Brodski Pogoni Sve

8/10/2019 Brodski Pogoni Sve

1/206

1

BRODSKI POGONI

1


2/206

2

Sistemi Brodskog Pogona

Kombinacijom razliitih propulzivnih pogona i goriva mogu sezadovoljiti

zahtjevi tereta koji brodovi prevoze.

Svaki od moguih pogonskih ureaja ima svoje prednosti i svoje

nedostatke. Najvei broj plovnih jedinica izveden je s jednimpogonskim

ureajem, a od toga najvei dio s motornim pogonom.

Za neke se brodove moraju, prema namjeni, koristiti i kombinacije

pogonskih ureaja.

Sistem propulzivnih ureaja najee je izveden kao:

Sistem sa jednim propulzivnim ureajem

Sistem sa dvojnim propulzivnim ureajem Sistem sa unakrsno spojenim propulzivnim ureajima

2


3/206

3

Podjela i vrste brodskih pogona

Motor je pogonska maina koja neki vid energije pretvara u mehaniki rad

3


4/206

4

Vani termini i definicije

Hod klipa motora, S

Klip se kree od UMT do SMT opisujui hod

klipa.

Prenik cilindra motora, D

Kree se od 40 mm kod malih industrijskih motora do 640 mm kod 4-taktnih

srednjehodnih brodskih motora do 1080 mm

kod dvotaktnih motora sa ukrsnom glavom.

Odnos S D

Ovaj odnos varira od cca 0.8 do 1.5 kod 4-

taktnih motora, i od 2 do 4 kod 2-taktnih sa

ukrsnom glavom.

4


5/206

5


Hodna zapremina, Vh

Zapremina motora izmedju SMT i

UMT, jedinica cm3 ili u litrama.

Kompresiona zapremina, Vc

Zapremina motora izmedju SMT i

glave cilindra.

Stepen kompresije,

5


6/206


7/206

7

Radni ciklus 4-taktnog motora se obavi za etiri takta (etiri hoda klipa izmeu

SMT i UMT), ili za dva puna obrtaja koljenastog vratila. Ti taktovi su :

punjenje, ili usisavanje,

sabijanja, ili kompresija,

irenje, ili ekspanzija,

pranjenje, ili izduvavanje.

Za obavljanje svih faza radnog ciklusa motora potrebno je da koljeno

koljenastog vratila opie ugao od 720 KV (KV ugao koljenastog vratila). Ugao 0KV definie poloaj kada je klip u spoljnoj mrtvoj taki (SMT) i na

poetku takta usisavanja.

Punjenje cilindra poinje neto prije SMT, a zavrava se neto iza UMT.

Pranjenje cilindra poinje prije UMT i zavrava se neto poslije SMT. Proces

sagorijevanja poinje prije SMT (kad se kod oto motora elektrinom varnicom

pali komprimovana smjea, a kod dizel motora ubrizgava gorivo u komprimirani

vazduh), a zavrava se neto iza SMT, tj. u dijelu ekspanzije produkata

sagorijevanja. Takt irenja je jedini takt u kome se potencijalna energija gasova

pretvara u korisnu mehaniku energiju.

7


8/206

8

Uporedba efikasnosti raznih

sistema brodskih pogona

8


9/206

9

Razvoj brodskih pogonskih strojeva

Pogon na jedra Povijest plovidbe stara je koliko i ljudski rod. ovjek je zaplovio najprije na kakvom trupcu, pa

splavi, a tek kasnije doao na misao da izdubi amac i izradi vesla. Prvi narod za koji se zasigurno zna da se bavio brodogradnjom i pomorstvom bili su Egipani,

to potvruju reljefi na egipatskim spomenicima iz doba 4000 godina prije Krista. Plovili su porijeci Nil, ali i po moru sve do Cipra i Krete. Izumili su jedro pa ak i kormilo koje se sastojalood dva, tri ili etiri ovea vesla.

Prvim istinskim pomorcima smatraju se Feniani, koji su se usudili ploviti i otvorenim morem.

Tijekom 3. stoljea prije Krista stvorili su Rimljani na Apeninskom poluotoku monu dravu.Svoje brodove poeli su graditi po uzoru na jednu veliku i teku kartaku penteru. Kasnije suove teke brodove zamijenili novim tipom broda, liburnom. Taj su tip broda Rimljani preuzeliod vjetih brodograditelja i pomoraca, ilirskog plemena Liburna s nae obale Jadrana. Liburna

je najbolje opisani brod antike.Tisuama godina koristio se pogon na jedra i u 19. stoljeu doivio je svoj vrhunac i pad.

Sredinom 19. stoljea Amerikanci na pacifikoj obali grade vrlo brze brodove dugog i vitkogtrupa s jedriljem svih vrsta: brikova, kuna i krinjaka. Tako je nastao najsavreniji tip

jedrenjaka - kliper, koji je postizavao maksimalne brzine i do 17 uzlova, a uz povoljne vjetrove

prelazio je velike udaljenosti s prosjenom brzinom i do 13 uzlova.

9


10/206

10

Parni stapni stroj Zaetnik industrijske revolucije Thomas Newcomen (1663-1729) je u Tiptonu, Staffordshire

1712. konstruirao prvi parni stroj koji je radio u praksi. JamesWatt roen 19. sijenja 1736.godine u Greenock-u kotska, izumio je znaajno usavreni parni stroj s ekspanzijom pare ucilindru i automatskim razvodom koji je imao kondenzator i ureaj za isisavanje zraka ikondenzirane pare. 1769. godine patentirao je svoj parni stroj koji je za osiguranje brojaokretaja imao centrifugalni regulator. 1781. izrauje prvi stroj kojemu je izlazni pogon biorotacijski. Time se pojavljuje mogunost brodskog strojnog pogona.

Prvi brodovi na parni pogon bili su William Symington-ov remorker s krmenim lopatinim

kolom "Charlotte Dundas" na kanalu Forth & Clyde u kotskoj 1802. godine i Robert Fulton-ov "Clermont" koji je plovio rijekom od New York-a do Albany-ja od 1807. godine. Istovremeno zapoinje uvoenje eljezne konstrukcije trupa. Prvi parobrod koji je preao Atlantik iskljuivo strojevima bio je "Great Western", 1838.

godine. Brod je imao 1320 t duine 72 m i pogonski parni stroj od 300 kW. Konstruirao ga je isagradio britanski inenjer, po ocu francuskog porijekla, Isambard Kingdom Brunel. "GreatWestern" je potroio svega tri etvrtine zaliha ugljena na brodu, raspolagao je s dovoljnotovarnog prostora i snanim pogonom koji je jamio doseg za prekooceansku plovidbu, aistovremeno je imao mjesta za putnike.

U to vrijeme dolazi do praktine primjene brodskog vijka koji je posebno za pomorskebrodove bio mnogo pogodnji od osjetljivih i glomaznih bonih kotaa. Prvi brod s brodskimvijkom kao propulzorom bio je engleski trgovaki brod "Archimedes", a koji je zaplovio 1839.godine.

10


11/206

11

Parno turbinski pogon

Brzi razvoj broda zapoet u 19. stoljeu nastavlja se jointenzivnije u 20. stoljeu. Englez Charles Parsons konstruiraprvu brodsku parnu turbinu i 1897. godine sa brodom"Turbinia", kojeg je takoer sam konstruirao, postie i za

dananje relacije izuzetnu brzinu od 34 uzla.

11


12/206

12

Diesel motor

Izumom motora s kompresijskim paljenjem kojeg RudolfDiesel patentira u veljai 1892. i studenome 1893., zapoinjerazvoj ovog jedinstvenog motora izmeu 1893. i 1897. godineu tvornici Maschinenfabrik Augsburg uz financijsku pomoFried. Krupp iz Essena.

U veljai 1897. uspjeno je predan jednocilindarski Dieselmotor snage 17.8 KS pri 154 min-1 pri punom optereenju. Priovom optereenju motor je imao ukupnu efikasnost od 26.2%to je bilo dvostruko vie od najboljih parnih stapnih strojevau to doba.

12


13/206

13

Diesel motorni pogon Prvi brod pogonjen Diesel motorom bio je ruski tanker "Vandal" dug 75 m

s tri brodska vijka. Brod je bio u vlasnitvu tvrtke Nobel Petroleum Co. izSankt Peterburga a plovio je rijekom Volgom i Kaspijskim morem. Prvoputovanje bilo je u proljee 1903. Tri trocilindarska Diesel motoraisporuila je na jesen 1902. Ludwig Nobel Machine Co.takoer iz SanktPeterburga. Isporueni motori razvijali su 120 KS pri 250 min -1 i omoguiliplovidbu "Vandala" brzinom do 8 uzlova. Budui da motori nisu bili

reverzibilni, pogonili su DC generatore od 87 kW pri 500V, koji suproizvedenu elektrinu energiju isporuivali elektromotorima snage 75 kWsvaki, spojenih na propelerne osovine. Dakle, radilo se o Dieselelektrinom pogonu.

MS "Selandia" 6800 tdw je bio prvi oceanski brod na Diesel pogon,zaplovio je u veljai 1912. godine s dva Burmeister & Wain osamcilindarska motora, svaki s 1250 bhp. Krenula je na svoju slubu Danska

Daleki istok da bi uvjerila brodarske kompanije u ekonominost ipouzdanost Diesel motorne propulzije za brodove oceanske plovidbe. Oba4-t motora s krinom glavom tog broda s dva propelera, troila su dnevno10 do 12 tona gorivog ulja. Parni brod jednake veliine troio je 40 do 45tona ugljena dnevno.

13


14/206

14

Pogon na jedra Povijest plovidbe stara je koliko i ljudski rod. ovjek je zaplovio najprije na kakvom trupcu, pasplavi, a tek kasnije doao na misao da izdubi amac i izradi vesla. Prvi narod za koji se zasigurno zna da se bavio brodogradnjom i pomorstvom bili su Egipani, to

potvruju reljefi na egipatskim spomenicima iz doba 4000 godina prije Krista. Plovili su po rijeciNil, ali i po moru sve do Cipra i Krete. Izumili su jedro pa ak i kormilo koje se sastojalo od dva, triili etiri ovea vesla.

Trgovaki brod drevnog Egipta 2550 god. prije Krista

14


15/206

15

Pogon na jedra Prvim istinskim pomorcima smatraju se Feniani, koji su se usudili ploviti i

otvorenim morem. Tijekom 3. stoljea prije Krista stvorili su Rimljani na Apeninskom poluotoku

monu dravu. Svoje brodove poeli su gradit i po uzoru na jednu veliku i tekukartaku penteru. Kasnije su ove teke brodove zamijenili novim tipom broda,liburnom. Taj su tip broda Rimljani preuzeli od vjetih brodograditelja i pomoraca,ilirskog plemena Liburna s nae obale Jadrana. Liburna je najbolje opisani brodantike.

