Smøreoliesystem ombord Pearl Of Scandinavia
Smøreoliesystem ombord Pearl Of Scandinavia
Smøreoliesystem ombord Pearl Of Scandinavia
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Titel: Temaprojekt på Københavns maskinmesterskole forår 2006<br />
Tema: Dokumentation af smøreoliesystem for hovedmotorer <strong>ombord</strong><br />
på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong><br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Indholdsfortegnelse<br />
Indholdsfortegnelse ........................................................................................................................... 1<br />
Problemformulering ........................................................................................................................... 2<br />
Indledning ........................................................................................................................................... 2<br />
1.0 <strong>Smøreoliesystem</strong> ........................................................................................................................ 3<br />
1.1 Generel beskrivelse ................................................................................................................ 3<br />
1.2 <strong>Smøreoliesystem</strong>ets opbygning ........................................................................................... 3<br />
1.3 Smøreoliens egenskaber ...................................................................................................... 4<br />
1.4 Smøreolieanalyse ................................................................................................................... 6<br />
1.4.1 Viskositet .......................................................................................................................... 6<br />
1.4.2 Flammepunkt ................................................................................................................... 7<br />
1.4.3 Total Base Number ......................................................................................................... 7<br />
1.4.4 Vandindhold ..................................................................................................................... 7<br />
1.4.5 Indhold af faste stoffer .................................................................................................... 7<br />
1.4.6 Konklusion ........................................................................................................................ 8<br />
1.5 Systembeskrivelse .................................................................................................................. 9<br />
1.5.1 Systemsmøring ................................................................................................................ 9<br />
1.5.2 Cylindersmøring .............................................................................................................. 9<br />
1.5.3 Boll & Kirch filter ............................................................................................................ 11<br />
1.5.4 Centrifuger ...................................................................................................................... 12<br />
1.6 Beregninger ........................................................................................................................... 13<br />
1.6.1 Effekt på smøreoliepumpe ........................................................................................... 13<br />
1.6.2 Hydraulisk pumpeeffekt ................................................................................................ 13<br />
1.6.3 Varmetab i smøreoliekøler (del 1) .............................................................................. 14<br />
1.6.4 Varmetab i smøreoliekøler (del 2) .............................................................................. 15<br />
2.0 Fællesopgave ............................................................................................................................ 16<br />
2.1 Drejningsmoment .................................................................................................................. 16<br />
2.2 Kipmoment ............................................................................................................................. 17<br />
2.3 Stavbolte ................................................................................................................................ 18<br />
Konklusion ........................................................................................................................................ 19<br />
Litteraturliste ..................................................................................................................................... 20<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 1
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Problemformulering<br />
I uge 18 2006 (2. maj-4. maj) har vi haft temauge <strong>ombord</strong> på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> på<br />
