LUENTO 2: LAIVAN KULJETUSKONEISTON VALINTA

Transkriptio

1 1 LUENTO 2: LAIVAN KULJETUSKONEISTON VALINTA Luennon tavoite Tarkastellaan laivan kuljetuskoneiston valintaan liittyviä tekijöitä. Eri kriteerit esitellään. Moottorin ja potkurin vuorovaikutusta. Koneiston toimintapisteen valintaa. Laivan energiakulutuksen koostumusta. Sisältö laivan koneistot kuljetuskoneiston valinta kuljetuskoneiston mitoitus laivan kuljetuskoneistovalinta, esimerkkejä laiva ja energia yhteenveto Luennon jälkeen sinulle on muodostunut näkemys laivan kuljetuskoneiston valinnasta ja siihen vaikuttavasti tekijöistä. kirjallisuutta Häkkinen, P., Laivan koneistot, TKK laivalaboratorio, M-179, 1993, Otaniemi. Harrington, R., Marine Engineering, SNAME, 1992

2 2 Laivan koneiston valintaprosessi Laivan koneiston valintaprosessi on riippuvainen laivan kuljetustehtävän sisällöstä ja itse laivaratkaisusta. Esimerkiksi linjaliikennettä suorittavan laivan kuljetuskoneisto voidaan optimoida kyseeseen tulevalle reitille kun taas hakurahtiliikenteen ollessa kyseessä laivan koneistoratkaisu joudutaan perustamaan yleisiin teknis-taloudellisiin näkökohtiin. Valintaprosessi koostuu useasta osatehtävästä. Lähtökohtana on laivan tehtävän pohjalta muodostuva kuljetuskoneiston käyttöprofiili. Siinä kuvataan kuljetuskoneistolta vaadittava teho toisaalta eri merimatkan vaiheissa, kuten avomerellä, saaristossa, satama-alueella sekä toisaalta laivan eri kuljetustehtävän vaiheissa kuten lastissa ja painolastissa. Kuljetuskoneiston potkurin ja moottorin mitoitus suoritetaan valituissa toimintapisteissä. Laivan toiminta-pisteitä voivat olla esimerkiksi avovesi-, lasti-, painolastitilanne, sekä mahdollisesti jääajo ja hinaus. Laivan koneiston valintaprosessissa valitaan päämoottoriratkaisu, voimansiirtojärjestelmä ja propulsiolaite(et) ja niiden dimensiot. Lisäksi määritetään laivan sähkön ja höyryn tarve eli bilanssit. Lopuksi voidaan laskea laivan polttoaineenkulutus ja tarvittava polttoaineen määrä reserveineen ja tämän pohjalta määrittää vaadittava polttoaineen tankkikapasiteetit. Laivan yleisjärjestelyn suunnittelussa konehuoneen paikka päätetään, laaditaan konehuoneen tilasuunnitelma ja lasketaan painot sekä kustannukset. Maamme meriteollisuuden tuotteet ovat koneiston osalta teknisesti vaativia ja kustannuksiltaan muodostavat merkittävän osan laivan omakustannushinnasta (OKA). Viime aikoina koneiston ympäristövaikutukset: värähtely, melu ja koneiston päästöt, ovat muodostuneet myös keskeisiksi suunnittelukriteereiksi. Laivan koneiston valintakriteerit Laivan alkusuunnittelussa suoritetaan kuljetuskoneiston valinta ja konehuoneen sijoittaminen laivan yleisjärjestelyyn. Laivan konseptisuunnittelun opintojaksossa käsiteltiin kuljetuskoneiston komponenttien vaihtoehtoja. Kaikki vaihtoehdot eivät välttämättä aina tule kysymykseen laivaprojektissa. Oleellista on kuitenkin se, että suoritetaan useamman kuin yhden vaihtoehdon laivatekninen tarkastelu. Kuljetuskoneiston valintakriteerit voidaan ryhmitellä teknisiin, taloudellisiin ja käyttöön liittyviksi. Laivateknisinä kriteereinä kyseeseen tulevat: koneiston paino, tila ja kustannukset, joka sisältää sekä valmistus- että käyttökustannukset. Viime aikoina laivaturvallisuuteen liittyvät tekijät ovat saaneet myös suurempaa huomiota osakseen. Laivan tehtävästä lähtevä kuljetuskoneiston tekninen käytettävyys voi eräissä tapauksissa

