. Posibilitatea de Trecere de la Instalatiile Hidraulice

Cuprins:

Capitolul 1:

Generalități…………………………………………………………………………….pag.1

Structura sistemului automat complex…………………………………………………pag.2

Structura acționării electrice automatizate a cârmei și a sistemului automat de guvernare a navei……………………………………………………………………………………pag.5

Obiectele comandate……………………………………………………………………pag.6

Cârma ca obiect comandat……………………………………………………………..pag.7

Mașina de cârmă acționată electric…………………………………………………….pag.8

Ecuația forțelor ce acționează asupra cârmei…………………………………………..pag.9

Ecuația momentelor la echea cârmei……………………………………………………pag.10

Nava ca obiect comandat……………………………………………………………….pag.13

Ecuațiile generale de mișcare a navei……………………………………………….pag.16

Capitolul 2: Elemente constructive de bază ale acționării electrice automatizate a cârmei

2.1. Generalități……………………………………………………………………………..pag.19

2.2. Mecanismul de transmisie mecanic…………………………………………………….pag.19

2.3. Mecanismul de transmisie hidraulic……………………………………………………pag.20

2.4. Mașina de cârmă cu pompă cu debit reglabil…………………………………………..pag.22

2.5. Ecuația forțelor și momentelor mașinii de cârmă hidraulice……………………………pag.25

2.6. Cerințele principale impuse acționării electrice a cârmei………………………………pag.26

2.7. Sisteme de comandă de la distanță cu grup generator-motor……………………………pag.27

2.8. Sisteme de comandă de la distanță cu relee și contactoare……………………………..pag.29

Capitolul 3: Aplicație specială: – exemplul unei instalații de guvernare (mașina de cârmă)

obținute în urma unui stagiu de pregătire și documentare în cadrul firmei Eekels Romania.

Capitolul 4: Memoriul de calcul și exemplul unei soluții de modernizare a instalației de cârmă

Electrohidraulice prezentată în Capitolul 3.

89 pagini

=== cap 2 ===

Capitolul 2

2.Elementele constructive de bază ale acționării

electrice automatizate a cârmei

2.1.Generalități

La proiectarea și construcția acționării electrice a cârmei și a sistemului automat de guvernare a navei, este necesar să se folosească principiul modulării. Fiecare modul sau bloc și fiecare element funcțional trebuie proiectat astfel încât să asigure simplitatea legăturilor dintre elemente și interschimbabilitatea comodă a acestora.

Pentru alegerea și calculul acționării electrice a cârmei și a sistemelor automate de guvernare, este necesar să se cunoască caracteristicile statice și dinamice ale diverselor elemente. În acest paragraf se vor prezenta elementele constructive de bază ale acționării electrice automatizate a cârmei. Pe baza analizei caracteristicilor statice și dinamice ale elementelor se pot obține ecuațiile diferențiale, cu ajutorul cărora se descriu procesele fizice care au loc în diverse elemente. Descrierea matematică a proceselor fizice este legată de idealizarea fenomenelor studiate, considerându-se numai legăturile esențiale din modul sau element. Prin transformarea ecuațiilor diferențiale, pot fi obținute funcțiile de transfer care stabilesc legătura dintre mărimile de intrare și de cele de ieșire și se oferă posibilitatea studierii sistemului în ansamblu.

2.2.Mecanismul de transmisie mecanic

Mecanismul de transmisie asigură legătura dintre servomotorul cârmei și cârmă (figura nr. 2.1) și de obicei se execută cu transmisie șurub melc – roată melcată și cu sector.

Mecanismul din figura nr. 2.1 se compune din sectorul 4, angrenajul melcat 7 și roata dințată 6, care se găsește pe același ax cu roata angrenajului melcat, frâna de mână 2 și axiometrul 8. Sectorul dințat este liber pe arborele cârmei și este legat de echea 3, prin intermediul arcurilor 5, destinate să amortizeze șocurile. Echea este fixată solidar de arborele cârmei. Avantajele transmisiei cu sector constau în simplitatea și robustețea lor, iar dezavantajele sut masa mare și dimensiunile mari pe orizontală.

Randamentul general al transmisiei este în limitele 0,4 – 0,5, iar puterea motorului de antrenare nu depășește 70 kw.

Figura nr. 2.1

Mecanismul de transmisie cu transmisie mecanică

Dacă se neglijează influența jocurilor, deformațiile elastice și momentul de inerție, atunci mecanismul de transmisie se poate considera ca fiind o verigă proporțională cu coeficientul de amplificare determinat de raportul de transmisie total .

Funcția de transfer a transmisiei mecanice este:

(2.1)

Cuplul de sarcină la axul motorului este:

(2.2)

în care: este cuplul la eche; η – randamentul total al mecanismului de transmisie.

2.3.Mecanismul de transmisie hidraulic.

Creșterea tonajului navelor a dus la creșterea în semnată a cuplurilor la echea cârmei, fapt care a dus la creșterea puterii mașinilor de cârmă, precum și a dimensiunilor și maselor mașinilor existente. Din cauza randamentului scăzut al transmisiilor mecanice, a crescut, de asemenea, puterea motorului electric de acționare. Toate acestea au dus la construirea unui tip mult mai rațional de mașini de cârmă și anume al mașinilor de cârmă cu transmisie hidraulică.

Introducerea mașinilor de cârmă hidraulice a permis să se micșoreze gabaritele și masa acționărilor electrice a cârmei datorită utilizării uleiului la presiuni înalte și datorită unui randament mărit al mecanismului de transmitere în ansamblu. În plus, ele pot funcționa și în compartiment inundat.

În prezent sunt construite mașini hidraulice cu piston și cu palete care realizează o mișcare de avans și respectiv de rotație. În funție de felul cuplajului dintre piston și eche, mașinile hidraulice cu piston sunt de două tipuri : rigide și articulate, ultimele asigurând o fiabilitate mărită a mașinilor de cârmă. Dezavantajul mașnilor cu articulații constă în faptul că în jurul echei este necesar să existe spațiu pentru cilindri.

Mașinile cu piston, în funcție de cuplul la eche și de viteza de deplasare a cârmei, pot fi cu doi sau patru cilindri și pot să aibă pompă cu debit constant sau reglabil. Mașinile pot avea cilindrii amplasați paralel sau perpendicular pe axa navei. Când amplasarea este paralelă, numărul de cilindri ajunge la patru. Un asemenea tip de mașină se utilizează la navele mari și de obicei are două pompe hidraulice independente (una principală și una de rezervă), care lucrează separat pe câte o pereche de cilindri.

Masa mașinilor hidraulice cu piston raportată la momentul la eche este în limitele 20…40kg/kNm. Raportul dintre lungimea mașinii și lățime este de ordinul 0,6…1,1.

În general orice mașină hidraulică cu piston (figura nr 2.2 (3.17)) este alcătuită din următoarele elemente: acționarea echei 4 ; două pompe 1 ; mortorul de antrenare a pompei 2 ; caseta cu supape 12 și tubulatura. Echea 8, fixată de capul arborelui de cârmă 7, se rotește în jurul axei, la mișcarea pistoanelor 5 în cilindrii 3. Mișcarea pistoanelor se produce datorită presiunii uleiului pompat în cei doi cilindri amplasați pe diagonală. Pentru mărirea rigidității, nașina este prevăzută cu traversele 9.

Figura nr. 2.2

Mașina hidraulică cu piston

La mișcarea pistoanelor, articulațiile 6 se rotesc liber în jurul axelor proprii și în același timp glisează de-a lungul ghidajelor 11. Pentru eliberarea pistoanelor de eforturile transversale, care apar în timpul funcționării mașinii, se folosesc manșoanele de ghidare 10, prin care eforturile transversale se transmit la ghidajele 11.

