente sunt alese in asa fel incat sa nu duca la deteriorarea prin frecare sau incovoiere a zalelor de lant si nici la ambarcarea apei pe puntea navei la navigarea pe mare montata (sunt prevazute capace pentru nari). Totodata, pozitionarea narilor de bordaj nu trebuie sa permita atingerea bordajului de catre ancora nici in cazul bandarii navei sub un unghi de 5 intr-un plan oarecare, dar sa faciliteze asezarea normala a ancorei in nara indiferent de pozitia acesteia la intrarea in nara. Narile ce intra in contact direct cu ancora sunt de constructie turnata, iar celelalte, precum si tuburile de ghidare, sunt de constructie sudata.

In timpul marsului navei instalatia de ancorare este inactiva, fiind necesara astfel existenta la bordul navei a unor spatii de depozitare pentru lanturile de ancora. Acestea sunt concretizate de catre puturile lanturilor de ancora. Asezarea lor la bordul navei este de preferat a fi aleasa cat mai aproape de planul diametral al navei si imediat in prova peretelui de coliziune sau in pupa peretelui de presetupa. Acest lucru este necesar datorita maselor relativ mari ale lanturilor de ancora ce pot influenta stabilitatea navei in regim de oscilatii pe valuri. Formele si dimensiunile puturilor depind de lungimea si calibrul lanturilor de ancora, fiind astfel alese incat sa permita filarea usoara a lantului prin nara de punte si asezarea sa in interior pe cale gravitationala. Puturile de lant sunt constructii etanse din tabla de otel sudata, protejate la interior impotriva coroziunii si a loviturilor de lant, fiind prevazute in partea inferioara cu gratare metalice sau din lemn destinate inlesnirii drenarii apei, malului, florei si faunei acvatice ce a aderat la lant pe perioada sederii sale in apa. Cheia de impreunare dintre lant si corpul navei este una speciala, de constructie demontabila, avand rolul de a permite in caz de blocare a ancorei pe fundul apei desprinderea in conditii de siguranta a lantului de nava si abandonarea sa definitiva.

Dispozitivul de fixare a lantului de ancora de corpul navei asigura posibilitatea de renuntare la ansamblul ancora-lant prin desprinderea acestuia de corpul navei. Sistemul de fixare a lantului trebuie sa asigure o prindere sigura si, la nevoie, o desprindere rapida si sigura, chiar si atunci cand lantul sau parama sunt tensionate.

Cele mai utilizate dispozitive de fixare a lantului de ancora de corpul navei sunt sistemele cioc de papagal [12]. Exista ciocuri de papagal libere sau fixe. Ciocul de papagal trebuie montat astfel incat, pentru lantul complet filat, el sa iasa din putul lantului si sa ajunga pe punte pentru a putea fi actionat.

Pe puntea instalatiei sunt montate si dispozitive de spalare a lantului de ancora cu necesarul de apa asigurat de instalatia de stins incendii cu apa.

2. Elemente de exploatare a instalatiei

Functionarea instalatiei este una relativ simpla, constand in doua faze principale de lucru: filarea si virarea ancorei.

Filarea ancorei se face pe cale gravitationala, fiind necesare si suficiente deblocarea stopelor lantului si decuplarea sistemelor de franare ale axelor tobelor vinciurilor pentru ca lantul sa inceapa sa coboare sub actiunea greutatii ancorei (greutatea ancorei este de aproximativ 50 de ori mai mare decat cea a unui metru de lant). Uneori este necesara si rotirea usoara a vinciului pentru a duce la slabirea lantului si declansarea filarii acestuia.

Virarea lantului de ancora presupune ambarcarea acestuia la bordul navei prin intermediul dispozitivului de actionare a lantului. Functionarea electromotorului pe parcursul acestui proces cunoaste mai multe etape determinate de variatia tensiunilor din lant si a fortelor de tractiune necesare la toba vinciului. Aceste etape sunt (vezi graficul 1.):

etapa I - tragerea navei pe lant - consta in deplasarea navei catre punctul de
amplasare al ancorei, lantul de ancora pastrandu-si forma de "lantisor"
dobandita pe parcursul repausului; in aceasta etapa este ambarcata la
bordul navei portiunea de lant excedentara ce s-a aflat pe fundul marii pe
perioada ancorarii;

etapa II aducerea navei deasupra ancorei - continuarea deplasarii navei
catre perpendiculara dusa prin punctul de amplasare al ancorei, lantul
apropiindu-se ca forma de cea rectilinie verticala;

etapa III - smulgerea ancorei - are loc cand lungimea lantului imersat este
egala cu adancimea apei. In acest caz electromotorul trebuie sa asigure o forta de tractiune maxima la toba pe o perioada aproximata la cca. 60 s; pentru a
usura sarcina motorului la smulgere, in cazurile cand ancora s-a infipt in
solul de pe fundul marii, poate fi utilizata si instalatia de propulsie a navei
cand aceasta este pornita;

etapa IV virarea lantului de ancora impreuna cu ancora - forta de
tractiune scade proportional cu portiunea imersata a lantului;

etapa V - introducerea ancorei in nara - forta de tractiune creste cu cca.
25% fata de cea minima caracteristica etapei IV.

In desen s-au mai utilizat urmatoarele notatii: h = distanta dintre nara de bordaj si suprafata apei; x_t = distanta dintre nara de bordaj a navei si punctul de stationare al ancorei pe fundul marii (distanta parcursa de nava); x = proiectia dupa axa orizontala a portiunii de lant 1; x₁ = proiectia dupa axa orizontala a portiunii de lant h; F_a = forta de tinere a ancorei; T₂ = forta de reactie din partea actionarii (la nivelul narii de bordaj); T₂' = forta de tensiune din lantul de ancora; = ct. = componenta orizontala a tensiunii din lant; = unghiurile dintre planul orizontal (axa Ox) si tangentele duse la lant in punctele O si O₁; F_ext = componenta orizontala a fortelor exterioare aplicate navei.

Aceste etape distincte se concretizeaza in regimuri de lucru diferite pentru electromotorul de actionare a carui functionare este comandata si reglata in acest sens printr-un controler ce comanda introducerea/scoaterea din circuitele de alimentare ale motorului a unor rezistoare electrice corespunzator dimensionate pentru a aduce motorul in regimurile de functionare amintite [6].

3. Elemente de calcul a instalatiei

Datorita utilizarii actionarii electrice a instalatiei de ancorare practic numai pe perioada virarii ancorei si lantului acesteia, calculul instalatiei se va face tinand cont numai de solicitarile ce apar numai pe parcursul acestei perioade. Calculul se va referi doar la partea de actionare electrica (electromotorul utilizat) deoarece acesta este componenta de baza a instalatiei, de buna sa dimensionare si alegere depinzand eficacitatea functionarii acesteia. Celelalte componente sunt mai usor de proiectat, in calculul lor urmarindu-se ca acestea, in final, sa indeplineasca conditiile de rezistenta determinate de solicitarile mecanice la care sunt supuse.

Pentru simplificarea calculelor se va considera ca deplasarea navei pe lant (etapa I) se realizeaza cu viteza constanta.

In calculul caracteristicilor constructiv-functionale ale elementelor constructive ale instalatiei de ancorare intervin urmatoarele marimi:

= deplasamentul volumetric corespunzator liniei de incarcare de vara [m³];

v = dx₁/dt = viteza navei [m/s];

v_lt = viteza lantului [m/s];

M_a = masa ancorei in aer [kg];

G_a = greutatea ancorei in aer [N];

G_aapa = greutatea ancorei in apa [N];

q = greutatea unui metru liniar de lant in aer [N/m];

qapa greutatea unui metru liniar de lant in apa [N/m];

Q_apa = greutatea unui metru liniar de lant in apa [N/m];

d = diametrul (calibrul) tijei zalei lantului de ancora [mm];

L_lt = lungimea totala a unui lant de ancora [m];

N_a = caracteristica de dotare a navei = ^2/3+ 2∙B_x∙h + 0,1∙A [m]

B_max = latimea maxima a navei [m];

h = inaltimea conventionala de la linia de plutire de vara pana la fata superioara

a invelisului puntii celui mai inalt ruf = a + Shi [m];

a = distanta masurata pe verticala la sectiunea maestra de la linia de incarcare de

vara pana la fata superioara a invelisului puntii superioare [m];

h_i = inaltimea in planul diametral a fiecarui nivel al suprastructurii sau rufului cu

o latime mai mare de 0,25∙Bx [m];

A = suprafata velica in limitele lungimii de calcul a navei considerata la linia de

incarcare de vara (se include aria proiectiei corpului emers al navei pe planul diametral, suprafata proiectiilor pe planul diametral ale suprastructurii si tuturor rufurilor cu latimea mai mare de 0,25∙Bx) [m].

In ceea ce priveste lantul de ancora al navelor cu zona nelimitata de navigatie, A.N.R. prevede ca diametrul minim al tijei zalei de lant (lant cu rezistenta marita) sa fie: [mm]. Diametrul real se va alege imediat superior in conformitate cu STAS-ul de lant utilizat (STAS 168-80). Greutatea unui metru liniar de lant in aer se poate determina cu relatia: [N/m].

Masa ancorei nu trebuie sa fie mai mica decat valoarea M_amin = k ∙ N_a [kg], unde k reprezinta un coeficient egal cu 3 pentru navele cu zona nelimitata de navigatie. Aceasta conditie reiese din obligatia ancorei de a pastra o legatura sigura intre nava (lantul de ancora) si fundul apei. De obicei, masa ancorei este de cel putin 50 de ori mai mare decat cea a unui metru liniar din lantul acesteia. Bineinteles, greutatea ancorei va fi: G_a = M_a ∙ g [N].