en tur/retur sejlads fra Købehavn til Oslo.<br />
Temaugen er opdelt i 2 dele. En gruppeopgave og en fællesopgave.<br />
I gruppeopgaven beskriver vi skibets smøreoliesystem til hovedmotorerne og i<br />
fællesopgaven foretager vi en række beregninger på målinger foretaget på en<br />
hovedmotor.<br />
Formålet med sejlturen er at opnå bedre forståelse for et virkeligt systems virkemåde og<br />
de varierende driftsforhold det bliver udsat for. Resultatet af temaugen bør være at opnå<br />
en bedre sammenhæng mellem den teori som bliver undervist på skolen og den<br />
virkelighed som eksisterer i erhvervslivet.<br />
Temaugen afsluttes med en skriftlig rapport som nøje besvarer de stillede opgaver.<br />
Indledning<br />
Dette projekt kræver ved gennemlæsning at vedkommende besidder en generel forståelse<br />
for tekniske systemer og deres opbygning, samt at læseren har indsigt i dieselmotorers og<br />
deres hjælpesystemers drift og virkemåde.<br />
Vi ønsker at rette en stor tak til DFDS Seaways A/S for at have givet os muligheden for at<br />
komme <strong>ombord</strong> på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> og observere, foretage målinger og<br />
dokumentere skibets tekniske systemer.<br />
En speciel tak skal gå til maskinmestrene og personalet i kontrol- og maskinrum, for deres<br />
velvilje til at besvare spørgsmål og hjælpe ved fremskaffelsen af den nødvendige<br />
dokumentation.<br />
De stillede opgaver (Gruppeopgave og Fællesopgave) er herunder nærmere specificeret.<br />
Gruppeopgave:<br />
1. Undersøg hvilket smøreoliesystem der benyttes <strong>ombord</strong> på <strong>Pearl</strong><br />
2. Beskriv anlægget mht. pumper, filtre, centrifuger og kølere mm.<br />
3. Forsyn tegningen med de vigtigste data. (tryk, temp, flow)<br />
4. Beregn pumpernes hydrauliske effekter målt i kW<br />
5. Mål elmotorernes optagne effekter.<br />
Fællesopgave:<br />
Optage v-p diagrammer på hovedmotor ved hjælp af Diesel-Doctor<br />
Med udgangspunkt i V-P diagrammet og stempelstillingen 20 grader efter TD bestemmes<br />
følgende:<br />
1. Drejningsmomentet i en cylinder<br />
2. Kipmomentet<br />
3. Trækkraften i cylinderdækslets bolte.<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 2
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.0 <strong>Smøreoliesystem</strong><br />
I dette kapitel vil vi besvare gruppeopgaven angående smøreoliesystemet til<br />
hovedmotorerne.<br />
Hvert afsnit vil bestå af en generel teoretisk gennemgang for bedre at danne baggrund for<br />
det enkelte systems virkemåde, hvorefter vi vil beskrive det konkrete system i detaljer.<br />
Da fremdrivningen <strong>ombord</strong> på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> består af 4 hovedmotorer som<br />
kører vekseldrift, har vi valgt at beskrive smøreoliesystemet til ME 3, da netop denne<br />
motor var i drift på udturen. <strong>Smøreoliesystem</strong>et er ens på alle 4 motorer.<br />
1.1 Generel beskrivelse<br />
Fremdriften på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> består af et dobbeltskrueanlæg koblet gennem 2<br />
gearkasser drevet af i alt 4 stk. Sulzer/Wärtsilä 9 ZAL 40S 4-takt trunkmotorer, hver på<br />
5940 kW.<br />
Motorerne kører i vekseldrift således alle 4 motorer på lang sigt har lige mange driftstimer.<br />
Under manøvrering er der henholdsvis mellem 2-4 maskiner i drift. Og ved søpassage fra<br />
Helsingborg til Oslo fjord kører 3 maskiner.<br />
Hver motor har sit eget kølevandssystem og smøreoliesystem, udført med en pumpe i drift<br />
og en i reserve. Ligeledes er der i centrifuge rummet installeret 2 dedikerede<br />
smøreoliecentrifuger for hver motor, komplet med rørføring til de 4 smøreoliebundtanke.<br />
Hovedmotorer og hjælpesystemer er adskilt i en bagbord og en styrbord forsyningstavle<br />
for øget driftsikkerhed.<br />
1.2 <strong>Smøreoliesystem</strong>ets opbygning<br />
Sulzer/ Wärtsilä producerer to forskellige typer smøreroliesystemer til deres motorer, det<br />
ene system er opbygget med eksterne pumper som oftest bliver trukket af en elmotor, og<br />
det andet system har pumper monteret direkte på motoren som bliver trukket af<br />
krumtapakslen, også kendt som tvungne trukne pumper.<br />
I et system med tvungne trukne pumper kører pumpen når motoren kører. For at undgå<br />
unødigt slid på lejer ved opstart sidder der parallelt med den fastmonterede pumpe en eldrevet<br />
standby pumpe, hvis primære funktion er at prime motoren med olie før opstart.<br />
Standby pumpen kan også køres kontinuerligt i tilfælde af fejl på den<br />
tvungne trukne pumpe. I systemer uden tvungne trukne pumper<br />
sidder der også to pumper i parallel, forskellen er at de typisk er<br />
trukket af 3-fasede AC-motorer og derfor kræver en fast<br />
spændingsforsyning.<br />
Disse pumper kan fortsætte med at cirkulere olie når motoren ikke er<br />
i drift.<br />
Pumperne kan være udført som tandhjuls- eller centrifugalpumper 1 ,<br />
hvor sidstnævnte ofte er monteret i neddykket tilstand.<br />
1 Se figur 1.2.0<br />