2.4.Mașina de cârmă cu pompă cu debit reglabil

În figura nr. 2.3(3.18) este prezentată schema de principiu a mașinii de cârmă cu pompă cu debit reglabil, care constă din următoarele părți componente : acționarea electrică a echei 3 ; pompa 1 ; motorul electric al pompei 2 ; tubulatura și caseta cu robinete 4. La aplicarea semnalului de comandă la servomecanismul SM, uleiul pătrunde în cilindrii mașinii hidraulice. Una din direcțiile posibile ale circulației uleiului (pentru deplasarea cârmei în stânga) este reprezentată pe desen cu săgeți. Pompa care scoate uleiul dintr-o pereche de cilindri și îl introduce în cealaltă pereche face ca în aceasta din urmă să apară o supratensiune, care deplasează pistoanele astfel încât echea cârmei să se rotească în mod corespunzător către stânga. În regim normal de lucru bandarea cârmei se asigură de către o singură pompă. A doua pompă asigură o rezervă de 100%. Când este nevoie de o manevră rapidă, de exemplu la manevre în locuri aglomerate, se pun în funcțiune ambele pompe.

Figura nr.2.3

Schema de principiu a mașinii de cârmă cu pompă cu debit reglabil

Pompa hidraulică cu debit reglabil (figura nr.2.4(3.19)) constă din : pompa principală cu debit reglabil 4; pompa cu roți dințate 6 ; sertarul 1 ; cilindrii de forță 2 , care împreună cu transmisia prin pârghii constitue amplificatorul hidraulic al pompei ; dispozitivul de aducere la zero ; sistemul de supape care constă din două supape de alimentare 10, supapa de scurgere 9, supapa de siguranță 8 și filtrul 7.

Figura nr.2.3

Pompa hidraulică cu debit reglabil

Pompa cu roți dințate are rolul de a completa scurgerile de ulei din spațiul închis al pompei. Această pompă, antrenată de axul principal al pompei printr-o transmisie cu roți cilindrice, preia uleiul din corpul pompei principale și-l trimite printr-un filtru și două robinete de alimentare în tubulatura principală a pompei și în canalul de comandă al amplificatorului hidraulic. Axul de antrenare 3 rotește blocul cilindrilor pompei principale 4. La aplicarea semnalului de comandă la mecanismul de execuție ME (), acesta deplasează sertarul amplificatorului hidraulic 1. Ca urmare a acestei deplasări, se deschide admisia uleiului într-unul din cilindrii de forță 2 ai leagănului pompei 4. Prin urmare, leagănul pompei se rotește cu un anumit unghi , ceea ce determină variația debitului pompei principale care trimite uleiul în cilindrii de forță ai mașinii hidraulice. În același timp, prin intermediul transmisiei cu pârghii se realizează legătura inversă rigidă și, prin urmare, deplasarea sertarului 1 va fi egală cu suma algebrică a deplasării dată de ME și a celei dată de leagănul pompei 4.

Procesul de urmărire a deplasării ME de către leagănul pompei este continuu și foarte rapid, datorită constantei de timp mici a amplificatorului hidraulic.

Comanda de avarie a pompei se poate asigura manual printr-o transmisie cu roți dințate și printr-un sector dințat fixat pe leagănul pompei. Pentru aducerea leagănului pompei în poziția de zero, la deconectarea pompei, este utilizat dispozitivul de aducere la zero 5. Aducerea leagănului la zero are ca efect micșorarea cuplurilor și curenților de pornire la următoarea pornire a pompei.

2.5.Ecuația forțelor și momentelor mașinii de cârmă hidraulice

Să analizăm forțele care apar într-o mașină hidraulică cu articulație liniară la bandarea cârmei cu un anumit unghi α (figura nr.2.4). Introducem următoarele notații : – forța de presiune a echei asupra pistonului care apare datorită presiunii apei asupra cârmei ; – forța orizontală de reacție ; – forța de presiune asupra pistonului într-o pereche de cilindri ; – forța de presiune în cilindri ; – forța de frecare în garniturile cilindrilor ; α = 4…6º – unghiul de frecare al transmisiei articulate.

Plecând de la ecuația de echilibru a sistemului de forțe, după o serie de transformări, se obține următoarea expresie care determină forța de presiune a uleiului asupra pistonului.

Figura nr.2.4

Schema mașinii hidraulice cu articulație liniară

(2.3)

în care este numărul de perechi de cilindri.

În calcule, apare necesitatea determinării presiunii specifice a uleiului în cilindri aceasta fiind cea mai comodă mărime pentru alegerea pompei, tubulaturii și a altor elemente :

(2.4)

unde : S este suprafața pistonului ; D – diametrul pistonului.

Forța de presiune a echei asupra pistonului la bandarea penei cârmei cu unghiul α este:

(2.5)

unde : – este cuplul la eche, la bandarea cârmei cu unghiul α ; – distanța de la xul pistonului ;

– coeficient care ține seama de pierderile din frecare în lagărele echei.

Forța de frecare în garniturile cilindrilor se determină cu ajotorul formulei lui V.A. Miheev :

(2.6)

în care : C – este înălțimea de umplere ; f – coeficient de frecare (f=0.2 la umpleri normale și f=0.07… 0.13 la manșoane din piele). Înălțimea de umplere în funcție de diametrul pistonului variază între limitele 0.07…0.2m.

Utilizând expresiile (2.3), (2.4) și (2.5) după o serie de transformări obținem valoarea presiunii specifice în cilindri :

(2.7)

unde : reprezintă randamentele pistonului echei și respectiv randamentul total al transmisiei, iar – coeficientul articulației. Aceste randamente se pot calcula cu expresiile :

2.6.Cerințele principale impuse acționării electrice a cârmei

La proiectarea acționării electrice automatizate a cârmei și a sistemelor de comandă de la distanță și de urmărire este necesar să se țină seama de cerințele care se impun, avându-se în vedere particularitățile obiectelor comandate — nava și cîrma.

Sistemele de comandă de la distanță și de urmărire trebuie să aibă o fiabilitate ridicată. Acționarea electrică a cârmei trebuie să asigure:

a) învingerea momentelor care apar la bandarea cârmei și la pornirea
motorului ;

b) bandarea cârmei dintr-un bord în altul în timpul prescris de registru.
După RNR acest timp trebuie să fie de maximum 28 s pentru bandarea cârmei
de la un unghi α = 35° dintr-un bord la un unghi α = 30° în celălalt bord,
la viteză maximă a navei pe drum înainte;

c) acționarea trebuie să poată fi conectată de 350 ori pe oră pentru a roti
alternativ cîrma cu 5° într-un bord și în celălalt;

d) limitarea cuplului motorului până la valoarea corespunzătoare opririi
acestuia sub tensiune în cazul blocării cârmei sau al unei sarcini foarte mari la
eche și trecerea imediată a motorului pe caracteristica naturală la dispariția
suprasarcinii. Motoarele acționărilor cârmei trebuie să permită o suprasarcină
a cuplului cel puțin egală cu 1,5 ori valoarea nominală, timp de 1 min.

În procesul de comandă trebuie să se asigure revenirea automată, în poziție neutră, la ieșirea din funcțiune a sistemului de comandă.

La toate posturile de comandă trebuie să se prevadă semnalizări pentru: prezența tensiunii de alimentare, apariția unei suprasarcini, deconectarea alimentării motorului de acționare etc.

În cazul defectării unui sistem de comandă de la distanță sau de urmărire este necesar să se poată trece repede la comanda manuală.

2.7.Sistem de comandă de la distanță cu grup generator-motor

Elemente componente. Schema de principiu a comenzii de la distanță cu grup generator —motor este prezentată în (figura nr. 2.5). Schema conține: motor asincron cu rotor în scurtcircuit MA ; pornitor magnetic PM; servomotor reversibil pentru acționarea cârmei SM cu înfășurare de excitație separată Exsep; generatorul G cu înfășurarea de excitație serie Exs și înfășurarea de excitație derivație Exd; posturi de comandă cu controlerul de comandă b acționat manual, reostat de reglare a curentului de excitație din înfășurarea de excitație separată a generatorului R1—R4; trei lămpi de semnalizare hr ha și hv (roșie, albă și verde) pentru indicarea poziției penei cârmei; comutatorul posturilor de comandă cu nouă contacte b0; excitarea Ex pentru alimentarea circuitelor de excitație a generatorului; reostatul de câmp al excitării Re, reostatul de cîmp al servomotorului Rsm.