Model rimske Liburne

Razvoj brodskih pogonskih strojevaRazvoj brodskih pogonskih strojeva

15


16/206

16

Pogon na jedra

Tisuama godina koristio se pogon na jedra i u 19. stoljeu doivio je svojvrhunac i pad. Sredinom 19. stoljea Amerikanci na pacifikoj obali gradevrlo brze brodove dugog i vitkog trupa s jedriljem svih vrsta: brikova,kuna i krinjaka. Tako je nastao najsavreniji t ip jedrenjaka - kliper, koji jepostizavao maksimalne brzine i do 17 uzlova, a uz povoljne vjetroveprelazio je velike udaljenosti s prosjenom brzinom i do 13 uzlova.

Kliper Ship Lighting


16


17/206

17

Parni stapni stroj

Zaetnik industrijske revolucije Thomas Newcomen (1663-1729) je u Tiptonu, Staffordshire 1712.konstruirao prvi parni stroj koji je radio u praksi. James Watt roen 19. sijenja 1736. godine uGreenock-u kotska, izumio je znaajno usavreni parni stroj s ekspanzijom pare u cilindru iautomatskim razvodom koji je imao kondenzator i ureaj za isisavanje zraka i kondenzirane pare.1769. godine patentirao je svoj parni stroj koji je za osiguranje broja okretaja imao centrifugalniregulator. 1781. izrauje prvi stroj kojemu je izlazni pogon bio rotacijski. Time se pojavljujemogunost brodskog strojnog pogona.

Watt-ov parni stroj iz 1788. god


17


18/206

18

Parni stapni pogon

Prvi brodovi na parni pogon bili su William Symington-ov remorker skrmenim lopatinim kolom "Charlot te Dundas" na kanalu Forth & Clyde ukotskoj 1802. godine i Robert Fulton-ov "Clermont" koji je plovio rijekom odNew York-a do Albany-ja od 1807. godine.

Istovremeno zapoinje uvoenje eljezne konstrukcije trupa.

Fulton-ov parni brod Clermont


18


19/206


20/206

20

Parno turbinski pogonBrzi razvoj broda zapoet u 19. stoljeu nastavlja se jo intenzivnije u 20. stoljeu.Englez Charles Parsons konstruira prvu brodsku parnu turbinu i 1897. godine sabrodom "Turbinia", kojeg je takoer sam konstruirao, postie i za dananje relacijeizuzetnu brzinu od 34 uzla.

Turbinia - prvi brod pogonjen parnom turbinom


20


21/206

21

Diesel motor

Izumom motora s kompresijskimpaljenjem kojeg Rudolf Dieselpatentira u veljai 1892. istudenome 1893., zapoinje razvojovog jedinstvenog motora izmeu1893. i 1897. godine u tvorniciMaschinenfabrik Augsburg uz

financijsku pomo Fried. Krupp izEssena. U veljai 1897. uspjeno je predan

jednocilindarski Diesel motorsnage 17.8 KS pri 154 min-1 pripunom optereenju. Pri ovomoptereenju motor je imao ukupnuefikasnost od 26.2% to je bilodvostruko vie od najboljih parnihstapnih strojeva u to doba. Prvi Diesel motor puten u probni rad

26.06.1895.


21


22/206

22

Diesel motorni pogon

Prvi brod pogonjen Diesel motorom bio je ruski tanker "Vandal" dug 75 m s tribrodska vijka. Brod je bio u vlasnitvu tvrtke Nobel Petroleum Co. iz Sankt Peterburgaa plovio je rijekom Volgom i Kaspijskim morem. Prvo putovanje bilo je u proljee 1903.Tri trocilindarska Diesel motora isporuila je na jesen 1902. Ludwig Nobel Machine Co.takoer iz Sankt Peterburga. Isporueni motori razvijali su 120 KS pri 250 min -1 iomoguili plovidbu "Vandala" brzinom do 8 uzlova. Budui da motori nisu bilireverzibilni, pogonili su DC generatore od 87 kW pri 500V, koji su proizvedenuelektrinu energiju isporuivali elektromotorima snage 75 kW svaki, spojenih napropelerne osovine. Dakle, radilo se o Diesel elektrinom pogonu.

Ruski rijeni tanker Vandal prvi brod na Diesel motorni pogon


22


23/206

23


MS "Selandia" 6800 tdw je bio prvi oceanski brod na Diesel pogon, zaplovio je uveljai 1912. godine s dva Burmeister & Wain osam cilindarska motora, svaki s 1250bhp. Krenula je na svoju slubu Danska Daleki istok da bi uvjerila brodarskekompanije u ekonominost i pouzdanost Diesel motorne propulzije za brodoveoceanske plovidbe. Oba 4-t motora s krinom glavom tog broda s dva propelera,troila su dnevno 10 do 12 tona gorivog ulja. Parni brod jednake veliine troio je 40do 45 tona ugljena dnevno.

MS Selandia prvi oceanski brod na motorni pogon


23


24/206

24


Prvi B&W Diesel motor DM8150X za MS Selandia


24


25/206

25

Turbinski pogon

Prvi brod pogonjen plinskom turbinom je topovnjaa "MGB 2009", 1947.godine u Velikoj Britaniji. 1954. godine zaplovila je i prva podmornica na nuklearni pogon "Nautilus"

izgraena u USA, gdje se parna turbina pokree parom dobivenomisparavanjem vode toplinom iz nuklearnog reaktora.

Nuklearni reaktor tipa PWR u brodskoj propulziji


25


26/206

26

Suvremena brodska postrojenja

1903. zaplovio je rijeni tanker Vandal, prvi brod na Diesel motorni pogon. Danas, oko 97% brodova pogoni se Diesel motorima.

Samo najvei LNG tankeri koriste za pogon parne turbine. Zadnjih godina u LNG tankereuglavnom se ugrauju dual-fuel Diesel motori.

Samo veoma brzi ferries i moderni cruise vesselsponekad se pogone plinskim turbinama. (Gore izloeno ne odnosi se na ratne brodove)

Rolls-Royce Marine Spey plinsko turbinski modul


26


27/206


28/206

28

Razvoj motora s unutranjim izg.

28


29/206

29

Razvoj motora s unutranjimizgaranjem

U razvoju Diesel motora, kao dominantnog primarnog strojadananjice, najveu zaslugu imaju izumitelj naela dr. RudolfDiesel i tvrtka MAN koja izrauje prvi uspjeni motor.Takoer, velike zasluge imaju F. Rundlof koji prvi ostvarujedvotaktni Diesel motor, te Alfred Bchi, bezijeg izumaturbonabijanja, Diesel motor ne bi mogao konkurirati plinskojturbini. Uvoenje meuhlaenja takoer zasluuje posebnupanju jer znaajno poveava litarsku snagu motora. Ovakovisoko efikasan stroj ne bi bio mogu ni bez izumavisokotlane pumpe JamesMcKechnie-ja, te njenogusavravanja posebice u tvrtki Bosch. Visoko efikasan radDiesel motora i ist ispuh pri raznim optereenjima,

omoguen je u novije vrijeme primjenom common railtehnologije i elektronike.

29


30/206


31/206


32/206

32

Sporohodni 2-t Diesel motori

2007. MAN Diesel proizvodi 14K108ME-Cnajvei Diesel

motor na svijetu. 14 cilindara promjera 108 cm pri 94rpm razvijaju snagu od ak 97 300 kW ili 130 000 BHP.

Popreni presjek 2-t motora

32


33/206

33

Srednjehodni 4-t Diesel motori

Wrtsil W64 4-t srednjehodni Diesel motor

33


34/206

34

Brzohodni 4-t Diesel motori

Brzohodni motori su 4-t brzine vrtnje >1200 min-1, ali se esto uzimaju >750 min-1

Kod nas su prisutni: Caterpillar, Cummins, John Deere, MTU, Iveco, Fiat,Yanmar, MAN, Isuzu, Volvo, Scania, Daewoo Doosan, Perkins, Nany...

34


35/206

35

Vrste propelera i propulzijeDanas postoji nekoliko tipova brodskih propulzora koji se meusobno znatno razlikuju po nainu djelovanja,smjetaja na brodu i konstrukcijskoj izvedbi. To su:

vijani propulzor (propeler) ili brodski vijak cikloidni ili Voith-Schneiderov propeler vodomlazni propulzor zrani turbopropelerni propulzor.

Voith-Schneiderov propeler i vodomlazni propulzor, osim to stvaraju porivnu silu, slue i za kormilarenje(Steering Propulsion Unit).

Brodski vijak je i dalje dominantan propulzor, ali postoje brojne razliite izvedbe. Takoer, brodski vijak moebiti s nepromjenjivim usponom FPP, ili s promjenjivim usponom krila CPP.Nadalje, veza propelerne osovine i motora moe biti direktna kao to je sluaj kod sporohodnih brodskihmotora, ili preko reduktora, kao to je sluaj srednjehodnih i brzohodnih motora.

Direktan spoj motora i propelerne osovine Motor kopa/reduktor propelerna osovina

35


36/206

36

Propelerna propulzija

Propeler s Winglets krilcima ( do 4%)

Wrtsil Energopac (2...6%)

Becker Mewis Duct (2...9%)

Propeler u sapnici ( do 5% do 20knts)

36


37/206

37

Propulzijsko upravljaki sustavi

LIPS Modular ThrusterVodomlazna propulzija

Arneson djelomino uronjeni propeler Voith-Schneider propulzija

37


38/206


39/206

40


40/206

40

Suvremene izvedbe plovila

Lebdjelica zrani turbopropelerni propulzor Voith Water Tractor

Katamaran - vodomlazni USN experimental SLICE (SWATH >)

40

41


41/206

41

Suvremene izvedbe plovila

Hrvatska Suezmax Oil Tanker Trein Maersk Container ship

Isabella Car/Passenger Ferry Split Handy Bulk Carrier

41

42


42/206

42

Proraun efikasnosti propulzije

T =b GB S P = 0.4 0.97 0.995 0.55 = 0.21

PT = 0.21Pfuel u slobodnoj plovidbi (PT =T vA)

T =b GB S P = 0.4 0.97 0.995 0.4 = 0.15PT = 0.15Pfuel u reimu vue (PE =RT v)

P0.55

S0.995

GB0.97 0.98

b0.40


42

43


43/206

43

Propisi emisija ispunih plinova sbrodova


43

44


44/206

44

Razvoj brzohodnih Diesel motora iCommon Rail

Prva naftna kriza 1973. potvrdila je da je vrijemejeftine nafte prolo. Zbog toga su proizvoaimotora morali razvijati motore to manjepotronje pri svim reimima rada.

Veina svjetskih proizvoaa Diesel motoraodluila se za elektronski upravljane motore iprimjenu ubrizgavanja goriva pri konstantnomtlaku common rail.

Razvija se elektromagnetsko upravljanjeventilima, to e omoguiti promjenjivo

otvaranje i zatvaranje ventila i poboljanuizmjenu radne tvari u svim podrujima radamotora.

Elektrine instalacije bi trebale prijei na 42V. Oekuje se daljnje poveanje tlaka ubrizgavanja,

ali vei i promjenjivi tlak prednabijanja. Mogue je bolje optimiranje omjera zrak/gorivo,

a pokuava se uvesti motor s promjenjivimkompresijskim omjerom.