Figur 1.2.0<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 3
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Der er fordele og ulemper ved begge systemer.<br />
Ved tvungne trukne pumper er rørføringen kortere og simplere samtidig med at pumpen<br />
energimæssigt er billigere i drift på grund af den sparede el-effekt. Desuden er systemet<br />
ikke følsomt overfor strømudfald.<br />
En ulempe ved denne opbygning er at primerpumpen skal køre før motoren kan startes.<br />
Et system opbygget med eksterne pumper bruger væsentligt mere effekt, fylder mere og<br />
er mere komplekst, men det muliggør en mere fleksibel systemstruktur fordi pumperne kan<br />
sættes i drift uanset motorens driftstilstand.<br />
Ombord på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> er smøreoliesystemet opbygget med eksternt<br />
monterede pumper trukket af en 3-faset 40 kW asynkronmotor.<br />
Hver motor har to smøreoliepumper hvor den ene står i reserve. Pumperne er monteret<br />
således at de kun kan køre fuldlast.<br />
Når skibet er i havn fortsætter cirkulationen af smøreolie på de motorer som sidst har<br />
været i drift. Dette gøres bl.a. for at holde motoren varm, men også for at cirkulere ren og<br />
beskidt olie fra og til centrifugerne.<br />
1.3 Smøreoliens egenskaber<br />
Smøreoliens vigtigste formål er at danne en beskyttende oliefilm på alle bevægelige<br />
komponenter i motoren, for herved at mindske slitage og friktion på maskindele. Olien har<br />
dog også flere sekundære opgaver såsom:<br />
1. Reduktion af støj fra tandhjul<br />
2. Køling af stempler, lejer og cylinderforing<br />
3. Modvirke korrosion<br />
4. Borttransportere faste partikler<br />
5. Virke som tætningsmiddel ved f.eks. stempelringe<br />
6. Neutralisere syrer opstået ved forbrænding af svovlholdigt brændstof<br />
Motortyper og driftsforhold varierer meget og dermed stilles der også vidt forskellige krav<br />
til smøreolien og de egenskaber den besidder. Det er derfor nødvendigt at overveje hvilke<br />
krav man stiller til olien og hvordan olien behandles når den sættes i drift.<br />
Følgende parametre er vigtige ved valg af olie:<br />
1. Motorens driftstemperatur<br />
2. Oliens viskositet<br />
3. Fladetryk<br />
4. Hastigheden imellem de smurte maskindele<br />
5. Forventelige forureninger fra maskindele og forbrænding<br />
Sulzer/ Wärtsilä motorerne som benyttes på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> er medium-speed<br />
trunkmotorer.<br />
Forbrændingsprodukterne i en 4-takts trunkmotor har direkte adgang til krumtaphuset og<br />
disse maskintyper stiller derfor store krav til oliens modstandsdygtighed overfor oxidation<br />
og syreangreb.<br />
I tilgift køres denne type motorer ofte under ringere driftsforhold, f.eks. i form af mange<br />
starter og hurtige belastningsændringer.<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 4
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
En af de mest afgørende egenskaber for olie til marinemotorer er TBN tallet (Total Base<br />
Number) som angiver mg KOH/g olie.<br />
Tallet er et udtryk for hvor basisk olien er og dermed også en indikation af oliens evne til at<br />
neutralisere de stærke syrer som dannes når rester fra forbrændingsprocessen kommer i<br />
forbindelse med smøreolien i cylinderforing og krumtaphus.<br />
De stærke syrer dannes efter følgende reaktionsskema:<br />
2SO + O →2SO ⇒ SO + H O → H SO<br />
2 2 3 3 2 2 4<br />
Svovldioxiden dannes ved forbrændingen som herefter går i forbindelse med ilten i<br />
ekspansionsgassen, herved dannes svovltrioxid som igen går i forbindelse med det vand<br />
som er i luften og til sidst dannes svovlsyren.<br />
Gennem årene har det øgede forbrug af heavy fuel ført til et stigende TBN-tal i smøreolier<br />
hvorfor det i dag er det muligt at få cylindersmøreolier med TBN-tal helt imod 70.<br />
Olien som benyttes til hovedmotorerne <strong>ombord</strong> på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> leveres af<br />
Castrol og har typebetegnelsen: TLX 404<br />
Castrol´s TLX-olier 2 bliver fremstillet til brug i medium-speed motorer indenfor marine og<br />
el-produktion.<br />
Datablad for TLX olietyper<br />
Olien er kendetegnet ved:<br />
1. Et højt TBN-tal<br />
2. Være modstandsdygtighed overfor oxidation<br />
3. Fremragende rensende og spredende egenskaber<br />
Som det ses på databladet har olien et TBN-tal på 40. Dette er ønskeligt for en trunkmotor<br />
hvor rester fra forbrændingen har direkte adgang via cylindervægen til krumtaphuset og<br />
dermed systemolien.<br />
Smøreolien hører til typen ”heavy-duty oils”, altså en selvrensende olie som forhindrer de<br />
faste metal- og sodpartikler i at blive aflejret på maskinkonstruktionen.<br />
2 Se datablad<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 5
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.4 Smøreolieanalyse<br />
Olieanalyser er nødvendige for at sikre at olien til stadighed lever op til de krav som der<br />
stilles til den. Når olien ældes og forurenes med partikler fra maskindele og forbrænding<br />