3 3 olla merkittävä. Tällöin muuttujina on kuljetuskoneiston kuormitus, joka määrittää koneistolta vaadittavat tehoalueet moottorin eri pyörimisnopeuksilla. Lisäksi moottoriratkaisun tekniset tekijät kuten polttoaineen kulutus, tehon säädettävyys, melu, värähtely ja päästöt muodostavat merkittävän kokonaisuuden. Taloudellisia tekijöitä ovat koneiston hankinta- ja käyttökustannukset sekä huolto- että varaosakustannukset. Käyttöön liittyviä tekijöitä ovat suoraan koneiston operointiin liittyvät tekijät kuten miehistölle asetetut vaatimukset, luotettavuus-, turvallisuus- ja ympäristötekijät. Myös varustamon politiikka, joka perustuu saatuihin kokemuksiin koneiston käytettävyydestä on aina muodostanut merkittävän tekijän valinnassa, koska sen avulla pienennetään katastrofin mahdollisuutta. On aina pidettävä mielessä, että kauppalaivan koneiston vuotuinen käyttötuntimäärä voi olla 7000 tunnin luokkaa. Laiva, jonka kuljetuskoneisto on teknisesti epäluotettava, muodostaa turvallisuusriskin ja aiheuttaa taloudellisia menetyksiä varustamolle. Valtameriliikenteessä toimivan lastilaivan kuljetuskoneiston moottori toimii vakio teholla pitkän ajanjakson ja koneistoratkaisussa suositaan toimintavarmuutta ja alhaista poltto-aineen kulutusta. Tästä syystä hidaskäyntisellä dieselmoottorilla on horjumaton asema. Uudisrakennuslaivoissa 60 % on varustettu hidaskäyntisillä moottoreilla ja vastaavasti teholla mitattuna osuus on noin 80%. Toisaalta lyhyen merimatkan laivassa, jolla on runsaasti satamakäyntejä ja purjehtii osan matkaa saaristoväylällä, ajoprofiili on hyvin vaihteleva ja kuljetuskoneiston tehoalue vaihtelee voimakkaasti. Tällöin koneiston tehon säädettävyys on merkittävä tekijä ja keskinopea dieselmoottori monimoottoriasennuksena tarjoaa kilpailukykyisen vaihtoehdon. Moottorin lukumäärällä mitattuna keskinopeiden moottoreiden osuus on noin 40%. Höyry- ja kaasuturbiinien osuus on erittäin pieni ja rajoittuu lähinnä erikoissovellutuksiin. Viime aikoina yhdistelmäkoneistot ovat laajentaneet suosiotaan. Erityisesti dieselsähköinen järjestelmä, jossa keskinopeat dieselmoottorit pyörittävät sähkögeneraattoreita ja varsinaisena potkurimoottorina on sähkömoottori, on useassa laivaprojektissa vakavasti otettava vaihtoehto. Perinteisiä sovelluskohteita ovat jäänmurtajat, poralaivat ja kaapelinlaskulaivat.

4 4 höyryturbiini keskinopea dieselmoottori hidaskäyntinen diesel Kuva 1. Moottorivaihtoehtojen markkinaosuudet. (kuva on vanha) Ensimmäinen Suomessa valmistettu dieselsähköinen jäänmurtaja oli JM Sisu vuonna Sähköisessä potkurimoottorissa vääntömomentti kasvaa pyörimisnopeuden alentuessa, katso Kuva 2. Tämä estää potkurin pysähtymisen ja lapojen rikkoutumisen jäiden vaikutuksesta. Risteilylaivoissa voidaan hyödyntää dieselsähköisenjärjestelmää hotellipuolen sähkön kulutustarpeiden täyttämiseksi, jolloin erillisiä apukoneita ei tarvita. Aikaisemmin sähköjärjestelmät perustuivat tasavirtatekniikkaan AC, jonka valmistuskustannuksiltaan edullisempi vaihtovirtatekniikka DC on syrjäyttänyt. Q [%] 300 sähkömoottori 200 höyryturbiini höyrymäntäkone 100 dieselmoottori kaasuturbiini n [%] Kuva 2. Eri moottoreiden vääntömomentti pyörimisnopeuden funktiona.

