Теория и методы оценки эффективности гребных электрических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Романовский, Виктор Викторович

• Романовский, Виктор Викторович
• доктор технических наук
• 1996

Оглавление диссертации доктор технических наук Романовский, Виктор Викторович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ввщщив

Глава I. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГЭУ {Г

1.1. Законы распределения эксплуатационных параметроб

ГЭУ

1/2. Идентификация режимов работы ГЭУ в эксплуатационных режимах

1.3. Определение вероятностных характеристик ГЭУ в

динамических режимах

Выводы к главе I

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МШГОРЕЖИдЮСШ ГЭУ В

УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

2.1. Определение основных закономерностей процесса изменения структуры ГЭУ

2.2. Процесс функционирования ГЗУ как полумарковский процесс *

2.3. Метод имитационного моделирования эксплуатационных режимов ГЭУ

Выводы к главе 2

Глава 3. СРАВНЕНИЕ И ВЫБОР ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТИПОВ ГЛАВНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДЛЯ ГЭУ

3.1. Выбор основных параметров главных электрических машин для ГЭУ

3.2. Оценка параметров сверхпроводниковых электрических машин для ГЭУ

3.3. Оценка эффективности систем криогенного обеспечения сверхпроводниковых электрических машин

Выводы к главе 3

Глава 4. ВЫБОР КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЭУ

4.1. Методы опенки эффективности 1БУ

4.2. Разработка предложений по проектированию сверхпроводниковых ГЭУ

4.3. Сравнительный анализ вариантов современных и перспективных РЭУ

Вывода к главе 4

Глава 5. ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ СРАВНИЖЕЬШЙ ОЦЕНКИ

ЭФФЕКТИВНОСТИ Ш

5.1. йштапионные модели опенки энергетических характеристик РЭУ

5.2. Йштапионные модели опенки ущербов при сравнении эффективности ГЗУ

5.3. Исследование эффективности эксплуатации судов ледового плавания с различными судовыми энергетическими установками

5.4. Прогнозирование эффективности эксплуатации ГЭУ.

Выводы к главе 5

ЗАМКЯШИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и методы оценки эффективности гребных электрических установок»

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач развития и повышения эффективности морского транспорта является улучшение качества эксплуатации судовой техники, в том числе судового энергетического и электрооборудования, Развитие мирового и отечественного флота в настоящее время идет по пути специализации судов, их приспособления к перевозке разнообразных грузов, сокращения стояночного времени, уменьшения штата команды и в конечном счете - снижения эксплуатационных расходов. Значительная роль в этом отведена судовым энергетическим установкам (СЗУ), поскольку их надежность и экономичность определяют расходы на топливо, техническое обслуживание, ремонт и запасные части. Решение этих вопросов тесно связано с изысканием ноекх методов и средств исследований СЭУ в эксплуатационных условиях, с развитием методов математического моделирования и интенсивного привлечения современной вычислительной техники. Широкое использование вероятностных концепций в науке и технике позволяет по новому подойти к анализу динамики и статики главных элементов СЭУ в эксплуатации. Вместе с тем, развитие вероятностных концепций для исследования главных элементов энергетических установок не отвергает накопленный опыт выбора типа СЭУ и их элементов. Вероятностные методы должны дополнять традиционные - детерминистские и умело с ними сочетаться в практике проведения научных работ.

Выбор типа СЭУ определяется целым рядом основных Факторов! уровнем развития энергетики, в том числе судовой и автономной; типами судов, которые зависят от объемов и структуры перевозок; состоянием мирового топливного баланса, включая пены на топливо. Для большинства судов основным типом СЭУ является дизельная установка с прямой передачей мощности на винт.

Вместе с тем отечественный морской флот обладает достаточным опытом эксплуатации судов с гребными электрическими установками (ГЭУ), где первичными двигателями являются как дизель-генераторы, так и турбогенераторы. Это прежде всего суда ледового плавания (СЛП), паромы, ледоколы, а также суда, где потребление электроэнергии на собственные или технологические нужды судна соизмеримо с мощностью, отдаваемой на движение. Такими судами являются транспортные ж производственные рефрижераторы, большие морозильные траулеры, суяа-кабелеукладчики, землечерпалки и др. В настоящее время для пассажирских судов в мирово! практике также принята либо дизель-электрическая, либо дизеяь-редукторная установка (ДРУ). Наиболее экономичными и перспективными являются схемы ГЭУ с едиными электроэнергетическими системами (ЕЭЭС). ГЭУ помимо высоких экономических показателей имеют хорошие массогабаритные показатели и их маневренные качества позволяют использовать нереверсивные первичные двигатели, снизить вибрапию и шумность СЭУ, уменьшить выброс вредных отработанных газов в атмосферу. Вместе с тем, ГЭУ обладают и определенными недостатками: меньшим КПД передачи за счет двойного преобразования энергии и более высокой построечной стоимостью.