44


45/206

46


46/206

46

Razvoj 2-t Diesel motora(smanjenje NOx emisija)

1 SCR reaktor2 Zaobilazni vod turbopunjaa3 Osjetnik temperature nakon SCR

reaktora4 El. motori za pomone turbo punjae5 Ubrizga uree6 Zaobilazni vod SCR reaktora7 Osjetnik temperature prije SCR reaktora8 Dodatna prirubnica na sabirniku

ispunih plinova(SCR smanjuje NOx za 85 do 95%)

4NO+4NH3+O24N2+6H2O2NO2+4NH3+O23N2+6H2ONO+NO2+2NH32N2+3H2O


Selective Catalytic Reduction

47


47/206

47

Razvoj 2-t Diesel motora(smanjenje NOx emisija)


Recirkulacija ispunih plinova

48


48/206

48

Razvoj 2-t Diesel motora(smanjenje potronje i CO2 emisija)


WHR sustav

49


49/206

49

Razvoj 2-t Diesel motora(na prirodni plin)

Najvei 2-t motori za brodove zaprijevoz kontejnera su ujedno inajvei motori. Kako bi sesmanjile emisije, razvijaju se 2-tmotori na prirodni plin, koji jeveoma isto gorivo. Time se

smanjuju emisije, posebice CO2 iSOx. Da ne bi dolo do gubitka goriva s

ispirnim zrakom, gorivo seubrizgava pri visokom tlakutijekom stapaja kompresije.Zapaljenje se postie

ubrizgavanjem manje koliineMDO u potrebnom momentu.


Ubrizgavanje prirodnog plina i Diesel pilot goriva

50


50/206

50

Primarna energija - Shell Blueprint

Shell Blueprint Odrivi razvoj Umjereni porast potronje energije Usklaenost na globalnoj razini

Razvijena nova infrastruktura, CCS Ekonomski rast uz smanjenje CO2 emisija

Konvencionalna goriva ostaju primarniizvor energije

Poveanje efikasnosti strojeva

Uvoenje alternativnih goriva: GTL, CTL,biogoriva, vodik, CNG,


U svijetu koji je 2005. godine troio proraunato 80 miliona barela nafte dnevno, utjecaj svih alternativnihgoriva ostaje na razini jedne kapljice po barelu (1 barel = 159 lit.). Glavni razlog je u visokoj cijeni proizvodnjealternativnih goriva.


51/206

52


52/206

52

Budunost koja dolazi?

Hoe li brodovi budunosti bit i pogonjeni iskljuivo energijom Sunca? MS Turanor PlanetSolar, katamaran izraen iz ugljinih vlakana, duine 31

m, s 537 m2 solarnih panela efikasnosti 18,8%. Instalirana snaga 93,5 kW,Lit ij ionske baterije teine 13 t. Dva el. motora pogone dva propelera izugljinih vlakana, s 5 lopatica svaki. (Kiel, Njemaka)

Max. brzina 14 knots, brzina krstarenja 8,5 knots Inicijator projekta: Raphal Domjan


53


53/206

53

Budunost Diesel motoraDiesel motor 97% u brodarstvu

najefikasniji i najpouzdaniji prime mover u brodskom transportu, niska potronja goriva, moe izgarati tekua goriva najloije kvalitete, sporohodni ne treba reduktor, odravanje i popravci nisu zahtjevni, zbog visoke efikasnosti nizak je sadraj CO2 u ispuhu, zbog visokih temperatura visok je sadraj NOx,

kod koritenja goriva visokog sadraja S, visok je i sadraj sumpornih oksida, mogue koritenje B20, sintetikog Diesela i prirodnog plina (DNV razvija VLCC na LNG), max. snaga 97 300 kW uz efikasnost od 50%

Plinske turbine se koriste na ratnim brodovima, na veoma brzim trajektima i ponekad namodernim cruising brodovima.

Koristi goriva visoke kvalitete skupa goriva. Premda zahtjeva reduktor, od 2-t Diesel motora laka je 20, a od srednjehodnog 4-t motora oko

5. Max. snaga brodske jedinice 145 410 kW, na kopnenim turbinama oko 400 000 kW uz efikasnost

40%


54


54/206

54

Budunost Diesel motora

Parne turbine parametri 70 bar i 560C postiu efikasnost do 35% (LNG tankeri) superkritine parne turbine na kopnu 285 bar i 620C postiu efikasnost do 46% razvijaju se superkritine parne turbine 350 bar 700C s iznad 50%. Mogu koristiti bilo kakvo gorivo, ukljuujui ugljen, tako da dugorono ih ne treba iskljuit i iz razmatranja. Daljnjim razvojem nuklearnog reaktora oekuje se primjena i u t rgovakoj mornarici

Kombinirana plinsko/parna turbinska postrojenja imaju efikasnost od 40 do 47% na brodovima ali zahtijevajukvalitetno gorivo. Kopnena Combi postrojenja postiu efikasnost od 60%.

Gorivni lanci zbog visoke efikasnosti, tihog rada i istog ispuha su veoma interesantni (Njemaka ih ugraujeu podmornice)

kratkorono mogua je primjena samo umjesto Diesel agregata + specijalni sluajevi najpovoljnije su kad koriste vodik kao gorivo (skupo gorivo) kada rade na druga goriva zahtijevaju reformer postrojenje koje dodatno poskupljuje ali i snizuje efikasnost

postrojenja kod koritenja Diesel goriva efikasnost im je ispod efikasnosti Diesel motora. dananja cijena gorivnih lanaka je 20 via od cijene Diesel postrojenja.

Solarni paneli za proizvodnju el. energije za brodske potrebe, ili kao buster Diesel motoru.


55


55/206

RODSKI MOTORI I

Nain polaganja:

- 2 kolokvijuma (max 25 bodova/kol)- Zavrni ispit (max 30 bodova)- Seminarski rad (max 15 bodova)- Prisustvo nastavi (max 5 bodova)

56


56/206

Elektro-Motori

Parna Klipna

Ma{ina

Parna

Turbina

M otori SSS

Gasna

Turbina

Strujni

Motori

Rotacioni

Motori

Klipni

Motori

M otori Promjenjljive

Zapremine

M otori SU S

ToplotniMotori Hidrauli~niMotori PneumatskiMotori

M OTORI

DEFINICIJE I VRSTE MOTORA

Podjela i vrste pogonskih maina

Motor je pogonska maina koja neki vid energije pretvara u mehaniki rad

57


57/206

MOTORI SA UNUTRANJIM SAGORIJEVANJEM (SUS)

Motor sa unutranjim sagorijevanjem (SUS) je toplotna maina koja pretvarahemijsku energiju goriva u mehaniki rad.

Istorijat motora SUS:

1700 - Parna maina1860 - Lenoarov gasni motor ( = 5%)1867 - Otto-Langen motor ( = 11%, 90 o/min max.)1876 - Otto 4-taktni motor sa prinudnim paljenjem smjee

( = 14%, 160 o/min max.)

1880 - 2-taktni motor, kotski ininjer Dugald Clerk 1892 - Diesel etvorotaktni motor sa samopaljenjem smjee1957 - Wenkel-ov rotacioni motor

58


58/206

BRODSKI POGON

ISTORIJAT

59


59/206

Brodski pogon

Jedrenje potpomognuto ljudskom snagom veslanje

Brodovi na jedra (< 1800.god.)

Brodovi na parni pogon (1800-1910)

Brodovi na motorni pogon (1910 do danas)

60


60/206

1898 Dizel prodaje licencu Branobel-u, ruskoj naftnoj kompaniji. Ininjeri ove

kompanije su potroili 4 godine konstruiui dizel motor za pogon broda .

1899: Dizel prodaje licencu proizvoaima Krupp i Sulzer, koji postaju ubrzo glavniproizvoai.

1902: do 1910 MAN proizvodi 82 kopije prvih stacionarnih dizel motora.

1903: Sormovo Brodogradilite porinulo "Vandal" naftni tanker prvi brod pogonjendizel motorom.

1904: Francuzi napravili prvu dizel podmornicu , Z.

1910: Norveki istraivaki brod Fram je prvi brod na svijetu sa dizel pogonom .

Do 1960.god. dizel pogon je u potpunosti istisnuo parne turbine .

1912: Danci napravili prvi trgovaki prekookeanski brod na dizel pogon Selandia. Prvalokomotiva sa dizel pogonom.

1914: Njemaki U-Boatpogonjeni MAN dizelima.

Brodski dizel pogon

61


61/206

Performanse prvih brodova na dizel pogon


62/206

63


63/206

Osnovni principi rada klipnih motora SUS

Unutra{nja hemijska

energija gorivaToplotna

energija

Potencijalna

energijaMehani~ki

rad

Sagorijevanje Pove}anje

p i T

Toplotna

energija

Potencijalna

energijaMehani~ki

rad

Pove}anje

Unutra{nja hemijska

energija gorivaToplotna

energija

Potencijalna

energijaMehani~ki

rad

Sagorijevanje Pove}anje

p i T

Toplotna

energija

Potencijalna

energijaMehani~ki

rad

Pove}anje

ematski prikaz transformacije energije u klipnim motorima


64/206


65/206

66


66/206

- podjela prema upotrebi na brodu

1. glavne motore, koji pogone brodski propeler neposredno ili preko reduktora,2. pomone motore, koji pokreu elektrogeneratore, pumpe, kompresore i druge

brodske ureaje.

67


67/206

Po nainu ostvarivanja radnog ciklusa1. etvorotaktni motori.2. Dvotaktni motori.

Prema vrsti idealnog termodinamikog procesa

1. u motore s OTTO procesom;2. u motore s DIZEL procesom;3. u motore sa SABATHE procesom,

Po vrsti koritenog goriva

1. Motori sa lakim tenim gorivima.2. Motori sa tekim tenim gorivima.3. Motori sa gasovitim gorivima.4. Motori sa mjeavinom gasovitih i tenih goriva.

Klasifikacija motora SUS

68


68/206

Po nainu stvaranja smjee1. Motori sa spoljanjom pripremom smjee,2. Motori sa unutranjom pripremom smjee,

Po nainu paljenja gorive smjee1. Motori sa prinudnim paljenjem smjee2. Motori sa samopaljenjem smjee,

Po nainu punjenja cilindra1. Usisni motori,2. Prehranjivani motori


69/206

Po konstruktivnom izvoenju

70


70/206

Po konstruktivnom izvoenju

1. Prema broju cilindara.2. Prema meusobnom poloaju cilindara, jednoredni motori, dvoredni motori (V-

motori i bokser-motori), vieredni (W; H; zvjezdasti , delta, etvorougaoni motori).

3. Prema poloaju cilindara razlikuju se, vertikalni (stojei) motori , horizontalni(leei) motori, kosi motori (pod nagibom)4. Prema nainu transformacije kretanja, motori sa krivajnim mehanizmom i bez

ukrsne glave - to su obino motori do 1500 kW po cilindru i prenika cilindra do 0,6m, motori sa krivajnim mehanizmom i ukrsnom glavom kod kojih ukrsna glavapreuzima bone sile klipa;

Linijski motor (1), V motor (2), zvjezdasti motor (3), boksermotor (4), U motor (5) i motor sa klipovima suprotnog smjera i

dvije radilice (6)

71


71/206

Klasifikacija motora za upotrebu na brodovima

Snaga u kW

Brzinamotorauo/min

72


72/206

Linijski motori. Kod ovih motora ose cilindara su u ravni.