Valorile G_aapa si q_apa se pot determina cunoscand valorile acestor greutati in aer si inmultindu-le cu un coeficient ce tine cont de impingerea arhimedica exercitata de apa asupra ancorei si lantului (β).

Deci: G_aapa= G_a ∙ β ; q_apa = q ∙ β . (1)

Coeficientul β se calculeaza cu relatia: β = (ρ_OL- ρ_apa)/ ρ_OL. Pentru densitatile cunoscute ale otelului (7800 kg/m³) si a apei de mare (1025 kg/m³) rezulta: β = 0,8

Pentru a realiza calculul de dimensionare al instalatiei este necesara cunoasterea fortelor ce solicita elementele componente ale acesteia. Pentru perioada de stationare a navei la ancora se pot scrie urmatoarele (vezi graficul 1.):

in punctul O: T₀ = T₁ ∙ cosφ; (2)

in punctul O₁    T₂' ∙ cosφ₂ = F_ext; (3)

in care sunt reactiunile din fundul marii si din lantul de ancora in punctul de contact al acestora, iar si sunt reactiunile din nara de bordaj a instalatiei de ancorare a navei si din lant in punctul acestora de contact.

Avand in vedere faptul ca lantul de ancora adopta pe perioada stationarii forma lantisorului, in fiecare punct al lantului liber suspendat componenta orizontala a fortei de intindere are aceeasi valoare constanta, astfel:

    (4)

La filarea unei lungimi mai mari de lant decat adancimea de ancorare, unghiul dintre lant si fundul marii in punctul de contact al acestora este nul, reactiunea locala din lant neavand componenta pe verticala ce ar putea produce ridicarea cheii de impreunare a ancorei.

Astfel pentru > O se pot scrie egalitatile:

(5)

F_ext reprezinta componenta orizontala a sumei fortelor exterioare a sistemului nava-lant-fund de apa, care actioneaza asupra navei tinzand sa o indeparteze de punctul de ancorare. Fortele exterioare au origine diversa, dintre toate evidentiindu-se cantitativ doar cele produse de interactiunea curentului marin (F_c) si vantului (F_v) cu portiunea imersa, respectiv emersa, a corpului si constructiilor aflate pe puntea principala a navei. Astfel:

(6)

Cele doua forte perturbatoare ale echilibrului static al navei aflate la ancora se pot calcula utilizand relatiile:

(7)

(8)

in care: _apa = densitatea apei de mare = 1,025 [N∙s /m⁴

k_k = coeficient de corectie pentru influenta curburii corpului navei (determinat tabelar - tabelul A.l);

Tabelul A.1

= coeficient de frecare al apei de carena = 1,14.3,84;

= majorare a coeficientului de frecare datorata prezentei asperitatilor pe corpul navei = 0,7.1,2 (valorile mai mici corespund navelor cu constructie sudata a invelisului corpului);

A_ud = suprafata carenei;

v_c = viteza curentului marin = 1.2,57 [m/s] (pentru navele cu zona nelimitata de navigatie);

v_t = viteza navei la tragerea acesteia pe lant = 0,1.0,3 [m/s];

k_v = coeficientul de presiune al vantului = 0,24.0,61 [N∙s²/m⁴];

A = suprafata velica a navei [m²];

v_v = viteza vantului = 4.12 [m/s] (corespunzator 3.6 grade Beaufort).

In urma rezolvarii ecuatiei lantisorului, pentru reactiunile de la capetele lantului de ancora se vor gasi urmatoarele relatii de calcul:

[N];    (9)

[N]. (10)

Lungimea lantului de ancora liber suspendat in apa este:

[m] (11)

Conform A.N.R., lungimea totala minima a unui lant de ancora este (pentru o adancime de ancorare de calcul de 50.150 m . Trebuie remarcat faptul ca adancimea uzuala de ancorare in practica maritima atinge valorile de 15.30 m, rareori depasind 50 m.

In aceste conditii lungimea lantului asezat liber pe fundul marii este:

[m] (12)

Datorita maselor variabile suspendate de nara de bordaj a instalatiei de ancorare (lungimi diferite de lant imersat, smulgerea ancorei de pe fundul apei etc.), fortele de tractiune la barbotina vinciului de ancora pe timpul virarii ancorei variaza pe parcursul diferitelor etape ale acestui proces. In general, forta de tractiune la barbotina (T) este determinata de doua componente: forta de greutate a lantului liber suspendat in apa si forta de greutate a lantului suspendat intre barbotina vinciului si putul lantului de ancora.

Fortele de tractiune la barbotina, cuplul necesar al motorului electric de antrenare si duratele diferitelor etape ale procesului de virare a ancorei sunt prezente in cele ce urmeaza:

Etapa I:

Forta de tractiune in lant la barbotina vinciului este:

[N] (13)

Cuplul motorului electric de actionare este:

[N∙m] (14)

Durata de desfasurare a primei etape este:

[s] (15)

In relatiile prezentate apar marimile:

h_nb = randamentul functional al narii de bordaj = 0,65.0,80;

h_np = randamentul functional al narii de punte = 0,70.0,80;

h_mec = randamentul functional al transmisiei mecanice = 0,42.0.82;

R_b = raza barbotinei vinciului = 6,85 ∙ d [m] (d = calibrul lantului [m]);

h_np = lungimea lantului de ancora suspendat in putul lantului [m];

i = raportul de transmisie al transmisiei mecanice = 100.200;

n_i = turatia motorului electric corespunzatoare cuplului la axul acestuia

[rot/min] (reiese din caracteristica mecanica a motorului).

Etapa II:

Odata cu terminarea virarii portiunii de lant aflate pe fundul apei, forta de tractiune la barbotina creste datorita rezistentei opuse de ancora, fapt pentru care nava este nevoita sa se deplaseze in continuare catre verticala ancorei. Cresterea fortei de tractiune este liniara, de la valoarea T_I la cea corespunzatoare smulgerii ancorei de pe fundul apei (T_III). Forta T_III si turatia n_III corespund debutului etapei a treia. In mod asemanator variaza si cuplul la axul motorului electric al vinciului.

Timpul de desfasurare al etapei a doua este:

[s] (16)

Etapa III:

Aceasta etapa corespunde exclusiv procesului de "smulgere" al ancorei. Forta de tractiune necesara la barbotina prevede invingerea atat a fortelor de greutate ale ancorei si lantului filat cat si a celor de retinere a ancorei pe fundul apei (F_a). Forta de retinere a ancorei pe fundul apei nu poate fi precis calculata, ea depinzand de o serie de factori de origine complexa. Totusi ea este estimata in mod acoperitor ca fiind egala cu dublul greutatii in aer a ancorei. Se vor putea determina astfel urmatorii parametrii:

Forta de tractiune in lant la barbotina este:

[N] (17)

Cuplul la axul motorului electric (momentul necesar de smulgere) este:

[N∙m] (18)

Timpul de smulgere al ancorei (de repaus sub curent) este: .

Etapa a treia ia sfarsit in momentul in care ancora nu se mai afla in contact direct cu fundul apei si cand forta de tractiune si momentul necesar scad la valorile T_IV respectiv M_IV.

Etapa IV:

La inceputul acestei etape se inregistreaza marimile:

Forta de tractiune in lant la barbotina:

[N] (19)

Cuplul la axul motorului de antrenare:

[N∙m] (20)

Lungimea lantului aflat in apa scade continuu prin virarea cu viteza constanta asigurata de vinciul de ancora, fapt ce duce la scaderea uniform liniara a fortei si a cuplului necesar la barbotina. La finalul etapei a patra (momentul in care ancora ajunge in dreptul narii de bordaj), forta si momentul devin:

[N] (21)

[N∙m] (22)

Durata celei de-a patra etape se poate calcula cu relatia:

[s] (23)

Etapa V:

La intrarea ancorei in nara de bordaj fortele de frecare cresc substantial datorita fortelor de apasare mult mai mari exercitate de ancora pe suprafata interioara a narii de bordaj, fapt determinat de greutatea specifica net superioara a ancorei in raport cu cea a lantului. Astfel, forta de tractiune necesara la barbotina vinciului trebuie sa creasca din momentul intrarii ancorei in nara si pana la aducerea ancorei in pozitia finala, cu un procent evaluat la circa 25%. Prin urmare, la finalul etapei a cincea, se vor inregistra marimile:

Forta de tractiune in lant la barbotina: [N] (24)

Cuplul la axul motorului: [N∙m] (25)

Pentru a se evita eventualele deteriorari ale bordajului prin lovirea acestuia cu ancora si pentru diminuarea solicitarii suplimentare a motorului odata cu cresterea fortelor de frecare din instalatie la intrarea ancorei in nara, viteza de virare a lantului pe aceasta perioada este de obicei limitata la maxim 0,05.0,07 m/s.

Un caz deosebit in functionarea instalatiei de ancorare il reprezinta functionarea in "regim de avarie" care presupune virarea ancorei de la o adancime egala cu lungimea L_lt a lantului. Intr-o astfel de situatie, solicitarea motorului poate fi mult mai mare decat in cazul smulgerii ancorei din cazul precedent. De aceea este necesar a se verifica comportamentul motorului pe durata acestui regim. Se pot calcula urmatoarele marimi:

Forta de tractiune in lant la barbotina la inceputul virarii:

[N] (26)

Momentul la axul motorului electric la inceputul virarii:

[N∙m] (27)

Forta de tractiune in lant la barbotina la finalul virarii:

[N] (28)

Momentul la axul motorului electric la finalul virarii:

[N∙m] (29)

Timpul de virare a ancorei in regim de avarie:

[s] (30)

Calculul motorului are in vedere determinarea solicitarilor maxime la care acesta este supus in conditii normale si de avarie precum si alegerea motorului din cataloagele specializate.