Первые гребные электроустановки работали по системе генератор-двигатель, причем с машинами постоянного или переменного тока. В связи с тем, что регулирование частоты вращения вала гребного электродвигателя (ГЭД) переменного тока требовало и изменения ее у первичного двигателя, это существенно усложняло систему управления и увеличивало размеры всей энергетической установки. Поэтому основное развитие в 50-60-х годах получили установки постоянного тока, строительство которых продолжалось до недавнего времени. ГЭУ постоянного тока (ГЭУ ПТ) имеют наибольшее распространение

по настоящее время на ледоколах России, Финляндии» Канады, Аргентины и США., а также на рыболовных рефрижераторных судах и ледокольных паромах. Отрешение главным образом к уменьшению объема технического обслуживания ГЭУ ПТ из-за наличия коллекторно-щеточного аппарата и развитие силовой преобразовательной техники позволили создать ГЭУ двойного рода (переменно-постоянного) тока по системе синхронный генератор - неуправляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока, что было реализовано на ледоколах типа "Арктика" и "Капитан Сорокин", построенных в России и Финляндии. Одновременно на судах, где требовалась значительная мощность на производственные нужды, была использована ГЭУ переменного тока по системе генератор-двигатель, скорость хода на этих судах изменялась с помощью винта регулируемого шага (ВРШ), что позволило реализовать принпип единой электроэнергетической системы с достаточно высоким КЦД в хтелом за счет ввода и вывода из системы главных генераторов энергетической установки. Такие ГЭУ имеют отечественные суда типа "Алтай" и типа "Наталия Ковшова" построенные во Франции» Опыт эксплуатации ГЭУ как постоянного (неизменного) тока, так и ГЭУ переменного тока с ВРШ привел к новой концепции ГЭУ, где в зависимости от требований заказчика от ЕЭЭС переменного тока (возможно высоковольтной) для движения судна используется или ГЭД постоянного тока через управляемые (мощные тиристоры) выпрямителя, или ГЭД переменного тока (асинхронный или синхронный) через преобразователи частоты (непосредственные или со звеном постоянного тока). На современном этапе перспективной представляется ГЭУ переменно-переменного тока с синхронным двигателем и непосредственным преобразователем частоты (НИ), реализованная на а/л "Таймыр" и финских ледоколах типа "Сису", а также установленная на пассажирских судах "Фантази"; все эти установки

изготовлены в Финляндии. Также конкурентыоспособными являются ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями в главной цепи, установленная на отечественных паромах типа "Вохилайд", а также на портовых ледоколах типа "Капитан Измайлов" и научно-экспедиционном судне "Академик Федоров", построенных в Финляндии.

Развитие электроэнергетики» в частности ГЭУ» связано с использованием малогабаритных легких и мощных электрических машин. Наиболее перспективными из них являются сверхпроводниковые электрические машины (СПЭМ). Решение большинства научных и технических проблем по созданию сверхпроводниковых машин постоянного и переменного тока, а также опытное использование ГЭУ с униполярными машинами на судах (СМ) показали перспективность их применения .зля электродвижения. В результате работ, проводимых в Росши» США, Великобритании, Франпии, Японии, разработаны и созданы опытные образны СПЭМ, превосходящие по удельным показателям обычные электрические машины в 2,5 - 3,0 раза. Ведущая роль в создании СПЭМ в СССР и Российской Федерации принадлежит ВНЙИЗМ (г.Москва), ВНИИ электромаш и объединению "Электросила" (г.С.-Петербург). Однако применение СПЭМ в ГЭУ имеет ряд особенностей, обусловленных как требованиями к СПГЗУ, так и отличием параметров и характеристик СПЭМ от обычных машин.

Таким образом, анализ и сравнение эффективности современных и перспективных ГЭУ с нелью выбора рационального варианта представляется актуальным.

Диссертация посвящена проблеме выбора, проектирования и эксплуатации гребных установок современными и перспективными электрическими машинами.

Под эффективностью ГЭУ подразумевается совокупность свойств, определяющих степень ее приспособленности к выполнению постав-

ленных задач с учетом внешних воздействий» вложенных в нее при создании средств и эксплуатационных расходов.