Maksimalni broj cilindara kod velikih 2-taktnih motora sa ukrsnom glavom jeobino 12.

Sa porastom veliine broda mogu se proizvoditi i sa 14-16 cilindara u liniji.Ukupna duina ovih motora tada naraste od 25 do ak 35 metara !

Broj cilindara standardnog linijskog srednjehodnog brodskog motora obino neprelazi 10-12.

V motori. Kod ovih motora ose cilindara su pod uglom od 45 do 120 jedan uodnosu na drugi.

Veliki brodski V motori obino imaju 16-18 cilindara a rijetko do 20.

Poto je hod klipa S krai moe se ovom motoru poveati broj obrtaja n a daostane ista brzina klipa Cm motora kao kod linijskog.

Poreenje linijskih i V motora

73


73/206

Dvotaktni brodski motori

74


74/206

etvorotaktni brodski motori

75


75/206

4-taktni motor


76/206

77


77/206

Osnovni djelovi motora SUS

1. elo klipa2. Cilindar3. Osovinica klipa4. Klipnjaa5. Krivaja

6. Koljenasto vratilo7. Glava cilindra8. Usisni ventil9. Izduvni ventil10. Usisna cijev

11. Izduvna cijev12. Kuica motora13. Karter

Zamajac

78


78/206


Hod klipa motora, S

Klip se kree od UMT do SMT opisujui hodklipa.

Prenik cilindra motora, D

Kree se od 40 mm kod malih industrijskihmotora do 640 mm kod 4-taktnihsrednjehodnih brodskih motora do 1080 mmkod dvotaktnih motora sa ukrsnom glavom.

Odnos S/D

Ovaj odnos varira od cca 0.8 do 1.5 kod 4-taktnih motora, i od 2 do 4 kod 2-taktnih saukrsnom glavom.

Usisni Izduvniventil ventil

Prenik cilindra

Hod klipa

SMT

UMT

79


79/206


Hodna zapremina, VhZapremina motora izmedju SMT iUMT, jedinica cm3 ili u litrama.

Kompresiona zapremina, VcZapremina motora izmedju SMT iglave cilindra.

Stepen kompresije,

sD

Vh

4

2

c

ch

V

VV

V

V

min

max

Hodna Kompresionazapremina zapremina

SMT

UMT

80


80/206

Koljenasto vratilo

90o

180o

UMT

SMT0o

270o

q

Svjeica kod Oto motoraBrizga kod Dizel motora

SpoljnaMrtvaTaka(SMT)

Unutr.Mrtva

Taka(UMT)

Ventili

Kompresionazapremina

ZidCilindra

Klip

Hod

Kod 4-taktnog motora radni ciklus se odvija za vrijeme dva okretaja koljenastog vratila,odnosno 4 hoda klipa ili 4 takta

81


81/206

Radni ciklus 4-taktnog motora se obavi za etiri takta (etiri hoda klipa izmeuSMT i UMT), ili za dva puna obrtaja koljenastog vratila. Ti taktovi su : punjenje, ili usisavanje,

sabijanja, ili kompresija, irenje, ili ekspanzija, pranjenje, ili izduvavanje.

Za obavljanje svih faza radnog ciklusa motora potrebno je da koljenokoljenastog vratila opie ugao od 720KV (KV ugao koljenastog vratila).

Ugao 0KV definie poloaj kada je klip u spoljnoj mrtvoj taki (SMT) i napoetku takta usisavanja.

Punjenje cilindra poinje neto prije SMT, a zavrava se neto iza UMT.Pranjenje cilindra poinje prije UMT i zavrava se neto poslije SMT. Processagorijevanja poinje prije SMT (kad se kod oto motora elektrinom varnicom

pali komprimovana smjea, a kod dizel motora ubrizgava gorivo u komprimiranivazduh), a zavrava se neto iza SMT, tj. u dijelu ekspanzije produkatasagorijevanja. Takt irenja je jedini takt u kome se potencijalna energija gasovapretvara u korisnu mehaniku energiju.

82


82/206

Takt 1: Usisavanje. Vazduh se uvodi u cilindar kroz usisni ventil. Pritisak na kraju

usisavanja je 0,850,95 bar dok je temperatura 310350K.Takt 2: Kompresija. Vazduh se komprimira. Pritisak 3050 bar a temperatura 800900 K.

Takt 3: Ekspanzija. Sagorijevanje (pri konstantnom pritisku) se odigrava i produktisagorijevanja ekspandiraju odajui rad. Prit 48 bar, a temp 12001500 K

Takt 4: Izduvavanje. Gasoviti produkti se izbacuju van cilindra kroz izduvni ventil.

Pritisak 1.15 bar, temp 900K.

Taktovi 4-taktnog Dizel motora

83


83/206

Takt 1: Punjenje ili usisavanje. Smjea vazduh-gorivo se ubacuje u cilindar kroz usisni ventil. Nakraju takta usisavanja, pritisak usisane smjee kree se od 0,75 do 0,95 bar, a temperatura 340400 K.

Takt 2: Sabijanje ili kompresija. Smjea vazduh-gorivo se sabija . Na kraju takta sabijanja smjeaima pritisak 1014 bar i temperaturu 430700 K. Prije nego to klip dospije u SMT, tj. pri uglupretpaljenja dolazi do paljenja smjee eletrinom varnicom i poinje proces sagorijevanja.

Takt 3: irenje ili ekspanzija. Sagorijevanje (pri skoro konstantnoj zapremini) se odigrava dok seprodukti sagorijevanja ire odajui rad . Maksimalni pritisak sagorijevanja dostie se neposrednopoto je klip krenuo od SMT ka UMT, 5090 bar , temp. gasova 19002500 K.

Takt 4: Pranjenje ili izduvavanje. Produkti sagorijevanja izlaze iz cilindra kroz izduvni ventil.Izduvni gasovi na kraju takta imaju pritisak 1,05 do 1,25 bar, a temp 700800K.

Taktovi 4-taktnog Oto motora

84


84/206

Lijevo: indikatorski dijagram 4T-motora. Oznake: UO, UZ usisni ventil otvara /

zatvara; IO, IZ izduvni ventil otvara / zatvara; IP, IK sagorijevanje poetak / kraj.

Desno: razvijeni indikatorski dijagram (gore) i podizaj ventila (dolje).

85


85/206

Obrtni (torzioni) momenat motora

Stvorena energija po jednom obrtaju motora kao posljedica sagorijevanjagoriva. Jedinica [N m]

Obrtni moment se definie kao sila koja stvara (ili tei da to uradi) obrtnu silu naobjektu. To moe biti klip koji obre koljenasto vratilo. Dalje, ovaj momenatobre propeler na brodu, toak na vozilu i sl.

Momenat = F x b

86


86/206

Snaga motora

Stvorena energija po jedinici vremena [W ili J/s].

1kW = 1,36 KS1 KS = 0,736 kW

Snaga = Obrtni Momenat x Ugaona Brzina

P = M = M2

n


87/206

88


88/206

Dizel Otto

Usisna smjesa Vazduh Vazduh i gorivo

SagorijevanjeSamopaljenje, usljed visokih

pritisaka i temperaturaunutar cilindra

Paljenje svjeicom

GorivoMora da lako ispari i da se

samozapali(visoki cetanski broj)

Mora biti otporno nasamopaljenje (visok oktanski

broj)

Stepen kompresije Najvei mogui (15 do 24) Ogranien karakteristikama

goriva (9 do 12)

Efikasnost Vea, ~35% Manja,


89/206

DIZEL vs. OTTODizel Otto

Potronja goriva Nia Via

Cijena gorivaObino nia, ali zavisi odveliine taksi koje su na

snazi u pojedinim zemljamaVia

Teina Tee Lake i kompaktnije

Vibracija i buka Visoka Niska

Brzina motora Ograniena karakteristikama

ciklusa i goriva Visoka

Obrtni moment Vei ManjiCijena motora Via Nia

Emisija NOx, SOx, a CO2, CO, HC

90


90/206

DIZEL vs. OTTODizel Otto

Upotreba

Propulzija broda

Stacionarni motori

Poljoprivredne maine

Generatori

Mehanizacija

Vojna vozila

Auto industrija

Rune maine

Auto industrija

Vanbrodski motoriManji avioni

B h di 4 k i b d ki di l

91


91/206

Brzohodi 4-taktni brodski dizel motor Ovi motori za upotrebu na brodu imaju brzinu od oko 950 o/min pa navie.

Industrijski motori imaju brzinu motora uglavnom oko 2000 o/min. Prenik cilindra varira od 40mm do oko 200-300 mm.

Snaga motora varira u irokim granicama i kree se do oko 5000 kW.


92/206

W t il 4 t kt i b d ki di l t i

93


93/206

Wartsila 4-taktni brodski dizel motori

Grupe motora20, 20, 26, 32, 34, 38, 46, 50, 64

Wrtsil 16V34DF16 broj cilindara

V Konfiguracija cilindara: V-motor = V, linijskimotor = L34 Grupa motora, 34 = 340mm prenik cilindraDF Tehnologija (ako se primjenjuje)

94


94/206

MAN 4-taktni brodski dizel motori

95


95/206

2-taktni motori

96


96/206

Kod dvotaktnog motora cijeli ciklus se odvija za vrijeme jednogpunog okreta koljenastog vratila, tj. dva hoda klipa ili dva takta. To

su:

1. Takt Kompresije (ispiranje, kompresija, paljenje).

2. Radni takt (sagorijevanje, ekspanzija, izduvavanje i poetakispiranja).

Taktovi 2 taktnog Oto motora

97


97/206

Taktovi 2-taktnog Oto motora

Usisavanje(Ispiranje)

Kompresija

Paljenje

Izduvavanje

kspanzija

Smje{a

Gorivo/vazduh

Sabijanje

Smje{e

Gorivo/vaz.

Koljenasto

vratilo

Ventil

Izlazni

kanal

Takt 1: gorivo/vazduh se ubacuje u cilindar i nakon toga sabija,sagorijevanje zapoinje pri kraju takta

Takt 2: Produkti sagorijevanja ekspandiraju ostvarujui rad

98


98/206

ema dvotaktnog oto motora sa predsabijanjem u karteru

99


99/206

100


100/206

Takt 1: Vazduh se ubacuje u cilindar i nakon toga sabija,ubrizgavanje goriva i sagorijevanje zapoinje pri kraju takta

Takt 2: Produkti sagorijevanja ekspandiraju ostvarujui rad

Taktovi 2-taktnog Dizel motora

Na kraju takta sabijanja pritisak vazduha u cilindru dostie do 50bar, atemperatura 900 1000K.

Maksimalni pritisak je oko 70 100bar, a temperatura oko 2300K.

Na poetku izduvavanja sagorjelih gasova, pritisak u cilindru pada na 1,05 1,2bar, a temperatura na oko 900K.