Initial se calculeaza cuplul mecanic necesar a fi furnizat de catre motor in cele mai defavorabile situatii posibile [5]:

- cuplul necesar smulgerii ancorei de pe fundul apei:

[N∙m] (31)

- cuplul necesar virarii ancorei de la o adancime egala cu lungimea lantului de ancora:

[N∙m] (32)

- cuplul necesar virarii a doua ancore de la adancimea H:

[N∙m] (33)

Dintre cele trei momente se va lua in calcul momentul de valoare maxima (M_max).

Deoarece pe parcursul situatiilor amintite motorul se afla in regim de suprasarcina, pentru calculul cuplului nominal al motorului Mn se va utiliza relatia:

[N∙m] (34)

unde: M_max = max (M_sm; M_Llt; M_a);

l coeficientul de suprasarcina al motorului.

In ceea ce priveste turatia motorului, aceasta se poate determina prin prisma vitezei de virare a lantului. Turatia nominala de calcul este:

[rot/min] (35)

in care: n_med = turatia motorului ce corespunde vitezei medii de virare a ancorei

() [rot/s]:

[rot/min] (36)

L_lt = lungimea imersata a lantului de ancora [m];

t_tot timpul total de virare al ancorei [s];

y coeficient dat de relatia , unde s_n = coeficientul de scadere al tensiunii de alimentare a motorului pe timpul suprasarcinii (pentru motoarele asincrone cu rotor in scurtcircuit: s_n = 0,1).

Odata calculate turatia si cuplul nominal se poate determina puterea de calcul a motorului Pnc cu relatia:

[kW] (37)

in care: M_n = momentul nominal al motorului [N∙m];

n_nc = turatia nominala de calcul a motorului electric de actionare [rot/min].

Cunoscand toate aceste caracteristici se alege din cataloagele specializate un motor care sa corespunda parametrilor calculati sau altora imediat superiori.

4. Calculul particularizat al instalatiei

Calculul caracteristicii de dotare a navei

Din prezentarea si planul general de constructie ale navei se pot desprinde urmatoarele caracteristici constructive:

- deplasamentul navei: Δ = 55000 tdw;

suprafata velica a navei in limitele lungimii de calcul: A = 1633,6 m;

latimea maxima a navei: Bmax = 31,5 m;

suma inaltimilor etajelor suprastructurii pupa si niturilor cu latimea mai
mare de (0,25∙B): Σh_i = 13,4 m;

inaltimea conventionala de la linia de plutire la acoperisul celui mai
inalt ruf: h = 18,6 m.

Caracteristica de dotare are astfel valoarea: N_a = 2999,3 m.

Alegerea parametrilor dimensionali ai lantului si ancorei

In conformitate cu valoarea caracteristicii de dotare a navei se aleg:

lant de ancora cu calibrul: d = 87 mm (lant cu rezistenta marita) conform STAS 168-80;

lungimea unui lant de ancora: L_lt = 330 m;

ancora tip Hall cu o greutate: G_a = l0 tf = 98066 N (STAS 595-80).

Avand in vedere acesti parametri, pentru un metru liniar de lant de ancora se determina o greutate: q = 1595,9 N. In apa greutatea aceleiasi lungimi de lant va fi: qapa = 1388,4 N. Greutatea ancorei in apa va fi: Gapa = 85317 N.

Adancimea de ancorare considerata este H = 100 m. Corespunzator acesteia si starii de echilibru static a sistemului nava-lant-fund de apa, lungimea de lant suspendata liber in apa este l = 194,51 m. Lungimea de lant asezata liber pe fundul apei este l_l = 135,49 m.

Fortele exterioare ce actioneaza asupra navei

La calculul acestor forte s-au luat in considerare urmatorii parametri:

densitatea apei: ρ = 1,025 t/m ;

coeficientul de frecare al apei de carena:

coeficientul de corectie pentru influenta curburii corpului: k_k = 1,042;

majorarea coeficientului de frecare datorata asperitatilor: = 0,7;

coeficientul de presiune al vantului: k_v = 0,37 t/m²;

aria suprafetei carenei: A_ud = 10090,421 m²;

viteza navei la tragerea pe lant: v_t = 0,21 m/s;

viteza curentului de apa: v_c = 2,5 m/s;

- viteza vantului: v_v = 11,8 m/s.

In urma calculelor efectuate s-au determinat urmatoarele valori pentru fortele exterioare:

forta perturbatoare produsa de curentul de apa: F_c = 93861 N;

forta perturbatoare produsa de vant: F_v = 84161 N;

forta perturbatoare exterioara totala: F_ext =178020 N.

Fortele de tractiune la barbotina si cuplurile necesare la axul motorului de actionare pe parcursul etapelor virarii ancorei de la adancimea H

In calcule s-au utilizat urmatorii parametri:

raza barbotinei vinciului: R_b = 0,596 m;

randamentul mecanic al actionarii: h_mec

randamentul functional al narii de bordaj: h_nb

randamentul functional al narii de punte: h_np

lungimea lantului de ancora suspendat in putul lantului de ancora: hnp = 6,7 m; inaltimea narii de bordaj fata de nivelul apei: h = 4,75 m;

raportul de transmisie mecanic: i = 200;

viteza medie de virare a lantului: v_ltmed = 10 m/min.

Etapa I:

Forta de tractiune la barbotina: T_I = 425600 N. Cuplul necesar la axul motorului de actionare: M_I = 2260 N∙m.

Etapa II:

Forta de tractiune la barbotina la sfarsitul acestei etape este: T_II = 562990 N. Cuplul necesar la axul motorului de actionare: M_II = 3004,3 N∙m. Aceste valori sunt cele maxim inregistrate pe toata perioada procesului de virare a ancorei, corespunzand inceputului smulgerii ancorei de pe fundul marii.

Etapa III:

Forta de tractiune la barbotina: T_III = 304920 N. Cuplul necesar la axul motorului de actionare: M_III = 1606,2 N∙m. Valorile corespund sfarsitului procesului de smulgere a ancorei.

Etapa IV:

Forta de tractiune la barbotina: T_IV 129030 N. Cuplul necesar la axul motorului de actionare: M_IV 653,3 N∙m. Aceste valori se inregistreaza in momentul ajungerii ancorei in dreptul narii de bordaj.

Etapa V:

La sfarsitul acestei etape vor fi determinate urmatoarele valori: forta de tractiune la barbotina: T_V 161290 N si cuplul necesar la axul motorului de actionare: M_V = 828,077 N∙m.

In urma obtinerii acestor rezultate se poate trasa diagrama de variatie a fortei de tractiune la barbotina pe perioada procesului de virare a ancorei (vezi graficul 2. -fig.l).

Fortele de tractiune la barbotina si cuplurile necesare la axul motorului de actionare pe parcursul virarii ancorei de la adancimea Llt

Pe parcursul virarii ancorei de la o adancime cel putin egala cu cea a lantului de ancora se vor inregistra urmatoarele valori pentru parametrii amintiti:

la inceputul virarii: T_in = 725090 N; M_in = 3882,6 N∙m;

la ajungerea ancorei in dreptul narei de bordaj: T = T_IV; M = M_IV

la finalul operatiunii de virare: T = T_V; M = M_V;

In mod asemanator se poate trasa graficul de variatie al fortei de tractiune la barbotina (vezi graficul 2. - fig.2).

Calculul puterii actionarii electrice a vinciului

Motorul electric de antrenare al vinciului va fi astfel ales incat sa faca fata solicitarilor maxime de cauzalitate diversa ce pot apare in exploatarea instalatiei de ancorare. Astfel, literatura de specialitate [4] prevede ca la alegerea motorului electric sa se considere cuplul maxim de exploatare al motorului cel mai mare cuplu dintre urmatoarele trei:

cuplul necesar smulgerii ancorei de pe fundul apei (M_sm);

cuplul necesar virarii ancorei de la o adancime egala cu L_lt (M_Llt

cuplul necesar virarii a doua ancore de la adancimea H (M_a).
Pentru aceste cupluri s-au determinat valorile:

M_sm = 3004,3 N∙m; M_Llt = 3882,6 N∙m; M_a = 3258,2 N∙m.

Se observa ca momentul maxim este M_Llt. Momentul nominal la axul motorului este M_n = 2065,2 N∙m (s-a considerat λ = 1,88). Turatia medie va fi n_med 534,12 rot/min, ceea ce va impune o turatie nominala de calcul n_nc = 480,7 rot/min.

Avand in vedere cuplul si turatia nominala ce trebuie asigurate de motor, se poate determina puterea nominala de calcul a acestuia: P_nc = 103,9 kW.

Alegerea motorului electric de actionare a vinciului

Din literatura de specialitate ([6], [7]) s-a ales urmatorul motor electric de actionare a vinciului instalatiei de ancorare: motor asincron trifazat cu rotor in scurtcircuit din seria ASI fabricat in Romania, cu urmatoarele caracteristici: tensiunea nominala de alimentare Un = 3x380 V (c.a.); puterea P = 125 kW; turatia sincrona = 500 rot/min; turatia nominala = 490 rot/min; randamentul η = 93%; factorul de putere cos φ = 0,88; intensitatea curentului nominal absorbit la tensiunea nominala de alimentare In = 232 A; raportul M_p/M_n = 1,2; raportul I_p/I_n = 7; raportul M_m/M_n = 1,8; greutatea = = 1150 kgf.