Научная новизна исследуемой проблемы вытекает из существующего уровня теории и практики расчета» проектирования ж эксплуатации ГЭУ, не учитывающих вероятностные процессы при решении следующих задач:

- определения возмущающих воздействий и изменения структуры ГЭУ в условиях эксплуатации;

- выбора состава и опенки эксплуатационных характеристик основных элементов и всего комплекса ГЭУ;

- разработки методов опенки эффективности использования современных и перспективных ГЭУ в условиях эксплуатации.

Вопросы определения возмущающих воздействий и изменения мощности ГЭУ освещались в работах: Хайкша A.B. [138]» Смирнова В.В. [122],

Захарова Ю. П. [57], Ягодкина В.Я. [15С]. Однако в основных работах по электродвижению судов эта проблема решалась детерминированными методам®, не позволяющими учесть весь вероятностный спектр возмущающих воздействий в эксплуатации. В работах Быкова A.C. £28], Сюбаева М.А. £l5I~] бьши учтены режимы работы ГЭУ на волнении и во льдах с целью стабилизации их параметров. Задача комплексной опенки эксплуатационных параметров и воздействий пока не получила полного развития. Изучение статистических характеристик эксплуатационных параметров и изменение структуры и мощности ГЭУ» использование методов имитационного моделирования в получении вероятностных моделей, прone,дур и алгоритмов позволяет решить задачу описания <£ункшониравания ГЭУ как сложной системы на базе математического аппарата марковских и полумарковских процессов. Для получения статистических характеристик был собран и накоплен банк данных по эксплуатационным режимам и технической

эксплуаташш ГЭУ; транспортных рефрижераторов типа "Сибирь", зверобойно-промысловых судов типа "Зверобой", производственных рефрижераторов типа "Таврия", СЛП типа "Амгуэма", ледоколов типа "Мурманск", "Капитан Измайлов", атомных ледоколов типа "Арктика'/ "Таймыр", научно-экспедипионного судна "/академик Федоров", то есть большинства судов с этим видом установок, а также СЛП с дизель-редукторнок установкой типа "Норильск" и дизельной установкой типа "Александр Невский". Материалы исследований опубликованы в открытой печати [35, 120, 109, 105, 83, II, 20, 96}. Разработка этих вопросов являлась базой для определения рациональных структур ГЭУ. Математическое представление возмущающих воздействий на. ГЭУ и первичные двигатели подтверждено авторскими свидетельствами^, з]. Выбор состава электрооборудования и определение основных параметров для ГЭУ постоянного и двойного рода тока с неуправляемыми выпрямителями широко представлены в работах Полонского В.И. [I0Ö], Хайкина А.Б. [139], Кузнецова H.A. jT92j» Родштекна I.A. [45], Куропаткина П.В. [[133], Горбунова Б.А. [[44], Тимофеева ¡O.K., Баранова Л.И. £13]. Для ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями и переменно-переме нно г о тока этой проблеме посвящены работы Козярука A.B. [ 70], вейнгера A.M. j]3lj, Эттингера Е.Л. [12?], Фияся И.П. [136]. Для перспективных ГЭУ эти проблемы решались в работах Полонского В.И., Хайкина А.Б. LI0I], Баранова А.П. [_12], Косышна Ю.П., Рубинраута A.M. [?J} Шереметьевского H.H. [?4J, Данилевича Я.Б»['134], Новипкого В.Г. [82]. Однако выбор состава современного и перспективного оборудования определялся по детерминированным характеристикам, исходя из конкретных возможностей организаций проектантов и заказчиков. Таким образом, не была решена полностью комплексная проблема определения и сопоставления эксплуатапионньгх характеристик современ-

ных и перспективных электрических машин для выбранных перспективных структур ГЭУ.

На основе анализа состояния и развития флота, мощности и энерговооруженности создан единый мощностной ряд основного электрооборудования ГЭУ, который позволил бы создавать установки разной мощности для разного типа судов. Определены и сопоставлены основные характеристики электрических машин традиционного исполнения .для современных ГЭУ. Важной проблемой является исследование эффективности использования перспективных СПЭМ различных модификаций униполярных и синхронных машин в выбранных конструкциях опытно-промышленного исполнения» разработанных специалистами ВНИЙЭМ и ВНЙЙЭлектромаш» причем при выборе перспективных конструкций учитывались эксплуатационные параметры ГЭУ, полученные в результате современных научно-исследовательских работ. Таким образом» на основе базовых конструкций СПЭМ получены и сопоставлены основные характеристики сравнения их электрических параметров для разработанного мощностного ряда ГЗУ, при этом определены приоритетные направления использования синхронных и униполярных машин. Определение основных энергетических, массогабаритных, надежностных характеристик главных электрических машин и преобразователей ГЭУ позволило определить основные структурные схемы, включающие в себя современные и перспективные элементы установок. При этом предусматривался отбор мощности от схем электродвижения. Получены авторские свидетельства на некоторые схемы гребных установок О 4, 5, б\ .