101


101/206

102


102/206

Naini ispiranja kod dvotaktnih motora

103


103/206

Popre~no Povratno Jednosmjerno

Naini ispiranja kod dvotaktnih motora

104


104/206

ema dvotaktnog dizel motora sa poprenim ispiranjem

105


105/206

Sporohodi 2-taktni brodski dizel motor

106


106/206

Moderne konstrukcije sporohodnih 2 taktnih motora sa jednosmjernim ispiranjem:MAN B&W: S90MC-C (D = 900 mm); Mitsubishi: UEC85LsII (D = 850 mm); Wartsila RT-flex82C (D =820 mm)

Sporohodi 2 taktni brodski dizel motor Ovi motori imaju brzinu do 250 o/min. Primjenjuju se uglavnom za pogon velikih

brodova npr. tankera, kontejnerskih brodova i sl.

Prenik cilindra varira od 260 mm do 1080 mm. S/D se kree od 3.0 do 4.2. Snaga motora ide do 97,300 kW za najvei prenik cilindra, 14 cilindara i sa hodom

klipa od 2660 mm. Najvei motor tei 2300 tona, 28 m je dugaak a 14 m visok.

Srednji efektivni pritisak je oko 20 bar kod prehranjivanih motora. U procesusagorijevanja max pritisci su sa nekih 50 narasli na 160 bar.

Jednosmjerno ispiranje sa izduvnim ventilom se primjenjuje kod ovih motora.

Specifina potronja goriva se sputa i do 156 g/kWh. Efikasnost ciklusa ovih motoraje najvea i iznosi 55%. Ovi motori koriste goriva najloijeg kvaliteta.

Wrtsil 2 taktni brodski dizel motori

107


107/206

RTA i RT-flex serije motora, snaga do 80.080 kW.

RTA-serija motora: RT-flex serija motora:

Ovi motori se koriste za pogon velikih brodova.

Motori se proizvode irom svijeta pod licencomWrtsil Switzerland.

Wrtsil 2-taktni brodski dizel motori

Wrtsil 2 taktni brodski dizel motori

108


108/206

Wrtsil 2-taktni brodski dizel motori

Mape snage i brzina za Wartsila program 2-taktnih dizelmotora

MAN B&W 2-taktni brodski dizel motori

109


109/206

MAN B&W 2-taktni brodski dizel motori


110/206

111


111/206

4-taktni vs. 2-taktni4 taktni 2 taktni

Konstrukcija Sloenija Jednostavnija

Izmjena radne materije Bolja Loija zbog manje raspoloivog vremena

Snaga Manja

Dvotaktni motor s istim brojem cilindara teorijski dajedvostruku snagu od etvorotaktnog. Praktiki se

poveanje snage postie samo 1,7 do 1,8 puta, jerse kod dvotaktnog motora troi 5-10% snage zaispiranje.

TeinaZbog vee snage po cilindru kod istog broja okretajadvotaktni je motor laki i zauzima manje prostora od

jednako snanog etverotaktnog.

Potronja Manja

Vea. Specifina potronja goriva je vea uglavnomzbog loeg ispiranja cilindara takvih dvotaktnih

motora, i gubitka svjee smjese odnosno vazduha.

Zbog gubitka svjee smjese pri ispiranju dvotaktniOtto motori imaju posebno veliku specifinupotronju goriva. Ovo vai za brzohodne i

srednjehodne motore. Kod sporohodnih motorarazlika je mala.

Termiko optereenje Manje Vie, zbog veeg broja radnih taktova u jedinici

vremena, ako su istih brzina motori


112/206

B d ki 4 t kt i 2 t kt i

113


113/206

Poreenje u veliini motora 4 taktnog i 2taktnog istih snaga

Brodski 4-taktni vs. 2-taktni

Brodski 4 taktni 2 taktni

114


114/206

Specifina potronja goriva za oto motore kod pune snage

Vrsta oto motora g/kWhetvorotaktni 273 - 338dvotaktni 338 - 435

Vrsta dizel motora g/kWh

brzohodni i srednjehodnietvorotaktni usisni normalno prehranjivani 216 - 273,6

dvotaktni prehranjivani 239,4 298,8etvorotakni s najveim prehranjivanjem 183,6

sporohodni dvotaktni i etvorotaktni oko 205

4-taktni Dizel motori se lake rade kao brzohodni, jer kod njih ima vie vremena naraspolaganju za izmjenu radne materije nego kod dvotaktnih motora, i manje su termiki

optereeni od dvotaktnih motora.

S primjenom 2 takta dobiva se prema tome vie kod onih motora kod kojih brzinaobrtanja mora biti mala, kao to je to sluaj kod brodskih glavnih motora.

Mali i srednji motori za pogon brodskih elektrogeneratora su 4-taktni, jer je za njihmogue upotrijebiti vei broj obrtaja.

Brodski 4-taktni vs. 2-taktni

Efikasnost Dizel Motora

115


115/206


116


116/206


Brzina motora, o/min

Efikasnost,%


117/206

118


118/206

Srednji efektivni pritisak dizel motora


pm,bar

Snaga cilindra dizel motora

119


119/206

Snaga cilindra dizel motora


Pcil,kW

B d k t bi

120


120/206

Brodske gasne turbine

Prednosti gasnih turbina Vei odnos snaga/teina u poreenju sa motorima SUS (gustina snage); Manji u odnosu na motore SUS istih snaga. Pokree se samo u jednom smjeru, sa manje vibracija od motora SUS. Manje pokretnih djelova od motora SUS. Niski radni pritisci.

Visoke radne brzine. Manji trokovi i potronja ulja za podmazivanje. Jednostavan rad i lako odravanje.

Mane gasnih turbina Cijena je mnogo vea od motora SUS za istu veliinu s obzirom da materijali

moraju biti vri i otporniji na toplotu. Obrada materijala je kompleksnija; Manje efikasan od motora SUS, posebno pri praznom hodu. Odgoen odziv na promjenu optereenja.


121/206


122


122/206


Kombinacijom razliitih propulzivnih pogona i goriva mogu se zadovoljiti

zahtjevi tereta koji brodovi prevoze.

Svaki od moguih pogonskih ureaja ima svoje prednosti i svojenedostatke. Najvei broj plovnih jedinica izveden je s jednim pogonskimureajem, a od toga najvei dio s motornim pogonom.

Za neke se brodove moraju, prema namjeni, koristiti i kombinacijepogonskih ureaja.

Sistem propulzivnih ureaja najee je izveden kao:

Sistem sa jednim propulzivnim ureajem

Sistem sa dvojnim propulzivnim ureajem

Sistem sa unakrsno spojenim propulzivnim ureajima

U pravilu se gasne turbine koriste za vee snage, brze brodove i za veet ik b d l kt l ij k i ti i t ik

123


123/206

CO kombinacija

D dizel (motorni) pogon

L elektropogon

G gasno-turbinski pogon

A i (and) O ili (or)

X unakrsni spoj

putnike brodove, a elektropropulzija se koristi veinom za putnikebrodove.

Sve se ee ugraduju i IPS-pogoni (Integrated Power System) u kojimase viak proizvedene elektrine energije koristi za propulziju(generator/motor kombinacija).


124/206

Sistemi sa dva propulzivna ureaja

125


125/206

CODOG CODAG

CODLAG

CODAG (kombinacija dizel motora i gasne turbine).

126


126/206

CODAG (kombinacija dizel motora i gasne turbine).

Sistemi sa unakrsno spojenim propulzivnim

127


127/206

ureajima

CODOX & CODAX COGAGX

COGAGX-DX

CODAGX

CODADX

Ostale tehnologije brodskih

128


128/206

Ostale tehnologije brodskih

motora


129/206

Wrtsil DF Dual Fuel Sistem Motori

130


130/206

(Prirodni Gas Dizel gorivo)

Gasna faza: Oto ciklus Ulazak gasa pod niskim pritiskom Pilot dizel ubrizgavanje

Dizel faza: Dizel ciklus Dizel ubrizgavanje

131


131/206

Wrtsil Gas-Diesel Motori

132


132/206

Gas ciklus:

Dizel ciklus:

Fuel Sharing ciklus: Odnos koliine tenog i

gasovitog goriva se moekontrolisati tokom rada.

Odnos gas/tenost varira od80/20 do 15/85 zavisno odoptereenja.

133


133/206

Wrtsil Gas Motori

134


134/206

Spark Gas SG su motori sa prinudnimpaljenjem siromane smjee.


135/206

MAN B&W Gas engine

136


136/206

Oto ciklus

Uvoenje gasa pod niskim pritiskom

Gas se pali ili svjeicom ili pilot dizelgorivom

Paljenje smjeesvjeicom

Ex.In.

Paljenje smjee pilotdizel gorivom

Ex.In.

MP-Koncept

SI-Koncept

*

Usisavanje vazduha igasa

Ex.In.

***** ***** *

****

***

*

Kompresij vazduha igasa

Ex.In.

****

***

MAN B&W W34SG Gas engine SI Koncept

137


137/206

MAN B&W 32/40 PGI engine

138


138/206

PGI - Performance Gas Injection

Oto ciklus

Uvoenje gasa pri niskom pritisku

Mikro-Pilot ubrizgavanje gasa, cca 1%

Paljenje pilot gasovitog goriva na vreloj povrini

unutar pretkomore Nema svjeice !

PGI - Koncept

PGI - element

*

Usisavanje vazduha igasa

Ex.In.

***** ***** ****** **

*

Kompresija vazduha igasa

Ex.In.

*******

Paljenje pilot gasa

Ex.In.

139


139/206

MAN B&W Dual Fuel High Pressure Gas

140


140/206

Injection Engine S70ME-GI

Prirodni Gas (LNG, CNG)

141


141/206

Veoma niske vrijednosti izduvne emisije:

isto gori

Uglavnom ne sadri primjese

Metan sadri najvei sadraj vodonika po jedinici energije od svih fosilnihgoriva manja emisija CO2

Oto proces sa siromanom smjeom omoguava niske emisije NOx

Prirodni gas u poreenju sa dizelom:

Smanjenje CO emisija cca 75%

Smanjenje CO2emisija cca 20%

Smanjenje NOx emisija cca 80%

Bez SOx emisija

Znatno manja emisija estica

Bez vidljivog dima

142


142/206

Pomorski fakultet - Split

143


143/206

ELEKTRINA PROPULZIJA

Maja Krum


144/206

UVOD

145


145/206

Projektiranje i izradba propelera vrlo je odgovoran posao. Projektantkoji rjeava brodski oblik istodobno odluuje kolika je efektivnasnaga porivnog stroja potrebna da brod plovi odreenom brzinom.Da se udovolji tim uvjetima, projektant mora odrediti najpovoljnijemjere i oblik propelera.

Najei je oblik propelera onaj koji ima krila s glavinom izlivenima ujednom komadu. To je tzv.propeler s fiksnim krilima.