Figura nr. 2.5 – grup generator-motor

Descrierea funcționării. Comanda servomotorului se asigură prin variația curentului în înfășurarea de excitație separată a generatorului, atât după mărime, cât și după sens, cu ajutorul controlerului de comandă b. Punând controlerul pe una din pozițiile 1, 2, 3 sau 4 se obține o anumită viteză de bandare a penei cârmei. Schema prevede limitarea unghiurilor de cârmă cu ajutorul limitatoarelor de cursă bc1 și bc2, o protecție de tensiune minimă în circuitul MA și de asemenea, o protecție la scurtcircuit în același circuit.

Limitarea cuplului servomotorului SM până la oprirea sa definitivă sub tensiune și de asemenea, trecerea automată pe caracteristica mecanică naturală, după dispariția suprasarcinii, se realizează cu ajutorul efectului demagnetizant al înfășurării de excitație serie a generatorului. La pierderea alimentării, servomotorul trece în regim de generator și apoi în regim de frânare dinamică, pînă la oprirea definitivă, fapt care elimină necesitatea frânelor mecanice.

Maneta controlerului de comandă este prevăzută cu arc de revenire în poziție de zero.

Comutarea posturilor se face simplu cu ajutorul comutatorului b0.

2.8.Sisteme de comandă de la distanță cu relee și contactoare

La alimentarea de la rețeaua de curent alternativ trifazat, în sistemele de comandă de la distanță se pot folosi motoare asincrone cu alunecare mărită cu una sau mai multe trepte de viteză (la puteri de la 8 la 10 kW) și motoare asincrone cu rotor bobinat (la puteri mai mari de 10 kW). Schema de comandă a motorului depinde în mare măsură de posibilitatea frânării. Datorită numărului mare de conectări, utilizarea frânelor mecanice nu asigură fiabilitatea necesară și de aceea se utilizează frecvent frânarea prin recuperare și cea dinamică. La motoarele asincrone cu două trepte de viteză se recomandă frânarea prin recuperare la turații mari, iar apoi de la turații mai mici decât cea nominală până la oprirea definitivă — frânarea dinamică. Trebuie menționat însă, faptul că în cazul frânării dinamice apar șocuri mari de curent și variații bruște ale cuplului, fapt care limitează puterea acționării cârmei cu motor de curent alternativ.

Pentru motoarele asincrone cu mai multe trepte de turație, în cazul în care fiecare înfășurare este conectată separat, apare o uzură considerabilă a părții mecanice a acționării, ca urmare a cuplurilor mari ce apar la frânarea prin recuperare. În afară de aceasta, valorile mari ale curenților de pornire au efecte nefavorabile asupra instalației electroenergetice. Pentru eliminarea acestor fenomene este necesar ca înfășurările motorului cu mai multe trepte de turație, în timpul pornirii și în timpul frânării prin recuperare, să fie conectate în serie. În acest caz se limitează atât curenții de pornire, cât și cuplurile și curenții de frânare.

În (figura nr. 2.6) sunt prezentate caracteristicile mecanice ale unui motor cu două trepte de viteză care funcționează cu înfășurările în serie și opoziție (curba 1) și cu o singură înfășurare cea de putere mică (curba 2) .În (figura nr. 2.7) este prezentat un exemplu de conectare a unui motor cu cele două înfășurări legate în serie, cu alimentare directă de la generatorul sincron al navei.

Figura nr.2.6

Caracteristicile mecanice ale unui motor cu două trepte de viteze

Din compararea curbelor 1 și 2 se vede că la conectarea în serie a înfășurărilor de turație mare ITM, și de turație mică ITm, are loc o micșorare însemnată a cuplului de frânare. Prin conectarea rezistenței de șuntare Rs în circuitul înfășurării de turație mare se poate varia în limite largi cuplul de frânare.

La conectarea în serie a înfășurărilor, are loc scurtcircuitarea înfășurării care nu funcționează. Acest lucru este valabil numai dacă la bornele acestei înfășurări lipsește t.e.m. sau aceasta este atât de mică încât prin scurtcircuitarea de scurtă durată, nu apar curenți mari.

Cercetările au arătat că apariția t.e.m. la bornele înfășurării care se găsește în câmpul rotitor al celelaltei înfășurări, depinde de raportul dintre numărul de poli ai celor două înfășurări, precum și de tipul înfășurării care se găsește în câmpul rotitor al celeilalte.

Asupra înfășurării simetrice într-un singur strat sau în două straturi, cu un număr întreg de crestături pe pol și fază, poate să acționeze numai un câmp rotitor al cărui număr de poli, raportat la numărul de poli ai înfășurării dă un număr întreg impar. Dacă înfășurarea se găsește în câmpul rotitor al înfășurării ITm este necesar ca raportul dintre numărul de poli ai înfășurărilor ITM și ITm să fie un număr impar. În acest caz, asupra înfășurării ITM va acționa atât câmpul principal, cât și toate armonicele impare produse de înfășurarea ITm. La conectarea la rețea a înfășurării ITM asupra înfășurării ITM vor acționa numai armonicele superioare ale câmpului produs de înfășurarea ITM, al cărei număr de poli este raportat la numărul de poli ai înfășurării ITm, așa cum s-a arătat mai sus.

Prin acțiunea, asupra înfășurării, a unui câmp, al cărui număr de poli este mai mare de 3, 9, 15 etc. ori decât cel al înfășurării, în aceasta se vor induce t.e.m care vor coincide ca valoare și fază cu tensiunea de la bornele motorului. La un scurtcircuit între bornele exterioare ale fazelor conectate în stea nu va circula curent în înfășurare. Dacă însă se va conecta începutul și sfârșitul fiecărei faze, atunci apare curent pe faze. De aceea, la conectarea în serie a înfășurărilor, înfășurarea ITM se va amplasa de partea cealaltă a cablurilor de alimentare pentru a putea permite scurtcircuitarea bornelor, neputându-se scurtcircuita însă fiecare fază separat.

Figura nr. 2.7

Schema cu relee și contactoare pentru comanda unui motor cu două trepte de viteză

cu conectarea în serie a înfășurărilor și alimentare directă de la generator

Schema prezentată în (figura nr. 2.7) are particularitatea că alimentarea motorului instalației de cârmă se face direct de la generatorul G S, cuplându-se în același timp și transformatorul de curent.

În regim normal, alimentarea motorului se face prin rezistența de șuntare Rs. La scurtcircuit motorul primește alimentare prin transformatorul de curent. În acest fel, chiar și în cazul unor scurtcircuite de scurtă durată în rețeaua de curent alternativ a navei, se asigură funcționarea neântreruptă a acționării cîrmei.

=== cap 3 ===

CAPITOLUL 3

Aplicație specială:

-exemplu unei instalații de guvernare (mașină de cârmă)

obținute în urma unui stagiu de pregătire și documentare în cadrul firmei Eekels Romania.

Tipul navei pe care s-a montat instalația de guvernare: – petrolier de coastă;

Tipul mașinii de cârmă instalate: – 2C – 1L – ZK – 160 / 85 x 800 – 35° (60°);

Clasa instalației: LRS (Large Rudder System);

Principalele dimensiuni ale navei: – 70 x 14 x 5.75 m;

Diametrul elicei: – 3500 mm;

Puterea instalației de propulsie: – 2400 kW;

Viteza de croazieră a navei: – 12.5 noduri;

aa

=== cap 4 ===

Capitolul 4

4.Memoriu de calcul

4.1. Justificare a calculului și exemplul unei soluții software de modernizare a instalației de cârmă electrohidraulice prezentată în capitolul anterior.