Традиционная опенка эффективности морских транспортных средств базируется на методах экономического обоснования оптимальных технических средств и технологий, а также на методах определения экономической эффективности внедрения новой техники, изобретении

и. рационализаторских предложений, изложенных в работах Корякина С.Ф., Пантина A.A. jj7lJ , Краева В.И. ]j73] , ЧеркесОЕа-Цыбизова A.A. £l45] , Грузинова В.П. £[4б] , Немчикова В.И. и других. Эффективность использования СЭУ ж судовых технических комплексов рассмотрена в работах Дранипына С.Н. j&fj , Овсянникова M.K.Jsfj, Камкина C.B. £_6з] , Капмана Ф.М. |j>6 , Левина Б.М. и Курзо-на А.Г. [^78] . Анализ эффективности использования судовых элект-ростанпий рассмотрен в работах Супруна Г.ф. j~I3o] , Рябинина И.А. jj5(f| , Панова В.A. [W] , Киреева Ю.Н., Недялкова К.В. и других. Вопросы эффективности использования ГЭУ ре осматривались в работах Хайкина А.Б. [j 3?] , Фияся И. П., Рассказ ова Б.Н. jjEQÎ] .для отдельных проектов ГЭУ.

Накопленный банк данных по эксплуатапии ГЭУ позволил разработать метод комплексной опенки эффективности ГЭУ, создать единую методику сравнения разных систем электродвижения судов различного назначения с учетом разной мощности, условий плавания, эксплуатационных режимов и основных элементов ГЭУ. Основываясь на имеющихся методах опенки эффективности морских транспортных средств, предлагаемый метод использует развиваемые в настоящее время вероятностные концепции при разной степени неопределенности, позволяющие обеспечить научяо-обоснованную точность и скорость проведения эксперимента, учесть случайный характер внутренних и внешних возмущений в эксплуатации, сократить скроки проектирования, оценить настройку главных элементов ГЭУ на требуемый режим в эксплуатапии.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что выполненные исследования обобщили опыт эксплуатации практически всех типов современных ГЭУ, имеющихся на судах России. Определены основные законы распределения нагрузки основных элементов ГЭУ

в условиях эксплуатации, надежностные» энергетические, экономические и экологические характеристики. Развитая в работе теория эксплуатации энергетических установок в части РЭУ и использование математического аппарата полумарковских и марковских процессов позволили комплексно определить важнейшие эксплуатационные характеристики современных и перспективных РЭУ. Полученные в результате исследований модели ^ункшонирования РЭУ с учетом многокрите-риальноети йуншшй полезности и платы за полезность позволяют определить как составные части обобщенных показателей, так и качественные характеристики гребных электроустановок.

Выбран мощностиой ряд для типовых РЭУ современной и перспективной постройки с учетом энергетических, конструктивных, эксплуатационных и экономических параметров главных электрических машин традиционного и сверхпроводникового исполнения. Определены основные структурные схемы современных и перспективных РЭУ.

Разработаны требования к основным схемным решениям и технико-экономическим обоснованиям современных и перспективных РЭУ для судов тиша СА-15, пр.10620, СА-25, лихтеровозов типа "Алексей Косыгин" и других судов по заказу Мурманского и Балтийского морских пароходств.

Основной целью настоящей работы является развитие теории и вероятностных методов решения задач статики и динамики РЭУ в эксплуатации, учитывающих случайный характер внутренних и внешних воздействий при разной степени неопределенности, для повышения качества выбора, проектирования и эксплуатации РЭУ с учетом современных и перспективных электрических машин.

Для достижения поставленной пели в работе потребовалось решить следующие задачи.

I. Определение и обоснование методов исследования гребных

электроустановок в условиях эксплуатации на основе статистической информации с учетом особенностей (функционирования ее основных элементов в статических и динамических режимах для. их опенки» идентификации и контроля.

2. Разработка и обоснование положений имитационного моделирования процесса санкционирования РЭУ в эксплуатационных режимах

с учетом вероятностного характера нагружения и других условий эксплуатационных возмущений и применения их да перспективных ГЭУ.

3. Разработка эвристических методов выбора» сравнения и опенки эффективности и качества основных и перспективных элементов и схем ГЭУ с прогнозированием условий их эксплуатации.

4» Разработка методики комплексной многокритериальной опенки эффективности использования и выбора вариантов ГЭУ современной и перспективной постройки на базе имитационных моделей «функционирования комплекса ГЭУ - судно - окружающая среда.