Propeler s fiksnim krilima projektira se za odreene radne uvjete. Akose ti uvjeti promijene, propeler vie nije optimalan, mijenja mu sebrzina vrtnje, moment i optereenje, zbog ega se smanjuje stupanjnjegova djelovanja, a remeti se i optimalni rad pogonskog stroja. To

je osobito nepovoljno kad je pogonski stroj dizelski motor, to ima zaposljedicu poveani potroak goriva (preoptereenje ilipodoptereenje dizelskog motora), a moe izazvati i vei kvardizelskog motora.

UVOD

UVOD

146


146/206

Drugi je oblik propeler s krilima koja su privrena naglavinu, a mogu se zakretati i mijenjati usponkontinuirano. To je tzv.propeler s prekretnim krilima.

Propeler s prekretnim krilima omoguuje da se za vrijeme

plovidbe posebnim mehanizmom zakreu krila oko osiokomito na osovinu propelera. Zbog toga se mijenjauspon krila, a time i brzina vrtnje propelera, moment iporivna sila. Prekretanjem krila takav se propelerprilagoava svakom optereenju, to omoguuje

ekonomini pogon i du

i vijek trajanja pogonskog stroja.

UVOD


147/206

UVOD

148


148/206

Potpuno elektrina propulzija slui se za pogon elektromotoraakumuliranom elektrinom energijom (npr. akumulatorska baterija),kombinirana propulzija koristi dva ili vie razliitih vrsta izvoraelektrine energije (npr. akumulatorska baterija i dizelski generator),apropulzija s elektrinim prijenosom koristi za pogon elektromotoraelektrinu energiju iz generatora, tj. izmeu glavnoga pogonskog

stroja (npr. parna ili plinska turbina i dizelski motor) i propelerauvijek je prikljuen elektrini prijenosni lan.

Elektrini pogon propelera akumulatorskom baterijomogranien je kapacitetom baterije. Akumulatorske baterije imajuveliku masu za relativno malu energiju koju mogu dati, zahtijevajupunjenje i paljivo odravanje.

Za pogon elektrinih generatora slue turbine i dizelski motori.Turbinskipogon uobiajen je na velikim brodovima (najeeputnikim), i to uglavnom s trofaznim elektrinim sustavom, adizelskipogon na brodovima svih veliina i namjena.

UVOD


149/206

UVOD

150


150/206

Elektriki pogon propelera kombinacijom dizelskoga generatora i akumulatorske baterijeima, kao i pogon akumulatorskom baterijom, izvor energije praktino konstantnognapona. Jednoje rjeenje da se propelerski elektromotor napaja iz akumulatorskebaterije, a dizelski generator pri konstantnoj brzini vrtnje slui za punjenjeakumulatorskih baterija. Drugoje rjeenje da dizelski motor radi na istoj osovini spropelerskim elektromotorom, pa pri malim brzinama dizelski motor pokree ipropeler i generator to puni akumulatorske baterije, a pri veim brzinama propelerskielektromotor napaja se i iz akumulatorske baterije. Manevriranje i promjena smjeravrtnje propelerske osovine izvodi se samo elektromotorom.

Kao izvorom elektrine energije za napajanje propelerskih elektromotora moe se koristitii gorivim elijama, koje neposredno pretvaraju kemijsku energiju u elektrinu. Iako ih

je otkrio 1839. godine W. R. Grove, do danas nema njihove vee uporabe zaelektrinu propulziju. U literaturi se spominje da su strunjaci njemake tvrtkeSiemens prije etrdeset godina (1965.) eksperimentirali s gorivim elijama snage od0,5 kW koje su napajale istosmjerni motor od 0,37 kW to je vrtio propeler amca, anakon toga su se pokusno rabile i na podmornicama. Oekuje se da e se goriveelije upotrebljavati i na brodovima, u po

etku za manje snage propulzije iako sedanas izvode pokusi s elijama snage vee od 100 kW.

UVOD

UVOD

151


151/206

Promjene otpora broda, izazvane promjenom njegove brzine,djelovanjem valova i vjetra itd., utjeu na promjenu brzine vrtnjepropelera i na promjenu porivne snage.

Ureaj za propulziju mora se prilagoavati tim promjenama.

Kad se za pogon upotrebljavaju motori istosmjerne struje, to se

pouzdano postie ve

samom karakteristikom strojeva koji pripreoptereenju daju propeleru poveani moment, a pri rastereenju

imaju ogranienu brzinu vrtnje.

Vei trofazni pogoni imaju posebni regulacijski ureaj koji upreoptereenju poveava uzbudu generatora i propulzijskihelektromotora, i time osigurava stabilnost sustava.

Zadatak je regulatora brzine vrtnje strojeva za pogon generatora da

osiguraju gornju granicu brzine vrtnje i stroj prilagode potrebnojsnazi. Automatsko prilagoavanje momenta istosmjernihpropulzijskih motora potrebnom momentu na propeleru osigurava dase preveliki moment ne prenese na pogonski stroj.

UVOD

UVOD

152


152/206

Za dimenzioniranje elektrinih propulzijskih strojeva mjerodavne su ekstremne toke u

procesu prekretanja stroja. Manevar prekretanja stroja, zbog zaustavljanja broda ili

zbog promjene vonje naprijed u vonju natrag, jako je vaan za sigurnost broda pri

pristajanju uz obalu ili za izbjegavanje nesrea na moru. Prilikom manevriranja broda,

kad se mijenja smjer vonje, najprije treba usporiti i zaustaviti brodsku masu u

kretanju, masu propelera i osovine, masu vode to je potiskuje propeler i masu rotora

propulzijskog stroja, a zatim ih u suprotnom smjeru ubrzati. Radni procesi pri tommanevriranju detaljno su istraeni i razraene su metode za proraun momenata

propulzijskog sustava u pojedinim fazama procesa. Prekretanje stroja definirano jeizrazom gibanja broda:

UVOD

RTFdt

dvm

u -==

tvzu MMMM

dt

dJ --==

w

m masa broda i dodatna masa mora, v brzina broda, t vrijeme, Fu sila ubrzanja (usporenja), T poriv

propelera, R otpor broda, J moment tromosti rotirajuih masa sustava i dodatne mase mora, kutna brzina,

Mz zakretni moment porivnog elektromotora, Mv moment propelera i Mt moment trenja osovinskog voda.

UVOD

153


153/206

OPI PRINCIPI

Analizirajui dananje sustave elektrine propulzije broda, moe se generalno primijetiti da se onisastoje od sljedeih osnovnih cjelina:

propeler (propulzor) s fiksnim krilima s prekretnim krilima

propulzijski motor istosmjerni izmjenini sinkroni

asinkroni pretvara frekvencije tiristorski kontrolirani d.c. pogon PWM synchroconverter cycloconverter

izmjenini sinkroni generator

srednjehodni dizel motor-primarni pokreta

Poto se zadnje dvije cjeline malo razlikuju za pojedine tipove propulzijskih sustava, odnosno, terazlike su ovisne o tipu proizvoaa, one nisu predmet razrade veje panja vie usmjerena na

prve tri cjeline koje su detaljnije prikazane u daljnjem izlaganju. U propulzijski sustav, takoer,spadaju propulzijski transformatori, glavna sklopna ploa i sustav automatizacije i upravljanja tesu i oni u daljnjem izlaganju poblie prikazani.

UVOD

UVOD

154


154/206

Mnogi parametri su od odluujueg znaaja pri izboru elektrine propulzije koja se primjenjuje za

pojedini tip broda. U ovisnosti o namjeni, potrebnoj propulzijskoj snazi i eljenim manevarskim

sposobnostima broda odabiru se pojedini elementi elektrinog propulzijskog sustava i u skladu s

time se obavlja dimenzioniranje cjelokupnog pogona zajedno sa svim prateim elementima.

UVOD


155/206

ELEKTRINI PRIJENOSI

156


156/206

Prema vrsti struje elektrini se prijenos moe podijeliti na:

istosmjerno-istosmjerni, sastavljen od istosmjernog generatora iistosmjernog porivnog elektromotora s razliitim meusobno izvedenimspojevima,

izmjenino-istosmjerni, sastavljen od sinkronoga generatora koji prekoneupravljivih i upravljivih pretvaraa napaja istosmjerni porivni

elektromotor, izmjenino-izmjenini, sastavljen od sinkronoga generatora koji daje

elektrinu energiju sinkronom ili asinkronom porivnom elektromotoru.Najbolji se pogon dobiva onda ako se izmjenini motori ne napajajuizravno iz izmjeninoga generatora (brodske izmjenine mree), negopreko statikog pretvaraa frekvencije.

Fina regulacija brzine vrtnje propelera, a time i konstantan napon i frekvencijageneratora, u izmjenino-istosmjernom ili izmjenino-izmjeninom

prijenosu, osigurava se s pomou reguliranih elektronikih pretvaraa,to takoer omoguuje da se iz brodske mree pouzdano napajaju svana nju prikljuena elektrina troila.

ELEKTRINI PRIJENOSI

Propeler s prekretnim krilima

(eng. CPP = contollable-pitch propeler)

157


157/206

- krila privrena na glavinu

- mogu se zakretati i mijenjati uspon kontinuirano.

- Za vrijeme plovidbe se posebnim mehanizmom

zakreu krila oko osi okomito na osovinu propelera.

Zbog toga se mijenja uspon krila, a time i brzina

vrtnje propelera, moment i porivna sila.

- Prekretanjem krila takav se propeler prilagoavasvakom optereenju, to omoguava ekonomian

pogon i dui vijek trajanja pogonskog stroja. Time se

dobivaju bolje radne karakteristike i olakano je

manevriranje brodom,

- Zbog odreenih nedostataka (vea nabavna cijena,

tee odravanje, krai vijek trajanja, vea buka i

kavitacija,i dr.) moe se rei da u modernom

brodarstvu gubi utrku pred sustavima s promjenjivom

brzinom vrtnje u koje su ugraeni propeleri s

fiksnim krilima.

(eng. CPP contollable pitch propeler)

Propeler s fiksnim krilima

(eng. FPP = fixed-pitch propeller)

158


158/206

- Krila i glavina izliveni u jednom komadu.

- Jeftiniji su, laki za odravanje i dugotrajniji, mana im

je, ukoliko je propulzijski sustav mehaniki,

nefleksibilnost na promjenjive radne uvjete (''teko

more'', promjena brzine, izroni propelera, i dr.).

- Ovaj tip propelera ne zadovoljava u potpunosti na

onim brodovima koji tijekom plovidbe znatnijemijenjaju brzinu, a naroito na tegljaima kojima

brzina ovisi o otporu objekta kojeg tegle.

- Ovaj nedostatak nadilazi u elektrinoj propulziji broda

uporabom sustava s promjenjivom brzinom vrtnje

(eng. VSD = variable speed drives). Tiristorski

frekventni pretvarai kontroliraju brzinu i zakretni

moment elektrinog (najee sinkronog)propulzijskog motora mijenjanjem napona i

frekvencije njegovog napajanja u ovisnosti o

optereenju.

-Povoljne manevarske

sposobnosti uz maksimalni

zakretni moment pri svim

brzinama vrtnje, a upravo

su to one karakteristike koje

su se takoer, ali s manjom

efikasnou dobivale kod

propulzijskih sustava s

prekretnim krilima.