După cum se știe în capitolul anterior am prezentat un exemplu de instalație de guvernare realizată și instalată la bordul unui petrolier de coastă în cadrul Șantierului Naval Damen Bergum Galați.

În cele ce urmează voi prezenta un exemplu de calcul al unei instalații de cârmă menită a fi o alternativă viabilă celei prezentate mai sus, cu o mare deosebire față de aceea și anume faptul că va fi în întregime o instalație de guvernare electrică.

Ca și în cadrul celei electrohidraulice prevăzută cu o rezervă și această alternativă pur electrică va avea o rezervă pentru ai asigura o fiabilitate cel puțin egală cu predecesoarea sa.

Marele câștig față de instalația de guvernare electrohidraulică va fi reducerea spațiului necesar pentru mașina de cârmă in corpul navei, precum și o reducere substanțială a masei totale a instalației in urma amplasării noii variante a instalației de guvernare.

Imediatele beneficii ale acestei modernizări sunt mărirea spațiului alocat mărfurilor reducerea costurilor de întreținere, reducerea volumului de piese necesare a fi depozitate la bordul navei în vederea folosirii lor în cazul apariției unei defecțiuni și nu în ultimul rând numărul redus de personal calificat dublat de o diagnostică și o reglare superioară asigurată în urma conectării noii instalații la computerul de bord al navei. Această conectare permite vizualizarea in timp „live” a parametrilor mașinii împreună cu cei ai motoarelor care vor asigura acționarea cârmei precum și evitarea producerii unor avarii prin protecțiile de tip software care se vor îngloba în programul de comandă al instalației, protecții care în caz de nevoie vor „trece” peste decizia pilotului (over-ride) dacă această decizie duce spre producerea unui eveniment nedorit în timpul marșului.

De asemenea prin noua instalație de cârmă se realizează o interconectare a intregului sistem de guvernare prin computerul de bord al navei la o altă instalație foarte importantă ca funcție în ierarhia instalațiilor de la bordul navei și anume instalația radar și de poziționare globală a navei prin satelit (GPS) permițându-se corectarea cursului navei prin comandă asistată de la distanță și urmărirea traseului navei în raport cu șenalele navigabile și navele aflate în zonă.

Am considerat următoarele date ca fiind cunoscute:

– cuplul maxim la eche

– unghiul maxim de bandare al cârmei

– cuplul maxim folosit la bandarea cârmei

– timpul de bandare al cârmei dintr-un bord în celălalt la marșul înainte

i=2242 – raportul de transmisie total

– randamentul total

– momentul de inerție al acționării raportat la axul motorului

– timpul de accelerare respectiv de frânare

Diagramele mișcării

– egalitatea cuplurilor de accelerare respectiv de frânare

Diagrama cuplurilor calculate

Pentru acționarea cârmei am optat pentru un motor asincron cu 8 poli, deci un motor de turație mică.

Din catalog am ales motorul cu următoarele date tehnice:

– puterea nominală

– turația nominală

– cuplul nominal

– curentul nominal

-factorul de putere

– randamentul

– raportul dintre curentul de pornire (de demaraj) și curentul nominal

– raportul dintre cuplul de pornire și cuplul nominal

– raportul dintre cuplul maxim și cuplul nominal

Puterea aparentă nominală=6.6kVA

– momentul de inerție

Masa motorului=53.9kg

4.2.Sistem de acționare în poziție cu mașina de curent continuu după o traictorie

Schema logică a programului:

un

pn omn

etan mn

tn ra

tm J

krez mr

tsig

tsom

alf

tf

Kr1, ti1

Kr, ti

com

md

3

N Y

mm(k) mm(k+1)

om(k)

mes(k) om(k+1)

mm(k) mm(k+1)

mes(k)

om(k) om(k+1)

alma(k) alma(k+1)

om(k)

do(k) eps0(k+2) dop(k+1)

omr(k)

(-)

alma(k)

eps(1) do1(k+1)

alfa(k)

mm(k)+dop(k) mf(k+1)

mr omf(k+1)

omf(k) omr(k+1)

alfa(k) alfa(k+1)

omf(k)

mf(k) mes(k+1)

J

mes(k) dmes

Catre 3

Textul programului:

#include <stdio.h>

#include <stdio.h>

#include <conio.h>

#include <math.h>

#include <dos.h>

#include <graphics.h>

#define t 0.00001 //perioada de esantionare

//*************************************************************************

void main()

{

float pi=3.14,kfin,j,ra,omn,omax,in,mn,tt=0.,mr=0.,mr1,mr2,mr3,md;

double mm[2],om[2],al[2],c1,c2,c11,c12,tf2,tf3,tt2,tt3,ak,scala;

double ia,wutil,wrip,rkfin,wtot,rdn,ec,dopmin,dopmax,tsig,tsom;

double cr1,cr2,mf[2],mfr[2],omf[2],omr[2];

double dop[2]={0.,0.},eps0[3]={0.,0.,0.},td1,ti1,kr1,kpp,kpp1,kpp2;

double eps1[3]={0,0,0},kr,kp,kp1,kp2,do1[2]={0.,0.},td,ti,omcr,omcr1;

double alfa[2]={0.,0.},alma[2]={0.,0.},mes[2]={0.,0.},ues[2],dmes,ces;

double un,pn,etan,tm,tn,krez,tf,alf;

long int n,is1,ir1,l,kk;

int gd=DETECT,gm,com;

float k11,k12,del[2];

//******INTRODUCEREA PARAMETRILOR MASINII DE CURENT CONTINUU****

//**************** SI INITIALIZAREA CUPLULUI REZISTENT******************

un=440.; //tensiunea nominala [V]

pn=45000.; //puterea nominala [W]

etan=.88; //randamentul nominal

tm=.05; //constanta electromecanica [s]

tn=730.; //turatia nominala [rpm]

krez=0.9; //raportul mr/mn unde mr este cuplu rezistent

//*********************FINAL VALUE FOR MOVEMENT*********************

tf=1.8; //Final time [s]

alf=77; //Final position [rad]

//******************SELECTAREA LEGII DE COMANDA**********************

//***************(se comenteaza comanda care se exclude)*********************

// com=1; //Lege de comanda bang-bang

com=2; //Lege de comanda parabolica

//****************DETERMINAREA PARAMETRILOR MOTORULUI**************

omn=pi*tn/30.; //viteza nominala [rad/s]

omax=2.*alf/tf; //viteza maxima [rad/s]

in=pn/(etan*un); //curentul nominal [A]

mn=pn/omn; //cuplul nominal [Nm]

kfin=mn/in; //constanta1 de flux [V*s]

rkfin=ra/(kfin*kfin); //constanta2 de flux

ra=pn*(1.-etan)/(2.*etan*in*in); //rezistenta rotorica [ohm]

j=tm*kfin*kfin/ra; //momentul de inertie [kg*m**2]

//**************************************************************************

// printf("%e %e %e %e %e\n",omn,omax,in,mn,kfin);

// printf("%e %e %e\n",rkfin,ra,j);

//***********************CONSTANTE DE INTEGRARE***********************

tsig=.004; //suma constantelor mici de timp din bucla de curent

tsom=.01; //constanta de timp a traductorului de viteza

cr1=exp(-t/tsig);

cr2=exp(-t/tsom);

ces=exp(-t/.0025); //constanta de integrare pentru estimatorul de cuplu

//************************************************************************

clrscr();

initgraph(&gd,&gm,"c:\\BC31\\BGI");

//**************************BLOCUL DE GRAFICA*************************

setcolor(14);

setbkcolor(BLACK);

line(25,getmaxy()/2+80,getmaxx()-20,getmaxy()/2+80);

line(25,getmaxy()/2-130,25,getmaxy()/2+160);