5. Реализация разработанных методов и методик выбора опенки и сравнения эффективности и качества вариантов современных и перспективных ГЭУ для судов различного назначения на имитационных моделях функционирования этих установок,

В основу исследования были положены современные методы анализа сложных динамических систем» основные технико-эксплуатационные и экономические характеристики ГЭУ, принципы системного подхода.

В первой главе рассматриваются методы исследования вероятностных процессов в гребных электрических установках и результаты их использования для получения основных законов и функций, характеризующих статические и динамические режимы работы ГЭУ в условиях эксплуатации.

Во второй главе рассмотрена совокупность изменений структуры ГЭУ в условиях эксплуатации как полумарковский процесс и разработана обобщающая математическая модель эксплуатационных режимов этих установок,

В третьей главе произведено сравнение и выбор основных элементов ГЭУ, включая перспективные типы электрических машин, к которым в первую очередь относятся сверхпроводниковые машины. Определены основные перспективные типы электрических машин ГЭУ. Получены основные характеристики этих машин и систем их обеспечения с учетом условий эксплуатации.

В четвертой главе разработаны основные критерии эффективности для современных и перспективных ГЭУ. Приведены результаты сравнительного анализа вариантов современных и перспективных ГЭУ .для отечественного флота.

В пятой главе рассмотрены имитационные модели сравнительной опенки эффективности ГЭУ с использованием разработанных многокритериальных методов, учитывающих условия эксплуатации как судового энергетического комплекса, так ж судна в пелом.

В заключении сформулированы основные результаты проведенного исследования.

Диссертационная работа связана с целевыми программами ГКНТ СССР и планами научно-исследовательских работ министерств судостроительной нромшленности, энергетической проммпленности и морского рота СССР и Департамента морского транспорта Министерства транспорта Российской Федерации (Д?ШТР§) с 1981 года по настоящее время. Проведены исследования и внедрены в разработки предприятий Минсудцрома и Мияэлектротехпрома СССР результаты НИР в части выбора мощностяого ряда и конструктивного исполнения сверхпроводниковых и униполярных машин систем возбуждения и их

криогенного обеспечения. Результаты комплексной опенки эффективности использования РЭУ в условиях эксплуатации использованы в научно-технической управлении Министерства юрского слота СССР, Министерства транспорта России, в Балтийском и Мурманском морских пар сходствах.

Материалы диссертации опубликованы в монографиях Панова В.А., Романовского В.В., Корди С.А. "Эксплуатация гребных электроустановок"; Емельянова П.С., Романовского В.В., Шегалова И.Л. "Вероятностные процессы в судовых энергетических установках", в учебнике Котрикова К.П., Романовского В.В. "Судовые электрические машины", в 44-х публикациях и семи авторских свидетельствах на изобретения.

Научные работы по тематике докторской диссертации входили в Государственную целевую программу ГКНТ СССР (Постановление В 92 от 05.04.88 г) по использованию явления сверхпроводимости в народном хозяйстве.

Материалы диссертации обсуждались на: Всесоюзно! НТК "Вопросы совершенствования организации и технологии ремонта судового электрооборудования", Владивосток, 1981 г.; Всесоюзной НТК "Повышение долговечности и надежности машин и приборов", Куйбышев, 1981 г.; Межотраслевом семинаре по электродвижению судов и электромагнитной совмести»сти, Ленинград, 1982 г,; Всероссийской научно-технической конференции по повышению эффективности и качества систем и средств управления, Пермь, 1983 г.; УШ Всесоюзной НТК по движителям, Москва, 1987 г.; Расширенном заседании лаборатории проблем энергетики морского и речного транспорта ленинградского отделения комиссии Академии наук СССР по проблемам транспорта, 1990 г.; заседаний научно-технического Совета Министерства морского гТлота СССР, Москва, 1990 г.; Всероссийской НТК "Проблемы

обеспечения живучести кораблей и судов", Санкт-Петербург, 1992 г.; Международном симпозиуме "Автономная энергетика сегодня и завтра", Санкт-Петербург, 1993 г.; а также на НТК IMA им.адм.С.О.Макарова ж заседаниях секши "Электромеханика и автоматика" Дома Ученых им.М.Горького, Санкт-Петербург, 1981 г и 1995 г.