5. Prevederi A.N.R. privind instalatia de ancorare

Avand in vedere importanta instalatiei de ancorare pentru asigurarea exploatarii in conditii de siguranta a navei, registrele de clasificare impun reguli privind normele constructiv-functionale ale acestor instalatii. Astfel A.N.R. prevede urmatoarele conditii:

puterea electromotorului de actionare a mecanismului de ancorare trebuie
sa asigure ridicarea in mod continuu si fara intreruperi a lantului timp de
30 de minute la o viteza de ridicare de cel putin 9 m/min la o forta normala
de ridicare;

viteza de ridicare (virare) a ancorei nu trebuie sa depaseasca valoarea de lO
m/min, iar cand ancora a intrat in nara de bordaj a instalatiei, viteza de
virare nu trebuie sa depaseasca valoarea de 7 m/min;

la desprinderea ancorei de fundul apei, forta de tractiune asigurata de
electromotorul de actionare trebuie sa fie cu 50% mai mare decat cea
nominala pe o perioada de minim 2 minute;

actionarea mecanismului de ancora trebuie sa asigure ridicarea simultana a
doua ancore suspendate liber, de la jumatatea adancimii conventionale a
apei;

la utilizarea motorului asincron cu rotorul in scurtcircuit, actionarea
electrica a mecanismului de ancora, dupa o functionare timp de 30 min la sarcina nominala, trebuie sa asigure posibilitatea functionarii franate a
motorului, la tensiunea nominala, pe o durata de timp mai lunga de 30 s;

dupa functionarea calata a motorului, pe duratele prescrise, temperatura
acestuia nu trebuie sa depaseasca cu mai mult de 70% valoarea normala si
cu mai mult de 130% pe cea maxim admisibila;

dispozitivele de franare ale lantului de ancora trebuie sa faca fata unei forte
in lant cu cel putin 30% mai mare decat cea nominala asigurata de
electromotor;

sistemul de franare trebuie sa asigure oprirea lantului la o filare normala in
maxim 5 s si la cel mult 2 s de la lansarea comenzii de franare;

barbotinele (tamburii) dispozitivelor de actionare a lantului de ancora
trebuie sa prezinte cel putin 5 locasuri pentru zale si un unghi de infasurare
de minim 150;

cand comanda instalatiei se face la distanta trebuie sa se prevada un
dispozitiv de franare automata astfel incat viteza de filare sa nu fie mai
mare de 180 m/min sau mai mica de 80 m/min;

in cazul comenzii de la distanta, controlerul trebuie sa fie prevazut cu un
dispozitiv de numarare al cheilor de lant, un indicator de viteza a lantului si un
limitator de viteza;

indiferent de natura comenzii (la distanta sau locala) instalatia trebuie
prevazuta si cu o comanda manuala locala;

datorita importantei deosebite a instalatiei de ancorare, masinile electrice
de actionare ale vinciurilor (cabestanelor) de ancora se vor alimenta direct
de la tabloul principal de distributie (TPD) a energiei electrice printr-un
circuit separat.

8. CONSIDERATII PRIVIND INSTALATIILE DE CORP

INSTALATIA DE BALAST

8.1. Descrierea instalatiei si implementarea acesteia la bordul navei

Rolul instalatiei de balast la bordul unei nave este acela de asigura pescajul, asieta longitudinala si transversala si stabilitatea navei prin ambarcarea de greutati la bord (lichide, apa de mare) si pozitionarea centrului de greutate al navei in mod corespunzator asigurarii bunelor conditii de navigatie si exploatare ale acesteia.

Navele de transport marfuri generale ambarca la bordul lor cantitati de balast ce se incadreaza in limitele [2]: (0,2.0,3) ∙Δ. Navele petroliere au caracteristic faptul ca ambarca balast cu o greutate ce se inscrie in intervalul (0,3.0,5

Componenta instalatiei de balast este prezentata in cele ce urmeaza:

prize si chesoane de fund si bordaj;

magistrala de apa de mare;

pompe de balast cu agregatele lor de actionare;

valvule de trecere pentru (de)conectarea pompelor (de) la sistemele de
tubulatura;

casete de distributie;

sisteme de tubulaturi;

valvule comandate de la distanta corespunzatoare fiecarui tanc;

tancuri de balast;

sorburi si dispozitive de masurarea nivelului apei in tancuri;

valvule de bordaj.

Apa de balastare preluata din mare prin prizele de fund si bordaj, dotate cu valvule Kingston destinate (de)cuplarii magistralei de balast (de) la priza si impiedicarii scurgerii apei din instalatie in exterior cu ajutorul pompelor de balast, este stocata la bord in tancuri speciale denumite tancuri de balast.

Prizele de fund si de bordaj sunt prevazute cu filtre mecanice grosiere, dispozitive de suflare si dezghetare ce constau in serpentine (inele) perforate alimentate cu aer comprimat sau abur supraincalzit plasate in chesoanele de fund si de bordaj [8]. Prizele constituie parte integranta a magistralei de apa de mare ce poate fi usor recunoscuta in compartimentul masini datorita faptului ca este constituita din conducta cu diametrul cel mai mare din toate cele existente in compartiment. Amplasarea prizelor trebuie sa se faca in zonele de pe suprafata operei vii in care depunerile de nisip si de mal sunt minime.

La golirea tancurilor apa este refulata de catre pompe peste bord prin intermediul unor valvule de bordaj situate in zona liniei de pescaj maxim. Aceste valvule sunt de sens unic impiedicand patrunderea apei din exteriorul navei in instalatie.

Pompele de balast sunt prin excelenta pompe de debite foarte mari si sarcini pe aspiratie si refulare relativ scazute (inaltimea maxima de aspiratie nu depaseste 5-6 m), fapt pentru care sunt preferate in constructie pompele de tip centrifugal sau axial autoamorsabile [12], antrenate de motoare electrice de turatie corespunzatoare. Atat pompele cat si celelalte echipamente electrice, mecanice si hidraulice sunt navalizate in vederea asigurarii rezistentei acestora la actiunea puternic coroziva a aerului si apei marii precum si la actiunea stropilor de apa.

Rolul pompelor este acela de a asigura umplerea sau golirea tancurilor de balast intr-un timp cat mai redus. In conformitate cu prevederile impuse de Societatea de Clasificare, in practica exploatarii navale se recurge la umplerea sau golirea tancurilor de balast pe cale gravitationala daca durata necesara efectuarii operatiunii respective o permite si daca pozitionarea tancului fata de linia de plutire pe care se afla nava este avantajoasa, aceasta realizandu-se in vederea evitarii consumului de energie suplimentar si uzurii inutile a echipamentelor instalatiei.

Tubulatura instalatiei de balast trebuie sa asigure, prin constructie, vehicularea debitelor de apa impuse in perioadele de timp corespunzatoare prevederilor Registrului. Toate tubulaturile vor fi astfel montate incat sa asigure functionarea corecta a instalatiei si la inclinari transversale de maxim 5 si sa nu fie expuse inghetului [9].

La punerea in functiune a instalatiei se verifica rezistenta si etanseitatea tubulaturii la o presiune a fluidului de lucru de 4 bar sau la o presiune egala cu cea furnizata de pompa de stins incendii cand aceasta asigura preponderent functionarea instalatiei. Tevile utilizate sunt din otel captusit la interior cu material cu efect protector contra coroziunii (ex: policlorura de vinil, zinc).

Tancurile de balast sunt tancuri de tip structural, fiind dotate cu tubulaturi individuale astfel incat sa existe posibilitatea umplerii sau golirii fiecarui tanc sau grup de tancuri in parte. In acest scop la bordul navei exista magistrale de balast corespunzatoare tancurilor din cele doua borduri din prova compartimentului masini (tancuri de subpunte, gurna si dublu fund) si picului prova, si o alta tubulatura de alimentare a tancului de balast din picul pupa. Cuplarea sau decuplarea acestora la refularea sau aspiratia pompelor de balast se face prin intermediul unor casete de distributie (distribuitoare hidraulice cu sertar cu sectiuni de trecere mari) comandate electromecanic. Toate racordarile tancurilor la magistrale sunt prevazute cu valvule comandate (in general de tip fluture) hidraulic de la distanta si sorburi. Toate valvulele comandate sunt prevazute cu comanda directa, locala sau de la distanta. Armatura telecomandata va avea o comanda locala care trebuie sa actioneze independent de cea de la distanta (mecanica), de pe puntea peretilor etansi. Daca este posibil aceste actionari vor fi directe (ex: roata de mana). Daca amplasarea valvulei nu permite accesul direct la aceasta (ex: valvule situate in dublul fund sau in tancul de balast din picul prova), actionarea manuala locala poate fi inlocuita printr-o actionare manuala de la distanta (ex: actionare mecanica cu tije imbinate cardanic sau actionare hidraulica cu pompa de mana). Casetele valvulelor si valvulele cu comanda manuala trebuie sa fie amplasate in locuri care, in conditii normale de exploatare, sunt permanent accesibile. Toate armaturile de reglaj si casetele de valvule se amplaseaza de obicei in zona compartimentului in care se monteaza si pompele de balast. Protectia suprafetelor interioare ale tancurilor la actiunea coroziva a apei de mare este realizata prin amplasarea in interiorul tancurilor a placilor de zinc cu rol protector.

Nivelul apei din tancuri este determinat prin intermediul traductorilor de nivel incorporati in constructia fiecarui tanc. Nivelul citit de acestea este trimis prin mijloace electrice la postul de comanda masini, unde, prin introducerea valorii nivelului in diagrama de capacitate a tancului (diagrama ce prezinta dependenta dintre nivelul lichidului dintr-un tanc si volum, abscisa si ordonata a centrului de greutate al lichidului inmagazinat in tanc), se determina volumul de apa existent in tanc. Traductorii utilizati folosesc diferite principii functionale, in ultimul timp fiind utilizati traductorii electronici integrati care au capacitatea de a memora diagrama de capacitate a tancului si de a reda permanent cantitatea de apa prezenta in tanc.

Prezenta valvulelor si casetelor de distributie comandate, traductorilor de nivel al apei din tancuri impreuna cu actionarea electrica a pompelor de balast permit gestionarea centralizata a intregii instalatii din postul central de supraveghere si comanda al compartimentului masini (PSCM).