// line(309,getmaxy()/2.50-.1,309,getmaxy()/2+80);

// line(585,getmaxy()/2.50-.1,585,getmaxy()/2+80);

// line(25,getmaxy()/2.77+20,getmaxx()-55,getmaxx()/3.70+20);

// line(25,getmaxy()/2.02+20,getmaxx()-55,getmaxx()/2.69+20);

outtextxy(22,getmaxy()/2-132,"^");

outtextxy(getmaxx()-25,getmaxy()/2+77,">");

// outtextxy(43,getmaxy()/2-89,"1");

// outtextxy(27,getmaxy()/2-10,"0.5");

outtextxy(138,getmaxy()/2.25+110,"0.5s");

outtextxy(279,getmaxy()/2.25+110,"1s");

outtextxy(410,getmaxy()/2.25+110,"1.5s");

outtextxy(550,getmaxy()/2.25+110,"2s");

outtextxy(17,getmaxy()/2.25+110,"0");

outtextxy(14,getmaxy()/3.10+110,"1"); //dimensionare pe oy

// outtextxy(9,getmaxy()/4.60+110,"1"); //dimensionare pe oy

outtextxy(33,getmaxy()/2-132,"p.u.");

outtextxy(getmaxx()-36,getmaxy()/2+85,"t");

setcolor(91);

outtextxy(450,160,"omf");

setcolor(8);

outtextxy(420,160,"om");

// setcolor(14);

// outtextxy(150,410,"dop/0.1");

setcolor(GREEN);

outtextxy(300,160," mf");

setcolor(BLUE);

outtextxy(250,160," mm");

setcolor(29);

outtextxy(100,160," mes");

setcolor(RED);

outtextxy(150,160," mr");

//*****************PARAMETRII REGULATORULUI DE VITEZA****************

omcr=0.5*(2*tsig+tsom); //pulsatia de taiere pentru regulatorul de viteza

td1=0.; //componenta derivativa

ti1=2/omcr; //componenta integrala

kr1=omcr*j; //componenta proportionala

kpp=kr1*(1.+t/ti1+td1/t);

kpp1=kr1*(1.+2*td1/t);

kpp2=kr1*td1/t;

dopmax=10000.; dopmin=-10000;

//*****************PARAMETRII REGULATORULUI DE POZITIE****************

omcr1=0.25*(2*tsig+tsom); //pulsatia de taiere pentru regulatorul de pozitie

td=0.; //componenta derivativa

ti=2/omcr1; //componenta integrala

kr=omcr1; //componenta proportionala

kp=kr*(1.+t/ti+td/t);

kp1=kr*(1.+2*td/t);

kp2=kr*td/t;

//******************************INITIALIZARI*******************************

mf[1]=mf[0]=0.; mfr[0]=mfr[1]=0.; omf[0]=omf[1]=0.;

omr[0]=omr[1]=0.;mes[0]=mes[1]=0.; ues[0]=ues[1]=0.;

wutil=wrip=0.; om[0]=om[1]=0.; al[0]=al[1]=0.;

mr=krez*mn; //cuplul rezistent initial

//*************************************************************************

tt=0.;

md=6.*alf*j/(tf*tf); //cuplul dinamic initial

mm[0]=md+mes[0];

//*************************************************************************

for(l=0;l<200000;l++)

//*******************LEGEA DE COMANDA BANG-BANG**********************

{

if(com==1) {

if(tt<=tf) {

if(tt<=tf/2.) mm[1]=2.*md/3.+mes[0];

if(tt>=(tf/2.+t)) mm[1]=-2.*md/3.+mes[0];

om[1]=om[0]+(mm[1]-mes[0])*t/j;} }

//*******************LEGEA DE COMANDA PARABOLICA*********************

if(com==2) { mm[1]=mm[0]-2.*md*t/tf;

om[1]=om[0]+(mm[1]-mes[0])*t/j;}

if(tt>=tf) mm[1]=mr;

//***********************LEGEA DE COMANDA A POZITIEI********************

alma[1]=alma[0]+om[1]*t; //pozitia impusa

//***********CALCULUL RANDAMENTULUI SI COSTULUI*********************

if(tt<=tf) {

ia=mm[1]/kfin;

wrip=wrip+ra*ia*ia*t; //pierderi Joule [W*s]

wutil=wutil+mr*om[1]*t; //energia utila [W*s]

wtot=wrip+wutil; //energia totala (cost) [W*s]

rdn=wutil/wtot; } //randamentul dinamic al miscarii

//*****************DETERMINAREA ERORII DE VITEZA***********************

eps0[2]=om[0]-omr[0]+do1[0];

dop[1]=dop[0]+kpp*eps0[2]-kpp1*eps0[1]+kpp2*eps0[0];

if(dop[1]>=dopmax) dop[1]=dopmax;

if(dop[1]<=dopmin) dop[1]=dopmin;

//******************DETERMINAREA ERORII DE POZITIE**********************

eps1[2]=alma[0]-alfa[0];

do1[1]=do1[0]+kp*eps1[2]-kp1*eps1[1]+kp2*eps1[0];

//************************MODEL PARTE FIXA******************************

mf[1]=cr1*mf[0]+(1.-cr1)*(mm[1]+dop[0]);

omf[1]=omf[0]+(mf[0]-mr)*t/j;

omr[1]=cr2*omr[0]+(1.-cr2)*omf[1];

alfa[1]=alfa[0]+omf[1]*t;

//*****************ESTIMATOR DE CUPLU REZISTENT************************

ues[1]=ues[0]+(mf[0]-mes[0])*t/j;

mes[1]=ces*mes[0]+j*400.*(1.-ces)*(ues[1]-omf[1]);

dmes=mes[1]-mes[0];

ues[0]=ues[1]; mes[0]=mes[1];

if(tt>=tf) {om[1]=0.; alma[1]=0.; mm[1]=0.;}

//*************************************************************************

tt=tt+t;

//*****************PERTURBATII DE CUPLU REZISTENT**********************

// if(l==20000) mr=1.*mn;

// if(l==30000)mr=0.;

//**************************************************************************

mm[0]=mm[1]+dmes;

om[0]=om[1]; al[0]=al[1];

mf[0]=mf[1]; mfr[0]=mfr[1]; omf[0]=omf[1]; omr[0]=omr[1];

//*******ACTUALIZAREA VARIABILELOR REGULATORULUI DE VITEZA*******

dop[0]=dop[1];

eps0[0]=eps0[1];

eps0[1]=eps0[2];

//**********ACTUALIZAREA VARIABILELOR REGULATOULUI DE FLUX********

do1[0]=do1[1];

eps1[0]=eps1[1];

eps1[1]=eps1[2];

//*************************************************************************

//if(!(l%5000)) printf("%.3e %.3e %.3e %.3e %.3e\n",rdn,wrip,wutil,omax,omn);

//**************************BLOC GRAFICA*********************************

scala=100.0;

// putpixel(l/380+26,(638-om[1]/(.01*omn))/2,RED);

putpixel(l/380+26,(638-omf[1]/(.01*omn))/2,GREEN);

// putpixel(l/80+16,(638-dop[1]/(.1*omn))/2,BLUE);

putpixel(l/380+26,(638-mm[1]/(.01*mn))/2,BLUE);

putpixel(l/380+26,(638-mf[1]/(.01*mn))/2,GREEN);

putpixel(l/380+26,(638-mr/(.01*mn))/2,RED);

putpixel(l/380+26,(638-mes[1]/(.01*mn))/2,29);

putpixel(l/380+26,(638-mn/(.01*mn))/2,YELLOW);

//***************************************************************************

}

getch();

closegraph();

}

=== cap1 ===

scurt istoric al navelor,

prezentare tema – fundamentare teoretica

1.1 Scurt istoric al navelor

“Navigare necesse, vivere non necesse” spuneau romanii acum doua mii de ani si aceasta ne poate sugera importanta de care se bucura navigatia, sub toate formele ei, inca din acele vremuri. Valorificarea de catre om a avantajelor de orice fel oferite de mediul acvatic, de orice natura, nu s-a putut face fara aportul substantial al navelor si a activitatii de navigatie, doua notiuni care fac referire la un tot indisolubil.