Материалы докторской диссертации были представлены на международных выставках ,7 £e>t6r#f feeA^&ffl and " в Лондоне, май 1994 г. и

При работе над диссертацией большую помощь в научном и методическом аспектах оказали научные консультанты при докторантуре IMA им.адм.С.О.Макарова заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Баранов А.П. и доктор технических наук Рубинраут A.M., которым автор выражает глубокую благодарность.

ff O/U/z-^ f7с «у

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Романовский, Виктор Викторович

Выводы к главе 5

1. Использование имитационных моделей эксплуатационных воздействий на ГЭУ и пропесса функционирования этих установок дало возможность комплексно оценить эффективность всего пропесса использования энергоустановки ж судна в целом,

2. Использование банков данных внешних воздействий на эксплуатацию ГЭУ, включая работу во льдах, определило регрессионные модели среднеэксплуатапионной скорости судов, в то?- числе судов ледового плавания.

3. Проведен анализ потерь в сравниваемых судовых энергетических установках, на основе которого определены КПД судовых комплексов. Проведено сравнение типов СЭУ по опенке коэффициента использования топлива для обеспечения транспортной работы.

4. На основе полученных в работе материалов по эксплуатации ГЭУ создана имитационная модель опенки энерговыработки установок.

По результатам моделирования определены основные энергетические показатели ГЭУ рассмотренных типов судов.

5. Полученные вероятностные характеристики о надежности установок учтены в имитационной модели опенки ущерба от ненадежности установок. Эта модель использована для опенки и прогнозирования вероятностных характеристик математических ожиданий ущерба от ненадежности установок за весь срок службы транспортного судна. Кроме того, определены эколого-экономический ущерб водной среде и ущерб от аварий и гибели судна и членов экипажа.

6. Разработанная имитационная модель сравнительной опенки эффективности эксплуатации ГЭУ позволяет включить в процесс •опенки и сравнения ГЭУ такой важный элемент эксплуатации ГЭУ, как вероятностные характеристики ходового, стояночного режимов установки, что определяет основные никлы использования ГЭУ. В имитационной модели сравнительной оценки эффективности эксплуатации РЭУ получены характеристики изменения платы за полезность ГЭУ, показатели полезности и значения критерия эффективности РЭУ для установок постоянного, двойного рода и переменно-переменного тока.

8. Собранный статистический и эксплуатационный материал позволил создать имитационную модель сравнения разных типов ГЭУ с учетом разной мощности энергетической установки и судовых раз-мерений. На основе созданной системы имитационных моделей получена имитационная модель энергетической установки, реализующая системный подход к выбору ГЭУ транспортных судов и ледоколов.

-ХЬ'Ь

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования получены следующие результаты.

1. Разработана конпешшя совершенствования определения эффективности эксплуатации гребных электрических установок с учетом взаимодействия элементов системы: РЭУ-судно-окружающая среда и их технико-экономические показатели. Она базируется на результатах идентификации условий функционирования, разработанной на основе многокритериального математического обеспечения решения задач опенки, выбора и сравнения определенного типа ГЭУ и современных методов исследования сложных динамических систем, которые ориентированы на исследуемые типы установок. Концепция обладает универсальностью по отношению к различным типам ГЭУ и позволяет достоверно сравнить их качественные и количественные характеристики. Концепция может быть использована при опенке и сравнении ГЭУ с другими типами судовых энергетических установок.

2. Разработанные теоретические положения обобщают и развивают современные знания по опенке и выбору типа ГЭУ и её элементов применительно к определенному типу судна ж позволяют прогнозировать их оптимальные эксплуатационные показатели.

3. Обоснованы, развиты и исследованы с позиций системного подхода методы опенки случайных процессов и параметров в отдельных элементах ГЭУ в условиях эксплуатации. Показано, что распределение мощности ГЭУ должно описываться законом Вейбулла, а не нормальным законом. Значительная доля случайных процессов является стационарными и эргодическими. Установлено, что, как правило, стационарные случайные процессы в ГЭУ могут быть адекватно описаны автокорреляционными функциями экспоненциально-косинусного типа. Такая аппроксимация позволяет значительно упростить представ ление динамических пропессов при моделировании пронееса функшо-нирования РЭУ.

4. Проведен статистический анализ эксплуатационных режимов РЭУ постоянного, двойного рода (с управляемыми и неуправляемыми выпрямителями в главной пепи) и переменно-переменного тока (с непосредственным преобразователем частоты), то есть большинства РЭУ судов России. Создан банк данных по эксплуатационным режимам, параметрам и характеристикам РЭУ. Доказано, что совокупность режимов РЭУ можно представить однородными дискретно-непрерывндаи марковскими и полумарковскими процессами. Это позволяет создать основу для построения комплексных математических моделей функционирования РЭУ.

5. Определены основные зависимости массогабаритных и энергетических характеристик главных электрических машин обычного и сверхпроводникового исполнения. Рассмотрены и выбраны базовые типы сверхпроводниковых электрических машин и средств криогенного обеспечения для перспективных РЭУ.