Sorburile sunt ajutaje tronconice (palnii) dispuse in pupa fiecarui tanc de balast si cat mai aproape de planul diametral al navei. Se pot monta sorburi si in zona gurnei la tancurile din regiunea gurnei. Sorburile pot fi prevazute sau nu cu filtre mecanice grosiere pentru evitarea antrenarii pe tubulatura a eventualelor impuritati mecanice de dimensiuni mari.

8.2. Elemente de exploatare a instalatiei

Exista posibilitatea folosirii ca tancuri de balast si a tancurilor de combustibil dupa ce acestea s-au golit complet cu conditia ca la debalastare sa se efectueze o operatie de separare a apei de substantele petroliere antrenate. In acest caz este interzisa folosirea ca pompa de rezerva a pompei de stins incendii pentru evitarea patrunderii in instalatia de stins incendii a reziduurilor petroliere.

Tancurile de balast sunt situate cat mai departe de centrele de greutate si de carena ale navei in vederea maximizarii efectului de reducere/amplificare a amplitudinii oscilatiilor transversale ale navei pe mare montata si a efectului de ajustare a asietei navei. Astfel, tancurile vor fi pozitionate in zona bordajelor, dublului fund si picurilor. Umplerea tancurilor se recomanda a fi completa in vederea eliminarii consecintelor negative induse de prezenta suprafetelor libere asupra stabilitatii navei.

Functionarea instalatiei de balast ca instalatie de asieta prevede conectarea atat pe aspiratia cat si pe refularea pompelor de balast, prin intermediul casetelor de distributie, a conductelor de legatura cu tancurile de balast in vederea transvazarii apei dintr-un bord in altul sau intre tancurile din prova si pupa navei cu scopul obtinerii asietei dorite, in vederea apuparii sau limitarii amplitudinii oscilatiilor navei (prin pomparea continua in contratimp a apei dintr-un bord in altul).

Importanta unei bune functionari si fiabilitati a instalatiei de balast-asieta se extinde si prin prisma asigurarii vitalitatii navei, avand in vedere importanta asigurarii flotabilitatii si nescufundabilitatii navei prin limitarea inclinarii acesteia - se evita in acest fel imersarea navei pana sub linia de siguranta - si utilizarea, in caz de necesitate deosebita, a pompelor de balast la golirea compartimentelor inundate si asigurarea debitelor de apa necesare stingerii de incendii aparute la bordul navei prin cuplarea pompelor de balast la instalatia de santina, respectiv la cea de stins incendii cu jet de apa. Interconectarea instalatiilor de balast, santina si stins incendii prezinta avantaje pentru toate instalatiile in cazul avarierii pompelor vreuneia dintre acestea, aceasta metoda fiind utilizata si pentru reducerea numarului de pompe utilizate (pompele dintr-o alta instalatie pot fi folosite/considerate ca pompe de rezerva pentru celelalte instalatii). In acest grup poate fi inclusa si pompa de rezerva a instalatiei de racire cu apa a motorului principal.

8.3. Elemente de calcul a instalatiei

Calculul instalatiei de balast prevede determinarea caracteristicilor constructiv-functionale ale elementelor componente ale acesteia in functie de conditiile impuse de Registrul de Clasificare. Pentru aceasta instalatie, A.N.R. prevede urmatoarele :

diametrul interior minim al tubulaturii ce deserveste un anumit tanc de balast este dat de relatia [15]:

[mm] (8.1)

in care V_b reprezinta volumul tancului de balast considerat [m].

Specific navei de proiectat este faptul ca aceasta poate folosi magaziile de marfa 3 si 5 ca tancuri de balast pe perioada marsului fara marfa la bord in vederea imbunatatirii pescajului si stabilitatii navei; diametrul nominal adoptat pentru tubulatura va fi diametrul standardizat cel mai apropiat de cel calculat.

viteza de circulatie a apei prin tubulaturile de balast (v = 2..3 m/s) [12]. Se adopta valoarea minima a vitezei: v = 2 m/s;

debitul pompei de balast se determina in functie de diametrul conductei
de balast corespunzatoare celui mai mare tanc de balast dupa cum
urmeaza (diametrul nominal al magistralei este apreciat in metri):

[m/h]    (8.2)

Timpul total de (de)balastare a navei poate fi calculat cu relatia :

[h] (8.3)

in care s-au utilizat urmatoarele notatii:

V_tot = volumul insumat total al tuturor tancurilor de balast aflate la bordul navei [m

Q_tot = debitul insumat al pompelor de balast ce functioneaza simultan in conditii normale la bordul navei [m/h].

Timpul total va trebui sa se incadreze in intervalul 8.10 ore, cu conditia ca (de)balastarea celui mai mare tanc de balast sa se realizeze intr-o perioada de timp maxima de 2 ore [9].

Diametrele nominale si grosimile tevilor utilizate trebuie sa corespunda celor STAS, grosimea minima a tevilor la un anumit diametru exterior fiind impusa de A.N.R.

Avand in vedere configuratia si componenta sistemului de tubulatura al instalatiei de balast, functionarea pompei de balast trebuie sa asigure invingerea sarcinii geometrice si a sarcinii suplimentare. Sarcina geometrica a pompei este data de diferenta de nivel dintre punctul de aspiratie al apei (valvula Kingston situata in zona fundului sau gurnei navei) si cel de refulare; sarcina suplimentara este data de pierderile de presiune suferite de fluidul transportat datorita frecarilor si turbioanelor create la trecerea acestuia prin diferitele elemente de tubulatura.

Pierderile de presiune pe tubulatura se pot imparti in pierderi liniare (iau nastere prin frecarea dintre fluid si peretele interior al segmentelor liniare de tubulatura) si pierderi locale (datorate formelor sectiunilor de trecere ale elementelor de control, distributie si imbinare ale tubulaturilor ce conduc la devieri ale vanelor de lichid precum si la accelerari sau decelerari ale acestora, fapt ce are loc cu consum din energia cinetica acumulata de lichid la iesirea din pompa de balast). Calculul acestor sarcini are in vedere utilizarea relatiilor prezentate in continuare.

Sarcina geometrica este data de relatia:

[bar]    (8.4)

Pierderile de sarcina se pot calcula cu relatia:

[bar] (8.5)

in care : d_tr = diametrul interior al tubulaturii de balast considerate [m];

v_tr = viteza apei prin tubulatura [m/s];

r_tr densitatea apei vehiculate [kg/m

l = coeficientul de rezistenta liniara;

Sl_ech suma lungimilor echivalente ale armaturilor de pe tronson [m];

l_tr = lungimea tronsonului de tubulatura considerat [m].

Coeficientul de rezistenta liniara este un parametru ce defineste din punct de vedere cantitativ pierderile de sarcina suferite de fluid la trecerea sa prin segmentele de tubulatura. Acest coeficient depinde de parametrii definitori ai modului de curgere al apei prin tubulatura si de parametrii constructivi ai tevii utilizate (la determinarea valorilor necesare pentru λ si l_ech s-au utilizat indicatiile literaturii de specialitate [10,11]). Astfel:

in care: Re = numarul Reynolds corespunzator curgerii fluidului prin segmentul considerat de tubulatura

k_c = rugozitatea absoluta a suprafetei interioare a tubulaturii [mm];

d_c = diametrul nominal al conductei [m];

k_c/d_c = rugozitatea relativa a suprafetei interioare a conductei.

Numarul Reynolds, pentru o curgere turbulenta (caracteristica vitezelor mari de cugere specifice deplasarii apei in tubulatura de balast), se poate determina cu formula:

    (8.7)

pentru care: v_c = viteza medie a apei prin conducta [m/s];

d_c = diametrul nominal al conductei [m];

v_ac = vascozitatea cinematica a apei din conducta [m²/s].

Pentru determinarea vascozitatii cinematice a apei la diferite temperaturi se poate utiliza relatia:

in care: tC = temperatura apei ce strabate segmentul de tubulatura [C].

Pompele de balast vor solicita de la motoarele de antrenare (de obicei motoare electrice de curent alternativ asincrone cu rotor in scurtcircuit) o energie suficienta asigurarii vehicularii apei de balast prin tubulatura la viteza si debitul necesare. Puterea necesara a motorului de antrenare al unei pompe (de balast) este:

[kW] (8.9)

unde: Q_pb = debitul pompei de balast [m/h] ;

H_pb = sarcina maxima pe refulare a pompei de balast [mCA];

g = greutatea specifica a apei vehiculate [tf/m ] = 10,0518 tf/m;

h_pb = randamentul nominal al pompei de balast.

8.4. Calculul particularizat al instalatiei

In urma efectuarii calculelor mai sus prezentate s-au determinat urmatoarele:

dimensiunile constructive ale tronsoanelor tubulaturii de balast;

- debitul pompei de balast adoptate: Q_pb = 1000 m³/h;

sarcina totala asigurata de pompa adoptata: H_p = 32 mCA;

timpul total de (de)balastare al navei: t_b = 4,9 h (12,73 h impreuna cu
magaziile 3 si 5);

timpul de (de)balastare al celui mai mare tanc de balast: t_btkm = l,038 h
(3,91 h pentru fiecare din magaziile 3 sau 5).