Inceputurile navigatiei se pierd in negura vremurilor dar dovezile arheologice au scos la iveala ingeniozitatea omului care a stiut sa foloseasca tot ceea ce ii oferea natura ca sa-si atinga scopul propus.

Astfel, la inceputurile navigatie, pentru constructia navelor s-au folosit materiale textile, piei de animale, fanoane de balena (folosite impreuna cu piei de animale de catre eschimosi , la confectionarea umiac-ului), lemn de diferite sortimente (ex. din 9 busteni de lemn de “balsa” ,lemn de doua ori mai usor decat lemnul de pluta) a fost construita pluta “Kon Tiki” cu care navigatorul norvegian Thor Heyerdal a traversat Oceanul Pacific din vestul Americii de sud pana in Polinezia in anul 1947, sau chiar din papirus ,utilizat de vechii egipteni – conform reprezentarilor din interiorul diferitelor piramide sau alte constructii grandioase ale acestora, precum si expeditia reusita aceluiasi explorator Thor Heyerdal care a traversat la bordul unei plute confectionate din papirus, dupa modelul celor reprezentate in piramidele egiptene, Oceanul Atlantic de la est la vest, de pe coasta Marocului pana in America de sud.

In antichitate s-au evidentiat in domeniul constructiei de nave, comerciale sau militare, toate marile civilizatii: grecii, romanii, etruscii, fenicienii, asirienii, egiptenii etc., fiecare dintre acestea optand pentru propulsia navelor construite, la cele doua solutii cunoscute la acea vreme – utilizarea velelor si propulsia cu rame, chiar si pentru cele mai mari nave.

Epoca moderna a adus mari schimbari in ceea ce priveste constructia de nave. A inceput sa se construiasca nave cu corpuri din metal iar propulsia a fost asigurata de noua sursa aparuta – aburul, prin intermediul zbaturilor sau a elicelor.

O mare transformare a fost marcata de aparitia motorului de tip “diesel” care in diferite variante si dimensiuni se foloseste pe scara larga inca de la aparitia sa din anul 1898 si pana in zilele noastre. Din acest moment putem vorbi de inceputurile navigatiei moderne, navigatie care in zilele noastre este caracterizata de construirea unor nave de mare tonaj, de construirea unor nave capabile sa primeasca la bordul lor pasageri – de ordinul miilor, de construirea unor nave capabile sa dezvolte viteze care sa le permita atingerea unor viteze de ordinul zecilor de noduri.

Cateva din momentele cheie din instoria navigatiei moderne, pentru intreaga civilizatie cat si pentru tara noastra, sunt reprezentate de:

– aparitia primei nave cu elice din lume se numea “Arhimede”. Ea a fost lansata la apa in anul 1839, avea un motor de 80 CP care ii permitea sa se deplaseze cu o viteza de 10 Nd.

– aparitia primei nave cu vapori, cu roti cu zbaturi, a Marinei Militare Romanesti se numea “Romania”, nume propus de domnitorul Alexandru Ioan Cuza in memoria unirii principatelor.

– aparitia primei nave civile din lume prevazuta cu propulsie nucleara a fost spargtorul de ghiata sovietic “Lenin”, lansata la apa in anul 1957, destinata navigatiei in zona arctica.

Astfel, aproape toate mijloacele de transport pe apa de care se foloseste omul pentru atingerea scopurilor propuse, indiferent de dimensiunile lor, sunt alcatuite din cateva elemente indispensabile:

– corpul navei;

– sisteme de propulsie;

– sisteme de guvernare;

– sisteme si instalatii necesare desfasurarii activitatilor specifice – conform destinatiei navei;

– sisteme si instalatii necesare orientarii pe mare;

– sisteme si instalatii necesare asigurarii unor bune conditii de viata pentru cei prezenti la bord, etc;

Toate aceste echipamente si instalatii care intra in dotarea navelor, maritime si fluviale, au drept tel atingerea scopului pentru care navele au fost construite, in conditii de maxima siguranta.

1.2 Prezentare tema – fundamentare teoretica

Criteriile dupa care se proiecteaza si construiesc navele sunt stabilite de societatile de clasificare, specializate in acest scop, care au aparut in decursul timpului ca o necesitate, pentru diminuarea pierderilor de nave, a marfurilor transportate sau a victimelor, pentru protejarea mediului inconjurator, ca urmare a evenimentelor nedorite , de coliziune intre nave, esuare sau scufundare a acestora.

Astfel, conform acestor criterii, orice nava trebuie sa satisfaca o serie de cerinte de navigatie si de exploatare, prin respectarea acestor criterii navele obtinand o serie de calitati. Printre calitatile manevriere ale unei nave se numara:

– manevrabilitatea navei;

– viteza navei;

– inertia navei;

– comportamentul navei fata de vant;

– oscilatiile corpului navei;

1.1 Generalități

Acționarea electrică automatizată a cârmei și sistemele automate de guvernare a cârmei a unei nave asigură rezolvarea principalei probleme de guvernare a navei, care constă în conducerea precisă și sigură a navei pe o anumită rută, cu cheltuieli de exploatare minime.

Rezolvarea acestei probleme poate fi efectuată numai în condițiile automatizării complexe a guvernării navei. Automatizarea complexă permite transferarea diverselor operații de culegere și prelucrare a informațiilor de navigație, precum și a operațiilor de guvernare a navei către sistemul automat complex, eliminându-se astfel erorile operatorului (pilotului), mărirea siguranței navigației și asigurarea unei guvernări optime a navei. Se pot utilize următoarele criterii de optimizare: criteriul securității maxime a navigației, al abaterii minime de la programul de marș, criteriul economic și altele.

Alegerea volumului de automatizare a guvernării navei reprezintă in sine o problemă de optimizare, care apare din necesitatea satisfacerii unor cerințe contradictorii; pe de o parte mărirea volumului automatizării reduce cheltuielile de exploatare și mărește securitatea navigației, pe de altă parte, complicarea echipamentului cere investiții mari și uneori conduce la reducerea fiabilității. Din acest motiv volumul automatizării trebuie stabilit pentru fiecare tip de navă, în funcție de destinație și de condițiile de navigație.

Să analizăm principalele procese ale guvernării navei, a căror automatizare impune volumul automatizării guvernării navei în ansamblu.

Determinarea coordonatelor navei. Determinarea celor mai probabile valori ale coordonatelor curente ale navei se efectuează prin două metode. Prima metodă – calcularea drumului parcurs de navă în funcție de schimbarea vitezei și direcției acesteia. Sursele de informații în acest caz sunt axiometrele și lochurile care măsoară viteza relativă a navei față de apă. Dezavantajul acestei metode constă în faptul că erorile cresc proporțonal cu timpul. A doua metodă de evaluare a coordonatelor navei constă în măsurarea unui parametru de navigație, care caracterizează poziția navei față de anumite repere fixe. În acest caz, se utilizează o serie de traductoare a căror eficacitate de utilizare este în funcție de zona de navigație. Pentru stabilirea coordonatelor navei se automatizează în primul rând calculul și astfel se poate asigura stabilitatea navei pe un drum impus, fără participarea operatorului.

Guvernarea navei după un program dat. Pentru guvernarea navei după un program dat este necesar ca semnalele de comandă să se obțină pe baza informațiilor asupra poziției reale a navei. Rezolvarea acestei probleme necesită o determinare precisă a poziției navei, o evaluare corectă a dinamicii navei, stabilitatea navei pe o anumită direcție, reglarea precisă a vitezei navei, recepționarea și prelucrarea corectă a informațiilor hidrometeorologice, controlul permanent al instalațiilor principale ale navei și în primul rând al celor energetice.