ændrer olien karakteristik, derfor er det nødvendigt ved regelmæssige intervaller at få olien<br />
sendt til analyse hos olieproducenten.<br />
Analysen kan i god tid give et fingerpeg om oliens tilstand, og hvorledes der er brug for at<br />
foretage ændringer i rensningen af olien.<br />
Analysen er dog ikke i stand til at angive hvor fra de eventuelle forureninger stammer fra,<br />
her er det op til besætningen at foretage en vurdering. F. eks kan en øget viskositet være<br />
et tegn på at olien er oxideret, som igen kan skyldes at smøreolien er blevet forurenet med<br />
heavy-fuel.<br />
Der findes en bred vifte af stoffer som man kan analysere sig frem sig til, vi har her<br />
fremhævet de vigtigste.<br />
1. Viskositet<br />
2. Flammepunkt<br />
3. TBN-tal<br />
4. Vandindhold<br />
5. Indhold af faste stoffer<br />
Med udgangspunkt i grænseværdierne 3 og olieanalysen 4 for hovedmotor 3 vil vi forklare<br />
hvert enkelt målepunkt og dernæst give forslag til eventuelle tiltag.<br />
1.4.1 Viskositet<br />
Smøreoliens viskositet er afgørende for oliens bære- og smøre evne. Anvendelse af<br />
smøreolie med for høj viskositet vil give anledning til et øget friktionstab. Modsat vil en olie<br />
med for lav viskositet øge risikoen for at oliefilmen brydes og der opstår metal mod metal<br />
slitage.<br />
Fordi at oliens viskositet varierer med tryk og temperatur har man valgt at oplyse den<br />
kinematiske viskositet i olieanalysen fra Castrol.<br />
η<br />
ν =<br />
ρ<br />
[ cSt]<br />
ν =Kinematisk viskositet<br />
η =Væskens viskositet<br />
ρ =Væskens densitet<br />
Viskositeten i smøreolien til hovedmotor 3 ligger stabilt omkring 16-17 cSt og har altså kun<br />
ændret sig marginalt i forhold til nyværdien. Der er hermed ingen problemer med hensyn til<br />
viskositeten.<br />
3 Se tabel 1.4.5 (Side 7)<br />
4 Se smøreolieanalyse (Side 8)<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 6
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.4.2 Flammepunkt<br />
Angivelsen af flammepunktet angiver ved hvilken temperatur olien afgiver antændelige<br />
dampe og bruges primært som en nem og hurtig metode hvorved man kan vurdere om<br />
smøreolien er blevet forurenet med fuelolie.<br />
1.4.3 Total Base Number<br />
TBN-tallet er uden tvivl det meste interessante i smøreolieanalyser fra trunkmotorer.<br />
Tilstedeværelsen af syrer ønskes undgået og det er derfor vigtigt at holde et højt base-tal.<br />
På olieanalysen ses det tydeligt at TBN er faldet fra nyværdien på 40 til nu at ligge stabilt<br />
på ca. 30 mgKOH/g. Ændringen er altså indenfor grænseværdien.<br />
En del af smøreolien i trunkmotorer bliver forbrændt i cylinderen og disse motortyper har<br />
derfor et permanent olietab Tilsætningsolie er derfor nødvendig for at opveje olietabet.<br />
Ombord på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> varierer olieforbruget fra 1500-2500 L om måneden.<br />
Den nye tilsætningsolie medvirker også til at holde TBN-tallet oppe.<br />
1.4.4 Vandindhold<br />
Det procentvise vandindhold er med i analysen for at indikere tilstedeværelsen af<br />
eventuelle lækager i kølevandssystemet.<br />
Indeholder vandet salt er det sandsynligt at lækagen skal findes i søvandskøleren.<br />
En forhøjet vandkoncentration kan i kortere perioder tolereres, men i så fald må vandet<br />
centrifugeres væk hurtigst muligt for at undgå emulsioner.<br />
Vandindholdet for hovedmotor 3 er langt under grænseværdien under her er altså heller<br />
ingen problemer.<br />
1.4.5 Indhold af faste stoffer<br />
Faste partikler er typisk mikroskopiske metalstykker fra motorens lejesøler, stempelringe<br />
og cylinderforing det er f. eks Jern, kobber og krom. Faste bestanddele kan dog også<br />
være rester fra forbrændingsprocessen såsom vanadium, natrium, silicium og nikkel.<br />
I vores tilfælde ser man at smøreolien har et højt indhold af vanadium, og da ny smøreolie<br />
ikke indeholder vanadium er olien altså blevet forurenet udefra enten via<br />
forbrændingsrester eller ved fuelolie lækager. Sidstnævnte er dog mindre sandsynlig fordi<br />
der hverken er observeret forhøjet flammepunkt eller viskositet.<br />
Det bør tilstræbes at holde mængden af faste partikler på et så lavt niveau som muligt, da<br />
visse metaller under gunstige forhold kan virke som katalysatorer ved dannelsen af<br />
svovlsyre.<br />
Tabel 1.4.5<br />
Grænseværdier for smøreolie til Sulzer ZA40S motorprogram<br />
Viskositet TBN Total forurening Flammepunkt Vandindhold<br />
+30 % af nyværdi<br />
60 % af nyværdi<br />
-20 % af nyværdi<br />
Max 2,5 % Min 180 °C Max 0,5 %<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 7
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.4.6 Konklusion<br />
Generelt set må vi konkludere at systemsmøreolieanalysen ikke indikerer nogen<br />
alarmerende tilstande.<br />
Sammenlignes trenden med oliens nyværdier lægger man mærke til at stort set alle<br />
måledata har flyttet sig i starten, for derefter at stabilisere sig på samme niveau.<br />
Dette fænomen må tillægges den kontinuerlige centrifugering og den nye tilsætningsolie.<br />