Pentru calculul pierderilor de sarcina corespunzatoare deplasarii apei de balast in tubulaturile instalatiei, s-a considerat reprezentativ tronsonul A - N (vezi si desenele "Plan tubulatura balast in CM si "Plan tubulatura balast in afara CM"). Prin continuarea particularizarii calculelor prezentate in subcapitolul anterior, s-au obtinut urmatoarele rezultate:

pierderea de presiune datorata rezistentelor liniare intalnite pe tronson
Δp_linAN = 10,36 mCA (s-a considerat 1bar = 9,9484 mCA);

pierderea de presiune datorata rezistentelor locale existente pe tronson
Δp_locAN = 11,98mCA;

sarcina geometrica maxima a pompei: Δp_gmmaxAN = 8,8 mCA;

pierderile totale de sarcina pe tronsonul cu cele mai mari rezistente
hidraulice: Δp_trAN = 31,15 mCA;

puterea necesara a motorului electric de antrenare al pompei de balast:
P_mot = 22,7 kW (s-a considerat randamentul global al functionarii
pompei ca fiind h_pb

Nota: La calculul sarcinii geometrice a pompei de balast s-a luat in considerare faptul ca primele tancuri de balast umplute cu apa vor fi cele situate in zona dublului fund, ceea ce duce la cresterea pescajului navei si scaderea sarcinii geometrice a pompei la alimentarea cu apa a tancurilor de balast situate in picurile navei si a tancurilor de balast superioare, in cazul procedarii in sens contrar stabilitatea navei fiind grav afectata. Rezulta astfel ca incarcarea tancurilor de balast situate in zona liniei de maxima incarcare si a celor superioare poate incepe numai dupa ce s-au indeplinit conditiile necesare legate de asigurarea stabilitatii navei si de nedepasirea sarcinii maxime suportate de pompa (pompele) de balast. In cazul cel mai defavorabil pentru functionarea instalatiei de balast - cazul navei aflate la pescaj minim - sarcina pe absorbtie a pompei este totusi negativa (axul pompei se afla situat sub nivelul apei), ceea ce asigura autoamorsarea pompei si concentrarea intregii sarcini asigurate de pompa pe refulare.

8.5. Prevederi A.N.R. privind instalatia de balast

Registrele navale prevad o serie intreaga de conditii referitoare la caracteristicile constructiv-functionale ale instalatiilor de balast cu care sunt dotate navele. Autoritatea Navala Romana impune urmatoarele cerinte:

asigurarea corectarii pozitiei centrului de masa al navei conform
necesitatilor impuse de stabilitatea navei, in timp util;

asigurarea drenarii tancurilor de balast in cazul inclinarilor indelungate ale
navei de maxim 15 in plan transversal si de maxim 5 in plan longitudinal;

functionarea instalatiei trebuie sa excluda posibilitatea inundarii arbitrare a navei, degradarea de catre apa a marfii transportate sau patrunderea apei in
combustibil;

nepoluarea in functionare a acvatoriilor cu apa amestecata cu reziduuri
petroliere sau cu alte produse prevazute in conventiile internationale (ex:
MARPOL

dispunerea de mijloace de actionare locala si de la distanta a pompelor si
de aparate pentru masurarea cantitatii de apa in locurile de colectare;

materialele de constructie utilizate sa fie rezistente la actiunea apei de
mare;

prezenta in componenta instalatiei a unui numar minim de armaturi de
manevra si fitinguri demontabile.

9. CONSIDERATII PRIVIND INSTALATIILE DE MASINI

INSTALATIA DE RACIRE A MOTORULUI

PRINCIPAL CU APA DULCE

9.1. Descrierea instalatiei si implementarea acesteia la bordul navei

Prin sistem de racire se intelege ansamblul compus din: pompe, filtre, schimbatoare de caldura, aparate de masura si elemente de reglare, legate intre ele prin tevi prin care fluidul de racire este vehiculat pentru a putea prelua caldura de la unele organe ale motorului si ale altor agregate, precum si pentru racirea altor fluide care trec prin schimbatoarele de caldura (apa, ulei, aer, gaze). Ca medii de racire se folosesc apa din afara bordului, apa desalinizata, uleiul, combustibilul si aerul.

La sistemele energetice navale cu motor cu aprindere prin comprimare se aplica doua tipuri de sisteme de racire

cu circuit deschis, care se mai numesc sisteme de racire cu un singur circuit;

cu circuit inchis, cunoscute si sub denumirea de sisteme de racire cu mai multe circuite.

La sistemele cu circuit deschis, ca mediu de racire, se foloseste apa din afara bordului.

La sistemele cu circuit inchis, respectiv cu mai multe circuite, este folosita apa din interiorul navei care preia caldura de la schimbatoarele de caldura prin care circula apa desalinizata pentru racirea cilindrilor, a pistoanelor, a injectoarelor de combustibil si a uleiului de ungere al motorului.

Aerul de supraalimentare poate fi racit fie cu apa desalinizata, fie cu apa din afara bordului.

Sistemele de racire cu circuit inchis prezinta urmatoarele avantaje:

posibilitatea ca temperatura apei la intrarea in motor sa fie mentinuta intre limitele 65.70sC, ceea ce asigura obtinerea indicilor economici optimi ai motorului;

diferenta mica intre temperatura apei la iesirea si temperatura apei la intrarea in motor, realizandu-se astfel o racire uniforma cu efecte favorabile asupra solicitarilor termice si mecanice ale componentelor racite;

marirea duratei de functionare a organelor racite ale motorului ca urmare a folosirii apei desalinizate.

Ca dezavantaje ale acestor sisteme se pot mentiona:

complexitatea sistemului cu mai multe circuite este mai mare in comparatie cu sistemul de racire cu circuit deschis, ceea ce face ca masa, gabaritul si costul sistemelor cu circuit inchis sa fie mai mari;

necesitatea elementelor de reglare automata pentru asigurarea unei bune functionari.

In ceea ce priveste avantajele sistemelor de racire cu circuit deschis, acestea sunt:

simplitate constructiva, ceea ce face ca aceste sisteme sa aiba masa, gabarit si cost de constructie mai reduse in comparatie cu sistemele de racire cu circuit inchis;

deservire mai simpla in exploatare.

Ca dezavantaje, se pot mentiona:

temperatura apei la iesirea din motor nu trebuie sa depaseasca 50.55sC, pentru a se evita depunerile de crusta pe suprafetele interioare ale canalelor de racire;

avand in vedere variatia temperaturii apei din mediul exterior (intre 2.30sC), rezulta o diferenta mare intre temperatura apei la iesirea, respectiv, la intrarea in motor, ceea ce conduce la o racire neuniforma a motorului si la solicitari termice si mecanice sporite. Pentru a se reduce diferenta dintre temperatura apei la iesirea si temperatura apei la intrarea in motor, o parte din apa calda refulata din motor este readusa la aspiratia pompei de racire prin asa-numitul racord de circulatie.

9.2. Elemente de exploatare a instalatiei

La majoritatea navelor comerciale, maritime si fluviale (si in cazul navei supusa studiului), se folosesc sisteme de racire cu circuit inchis.

Instalatia de racire a motorului principal asigura mentinerea temperaturii optime de functionare a instalatiei de forta, prin intermediul urmatoarelor circuite inchise:

circuitul de racire cu apa dulce a cilindrilor si turbosuflantelor MP;

circuitul de racire cu apa dulce a pistoanelor MP;

circuitul de racire cu apa dulce a injectoarelor MP.

Instalatia asigura urmatoarele functiuni auxiliare:

preincalzirea circuitelor MP;

curatirea chimica a racitoarelor de apa;

dozarea adaosurilor chimice sau a uleiului anticoroziv in circuitele de racire;

spalarea turbosuflantei MP.

Sistemul de racire al motorului naval reprezinta totalitatea agregatelor, aparatelor si dispozitivelor care asigura evacuarea fortata prin pereti a unei parti din caldura dezvoltata in cilindrii motorului in timpul procesului de ardere. Reglarea parametrilor agentului de racire in functie de regimul termic optim al motorului influenteaza performantele dinamice, economice, de fiabilitate si de durabilitate ale acestuia.

Cum apa contine in general anumite substante sub forma de saruri, gaze, pentru a preveni efectele daunatoare pe care acestea le-ar provoca in instalatia de racire (coroziuni, depuneri de crusta), apa este supusa unor tratamente de imbunatatire a calitatii prin [14]:

introducerea unor substante anticorosive;

introducerea unor substante de dezincrustare.

In perioada de iarna sau in cazul navigatiei navei in zone reci, se foloseste drept fluid in circuitul de racire lichide antigel, un amestec de substante chimice, a carui temperatura de inghetare este sub 0 sC.

Drept adaos in apa din circuitul de racire, se recomanda spre folosire si una dintre urmatoarele solutii:

ulei anticorosiv "Dromus Oil B" produs de "Shell", in cantitate de 0,5 % din volumul apei de racire;

un amestec de: bicromat de natriu (5 kg), nitrat de natriu, denumit si silitra (5 kg), soda calcinata (5 kg), pentru o cantitate de 1000 litri de apa de racire.

Drept substante antigel se poate folosi unul dintre urmatoarele amestecuri:

un amestec de 30 % spirt denaturat si 70 % apa: ingheata la -10 sC;

un amestec de 40 % spirt denaturat si 60 % apa:ingheata la -19 sC;

un amestec de 55 % etilenglicol si 45 % apa: ingheata la - 40 sC.

Se mentioneaza ca antigelul cu etilenglicol este cel mai putin recomandat, deoarece, pe langa faptul ca este toxic, ataca aluminiul si cauciucul.

un amestec de apa, spirt si glicerina, folosit in trei variante de procentaj, care sunt prezentate in cele ce urmeaza, impreuna cu temperaturile lor de inghetare:

60 % apa cu 30 % spirt si 10 % glicerina, ingheata la -18 sC;

45 % apa cu 40 % spirt si 15 % glicerina, ingheata la -28 sC;

43 % apa cu 42 % spirt si 15 % glicerina, ingheata la -32 sC.

In cele ce urmeaza sunt prezentati indicatorii de baza ai calitatii apei de racire pentru motoarele diesel.