5 5 Potkurin ja moottorin yhteensovittaminen Potkurin ja moottorin yhteensovittaminen (matching) vaatii lähtötiedot sekä propulsiolaitteesta että pääkoneesta. Se suoritetaan teho P pyörimisnopeus n diagrammilla, johon kuvataan moottorin kuormitusalue ja propulsiolaiteen ottama teho pyörimisnopeuden funktiona, katso Kuva 3. Kuvassa on esitetty pääkoneistoratkaisu, joka koostuu kahdesta keskinopeasta moottorista ja yhdestä potkurista. Painolastitilanteessa laivan syväyksen ollessa pieni on myös laivan hinausvastus alhainen ja siten tapauksessa riittää yhden moottorin antama teho. Sen sijaan lastitilanteessa on käytössä kaksi moottoria. teho P [%] 100 lastitilanne kaksi moottoria 50 painolastitilanne yksi moottori suhteellinen pyörimisnopeus n [%] Kuva 3. Kaksi moottorisen kuljetuskoneiston toimintapisteet lasti- ja painolastitilanteessa kun propulsiolaitteena on yksi kiinteäsiipinen potkuri. Kuvassa 4 on esitetty dieselmoottorin kuormitusalue moottorin tehon ja pyörimisnopeuden avulla. Moottorin ominaisuudet määrittävät käytettävissä olevan kuormitusalueen. Moottori optimoidaan lähelle nimellistehoa (MCR, maximum continuous rating), joka on korkein jatkuvaan käyttöön soveltuva teho. Se sijaitsee kuvion oikeassa yläkulmassa ja tällöin niin tehon kuin pyörimisnopeuden suhteellinen arvo on 100 %. Toimintapistettä kutsutaan CSR:ksi (continuous service rating) ja sen tehoarvo on noin 85 % MCR:stä.

6 6 Kuva 4. Tyypillinen keskinopean ahdetun dieselmoottorin käytettävissä oleva kuormitusalue ja siinä esitetyt polttoaineen ominaiskulutuksen tasa-arvokäyrät. Laivan hinausvastus laivan nopeuden funktiona eri käyttötilanteissa (lasti, painolasti, jää-ajo sekä koematka) ja potkurin ominaisuutta kuvaavat vääntömomentti, työntö- ja hyötysuhdekäyrät muodostavat lähtöaineiston, jonka avulla potkurikäyrä muodostetaan. Kuvassa 5 on esitetty potkurin ottama teho laivan nopeuden funktiona. Nopeilla aluksilla potkurikäyrässä voi olla voimakas kynnys eli hump-alue johtuen aluksen vastuskäyrän muodosta. teho P 100 % MCR CSR koematkatilanne käyttötilanne koematka laivan nopeus v 100 % Kuva 5. Laivan potkurin vaatima teho nopeuden funktiona. Kuvassa on esitetty sekä käyttöettä koematkatilanne. Kiinteäsiipisen potkurin vaatima teho on verrannollinen pyörimisnopeuden 3. potenssiin. Tällöin voidaan potkurin vaatima teho esittää potkuriakselin pyörimisnopeuden funktiona,