6. Определены типовые структуры гребных электрических установок на основе единого мощностного ряда электрических машин и первичных двигателей для судов современной и перспективной постройки. Созданы новые схемные решения для гребных электрических и комбинированных установок, оригинальность которых подтверждена авторскими свидетельствами.

7. На основе методов оценки сложных систем с помощью теории функции полезности разработана методика многокритериальной опенки эффективности РЭУ. Использование йункнии полезности системы позволяет сочетать детерминированные и вероятностные характеристики основных элементов ГЭУ и параметров внешних возмущений.

8. Разработаны концепции и процедуры получения математических

- Лф Гмоделей ГЭУ и способы их аппроксимации, что позволило:

- создать методологию исследования комплексов детерминированных и вероятностных характеристик ГЭУ с учетом взаимодействия их с внешней средой;

- получить численные опенки статических и динамических свойств исследованных типов ГЭУ;

- получить математическое обеспечение в виде вычислительных процедур пропесса функционирования ГЭУ,

9. С позиции системного подхода использован метод имитационного моделирования на ЭШ для решения задач опенки эффективности главных элементов ГЭУ, их энергетических, надежностных, экономических и экологических характеристик.

10. Созданы имитационные модели комплексной опенки пропесса функционирования ГЭУ и системы ГЭУ - судно - окружающая среда:

- имитационная модель опенки энерговыработки ГЭУ в эксплуатационных режимах;

- имитационная модель опенки возможного ущерба при эксплуатации ГЭУ, включая опенку надежности, эколого-эконошческий ущерб и ущерб от аварий;

- имитационная модель сравнительной эффективности эксплуатации ГЭУ с учетом характеристик холостого, стояночного режимов работы установки, определяющих основные шклы использования установки, а также основные технико-экономические показатели работы судна в целом.

11. Достоверность методов оценки эффективности ГЭУ и адекват- * ность составляющих жк имитационных моделей реальным процессам подтверждается:

- использованием при анализе статистических данных основных математических вероятностных законов: экспоненциального, нормально го и Вейбулла;

- применением для проверки достоверности общепринятых законов распределения базовых критериев Пирсона и метода наименьших квадратов реализованных по стандартным программам на ЭВМ;

- получением данных по эксплуатации ГЭУ судов различного назначения из судовых вахтенных журналов, рейсовых отчетов и технической документации;

- сопоставлением результатов расчетов электрических машин классическими методами с машинами установленными на судах;

- использованием результатов расчетов вариантов ГЭУ в проектных и эксплуатационных организациях для совершенствования проектирования и эксплуатации установок.

12. Научно-обоснованные с позиций системного подхода и развитые применительно к задачам исследования ГЭУ методы нашли практическое применение в следующих организациях:

- при проектировании судов с перспективными ГЭУ в ЦНИИ им•акад. А.Н.Крылова;

- при исследованиях и проектировании сверхпроводниковых синхронных гребных электродвигателей в ВНМЭМ;

- при исследовании конструкций сверхпроводниковых униполярных машин в ВНИИ электромаш;

- при опенке использования ГЭУ судов ледового плавания и ледоколов в условиях эксплуатации в Мурманском морском пароходстве;

- при опенке эффективности новых типов энергетических установок для Балтийского и Северного морских пароходств;

- .для планирования и вжЗора типа энергетической установки для судов ледового плавания в ЦНИИ морского Флота, Минморфлота СССР и Департамента морского транспорта РФ. и—

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Романовский, Виктор Викторович, 1996 год

СПИСОК

научно-исследовательских работ выполненных при участии

канд.техн.наук, ст.н.с., яогента Романовского Виктора

Викторовича в Государственной морской академии им.адм.

С.О.Макарова (ЛВШУ до 1992. г.) за период с 1981 года

по настоящее время

1. Исследование режимов ж разработка мероприятий по повышению эффективности работы гребных электрических установок зверобой-но-рыбопромысяовых судов» I ГР 78024685. Научный руководитель

Романовский В.В, ДБММУ, Ленинград» 1981 г.

2. Обоснование ж разработка технико-эксплуатапионных требований к структура гребных электрических установок, типам и параметрам ГГ, ГЭД & силовым гаристоряым преобразователям.

$ ГР 01880043648. Научный руководитель й-иясь И,II, ЯЗЖУ, Ленинград, 1982 г.

8. Сравнительный анализ эффективности эксплуатации энергетических установок транспортных судов ледового плавания. ШР 01870041350.

. Научный руководитель Романовский В.В, ЛЕЖУ, Ленинград, 1986 г.