1. Continutul general de saruri se determina prin continutul total al substantelor minerale dezvoltate in apa si se masoara in miligrame la un litru (mg/l).

2. Duritatea apei este determinata de continutul de saruri de calciu si de magneziu dezvoltate in apa si se masoara in miligrame echivalente la un litru (mg.ech/l).

Dupa valoarea duritatii apelor din natura, acestea se impart in:

mai putin dure............pana la 0,7 mg-ech/l;

putin dure............de la 0,7 la 2,0 mg-ech/l;

cu duritate mijlocie.........de la 2,0 la 4,0 mg-ech/l;

dure...............de la 4,0 la 8,6 mg-ech/l;

foarte dure..............peste 8,6 mg-ech/l.

3. Duritatea apei datorita carbonatilor este determinata prin continutul ei in bicarbonati de calciu si de magneziu care, in timpul incalzirii apei sub temperatura de fierbere, se descompun si genereaza depuneri. Sarurile, datorita duritatii produse de carbonati, sunt cauza principala de formare a crustei in instalatia de racire.

4. Duritatea permanenta a apei (care nu se datoreaza carbonatilor) se determina prin continutul sarurilor sulfurice si clorurice ale calciului si magneziului in apa () care se depun sub forma de crusta in timpul fierberii si evaporarii apei.

Clorurile alcatuiesc o parte din continutul general de saruri. Concentratia clorurilor in apa se exprima prin continutul de clor-ioni in miligrame pe litru (mg/l Cl).

5. Gazele dizolvate sunt gazele absorbite de apa in timpul contactului cu apa, cum ar fi oxigenul (), azotul () si bioxidul de carbon () al caror continut se masoara in miligrame pe litru. Oxigenul si bioxidul de carbon dizolvate in apa produc, de asemenea, coroziunea metalului. Dizolvarea gazelor in apa scade, odata cu cresterea temperaturii acesteia.

6. Substantele in suspensie sunt amestecuri care nu se dizolva in apa, alcatuite din nisip, mal, argila si substante organice, precum si cele formate in instalatia de racire in timpul exploatarii, cum ar fi crusta, namolul si produsele de coroziune. Continutul de substante in suspensie se masoara in miligrame pe litru.

Substantele organice din apa sunt produsele organismelor animale si vegetale. Continutul de substante organice se masoara in mg/l de oxigen () consumat pentru oxidarea lor in timpul analizei.

Aciditatea apei din caldare (numarul de aciditate) este continutul ei in combinatii de hidroxizi de natriu, carbonat de natriu si fosfat de natriu (substante care intra in componenta solutiei contra formarii crustei) valoric egala cu un astfel de continut de baze, care este echivalent cu continutul in hidroxid de natriu al apei din caldare in miligrame pe litru (mg/l ).

Componenta instalatiei consta in urmatoarele circuite distincte:

a)      circuitul de racire cilindrii si turbosuflanta este compus din rezervorul (tancul) de expansiune de unde sunt alimentate cu apa desalinizata pompele care refuleaza apa prin termostatul RT si schimbatoarele de caldura, dupa care apa ajunge la colectorul de la baza cilindrilor, raceste cilindrii, chiulasele motorului si aerul turbosuflantei si apoi, prin traseele retur, ajunge din nou in rezervor;

b)      circuitul de racire a pistoanelor este compus din rezervorul de expansiune de unde apa desalinizata este aspirata de una din pompele de racire si refulata prin regulatorul de temperatura in schimbatorul de caldura unde este racita, dupa care, prin instalatiile circuitului, ajunge la pistoane, preia caldura de la acestea si revine retur in rezervorul expansiune;

c)      circuitul deschis care preia apa de mare prin una din cele doua prize si filtrul aferent, o trimite in magistrala prizelor de fund de unde este aspirata de una din cele doua pompe si refulata prin racitoarele circuitelor inchise. Tot cu apa de mare din afara bordului este racit si uleiul. Dupa preluarea debitelor de caldura, prin intermediul valvulelor cu sens unic, apa din circuitul dechis este evacuata peste bord.

Motoarele auxiliare sunt dotate cu subsisteme de racire proprii, separate de sistemul de racire cu circuit inchis al motorului principal. Fiecare motor auxiliar are o pompa independenta de racire cu apa, nemaifiind necesare pompe de rezerva pentru aceste motoare.

Schema principala a sistemului de racire a motorului principal cu apa de dulce este prezentata in anexa la prezentul proiect.

9.3. Elemente de calcul a instalatiei

Calculul pompelor

La sistemele de racire cu apa se folosesc pompe centrifugale, a caror turatie in mod curent este de 1500 rot/min. si care au un randament relativ mare, siguranta in functionare, durata mare de serviciu, masa si gabarit reduse, constructie simpla si nu necesita intretinere deosebita in exploatare.

Ca un dezavantaj, pompele centrifugale nu au insusirea de a se autoamorsa, intrucat depresiunea creata pe traseul de aspiratie, cand acesta nu este plin cu lichid, este relativ mica. Din aceasta cauza, aceste pompe se amplaseaza in asa fel incat ele sa fie pline cu lichid.

Dupa caracteristicile de functionare ale pompelor centrifugale se constata ca, daca turatia proprie variaza proportional cu turatia propulsorului, debitul va avea o variatie in acelasi sens cu turatia. Daca motorul va functiona la turatia minima, debitul de apa refulat de pompa poate fi insuficient si, deci, motorul se poate supraincalzi. De acest aspect trebuie tinut seama la alegerea coeficientului de majorare a debitului pentru calculul pompelor antrenate direct de MP

La sistemele de lansare cu motoare lente, atat pompa circuitului exterior, cat si a circuitului interior sunt actionate de motoare electrice avand turatie constanta.

Pentru a se asigura functionarea neintrerupta a sistemelor de racire, atat pentru circuitul exterior deschis, cat si pentru circuitele inchise, este necesar sa se prevada doua pompe de acelasi debit care sa realizeze circulatia neintrerupta a lichidului de racire.

Calculul debitului unei pompe de racire se efectueaza in functie de: debitul de caldura care trebuie preluat de la obiectul racit, diferenta dintre temperatura lichidului de racire la iesirea si, respectiv, la intrarea in agregat, particularitatile fizice ale lichidului de racire.

Debitul de caldura care trebuie preluat de catre fluidul de racire se admite ca reprezinta o parte din intregul debit de caldura obtinut prin arderea combustibilului. Motorul cu care este dotata nava este adaptat pentru combustibil greu in regim de mars si motorina in regim de pornire - oprire - manevra. Prin urmare debitul de caldura preluat va fi:

[kJ/h] (9.1)

unde: = debitul relativ de caldura preluat prin lichidul de racire;

= consumul specific efectiv de combustibil = 0,173 kg/kW∙h;

= puterea efectiva a motorului = 21380 CP = 15720 kW;

= puterea calorifica inferioara a combustibilului greu = 36830 kJ/kg.

Debitul pompei de racire a circuitului exterior va fi:

[m/h] (9.2)

unde: = coeficientul de marire a debitului pompei de racire pentru a acoperi regimurile de suprasarcina, inclusiv reducerea debitului. Din literatura de specialitate [8] = 1,5.2,2 si pentru cazul de fata se adopta valoarea = 1,5;

= densitatea fluidului de racire = 1,025 t/m;

= caldura specifica a fluidului de racire = 4,2 kJ/kg grd;

= diferenta de temperatura a fluidului la iesirea si, respectiv, la intrarea in motor = 10sC.

In continuare se realizeaza calculul pompelor ce intra in componenta instalatiei.

a)      pompa circuitului de racire a cilindrului si turbosuflantei

Debitul de caldura preluat de fluidul de racire de la cilindri si turbosuflanta este dat de relatia:

[kJ/h] (9.3)

Debitul pompei pentru racirea cilindrilor si turbosuflantei va fi:

[m/h] (9.4)

b)      pompa circuitului de racire a pistoanelor

Debitul de caldura preluat de fluidul de racire de la pistoane este:

[kJ/h] (9.5)

Debitul pompei pentru racirea pistoanelor va fi:

[m/h] (9.6)

c)      pompa circuitului de racire a injectoarelor

Debitul de caldura preluat de fluidul de racire de la injectoare este:

[kJ/h] (9.7)

Debitul pompei pentru racirea injectoarelor va fi:

[m/h] (9.8)

Pentru stabilirea debitului pompei circuitului deschis - exterior, trebuie calculat debitul total de caldura care va fi preluat de la toate circuitele inchise de catre fluidul din afara bordului. Acest debit este dat de relatia:

[m/h] (9.9)

unde: = caldura preluata de la uleiul de ungere al motorului [m/h];

= caldura preluata de la lagarele liniei de arbori [m/h].

Caldura preluata de uleiul de ungere al motorului se calculeaza cu relatia:

[kJ/h] (9.10)

Caldura preluata de lagarele liniei de arbori va fi:

[kJ/h] (9.11)

In urma calculelor acestor debite se va putea determina debitul pompei circuitului exterior, a carui relatie de calcul a fost prezentata la inceputul capitolului.

Calculul schimbatoarelor de caldura

In sistemele de racire se folosesc schimbatoare de caldura de tipul prin suprafata, cu tevi. Fiecare circuit este prevazut cu un schimbator de caldura.