Da de faste bestanddele kan fjernes ved hjælp af effektiv centrifugering, vil vi derfor<br />
anbefale at man gør en ændret indsats for at få nedbragt mængden af disse. Det kan f.<br />
eks gøres ved at køre med 2 purifikatorer i kontinuert drift, eller alternativt mindske<br />
gennemstrømningshastigheden i den eksisterende centrifuge for derved at holde olien<br />
længere tid i centrifugen.<br />
!<br />
Smøreolieanalyse<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 8
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.5 Systembeskrivelse<br />
<strong>Smøreoliesystem</strong>et <strong>ombord</strong> på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> er opbygget i 2 systemer hvor<br />
det ene er til systemsmøring og det andet til cylindersmøring. Vi har valgt at beskrive de 2<br />
systemer hver for sig da de varierer på flere punkter. Det bør bemærkes at der benyttes<br />
ens olie for cylinder- og systemsmøring<br />
På side 10 er vist et oversigtsskema over smøreoliesystemet.<br />
1.5.1 Systemsmøring<br />
Systemsmøreolien bruges til smøring af krumtaplejer,<br />
plejlstangslejer og trunkpind.<br />
De 2 deplacementpumper suger olie fra smøreoliebundtanken<br />
gennem et 800 µm grovfilter. Smøreoliebundtanken er placeret<br />
under motoren og indeholder ca. 7000 L smøreolie.<br />
Pumpen presser herefter olien gennem et Boll & Kirch<br />
automatfilter, hvorefter olien løber igennem en 3 vejs<br />
fordelerventil som sidder umiddelbart før den ferskvandskølede<br />
smøreoliekøler. Køleren er opbygget som en simpel<br />
ferskvandskølet pladekøler.<br />
Fordelerventilen er styret af oliens afgangstemperatur på<br />
smøreoliekøleren. Olien fortsætter over til hovedmotoren hvor den<br />
løber i boringer 5 i krumtapakslen og smører hovedlejer,<br />
plejlstangslejer og trunkpind.<br />
På returledningen er der monteret en ventil som er indstillet til<br />
Figur 1.5.1<br />
smøreolietrykket 5,5 bar.<br />
Når olien har smurt lejerne løber den ud i krumtaphuset hvorfra den drænes til<br />
smøreoliebundtanken gennem 2 grovmaskede filtre monteret i hver ende af sumpen.<br />
1.5.2 Cylindersmøring<br />
Smøringen til cylindrene bliver leveret af 3 tvungne trukne pumper monteret for enden af<br />
motoren. Hver af de 3 pumper har et håndtag som skal bruges til manuel priming ved<br />
opstart af motoren. Har motoren stået stille gennem en længere periode er det vigtigt at<br />
prime med smøreolie før motoren startes, for at undgå<br />
rivninger i foringen.<br />
Pumperne er gravitationssmurte fra<br />
smøreolieservicetanken lokaliseret over hovedmotorerne.<br />
Til hver cylinder løber der to små olierør 6 Til cylindersmøreapparat<br />
som er monteret<br />
med fittings i bunden af cylinderforingen. Et skueglas på<br />
hver enkel rørledning muliggør kontrol af flow og tryk.<br />
Olien løber slutteligt ud i cylinderen gennem boringer i<br />
toppen af foringen.<br />
5 Se figur 1.5.1<br />
6 Se figur 1.5.2<br />
Figur 1.5.2<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 9
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Boll & Kirch Filter<br />
6,4 bar<br />
Bypass-Filter<br />
ME3 LO 1 ME3 LO 2<br />
-0,1 bar<br />
SMO-Køler<br />
Grovfilter Grovfilter<br />
Bundtank<br />
Volumen: 7000 L<br />
67°C<br />
56°C<br />
55°C<br />
Temp. Sensor<br />
Til Bundtank<br />
5,5 bar<br />
Til Motor<br />
Service Tank Overflow<br />
Fra Tryk-Regulator<br />
ME 3 SEP. FEED PUMP<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 10<br />
Purifier<br />
Grovfilter<br />
Preheater<br />
LUB. OIL SERVICE TANK<br />
Til slam tank<br />
Fra purifier
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.5.3 Boll & Kirch filter<br />
Boll og Kirch filteret 7 er et automatisk tilbagespulingsfilter også kendt som et ”backflush”<br />
filter.<br />
Denne filtertype renses automatisk uden at blokere olieflowet og er derfor næsten<br />
vedligeholdelsesfri. Det automatiske tilbagespulingssystem sikrer at slammet fjernes<br />
effektivt fra filter og smøreoliekredsløb.<br />
Tilbagespulingsprocessen er styret elektronisk, denne styring er placeret i en kasse for sig,<br />
yderligere sidder der en differenstrykmåler til kontrol og styring af driften.<br />
Denne filtertype består af 4 – 5 kamre hvor der i hvert kammer sidder et såkaldt ”candle<br />
filterelement” lavet af en højtryksdug som er stærk nok til at modstå differenstrykket<br />
derudover indeholder hver kammer en spole i rustfrit stål.<br />
Rengøring af kammeret sker via den såkaldte backflush sekvens som er styret med<br />
trykluft. I et Boll og Kirch filter er der altid et kammer i standby, klar til drift og fyldt med ren<br />
olie.<br />
Skadelige og faste partikler fanges og stoppes i filter-dugens masker, når differenstrykket<br />
når et forudindstillet niveau aktiveres en kontakt som starter den elektriske motor som<br />
sørger for at det oliefyldte reservekamre sættes i drift.<br />
Det beskidte kammer bliver automatisk rengjort via backflushing af alle filterelementerne i<br />