4. Исследование показателей качества энергетических установок и передач перспективных транспортных судов. Договор о творческом содружестве между ДВШУ и ШИИвлекгромаш. Научный руководитель Панов В.А. ЛВШУ, Ленинград, 1986 г.

5. Анализ эффективности применения систем .электро движения и энергетики с использованием сверхпроводниковых электрических шшии на транспортных судах. I ГР 018300012092. Научный руководитель Романовский В.В. ДБЕ'У, Ленинград, 1986 г.

6. Сравнение эффективности эксвлуатапии энергетических установок судов ледового плавания. Договор о творческом содружестве между

— з оё —

*

л,- «

ЛШ'У я йуршнсшш морским пароходством. Научный руководитель

Панов В,А. ЛВШУ, Ленинград, 1387 г.

7. Анализ эффективности применения систем электродвижения и энергетики с использованием сверхпроводниковых электрических машин на'транспортных судах, $ ТВ 0X830012692. Научный руководитель Шегалов ИД, ЛВШУ, Ленинград, 1988 г.

8. Технико-экономическое обоснование эффективности высокотемпературных сверхпрсводниковнх систем э л е гет ро двш; ения.

1! 1Р 01890078532. Научный руководитель Шегалов М.!. ШШ9 Ленинград, 1989 г,

9. Перспективы развития элементов и систем гребных электрических установок. % ТВ 01840031114. Научный руководитель Панов В.А. ЛВШУ, Ленинград, 1989 г.

10. Научно-исследовательская теш "Танкер** В ГР 01890004874. Научный руководитель Романовский В.В. ЛВШУ, Ленинград, 1989 г.

11. Научно-исследовательская теш "Море*. £ ГР 01890001818. Научным руководитель Романовский В.В. ЛВШУ» Ленинград, 1989 г.

12. Исследование гребных электрических установок современных и перспективных судов. В I? 018600984%. Научный руководитель Панов В.А. ЛБЖУ, Ленинград, 1990 г.

13. Разработка.технико-экономического обоснования энергетической установки судов СА-15М. Научный руководитель Шегалов И.Л. ЛВШ",

. Ленинград, 1991 г.

14. Опенка эффективности гребной электрической установки научно-экспешшонного судна "Академик Федоров". Договор о творческом содружестве тжпу ЛЕШУ и Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом. Научный руководитель Романовский В.В. ЛВММУ, Ленинград, 1991 г.

о.

15, Разработка принципов построения модели опенки эффективности перспективных систем электродвижеяия со еверхпроводниковдаи электретескиод машинами. Тема 1900?. Научный руководитель Романовский Б»Б. IMA, Ленинград, 19952 г.

16. Анализ технико-экономических показателей систем влектродвижения с использованием'сверхпроводниковых униполярных двигателей. Научный руководитель Шегалов ИД, IMA, Ленинград, 1992 г.

17» Исследование систем автоматика ж их элементов для контроля, управления: ш регулирования судовых электроэнергетических установок. Ш ТВ 0Ш0СЮ458. Научный руководитель Жадобин Н.Е. . НА, С.-Петербург, 1993 г.

18. Исследование режимов работы современных ГЭУ и разработка рекомендаций к перспективным установкам. $ IP 01950002359. Научный руководитель Жадобин Н.Е. Шц С.-Петербург, 1993 г.

19. Технико-эксплуатапионная опенка применения сверхпроводниковых систем электродвижения на судах шорского глота. Договор о

творческом содружестве ме«яу ВйА м Центральным научно-исследовательским институтом морского с'лота. Научный руководитель . Романовски! В.В, Ш'к, С.-Петербург, 1993 г,

20. Разработка методики определения периода технического обслуживания и необходимого объема ШП'е элементов судового электрооборудования. Договор о творческом содружестве между НА и Северным морским пароходством. Научный руководитель Романове. ки! Б.В. БлА, С.-Петербург, 1393 г.

21. Опенка и сравнение.современных и перспективных судовых энергетических установок. Договор•о творческом содружестве между IM и Балтийским морским пароходством. Научный руководитель Романовский В.В, ША» С.-Петербург, 1993 г.

-2,о£~

А

22. Разработка методов и средств повышения надежности гребной электрической установки научи о-экенедишош-юго судна "Академик Федоров", Научный руководитель Романовский В.В, ЗМ, С •.-Петербург, 1994 г»

23, Разработка перспективных систем электродвижения транспортных ж ледокольных судов с использованием сверхпроводниковых электрических машин. Научный руководитель Романовский В.В, 1М, С.-Петербург» 1995 г.

Заместитель начальника по научной работе Государственной морской академии им. а дм »С .0 .Макарова / ' *

профессор ' ' / П.С.Емельянов

V

22 Февраля 1996 года