7 7 katso kuva 6. Kuvassa on myös esitetty moottorin tehoalueen verhokäyrä, jonka määrittää moottorin tekniset ominaisuudet. teho P 100 % MCR CSR koematka moottorin toiminta-alue käyttötilanne koematka pyörimisnopeus n n (MCR) 100 % Kuva 6. Potkurin ja moottorin kuvaus eli P-n-käyrästö. Propulsiolaitteet Laivassa yleisimmin käytettävä propulsiolaite on kiinteäsiipinen (FP) tai säätösiipinen (CP) potkuri. CP-potkurin edut ovat seuraavat: - portaaton ja nopea tehonsäätö eteen- ja taaksepäin, - ohjailukyky hyvä, - mahdollisuus vakiopyörimisnopeuteen, jolloin akseligeneraattoria voidaan käyttää - erikoisia siipiratkaisuja, koska potkurit pyörivät yhteen suuntaan. CP-potkurin haitat ovat seuraavat: - potkurin hinta ja tekninen monimutkaisuus, - hyötysuhde alhaisempi - peruutuksessa työntö alhainen. Viime aikoina ovat potkurilaitteet yleistyneet muissakin laivoissa kuin hinaajissa. Laitteen etuna on, että potkurin työntö voidaan suunnata 360 astetta, koska potkurilaite on yläpäästä laakeroitu runkoon. Potkurilaitteen propulsiohyötysuhde on osoittautunut paremmaksi kuin normaalilla potkurijärjestelmällä. Esimerkiksi Fantasy-luokan risteilijässä hyötysuhteen parannus oli kahdeksan prosenttia. Potkurilaitteessa voidaan käyttää mekaanista tai

8 8 sähköistä voimansiirtoratkaisua. Nopeissa aluksissa on suosiota kasvattanut vesisuihkupropulsio, jonka hyötysuhde paranee nopeuden funktiona. Sen ohjailukyky on hyvä, ja laite on hyvin suojattu mekaanisesti pohjakosketukselta. Laivan koneistovalinnan esimerkkejä Valtameriliikenteessä olevan monikäyttöinen lastilaivan M.S. Hoegh Dene, katso kuva 7, päämitat ovat: L OA = m, B = m ja T max = 9.14/12.00 m. Aluksen kantavuus on / tonnia ja nopeus 16.4 solmua. Alus on rakennettu Turussa vuonna Kuva 7. Monikäyttöinen lastilaiva M.S. Hoegh Dene Konehuone on sijoitettu laivan peräosaan, katso Kuva 8, jolloin sen viemä tila lastiruumasta on mahdollisimman pieni. Kuljetuskoneisto muodostuu kiinteäsiipiseen potkuriin suoraankytketystä hidaskäyntisestä pitkäiskuisesta 4-sylinterisestä dieselmoottorista tyyppiä Wärtsilä Sulzer 4 RLB90, jonka teho on 10 MW pyörimisnopeudella 90 rpm. Kuljetuskoneistoratkaisu on yksinkertainen ja luotettava. Moottorin polttoainekulutus on alhainen. Pieni sylintereiden lukumäärä helpottaa myös huoltoa, mutta on muistettava, että 4- ja 5- sylinteristen koneiden tasapainotus on ongelmallinen ja sen seurauksena saattaa laivassa esiintyä värähtelyongelmia. Ongelma johtaa helposti teknisesti vaativiin ulkoisiin tasapainoituslaitteisiin, joiden käyttövarmuudessa on esiintynyt ongelmia.

9 9 Kuva 8. MS Hoegh Denen konehuone. Itämeren matkusta-autolautta M.S. Wellamon bruttovetoisuus GT on ja päämitat: L OA = m, B = m, T max = 6.50 m ja nopeus 22 solmua. Kuljetuskoneisto muodostuu neljästä päämoottorista yhteisteholtaan kw ja kahdesta CP-potkurista. Yhteen potkuriakseliin on alennusvaihteen välityksellä kytketty siten kaksi keskinopeaa dieselmoottoria. Päämoottorin tyyppi on Wärtsilä-SEMT-Pielstick 12 PC2-6V, jonka teho on 6600 kw. Sähköenergia tuotetaan erillisillä apukoneilla. Kuva 9. MS Wellamon sivukuva. Lisäksi kaksi potkuriratkaisu parantaa ohjailua. Turun ja Tukholman välisellä reitillä osatehojen käyttö on runsasta, katso kuva 10, joten käynnissä olevien päämoottoreiden lukumäärä vaihtelee. Kuljetuskoneistoratkaisulle on ominaista 22 solmun nopeuden vaatima suuri moottoriteho ja autokannen rajoittama konehuoneen korkeus. Kuvassa 11 on esitetty konehuoneleikkaukset. Laivalla on jääluokka 1A, mutta jääsääntöjen asettama kuljetuskoneiston tehovaatimus on alhaisempi kuin avovesinopeuden vaatima.