det pågældende kammer, hvorefter kammeret igen bliver fyldt med ren olie og sættes<br />
tilbage i standby position.<br />
Når det rene filter sættes i funktion opnår man et øjeblikkeligt fald i det totale differenstryk<br />
for systemet.<br />
Tilbagespulingsmekanismen som sættes i funktion<br />
ved rengøring, bevirker at kammeret bliver<br />
trykaflastet, dette gøres ved at en udlufterventil<br />
åbner samtidig med der åbnes en<br />
slamdræningsventil, hvorved der opstår en<br />
resulterende væske/luft trykbølge som tvinger ren<br />
olie den modsatte vej igennem filterdugen.<br />
De faste partikler bliver herved fjernet og følger<br />
oliestrømmen den modsatte vej igennem<br />
drænventilen og videre til slamtanken. Til sidst<br />
bliver dræn- og luftventiler lukket og kammeret<br />
genfyldes med ren olie og eventuel luft bliver<br />
ventileret bort.<br />
Ydermere har filteret den fordel at spildolien som<br />
havner i slamtanken kan genvindes ved<br />
centrifugering.<br />
7 Se figur 1.5.3<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 11
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.5.4 Centrifuger<br />
Formålet med en centrifuge, er at skabe mulighed for at få fjernet tungere urenheder fra<br />
smøreolien som f. eks sod- og metalpartiker. Centrifugeringen er også i stand til at fjerne<br />
eventuel forurening med vand, der dels kan forekomme som kondensvand, og dels fra<br />
lækager ved smøreoliekøler og smøreolieafløbstanke m.v.<br />
Centrifugerne reguleres automatisk via et elektronisk mikroprocessorbaseret<br />
reguleringssystem (EPC-400).<br />
Reguleringssystemet er programmeret til automatisk drift, overvågning og alarmering i<br />
tilfælde af fejl.<br />
I klarifikatorer er det vigtigt at massefylderingen (gravity-ring) for den pågældende olie har<br />
den rigtige størrelse, for derved at sikre korrekt placering af ”interface”.<br />
En tommelfingerregel siger at der bør køres med en massefyldering med størst mulig<br />
lysning (indre diameter), uden at interfacen kommer uden for øverste tallerkenstakkens<br />
ydre periferi (centrifugen "brækker" sig).<br />
Uanset anvendt centrifugeringsprincip bruges i dag næsten udelukkende selvrensende<br />
centrifuger 8 (separatorer). Ved en selvrensende centrifuge forstås en centrifuge, hvor<br />
centrifugekuglen under drift kan bringes til at åbne, således at kuglens indhold af vand og<br />
slam, under indvirkning af centrifugalkraften, slynges ud og løber i en slamtank.<br />
Hvor ofte kuglen tømmes, afhænger af procesoliens indhold af vand og faste bestanddele.<br />
Almindelige skydeintervaller for en centrifuge varierer fra 20-60 minutter.<br />
Hvis separatorskålen er forsynet med to afgange (vand og ren olie), og en indgang<br />
(beskidt olie), kaldes det en purifikator.<br />
Den beskidte olie tilføres separatorskålen gennem tilgangsrøret (1), og accelereres til fuld<br />
rotationshastighed af fordeleren.<br />
Fra fordeleren strømmer<br />
olieblandingen til tallerkenstakken<br />
(9) gennem lodrette kanaler dannet<br />
af huller i de koniske tallerkener tæt<br />
ved deres periferi.<br />
Vandet og de faste partikler<br />
(urenheder), bevæger sig mod<br />
skålens periferi hvor de faste<br />
partikler aflejres på indervæggen.<br />
Vandet strømmer ud igennem det<br />
ene afgangsrør (7), og olien<br />
bevæger sig mod skålens akse og<br />
forlader separatoren igennem olie<br />
afgangsrøret (2).<br />
De aflejrede partikler bliver skyllet<br />
bort via slam afgangen (3) til slam<br />
tanken.<br />
8 Se figur 1.5.4<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 12
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
1.6 Beregninger<br />
I dette afsnit har vi samlet alle bereregningerne på smøreoliesystemet. Vi har bl.a.<br />
beregnet pumpens tryk, volumen og hydrauliske effekt. Volumenberegningen er lavet med<br />
udgangspunkt i pumpekarakteristikken. Desuden har vi målt pumpens optagne effekt med<br />
et Fluke Powermeter.<br />
1.6.1 Effekt på smøreoliepumpe<br />
Effektmålingen er foretaget direkte på smøreoliepumpens klemmer under normale<br />
driftsforhold.<br />
Pumpen er koblet i med en netspænding på 380 V.<br />
Effekterne blev til følgende:<br />
Virkelig effekt: P=38,3 [ kw ]<br />
Tilsyneladende effekt: S= 23,5 [ kVA ]<br />
På baggrund af de 2 effekter kan Cosϕ beregnes efter følgende formler:<br />
∑<br />
[ ]<br />
S = 3 ⋅ S = 3 ⋅ 23,5 = 40,7 kVA<br />
∑<br />
⎛ P ⎞ ⎛38,3 ⎞<br />
Cosϕ<br />
= = ≈0,95 ⇒ ϕ ≈ 18°<br />
⎜ ⎟<br />
S ⎟ ⎜<br />
40,7<br />
⎟<br />
⎝∑⎠ ⎝ ⎠<br />
1.6.2 Hydraulisk pumpeeffekt<br />
Foruden den målte optagne effekt på elmotoren, kan vi også beregne den hydrauliske<br />
effekt på selve pumpen.<br />
Til dette formål skal vi bruge en volumenstrøm og et tryk.<br />
Pumpens volumenstrøm er estimeret udfra opslag i dokumentationen. Opslaget er<br />
krydstjekket med angivelserne på systemtegningerne.<br />
Trykket før og efter pumpen er aflæst på de opsatte manometre.<br />
3<br />
m<br />
V<br />
⎡ ⎤<br />
= 115⎢<br />
h<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