Evitarea coliziunii cu obiecte periculoase. Pentru evitarea coliziunii cu obiecte periculoase nu se pot folosi programe concepute după o informație apriorică. În acest caz, este necesar să se rezolve următoarele probleme: descoperirea și stabilirea coordonatelor obiectului periculos, semnalizarea pericolului de coliziune, alegerea unei manevre de evitare a pericolului și efectuarea acestei manevre.

Cel mai important rol în evitarea coliziunii cu obiectele periculoase îl are automatizarea acțonării electrice a cârmei și sistemele automate de guvernare a navei și a instalației de propulsie.

Manevrabilitatea în spații aglomerate. În cazul manevrelor în rada portului, apropierii de chei, trecerii prin canale etc., este necesar ca sistemul automat de guvernare a navei să asigure securitatea navigației.

1.2.Structura sistemului automat complex

Așa cum s-a arătatmai sus, volumul automatizării proceselor de guvernare a navei depinde de tipul și destinația navei. În conformitate cu volumul de automatizare stabilit, în cadrul sistemului automat complex se disting o serie de nivele. Astfel, odată cu creșterea numărului de ordine al nivelului, problemele guvernării navei se rezolvă din ce în ce mai bine și cu o participare tot mai redusă a operatorului, fapt care asigură reducerea oboselii acestuia și eliminarea erorilor subiective.

Nivelele de automatizare. În conformitate cu problemele de guvernare a navei și schema structurală a nivelelor de automatizare, structura sistemului automat complex are forma din figura nr. 1. În această schemă se pot distinge următoarele nivele de automatizare.

Nivelul zero de automatizare. Acestui nivel îi corespunde comanda manuală a instalației de cârmă, din compartimentul de cârmă. Comanda manuală este utilizată în caz de avarie.

Primul nivel de automatizare. Îl constitue comanda de la distanță a acțonării electrice a cârmei dintr-un post local de comandă (PLC). În acest caz sunt posibile două tipuri de comenzi: fără reacție inversă după unghiul cârmei (comanda de la distanță simplă) și cu reacție inversă, în funcție de unghiul cârmei sau în regim de urmărire. În cazul unei comenzi simple de la distanță, unghiul de bandare a cârmei α și unghiul dintre direcția nord și axa longitudinală a navei sau drumul navei ψ reprezintă semnale informaționale. În regim de urmărire α este mărime comandată și semnal de reacție inversă, iar ψ este semnal informațional.

Al doilea nivel de automatizare. Asigură comanda automată a drumului navei ψ care se realizează de către sistemul automat (SA). Acest sistem menține automat nava pe drumul impus, fără participarea operatorului. În acest caz, unghiul ψ este mărime comandată, iar unghiul dintre pana cârmei și planul diametral α este mărimea de comandă. La nivelul al doilea de automatizare se rezolvă problema stabilizării navei pe un drum impus și efectuarea manevrelor, comandate de operator de la pupitrul de comandă al autopilotului (PCA). La acest nivel se efectuează și calculul coordonatelor navei în modul cel mai simplu posibil.

Al treilea nivel de automatizare. Îl reprezintă comanda program a drumului navei. La acest nivel se rezolvă problema stabilizării automate a navei pe o anumită traictorie cu ajutorul sistemului automat complex al navigației, iar culegerea informațiilor de la traductoarele de observații și corecția programului sunt efectuate de către operator. Prelucrarea automată a informației care este primită atât de la traductoarele de calcul cât și de la traductoarele de observații se efectuează de către blocul de prelucrare și memorare a informației (BPMI). Compararea dintre poziția reală a navei și cea prescrisă se face în blocul de comparare a coordonatelor (BCC). Blocul de formare a semnalelor de comandă (BFSC) generează semnale de comandă în conformitate cu diferențele dintre coordonate, asigurând în același timp și o funcționare optimă a obiectului comandat.

Dispozitivele de comandă a sistemului automat al navigației (DCSAN) și sistemul de prezentare a informațiilor sunt amplasate în postul de comandă și control (PCC).

La al patrulea nivel de automatizare. Se automatizează procedura de alegere a semnalului de la traductoarele de observații (TO), care asigură precizia maximă a comenzii pentru zona respectivă. De asemenea, se efectuează automat corecția periodică a parametrilor blocului de prelucrare și memorare a informațiilor (BPMI). În scopul realizării unei comenzi optime, se efectuează reglarea periodică a parametrilor blocului de formare a semnalelor de comanda (BFSC). Deoarece pentru diverse regimuri de navigație și tipuri de nave, criteriile de optimizare pot fi diferite și în afară de aceasta datorită faptului că, chiar la același criteriu de optimizare, felul comenzii este determinat de caracteristicile dinamice ale navei și de caracteristicile perturbațiilor, pentru realizarea optimizării, blocul de formare a semnalelor de comandă (BFSC), trebuie să aibă o structură flexibilă și de asemenea, trebuie introdusă o corecție în sistemul automat de propulsie (SAP). Toate aceste probleme pot fi rezolvate de către un mini sau microcalculator de procese, utilizat în scopuri de navigație (MCPN).

Al cincilea nivel de automatizare. Se realizează cu ajutorul sistemelor automate ale flotei (SAF), la acest nivel SAF stabilește strategia generală de conducere a navei.

§

Figura nr. 1

La construirea sistemului automat complex de guvernare a navei este recomandabil să se folosească principiul modular. Fiecare modul (bloc) trebuie să rezolve un anumit număr de probleme funcționale care corespund nivelului respectiv. O importanță deosebită, la construirea sistemelor automate complexe, o are problema prezentării informației pe pupitrele de comandă, pentru a putea fi utilizată de către operator. În funcție de tipul navei, de destinația ei și de gradul de automatizare, în componența pupitrului pot intra : secția de comandă a elicii cu pas reglabil, secția pentru propulsia electrică, secția telegrafelor mașini, secția vinciurilor de ancoră, secția de comutare și control al instalațiilor navei etc. În afară de aceasta în componența pupitrului intră, de regulă secția luminilor de navigație, secția interfonului, secția de comunicații telefonice și radio, secția sirenei de ceață etc.

1.3.Structura acțonării electrice automatizate a cârmei și a sistemului automat de guvernare a navei

Având în vedere schema bloc a sistemului automat complex de guvernare a navei, să analizăm mai detaliat primele două nivele de automatizare. Așa cum s-a arătat anterior, aceste nivele conțin sisteme de comandă de la distanță, sistemele de urmărire și de guvernare automată a navei pe un drum dat.

Sistemele de comandă de la distanță a instalației de cârmă oferă operatorului numai posibilitatea de a comanda poziția cârmei cu ajutorul organelor de comandă amplasate în posturile de comandă. Aceste sisteme sunt deschise și de aceea semnalul de comandă format de ele reprezintă mărimea prescrisă. Sistemul de urmărire pentru comanda acționării electrice a cârmei funcționează după o schemă în circuit închis, cu reacție inversă. În sistemele de urmărire comanda se face după semnalul diferenței între poziția prescrisă și cea reală a cârmei. Așa cum s-a arătat mai sus aceste două sisteme sunt cuprinse în primul nivel de automatizare.

Al doilea nivel de automatizare cuprinde sistemul automat de stabilizare a drumului navei și anume autopilotul sau pilotul automat. Acest sistem rezolvă problema menținerii drumului navei. În figura nr.2 este prezentată schema funcțională a pilotului automat.

Figura nr.2 – schema funcțională a pilotului automat

Obiectul comandat, în funcție de regimul de comandă, este nava N sau cârma C. În afară de aceasta, în cdrul pilotului automat mai intră următoarele elemente : reductorul R, servomotorul SM, amplificatorul A, blocurile adaptoare în circuitele de reacție inversă după poziția cârmei BA1, după drumul navei BA2 și după mărimea de comandă BA3, precum și blocurile de comparare BC1 și BC2.