10 10 teho % ajo kahdella moottorilla ajo neljällä moottorilla Kuva 10. MS Wellamon ajoprofiili Turun ja Tukholman reitillä. Edestakaisen matkan kesto on 24 tuntia. Talviolosuhteissa tehotaso on noin 5 % suurempi. Kuva 11. MS Wellamon konehuoneen pitkittäis- ja poikittaisleikkaus. Kuvassa 12 on esitetty nykyaikaisen RoPax-laivan kuljetuskoneiston eri vaihtoehtoja. Perinteinen alennusvaiheella varustettu mekaaninen voiman välitys on kustannuksiltaan pienin. CP-potkuri antaa hyvän mahdollisuuden satamaoperointiin ja osatehojen käyttöön. Diesel-sähköinen voiman siirto ja siihen liittyvä voimalaitoskäyttö on hankintahinnaltaan kalliimpi, mutta tarjoaa edullisesti tuotettua sähköenergiaa hotelli kulutukseen. POD-laitteistolla varustettu kuljetuskoneisto antaa lisätilaa lastille ja lisäksi POD-laitteisto korvaa

11 11 peräsimet. Lisäksi POD-propulsiolaitteen kokonaishyötysuhde on noin 8 % parempi kuin perinteisen potkurijärjestelmän. Kuva 12. Nykyaikaisen Ro-Ro-laivan kuljetuskoneiston kolme vaihtoehtoa. (NA Feb. 1999) Energia ja laiva Laivakaupassa laivan energian kulutus on keskeinen tekijä, varsinkin matkustajalaivoissa. Kuvassa 13 on esitetty erään risteilijän tehon kulutus. Päämoottorin vaatima teho on 27,86 MW ja antama vastaava 11,5 kw eli hyötysuhde on 41,3%. Havaitaan, että aputehon määrä on noin 40% päämoottoreiden antamasta tehosta. Apukoneiston hyötysuhde on 39,6%. Pakokaasukattilat ottavat talteen noin 15% moottoreiden tehosta. Taivaalle kulkeutuu noin 15 % moottoreiden tehosta.

12 12 1,82 MW 3,97 MW 1,93 MW 4,485 MW 0,97 MW 4,25 MW GE 10,74 MW 4,37 MW 1,15 MW AE 11,50 MW 27,86 MW 2,93MW 3,03 MW 1,40 MW Kuva 13. Risteilijän tehon kulutus. Yhteenveto Laivan koneiston osuus laivan omakustanusarvosta (OKA) on huomattavan suuri. Varustamon kannalta suurin osa laivan käyttömenoista kytkeytyy laivan koneistoihin. Koneiston pääratkaisut tehdään alkusuunnittelussa laivanrakentajan toimesta ja kaikki moottorivaihtoehdot on tarkasteltava. Laivatyypillä ja sen käyttöprofiililla on keskeinen vaikutus ratkaisuihin. Dieselmoottorilla ja potkuripropulsiolaitteella on valta-asema. Sähköinen voimansiirto voittamassa alaa. Kaasuturbiinit ovat risteilylaivoissa ja nopeissa aluksissa merkittävä vaihtoehto, mutta kaasuturbiinin yhteydessä on aina pidettävä mielessä korkeammat polttoainekustannukset. Ympäristötekijöiden vaatimukset ovat jatkuvasti tiukentuneet, jonka seurauksena melu-, värähtely- ja päästötasoihin on jouduttu kiinnittämään erityistä huomiota.