p [ ]<br />
1 =−0,1<br />
bar<br />
p = 6, 4 bar<br />
2<br />
[ ]<br />
Nu kan den hydrauliske effekt beregnes efter formlen:<br />
⎛ 115 ⎞<br />
5<br />
P (6, 4 ( 0,1)) 10 21[<br />
]<br />
h = V ⋅Δ p= ⎜ ⎟⋅<br />
− − ⋅ = kW<br />
⎝3600 ⎠<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 13
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Dernæst beregnes den kombinerede virkningsgrad for elmotor og pumpe.<br />
η<br />
⎛ P ⎞ ⎛ 21 ⎞<br />
1 = ⎜<br />
P<br />
⎟=<br />
⎜ =<br />
2 38,3<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
0,55<br />
Pumpens virkningsgrad er en smule lavere end forventet, men med de mange<br />
usikkerhedsmomenter taget i betragtning er resultatet nogenlunde fornuftigt.<br />
1.6.3 Varmetab i smøreoliekøler (del 1)<br />
Før vi kan beregne varmetabet i smøreoliekøleren skal vi igen bruge volumenstrøm og<br />
tryk, denne gang for kølevandspumpen<br />
Igen har vi aflæst trykket før og efter pumpen på de opsatte manometre.<br />
P1= 1,1bar<br />
P = 3,5 bar<br />
2<br />
Først beregnes trykfaldet:<br />
5<br />
Δ p = P [ ]<br />
2 − P1 = 3,5 − 1,1 = 2, 4 bar = 2, 4 ⋅ 10 Pa<br />
Nu kan trykfaldet omregnes til mVs efter<br />
følgende formel:<br />
⎛ p ⎞<br />
p = ρ ⋅g⋅H ⇔ H = ⎜ = [ mVs]<br />
ρ ⋅ g<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
5<br />
⎛ 2, 4⋅10 ⎞<br />
H = ⎜ ⎟=<br />
24,44[<br />
mVs]<br />
⎝1000⋅ 9,82 ⎠<br />
Volumenstrømmen kan nu aflæses på<br />
pumpekarakteristikken 9 for kølevandspumpen.<br />
3<br />
Aflæst volumenstrøm: 158 m<br />
V<br />
⎡ ⎤<br />
= ⎢<br />
h<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
Nu kan varmetabet i kW beregnes:<br />
køl køl køl køl v køl køl<br />
[ ]<br />
P = m ⋅c ⋅Δ t = V⋅ρ⋅c ⋅Δt<br />
kw<br />
<br />
⎛ 1 ⎞<br />
P 158 1000 4,2 (35 34) 184[<br />
]<br />
køl = ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⎜ ⎟=<br />
kW<br />
⎝3600 ⎠<br />
9 Se figur 1.6.3.1<br />
Figur 1.6.3.1<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 14
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Ved at lave en procentberegning kan vi kontrollere om beregningerne stemmer overens<br />
med det forventede. Det typiske varmetab for systemsmøreolier i marinemotorer ligger på<br />
ca. 3 %, som illustreret i Sankey-diagrammet 10<br />
Det procentvise varmetab er som følger:<br />
P<br />
P<br />
køl<br />
motor<br />
⎛184⋅100% ⎞<br />
= ⎜ ⎟≈3%<br />
⎝ 5940 ⎠<br />
Resultatet stemmer altså fint overens med det<br />
forventede.<br />
1.6.4 Varmetab i smøreoliekøler (del 2)<br />
Fordi en stor del af smøreolien køres i by-pass uden om smøreoliekøleren er det ikke<br />
muligt at lave en varmetabsberegning set fra smøreoliesiden.<br />
Olieflowet igennem smøreoliekøleren varierer med motorens belastning,<br />
kølevandstemperaturen og den af pumperne cirkulerede oliemængde.<br />
Vi kan i stedet lave en øjebliksberegning baseret på smøreoliekølerens ind- og<br />
udgangstemperaturer.<br />
Beregningen kræver at vi kender smøreoliens densitet og varmefylde. Densiteten får vi fra<br />
databladet på side 5.<br />
Densitet: 900 3<br />
kg ⎡ ⎤<br />
⎢<br />
⎣m⎥ ⎦<br />
Varmefylde (antaget):<br />
⎡ kj ⎤<br />
2 ⎢<br />
kg ⋅C<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
Den gennem smøreoliekøleren cirkulerede mængde olie kan nu beregnes udfra formlen:<br />
3<br />
⎛ Pkøl ⎞⎡m⎤<br />
olie = ⎜<br />
ρolie<br />
colie t<br />
⎟⎢<br />
olie h<br />
⎥<br />
olie<br />
3<br />
⎡ ⎤<br />
⎛ 185⋅ 3600 ⎞ m<br />
= ⎜ = 31<br />
900⋅2 ⋅(67 −55)<br />
⎟ ⎢<br />
h<br />
⎥<br />
⎝ ⎠ ⎣ ⎦<br />
[ ]<br />
Pkøl <br />
= moli ⋅colie ⋅Δ tolie = V olie ⋅ρolie ⋅colie ⋅Δtolie<br />
kw<br />
V<br />
<br />
V<br />
⎝ ⋅ ⋅Δ ⎠⎣<br />
⎦<br />
10 Se figur 1.6.3.2<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 15
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
2.0 Fællesopgave<br />
De følgende beregninger til fællesopgaven er foretaget med udgangspunkt i data indhentet<br />
fra maskinrummets Diesel Doctor.<br />
Dataene er uploadet til den medfølgende software hvorfra vi har aflæst de nødvendige<br />
tryk.<br />
2.1 Drejningsmoment<br />
Ved beregning af motorens samlede moment er det nødvendigt at kende bremseeffekten<br />
Pb.<br />
Ved denne beregning skal den mekaniske virkningsgrad bruges og da den ikke været<br />
tilgængelig, sættes den her til 0,85.<br />
Det bør i denne sammenhæng bemærkes at motorens moment konstant varierer<br />
afhængig af stemplernes indbyrdes position.<br />
Først udregnes bremseeffekten:<br />
[ ]<br />
P = P⋅ η = 4860⋅ 0,85 = 4131 kW<br />
b i m<br />
Nu kan det totale moment beregnes med formlen:<br />
π −<br />
⎛ ⎞<br />
6<br />
Pb= ⎜ 104,7 10<br />
30000<br />
⎟⋅D⋅<br />
n = ⋅ ⋅D⋅n ⎝ ⎠<br />
<br />
⎛ Pb<br />
⎞ ⎛ 4131 ⎞<br />
D = ⎜ 5000[<br />
kNm]<br />
−6<br />
104,7 10 n<br />
⎟ = ⎜ ≈<br />
−6<br />
474 ⎟<br />
⎝ ⋅ ⋅ ⎠ ⎛ ⎞<br />
⎜104,7 ⋅10 ⋅⎜ ⎟⎟<br />
⎝ ⎝ 60 ⎠⎠<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 16
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
2.2 Kipmoment<br />
Ved aflæsning af det forsatte diagram i Diesel Doctor softwaren 11 er følgende data ved 20<br />