Propeler s fiksnim krilima

(eng. FPP = fixed-pitch propeller)

159


159/206

Prednosti sistema s promjenjivom brzinom vrtnje koji

koriste propelere s fiksnim krilima u odnosu na

pogone s prekretnim krilima su :

Gubitci prekretnog propelera pri niim optereenjima

iznose, otprilike, 25% ukupne snage propulzijskog

sustava, dok gubitci synchro-pretvaraa dostiu

jedva 1%; Struja tijekom ubrzanja pogona na nominalnu brzinu

je gotovo jednaka struji pri samoj nominalnoj brzini

(zbog ega ne dolazi do otrih naponskih skokova u

distribucijskoj mrei);

Tijekom djelominog optereenja propeleri s fiksnim

krilima uzrokuju manje buke i kavitacija nego oni s

prekretnim krilima; U uvjetima bez optereenja sustavi s promjenjivom

brzinom vrtnje zahtijevaju (ukljuujui i uzbudu)

manje od 5 % nominalne struje pogona, dok

asinkroni motori zahtijevaju od 20 % do 35 %.

Poznate tvrtke za proizvodnju

svih tipova propelera su : Otto

Piening i Schottel iz

Njemake, John Crane-Lips

iz Velike Britanije, Brunvoll iz

Norveke, Hundested

propeller A/S iz Danske,i dr.

PROPULZIJSKI MOTOR

Istosmjerni propulzijski motor

160


160/206

Neki pogoni kao to su elektrini vlakovi, podmornice

i platforme koriste d.c. propulzijske motore. Njihova

upotreba je bila mnogo rairenija u prolosti nego to

je to danas. Jo uvijek se koriste u pogonima gdje je

potreban veliki zakretni moment i / ili veoma precizna

kontrola brzine vrtnje.

Armaturna struja i magnetski tok se moguodvojeno kontrolirati pa istosmjerni motor

omoguava vrlo povoljne karakteristike zakretnog

momenta i brzine za pogon.

Za regulaciju brzine vrtnje i zakretnog momenta te

prekretanje propulzora koriste specijalne a.c. d.c.pretvarae . Glavni nedostatak istosmjernih motora je

to se potrebna komutacija armaturne struje vr

ipomou mehanikog komutatora na rotirajuoj

osovini. Oni zahtijevaju odravanje kao i njihove

ugljene etkice, a glavni su razlog da je primijenjeni

napon armature ogranien na oko 750 V d.c.

PROPULZIJSKI MOTOR

Izmjenini (A.C.) propulzijski motor

161


161/206

Asinkroni ( indukcijski ) motor

Koristi se za male i srednje snage propulzije (1-5 MW) najee u kombinaciji s PWM

pretvaraima frekvencije. U poetku primjene elektrine propulzije su se najvie

upotrebljavali zbog jednostavnosti konstrukcije i manje teine, ime se izbjegla

regulacija uzbude glavnih polova kako je to sluaj kod sinkronih motora.

Postupnim pojeftinjenjem elektrinih motora i upotrebom tiristorsko-tranzistorskih

pretvaraa frekvencije dolaze do izraaja mnogobrojne prednosti sinkronih motora paasinkroni kavezni motori gube dominaciju u primjeni.

Trofazna struja napajanja statora proizvodi okretno magnetsko polje koje inducira

struju u kaveznom namotaju rotora. Meudjelovanjem statorskog magnetskog toka i

rotorske struje stvara se zakretni moment na pogonskoj osovini. Da bi se mogla

inducirati struja u rotoru njegova brzina okretanja treba biti neto manja nego brzina

okretnog magnetskog polja statora. Ta razlika se zove klizanje (s).

Glavne mane su im manji zrani raspor izmeu rotora i statora te manji faktor snage(cosj = 0.8) i korisnost h to zahtjeva veu nazivnu snagu generatora. Visokapotezna struja (7-8 puta vea od nominalne) prilikom pokretanja motora predstavlja

dodatni problem o emu treba voditi rauna pri projektiranju sistema (upotreba tzv.

soft startera).


PROPULZIJSKI MOTOR


162


162/206

Sinkroni motor Ovaj tip elektrinog motora je stekao najiru primjenu

kao propulzijski motor u suvremenim sistemima

elektrine propulzije broda.

Rotor im se sastoji od para magnetskih polova s d.c.

uzbudom i rotira u sinhronizmu s okretnim

magnetskim poljem statora tako da nema klizanja kao

kod asinkronih motora. Vee dimenzije i cijena, uodnosu na asinkrone, kao glavni nedostatci ovog

motora su prevladani brojnim prednostima koje prua

u radu. Sinkroni motori rade s faktorom snage cosj =1 i s veom korisnou h pa su im pogonskigeneratori i kabelska mrea laki nego kod

asinkronih.

U konstruktivnom pogledu prednost im je u veemzranom rasporu izmeu rotora i statora pa su

prikladniji za montau na brodu. Na uzburkanom

moru dolazi do savijanja brodskog trupa, a time i do

savijanja temeljne ploe motora, to moe uzrokovati

dodirivanje rotora sa statorom i dovesti do njihovog

oteenja.


PROPULZIJSKI MOTOR


163


163/206

Sinkroni motor

Uzbudu sinkronih motora treba napajati iz najmanje dva poluvodika izvora, a u

sluaju kvara jednog od njih preostali mora u potpunosti osigurati snagu potrebnu za

uzbudu i pri poveanom optereenju do kojeg dolazi pri manevriranju. Strujni krugovi

uzbude su opremljeni ureajem za ponitenje magnetskog polja u sluaju izgaranja

namota uzbude.

Jojedna velika prednost im je da se na brodovima s vie propelera moe postiipotpuna sinkronizacija u radu svih propelera to znatno smanjuje vibracije broda.

Prekretanje motora (vonja naprijed vonja krmom) se u naelu vri zamjenomdviju faza napajanja, uslijed ega nastaje promjena smjera vrtnje okretnog

magnetskog polja, a time i vrtnje rotora (danas se to iskljuivo obavlja pomou

tiristorskih pretvaraa). Zbog zamanih masa samog propelera rotor motora se ne

moe trenutno prekrenuti pa se odreeno kratko vrijeme okree u smjeru protivno

novom smjeru okretnog magnetskog polja. To je tzv. podruje motornog koenja. Dabi manevar prekretanja bio to bre i efikasnije izveden, u polne nastavke rotora je

ugraen dodatni kavezni namotaj koji mu omoguuje da kod pokretanja i prekretanja

radi pri iskljuenoj uzbudi kao asinkroni motor, a time se postie i asinkrono koenje.

Takav motor djeluje u sinkronizmu kao sinkroni, a izvan sinkronizma kao asinkroni.

je ( C ) p opu js oto


164/206

PROPULZIJSKI MOTOR


165


165/206

Permanentno uzbueni sinkroni motor

Sinkronog motora (na slici- PERMASYN propulzijskimotor za podmornice tvrtke Siemens) predstavljanajnovije tehnoloko dostignue u toj granibrodogradnje. Ima ekstremno nizak nivo buke,visoku uinkovitost te smanjen volumen i teinu.PERMASYN motor predstavlja propulzijski motorposljednje generacije klase 212 podmornicaNjemake i Talijanske vojske. Propulzijski konceptza AIP (eng.air independent propulsion) obuhvaaPERMASYN motor u kombinaciji s najmodernijomPEM tehnologijom gorivih elija kao primarnimpokretaem.

j ( ) p p j

PROPULZIJSKI MOTOR

Osnovna kontrola brzine vrtnje motora

166


166/206

Za d.c. motor sa konstantnim naponom napajanja tose lako postie upotrebom otpornika uarmaturnom ili uzbudnom krugu za kontroluarmaturne struje ili magnetskog polja uzbude (ilioboje). Nedostatak je smanjena efikasnost zbogpada napon na tom regulacijskom otporniku. Zaa.c. asinkroni ili sinkroni motor sa konstantnimnaponom i frekvencijom napajanja, kontrola brzineregulacijskim otpornikom bi djelovala samo naveliinu radne struje, a brzina bi ostala ista sobzirom na nepromijenjenu frekvenciju napajanja.Zato se mora djelovati i na frekvenciju strujestatora (upotrebom pretvaraa frekvencije). Da sesprijei pregrijavanje (zbog premagnetiziranja)motora, mijenjajui frekvenciju proporcionalno semijenja i napon napajanja ( U / f = konst.).

Pretvarai

167


167/206

Dok se kod d.c. propulzijskih motora brzina vrtnje regulira samo promjenomnapona napajanja, kod a.c. motora se moraju mijenjati i napon i frekvencija.

Na taj nain se reguliraju brzina vrtnje i zakretni moment, a ureaji koji to

omoguuju zovu se pretvarai frekvencije. Po principu rada postoje dva glavna

tipa pretvaraa frekvencije :

Direktni izravno se iz valnog oblika ulaznog a.c. napona sintetizira

eljeni oblik izlaznog napona i frekvencije, uklapanjem/isklapanjem poluvodikihventila;

Indirektni ulazni a.c. napon se ispravlja u d.c. napon, sintetizira i obrauje

pa ponovno vraa u a.c. oblik.IZMJENJIV

A

d.c. a.c.

ISTOSMJERNI

MEUKRUG

ISPRAVLJA

a.c. d.c.

UPRAVLJAKI UREAJ

Pretvarai

168


168/206

Vrste pretvaraa s primjenom u brodskoj elektrinoj propulziji su :

Tiristorski kontrolirani d.c. pogon (a.c. d.c.) za d.c. motore;

PWM (pulse with modulation) (a.c. d.c. a.c.) za kavezne asinkrone motore;

Synchro pretvara (a.c. d.c. a.c.) za sinkrone motore;

Cyclo pretvara (a.c. a.c.) za klasine ili permanentno uzbuenesinkrone motore i asinkrone


169/206

Pretvarai

170


170/206

PWM pretvara frekvencijeOvaj tip pretvaraa se najee koristi u kombinaciji s asinkronim propulzijskim

motorima za manje snage pogona (0.5-8 MW). Kod njih imamo dvostruku konverziju

energije (a.c. d.c. a.c.) pa se sastoje od diodnog ispravljaa i tranzistorskogizmjenjivaa. Koristi se PWM izmjenjiva s modulacijom irine impulsa (eng. PWM =

pulse width modulation ) po kojem je ovaj pretvara i dobio naziv .

Pretvarai

171


171/206

PWM pretvara

frekvencije

Istosmjerni napon se sjee u naponske impulse promjenjive irine ali konstantne

razine u kompjutorski kontroliranom izmjenjivau uz upotrebu IGBT (eng.

insulated gate bipolar transistor) tranzistora. Ovaj postupak se zove modulacija

irine impulsa ili PWM. Mijenjanjem irine i polariteta impulsa d.c. napona mogue

je generirati sinusoidalni a.c. izlazni napon na velikom frekvencijskom rasponu

(0.5 120 Hz) pa je nuna upotreba reduktora. Promjenom frekvencije mijenja se

i brzina propulzijskog motora. Za razliku od tiristora, tranzistori se mogu uklapati i

isklapati pri vrlo visokim frekvencijama (20 kHz kod PWM pretvaraa). Zato je

prednost PWM postupka pred drugim postupcima koji koriste relativno niske

sklopne frekvencije u lakem filtriranju neeljenih harmonika na izlazu. Naime,

frekvencija neeljenih harmonika je kod PWM postupka mnogo vea, odnosno,

neeljeni harmonici su premjeteni na vie frekvencije. Tako je olakano filtriranje.