Dupa modul cum sunt cuplate in instalatie, in serie sau in paralel, schimbatoarele de caldura vor modifica rezistenta hidraulica a instalatiei cu influente asupra caracteristicii de debit a pompei. Cuplarea in serie mareste rezistenta hidraulica a traseului, prin urmare creste si puterea pentru actionarea pompei. La cuplarea in paralel a schimbatoarelor, rezistenta hidraulica se micsoreaza, iar debitul pompei creste

Calculul suprafetei schimbatoare de caldura se realizeaza pe baza relatiei:

[m] (9.12)

in care: c = coeficient de sporire a debitului de caldura care se transfera prin suprafata racitorului = 1,15.1,3;

Q = debitul de caldura care se transfera prin suprafata racitorului [kJ/h];

K = 2500.5000 [kJ/m∙h∙grd] pentru schimbatoare de caldura apa-apa, cu tevi rotunde, avand d = 10.15 [mm];

ΔT = diferenta de temperatura a lichidului de racire de la intrarea si de la iesirea din racitor = 5.10sC.

In continuare este prezentat calculul pentru racitoarele din instalalatie.

a)      racitorul circuitului de racire a cilindrilor

Suprafata de schimb de caldura a racitorului circuitului de racire a cilindrilor este data de relatia:

[m] (9.13)

b)      racitorul circuitului de racire a pistoanelor

Suprafata de schimb de caldura a racitorului circuitului de racire a pistoanelor este:

[m] (9.14)

c)      racitorul circuitului de racire a injectoarelor

Suprafata de schimb de caldura a racitorului circuitului de racire al injectoarelor este data de expresia:

[m] (9.15)

Calculul rezervoarelor

Pentru completarea cu lichid a circuitelor de racire, se prevad rezervoare al caror volum se determina pe baza numarului de circulatie = 10.20; limita inferioara se alege in cazul racirii pistoanelor cu ulei, iar limita superioara este valabila in cazul racirii cu apa.

Volumul unui rezervor se poate scrie:

[m] (9.16)

unde: = coeficient prin care se tine seama de incarcarea rezervorului cu diferite reziduuri = 1,05.1,07;

= coeficient prin care se tine seama de incalzirea si spumarea lichidului de racire = 1,3.1,5;

= debitul pompei de circulatie a circuitului respectiv [m/h].

In continuare se realizeaza calculul rezervoarelor specifice instalatiei de racire a motorului principal.

a)      rezervorul circuitului de racire a cilindrilor

Volumul rezervorului circuitului de racire a cilindrilor se scrie:

[m] (9.17)

b)      rezervorul circuitului de racire a pistoanelor

Volumul rezervorului circuitului de racire a pistoanelor este:

[m] (9.18)

c)      rezervorul circuitului de racire a injectoarelor

Volumul rezervorului circuitului de racire a injectoarelor se scrie:

[m] (9.19)

Rezervoarele se amplaseaza deasupra motorului principal la o inaltime de 1,5.2 m fata de cel mai inalt punct al motorului.

Pentru retinerea corpurilor solide care ar putea patrunde in sistemul de racire, impreuna cu apa din afara bordului, se dispun filtre care se instaleaza dupa prizele de fund sau de bord.

Pentru preluarea apei din afara bordului, se prevad cel putin doua prize, dintre care una amplasata intre linia de plutire si fund, iar a doua se dispune pe fundul navei.

Instalatia de racire este prevazuta cu aparate de masura si elemente de reglare automata in scopul de a asigura functionarea in bune conditii a agregatelor racite astfel incat acestea sa lucreze la parametrii optimi. Astfel, se prevad termometre pentru masurarea temperaturii apei in urmatoarele faze: la intrarea in motor, la iesirea din fiecare chiulasa, la intrarea si la iesirea lichidului de racire de la fiecare piston si de la fiecare schimbator de caldura. Pentru masurarea presiunii si a rezistentelor hidraulice care apar la trecerea lichidului prin canalele de racire, se prevad manometre care se dispun la intrarea lichidului de racire din obiectele racite.

La sistemele de racire ale navelor actuale, controlul si masurarea parametrilor, cat si mentinerea acestora in regimul optim de functionare, se realizeaza prin utilizarea dispozitivelor de reglare automata. Aceste dispozitive trebuie sa asigure mentinerea regimului de temperatura prevazut in sistemul de racire, independent de sarcina motorului si de oscilatiile temperaturii apei de mare.

Calculul particularizat al instalatiei

Calculul pompelor

In calculul debitelor de caldura preluate de fluidul de racire si al debitelor pompelor din cadrul circuitelor de racire respective s-au luat in considerare urmatorii parametri comuni:

- consumul specific efectiv de combustibil: = 0,173 kg/kW∙h;

- puterea efectiva a motorului: = 21380 CP = 15720 kW;

- puterea calorifica inferioara a combustibilului greu: = 36830 kJ/kg;

- coeficientul de marire a debitului pompei de racire pentru a acoperi regimurile de suprasarcina, inclusiv reducerea debitului: = 1,5;

- densitatea fluidului de racire: = 1,025 t/m = 1025 kg/m;

- caldura specifica a fluidului de racire: = 4,2 kJ/kg grd.

Valorile obtinute in urma calculelor, corespunzatoare elementelor respective, sunt prezentate in cele ce urmeaza:

a)      pompa circuitului de racire a cilindrilor si turbosuflantei

= 20.633.247,33 kJ/h pentru = 0,206;

= 479,285 m/h pentru = 15sC.

b)      pompa circuitului de racire a pistoanelor

= 8.012.911,584 kJ/h pentru = 0,08;

= 139,597 m/h pentru = 20sC.

c)      pompa circuitului de racire a injectoarelor

= 200.322,789 kJ/h pentru = 0,002;

= 6,979 m/h pentru = 10sC.

Conform STAS se adopta:

= 500 m/h;

= 150 m/h;

= 10 m/h.

Caldura preluata de uleiul de ungere va fi:

= 1.001.613, 948 kJ/h pentru = 0,01.

Caldura preluata de lagarele liniei de arbori va fi:

= 20.032.278, 96 kJ/h pentru = 0,2.

Cu ajutorul acestor valori se poate determina debitul total de caldura. Astfel:

Q = 49.880.374,61 kJ/h.

Debitul pompei circuitului exterior va avea valoarea:

= 1737, 992 m/h.

Conform STAS se va alege o pompa centrifugala cu debitul:

= 2000 m/h.

Calculul schimbatoarelor de caldura

In calcule s-au utilizat urmatorii parametri:

- c = coeficient de sporire a debitului de caldura care se transfera prin suprafata racitorului = 1,15

- Q = debitul de caldura care se transfera prin suprafata racitorului [kJ/h];

- K = 3000 [kJ/m h grd] pentru schimbatoare de caldura apa-apa, cu tevi rotunde, avand d = 10.15 [mm];

- ΔT = diferenta de temperatura de la intrarea si de la iesirea din racitor =10sC.

Astfel, se obtin urmatoarele valori ale suprafetelor de schimb de caldura:

a)      racitorul circuitului de racire a cilindrilor

= 790, 941 m

b)      racitorul circuitului de racire a pistoanelor

= 307,161 m

c)      racitorul circuitului de racire a injectoarelor

= 7,679 m

Calculul rezervoarelor

Parametrii si valorile corespunzatoare de care se tine cont in calculul rezervoartelor sunt:

= 1,05;

= 1,3;

- = debitul pompei de circulatie a circuitului respectiv [m/h];

- numarul de circulatie = 20.

Cu aceste date se obtin rezultatele:

a)      rezervorul circuitului de racire a cilindrilor

> 34,125 m.

b)      rezervorul circuituluide racire a pistoanelor

> 10,237 m.

c)      rezervorul circuituluide racire a injectoarelor

> 0,682 m.

Se adopta:

= 35 m

= 11 m';

= 0,7 m.

Prevederi A.N.R. privind instalatia de racire cu apa dulce

Pentru asigurarea unei bune functionari si exploatari a motorului principal al navei, registrele de clasificare prevad o serie intreaga de reguli privind caracteristicile constructiv-functionale ale instalatiilor de racire cu care sunt echipate navele. In acest sens A.N.R. impune urmatoarele conditii:

instalatia de racire cu apa dulce a motorului principal trebuie sa dispuna de doua pompe pentru apa de racire, din care una de rezerva; debitul pompei de rezerva nu trebuie sa fie mai mic decat debitul pompei principale si cel putin una dintre pompe trebuie sa aiba actionare independenta;

pompele de balast, de drenare sau alte pompe cu destinatie generala, folosite numai pentru apa curata, se pot folosi ca pompe de racire de rezerva;

pentru diesel-generatoarele care se afla pregatite in permanenta pentru functionare (rezerva calda), trebuie prevazuta, la nevoie, incalzirea lor continua cu apa calda;

instalatia independenta de racire a pistoanelor, respectiv a injectoarelor, trebuie prevazute fiecare cu cate o pompa de rezerva cu un debit cel putin egal cu debitul pompei principale;

se vor prevedea cel putin doua prize de apa, din care una situata la fund, iar cealalta - in bord, amplasate in incaperea de masini si legate intre ele;

pe magistralele de aspiratie a apei de mare se impune instalarea filtrelor; trebuie prevazuta posibilitatea curatirii lor fara intreruperea functionarii pompelor de racire;

in instalatia de racire a motorului cu apa dulce trebuie prevazut un tanc de expansiune in care nivelul apei nu trebuie sa fie mai sus de nivelul maxim al apei in motor; tancul de expansiune trebuie racordat la tubulatura de aspiratie a pompelor de racire si trebuie sa fie dotat cu un dispozitiv pentru controlul nivelului lichidului;

amplasarea tubulaturii de descarcare a apei de mare trebuie sa asigure umplerea cu apa a celor mai inalte spatii racite ale motoarelor, ale racitoarelor de apa si ale racitoarelor de ulei, precum si sa excluda formarea zonelor de stagnare a apei;

instalatia de racire trebuie prevazuta cu termometre si cu un dispozitiv pentru reglarea temperaturii apei de racire; se recomanda dotarea instalatiei cu un sistem de semnalizare preventiva a temperaturii limita a apei de racire.

PARTEA

SPECIALA