efter TD grader aflæst:<br />
Tryk: 117 [ bar ]<br />
⎡omdr ⎤<br />
Omdrejningstal: 474<br />
⎢⎣ min ⎥⎦<br />
Indiceret effekt: 4860 [ kW ]<br />
Nødvendige data for hovedmotor:<br />
Plejlstangslængde: 1055 mm<br />
Slaglængde: 530mm<br />
Boring: 400mm<br />
Foruden momentet er det også muligt at beregne motorens kipmoment.<br />
Kipmomentet for den enkelte cylinder er det samme som cylinderens drejningsmoment.<br />
Kræfterne fra kipmomentet virker vinkelret på stempelaksen og skal i trunkmotorer<br />
optages af stempelvægene. Dette er årsagen til at stempelskørtet på trunkmotorer er<br />
længere end i tilsvarende langslagsmotorer hvor kræfterne optages af glideskoene.<br />
11 Se figur 2.1.1<br />
Combustion pressure [bar]<br />
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> maj 2006<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 17<br />
Angle<br />
Figur 2.1.1
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Før vi kan beregne kipmomentet skal vi først finde de nødvendige længder og vinkler.<br />
⎛ a ⎞ ⎛ b ⎞ ⎛ c ⎞<br />
⎜<br />
Sin A<br />
⎟ = ⎜<br />
Sin B<br />
⎟ = ⎜<br />
SinC<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
<br />
⎛b⋅SinC ⎞ ⎛0, 28 ⋅ Sin(20<br />
° ) ⎞<br />
Sin B = ⎜ ⎟ = ≈ 0,091 ⇒ β ≈∠ 5,21°<br />
⎝ a ⎠<br />
⎜<br />
1,055<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
⎛b⋅SinC ⎞ ⎛0,28 ⋅Sin(180 −5,21−9,9) ⎞<br />
c = ⎜ 1,314 m<br />
Sin B<br />
⎟ = ⎜ =<br />
Sin(5,<br />
2)<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
Herefter beregnes stempelkraften:<br />
⎛π ⎞ ⎛π ⎞<br />
⎝ 4⎠ ⎝ 4⎠<br />
[ ]<br />
2 5 2<br />
Fst = p⋅⎜ ⎟⋅ d = 117⋅10 ⋅⎜ ⎟⋅<br />
0,4 = 1470 kN<br />
Og slutteligt beregnes guidekraften og<br />
kipmomentet:<br />
[ ]<br />
[ ]<br />
F = F ⋅ Tanβ= 1470⋅ tan(5,2) = 134 kN<br />
g st<br />
D = F ⋅ a= 134⋅ 1,314 = 176 kNm<br />
kip g<br />
2.3 Stavbolte<br />
Ved den forrige beregning af kipmomentet fandt vi den kraft som trykkede nedad på<br />
stemplet. En lige så stor men modsatrettet kraft virker på cylindertopdækslet hvor den<br />
fordeles på 8 stavbolte.<br />
Ekspansionskraften som den enkelte bolt skal optage kan beregnes ved at dividere<br />
stempelkraften med antallet af stavbolte.<br />
Der er i denne beregning ikke taget for højde for stavboltenes hydrauliske tilspænding.<br />
⎛ Fekspansion<br />
⎞ ⎛1470 ⎞<br />
Fbolt / ekspansion = ⎜ ⎟=<br />
⎜ ⎟=<br />
184 kN<br />
⎝ Antal bolte ⎠ ⎝ 8 ⎠<br />
[ ]<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 18<br />
Fst<br />
[ ]<br />
F g<br />
F st.<br />
ß<br />
20<br />
a.<br />
b<br />
F pl. F t.
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Konklusion<br />
Opholdet <strong>ombord</strong> på m/s <strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> har været spændende og udfordrende.<br />
De beregnede resultater har vist sig at stemme overens med den på skolen underviste<br />
teori, og under den efterfølgende rapportudarbejdelse er den bagvedliggende teori blevet<br />
genopfrisket med hensyn til pumper, filtre, centrifuger, kølere og trunkmotorer.<br />
Visse aspekter af elteorien er også blevet belyst gennem effektmålinger på den til<br />
smøreoliepumpen tilhørende elmotor.<br />
Desuden har vi opnået træning i at læse og forstå komplekse systemtegninger med<br />
efterfølgende lokalisering af de optegnede komponenter.<br />
Ydermere har vi opnået en bedre systemforståelse for marinemotorer og deres tilhørende<br />
smøreoliesystem.<br />
Vi må derfor konkludere at temaugen som helhed har været en succes, dog kunne vi godt<br />
have brugt konferencerummet efter 20.00.<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 19
<strong>Pearl</strong> <strong>Of</strong> <strong>Scandinavia</strong> M3<br />
Litteraturliste<br />
Marine dieselmotorer, Drift og vedlikehold<br />
Af Øystein Jørgensen / Svein Erik Pedersen, Yrkesforlaget AS 2000<br />
Skibs motorlære<br />
Af Christen Knak, 19. udgave 2. oplag 2004, Gads Forlag<br />
Pumpedrift og energi<br />
Af Thomas Heilmann, 4. udgave, 2003, HEILMANN’s Forlag<br />
Skibs dieselmotorer, Konstruktion, Drift, Vedligehold.<br />
Af Peter Storegård Jensen, 2. udgave, 3. oplag 2004, Gads Forlag<br />
Mekanisk Fysik og Varmelære<br />
Af Arly Nielsen og Jørgen Nielsen, 9. udgave 1. oplag 2002, Erhvervsskolernes Forlag 2002<br />
Elektroteknik 3, Elektriske maskiner<br />
Af Poul Erik Petersen, 4. udgave 2005, 1 oplag, Bogfondens Forlag A/S<br />
Elektroteknik 2, Elektriske målinger<br />
Af Poul Erik Petersen, 4. udgave 2004, 1 oplag, Bogfondens Forlag A/S<br />
Kemiske og Fysiske Tabeller<br />
Af Otto V. Rasmussen, redigeret af P. Hartmann-Petersen, 9. udgave 1. oplag, Gyldendal<br />
Grundlæggende Fysik, For Adgangskursus og HTX<br />
Af Erik Øhlenschlæger, 4. udgave 1. oplag 2000, Gyldendal<br />
Maskinmestrenes Håndbøger Bind 1 og 2<br />
Redaktion Mogens Dahl Hansen, Bent Bill, 9. udgave 1999, Maskinmester Foreningen, 1999<br />
Diverse internetsider:<br />
www.alfalaval.com<br />
www.wartsila.com<br />
www.wikipedia.org<br />
www.manbw.com<br />
www.dfdsseaways.dk<br />
Gruppe 1 Københavns Maskinmesterskole 20