Pretvarai

172


172/206

PWM pretvara frekvencijePet paralelnih (800 kVA, 690V)

standardnih IGBT pretvaraa napajaju

asinkroni motor. Tronamotajni

transformator napaja dva 6-pulsna diodna

ispravljaa direktno, s 30 faznog pomakaizmeu dva sekundarna namotaja u spoju

trokut i zvijezda. Tako se dobiva 12-pulsnipovrat u mreu i d.c. napajanje za PWM

izmjenjiva s vrlo malom valovitou.

Harmonika izoblienja koja ovaj pretvara

unosi u brodsku mreu u 12-pulsnom

nainu rada (rad u luci i emergency

situacije ) mogu se znatno smanjiti 24-

pulsnim nainom rada za vrijemenavigacije. Tada je THD (eng. Total

Harmonic Distortion) faktor manji od 5%

to je u skladu s onim to nalau

klasifikacijska drutva

PWM pretvaraki sistem koji se koristi za

kontrolu brzine vrtnje asinkronihpropulzijskih motora snage 3.1 MW na

trajektima ''blizancima'' Deutchland i

Schlesvig Holstein Njemake brodarske

tvrtke DFO

Cyclo pretvara frekvencije

(eng. Cycloconverter)

173


173/206

Glavna primjena cyclo pretvaraa je za izmjeninu pretvorbu u podruju

srednjih i veoma velikih snaga (0.5-20 MW) dok je za male snage preskup.

Poluvodike komponente koje imaju potrebnu naponsku i strujnu opteretivost u

ovom podruju veoma velikih razina snaga su tiristor i IGBT, a u novije vrijeme iIGCT (eng. Integrated Gate Commutated Thyristor) koji je razvila i usavrila

tvrtka ABB i koji donosi dodatna poboljanja u radu propulzijskog pogona.

Za razliku od synchro pretvaraa koji mogu proizvesti izlaznu frekvenciju

dvostruko veu od ulazne (0 120 Hz), cyclo pretvarai su ogranieni na svega

jednu treinu izlazne frekvencije u odnosu na ulaznu (0 20 Hz). Zbog toga sucyclo pretvarai pogodni za napajanje pogona s malim brzinama (80-200 o/min)

gdje se izostavljaju reduktori.


174/206

Cyclo pretvara frekvencije

(eng. Cycloconverter)

175


175/206

Cyclo pretvara se moe napajati direktno preko visoko-naponske sabirnice, ali je ee

preko transformatora za snienje napona. Tako se smanjuje napon motora i njegov

potrebni izolacijski nivo, a osigurava dodatna linijska impedancija za smanjenje

eventualnih struja kratkog spoja i naponskih harmonikih izoblienja na glavnoj sabirnici

napajanja.

Kod iznimno velikih cyclo pretvarakih sustava (npr. krstareih putnikih brodova) koji u

brodsku mreu unose puno harmonikih izoblienja uobiajeno je da se umjestotransformatora koristi par motor-generatorskih jedinica. Na ovaj nain se osigurava ''isto''

napajanje bez prisustva harmonikih izoblienja.


176/206

Synchro pretvarafrekvencije

(eng. Synchroconverter)

177


177/206

Pojednostavljeno objanjenje rada synchro

pretvaraa bi bilo da strujni izvor (kontrolirani

ispravljaki dio) osigurava eljeni zakretni

moment motora, a izmjenjivaki dio eljenu

brzinu. Kolika e biti frekvencija motora (a time i

brzina) ovisi o brzini uklapanja izmjenjivakih

tiristora.

Za normalan rad sinkronog motora je potrebno

osigurati uzbudno polje rotora, a to je ostvareno

posebnim tiristorski kontroliranim ispravljakim

krugom. Izuzetak su, danas jako popularni,

permanentno uzbueni sinkroni motori koji ne

zahtijevaju poseban uzbudni sklop, jer zauzbudu koriste specijalne permanentne

magnete.

Synchro pretvarafrekvencije

(eng. Synchroconverter)

178


178/206

U brodskoj elektrinoj propulziji synchro-pretvaraki pogoni nude niz prednostiu odnosu na cyclo-pretvarake pogone:

Jednostavnija struktura elektronikih komponenti za napajanje, kontrolu i

nadzor; synchro-pretvaraki pogoni zahtijevaju svega treinu poluvodikih

elemenata, propulzijskih transformatora i rastavljaa, to utjee na cijenu

pogona, a sistem je robusniji i jednostavniji za kontrolu i nadzor;

Nisu potrebni dodatni brzi mehaniki prekidai strujnog kruga za kratko-spojnu

zatitu;

Unose manje harmonikih izoblienja u brodsku mreu, znai i manji THD

(eng. Total harmonic distortion) faktor mree to je u skladu sa specifikacijama

klasifikacijskih drutava.

PRIMJENA VISOKOG NAPONA NA BRODOVIMA S DIZEL

ELEKTRINOM PROPULZIJOM

179


179/206

Najvei problem visokonaponskih sustava je veliki rizik od smrtonosnih

strujnih udara, zato se na takvim brodovima koriste posebne mjere

predostronosti i zatite, a osoblje zadueno za odravanje HV opreme morabiti posebno osposobljeno i upoznato sa svim sigurnosnim postupcima u

radu.



180


180/206

Primjer brodskog visoko-naponskogsustava elektrine propulzije. HV

generatori tvore centralnu jedinicu snage

za sve brodske potroae elektrine

energije. Na velikim putnikim brodovima s

elektrinom propulzijom svaki generator

moe imati vrijednosti 10 MW ili vie i

proizvoditi 6.6 kV, 60 Hz 3-faznog a.c.

napona.

Glavni potroai su dva sinkrona 3 kV a.c.

propulzijska elektrina motora, svaki sa

zahtjevom od 12 MW i vie u uvjetima

punog optereenja. Motori imaju po dva

odvojena 6 MW statorska namota i svaki

taj polunamot se napaja s HV rasklopne

ploe preko 6.6/3.0 kV propulzijskogtransformatora i statikog 6-pulsnog

synchro pretvaraa. 24-polni motori daju

brzinu okretaja osovine 0-145 o/min

kontroliranu od pretvaraa s izlaznim

frekvencijskim rasponom 0-29 Hz.



181


181/206

Upotrebom dva pretvaraa po motoru koji napajaju dva odvojena statorska namota

pomaknuta za 30 postie se 12-pulsni zakretni moment na propelerskoj osovini ime se

smanjuju vibracije. Neto sloenijom izvedbom napajanja transformatora i pretvaraa

moe se dobiti i jopovoljniji 24-pulsni zakretni moment na osovini.

S visokonaponske sabirnice se jo napaja: nekoliko velikih asinkronih motora (pogonski

thrusteri i kompresori klimatizacije), bezkontaktna uzbuda za sinkrone motore sa snienim

naponom 6.6/0.44 kV preko statikih transformatora, tiristorski kontroler, a.c. a.c.

rotacijski transformator (unutar motora) i par na osovini smjetenih dioda za zavrnoispravljanje u d.c. napon. Postoji i tree (standby) statiko uzbudno napajanje i kontroler,

ali nisu prikazani na slici zbog jednostavnosti.

Najvea razlika izmeu nisko i visoko naponskih sustava je u glavnoj sklopnoj ploi. Za

visoko naponske sustave prekidai mogu biti : zrani, uljni, plinski (Sf 6) ili vakuumski.

Konstrukcija namota za generatore, transformatore i motore je slina kao i kod nisko

naponskih sustava osim to se koriste neto bolji izolacijski materijali. Upotreba

standardnih megger test instrumenata, koji induciraju 500 V za mjerenje kvalitete izolacije,kod HV opreme nema smisla, jer je za provjeru izolacije 6,6 kV- ureaja nuan 5 000V IR

tester (eng. IR = insulated resistor).

FUNKCIONIRANJE PROPULZIJSKOG SUSTAVA

182


182/206

Kompjutorska jedinica prima ulaznu komandu (postavka brzine) i mnogo povratnih signala(napon, struja, snaga, frekvencija,i dr), pri emu je najvanija regulacijska veliina brzina

osovine koja tvori zatvorenu kontrolnu petlju. Osnovni parametri kontrole su veliina

statorske struje motora (za podeavanje zakretnog momenta) i frekvencija motora (za

podeavanje brzine osovine).

Sinkronizacija rada propelera je jedna od vanijih prednosti ovakvih pogona, a vri se preko

kontrolnog sustava na komandnom mostu odabirom osovinskog sinkro-faznog naina rada

(eng. shaft synchro-phasing mode) kada se oba motora dovode u ujednaen rad s razlikom u

brzini okretaja manjom od 5%. Na taj nain se znatno smanjuju vibracije propulzijskih

osovina, a time i broda.

Postoje dva naina rada sustava u ovisnosti o brzini:

Pulsni nain rada za brzine manje od 10%;

Sinkroni nain rada za brzine vee od 10%.

FUNKCIONIRANJE PROPULZIJSKOG SUSTAVA

183


183/206

Pri brzinama manjim od 10%, motor ne generira dovoljnu povratnu elektromotornu silu

potrebnu za automatsko isklapanje tiristora (linijska komutacija). Kao to znamo tiristor se

isklapa kada mu radna struja postane jednaka nuli, a to u ovom sluaju nije mogue kod

tiristora kontroliranog izmjenjivakog dijela. Ovaj problem se rjeava pulsnim nainom rada

(eng. pulse mode) gdje se struja trenutno dovodi u nulu tiristorima iz kontroliranog

ispravljakog dijela to omoguuje isklapanje izmjenjivakih tiristora. Kada brzina poraste

iznad 10% elektromotorna sila motora postane dovoljno velika da omogui normalnoisklapanje izmjenjivakih tiristora pa se moe prei u sinkroni nain rada (eng.

synchronous mode). Tada svi tiristori isklapaju na uobiajeni nain uz pomo izmjeninih

napona iz mree (ispravljaki dio-mreni most) i iz motora (izmjenjivaki dio-motorni most).

Prekretanje motora / propulzijske osovine se obavlja zamjenom faze struje napajanja

pomou izmjenjivakih tiristora. Tako se mijenja smjer okretnog magnetskog polja statora,

a time i smjer vrtnje rotora tj. propulzijske osovine. Da bi se izbjegli snani strujni udari u

sustavu, potrebno je prije prekretanja postupno usporiti propulzijsku osovinu sve do

mirujueg stanja. Prilikom prekretanja dolazi do motornog koenja, a u tom stanju mreni

(eng. network bridge) i strojn

Documents

Brodski Pogoni Sve