După felul semnalelor din aceste sisteme, se disting sisteme continue și sisteme discrete. Pilotul automat care conține semnale discrete este cel mai simplu; ele conectează sau deconectează acțonarea electrică la anumite valori ale abaterii navei de la drumul stabilit. În această categorie intră și pilotul automat realizat cu relee și contactoare. Pilotul automat cu semnale continue permite obțnerea unei calități superioare a reglării.

Din punct de vedere al temei acestei lucrari manevrablitatea navei este calitatea care intereseaza cel mai mult.

Conform literaturii de specialitate manevrabilitatea sau capacitatea de guvernare a navei constituie calitatea navei de a schimba directia de inaintare prin intoarceri la un unghi dat sau de a mentine directia dorita in timpul marsului.

Unitatea de masura pentru manevrabilitate este diametrul cercului de giratie – diametrul curbei apropiate de un cerc pe care il descrie nava cand carma ei se manevreaza cu un unghi anumit fata de axul longitudinal la navei.

Manevrabilitatea unei nave este determinata de elementele de constructie, de inzestrarea navei cu mecanisme si instalatii specifice unei astfel de actiuni. In concordanta cu manevrabilitatea navei se inregistreaza stabilitatea de drum care reprezinta capacitatea navei de a rezista fortelor exterioare si de a mentine directia de inaintare cand carma navei este in planul longitudinal diametral.

Instalatia de guvernare este instalatia care are rolul de a mentine o nava aflata in mars pe o anumita directe dorita sau de a schimba directia daca se considera necesar acest lucru.

Conform RNR orice nava, cu unele exceptii (barje, nave tehnice fara propulsie et.) trebuie sa aiba o instaltie de guvernare sigura in functionare, care sa garanteze manevrabilitatea si stabilitatea de drum necesara. Aceste instalatii pot fi: cu carma, cu ajutaj orientabil, cu propulsor cu palete verticale sau alte variante aprobate de societatile de clasificare (ex.RNR).

Conform SOLAS navele trebuie dotate cu o instalatie de guvernare principala si cu o instalatie de guvernare auxiliara, care sa fie considerate satisfacatoare de catre Administratie. Cele doua instalatii sunt astfel dispuse incat defectarea uneia dintre ele sa nu determine nefunctionarea celeilalte.

Datorita importantei , aceasta instaltie face parte din categoria instaltiilor de vitalitate a unei nave. De modul de functionare a unei instalatii de guvernare depinde manevrabilitatea, una din calitatile importante ale unei nave.

Unei instalatii de guvernare ii sunt impuse o serie de conditii tehnice:

– sa fie sigura in functionare – conditie realizata prin utilizarea unor componente cat mai fiabile. Pentru orice eventualitate este prevazuta si posibilitatea unei actionari de avarie;

– sa existe posibilitatea trecerii rapide de la instalatia principala de guvernare la instalatia de guvernare de avarie;

– sa existe posibilitatea comandarii din mai multe locuri;

– sa existe posibilitatea limitarii fortei laterale pentru a nu distruge organele transmisiei ;

– sa asigure trecerea de la pozitia de bandare maxima dintr-un bord la pozitia de bandare maxima in celalalt bord intr-un interval de timp bine delimitat, de ordinul zecilor de secunde;

– la organul de comanda trebuie sa fie asigurat controlul pozitiei elementului de executie;

– sa asigure valoarea fortei laterale necesare giratiei navei si sa mentina aceasta valoare pana la urmatoarea comanda.

Instalatiile care asigura guvernarea unei nave se pot clasifica din mai multe puncte de vedere. O astfel de impartire in doua mari categorii ar fi urmatoarea:

– instalatii de guvernare reactive – particularitatea acestora este ca fortele necesare schimbarii directiei iau nastere prin interactiunea penei carmei cu curentul de apa care se se plaseaza in lungul navei, deci nu se consuma sub nici o forma lucru mecanic la bordul navei. Marimea fortelor reactive necesare guvernarii depinde de viteza apei pe langa corpul navei.

– instalatii de guvernare active – in acest caz fortele necesare guvernarii sunt obtinute ca urmare a functionarii unor mecanisme la bordul navei, deci se consuma un lucru mecanic la bord.

In aceasta ultima categorie intra:

– instalatia de guvernare cu carme active;

– instalatia de guvernare cu jeturi transversale;

– instalatia de guvernare cu propulsoare speciale (propulsor cu aripioare);

Ca si celelalte elemente componente ale unei nave si instalatiile de guvernare sunt supuse unor examinari periodice, la intervale de timp si cu un volum de verificari conform prescriptiilor Registrelor de clasificare sub autoritatea carora nava a fost construita.

1.5.Cârma ca obiect comandat

Instalația de cârmă este principalul mijloc de asigurare a manevrabilității navei, adică a stabilității și a girației acesteia.

La bandarea cârmei cu un anumit unghi α și la menținerea ei în această poziție, asupra penei cârmei va acționa forța dată de presiunea apei, al cărei moment modifică drumul navei. Forțele care acționează asupra cârmei depind în principal de tipul cârmei, de profilul acesteia și de amplasarea arborelui de cârmă.

Tipuri de cârmă. În funcție de profil, cârmele se împart în cârme plate și cârme hidrodinamice. De regulă, cârmele se execută într-o formă hidrodinamică, deoarece, în acest caz, se micșorează rezistența la înaintare a navei și valoarea momentului necesar pentru rotirea penei cârmei. În funcție de amplasarea relativă a penei cârmei față de arborele de cârmă, cârmele sunt : obișnuite, compensate și semicompensate (Figura nr. 3).

Figura nr.3

Tipuri de cârmă

Cârma obișnuită (figura nr. 3, a) constă din pana 2, arborele de cârmă 5 și lagărul 4. Partea cea mai de sus a arborelui de cârmă se numește capul arborelui de cârmă, iar partea cea mai de jos se numește călcâiul 1. Pana are o serie de locașuri 3, în care se amplasează șuruburile 7. Pe etamboul 8 sunt dispuse orificii pentru suspendarea cârmei. Arborele cârmei pătrunde printr-un orificiu din corpul navei, care se numește lagărul etamboului. Pentru ca apa să nu pătrundă în interiorul navei, lagărul se etanșeizează cu garnitura 6.

Cârmele compensate (figura nr. 3, b) și semicompensate (figura nr. 3, c) nu au lagăre. Ele se sprijină pe lagăre speciale, amplasate în interiorul navei. Cârmele compensate se utilizează pentru micșorarea cuplului motor necesar pentru bandarea cârmei. Forma penei cârmei, în fiecare caz separat, este condiționată de forma pupei navei, de pescjul navei și de amplasarea elicilor. Pe navele mari, uneori, se instalează două cârme.

Pe lângă cârmele enumerate, pentru îmbunătățirea manevrabilității la viteze mici ale navei, în practica construcției navale, la anumite tipuri de nave au început să se utilizeze și cârme active. La cârma respectivă se amplasează un sistem de propulsie care constă dintr-un motor electric și o elice.

În afara cârmelor active, pentru îmbunătățirea manevrabilității la viteze mici se utilizează duze, în care se amplasează elicile navei și care schimbă poziția relativă a fluxului de lichid față de navă. În ultimii au început să se utilizeze și sisteme de propulsie reversibile tip ‘’bow-thruster’’ amplasate în tunele transversale la prova navei.

Forțele care acționează asupra cârmei la manevre. La rotirea cârmei secțiunea sa mediană SS formează cu direcția curentului de apă un unghi α (figura nr. 4). Curentul de apă cu viteza v acționeză diferit pe cele două fețe ale penei cârmei. Pe fața dinspre flux presiunea apei crește iar pe fața opusă scade. În acest fel apare o forță dată de presiunea apei – P. Cuplul acestei forțe relativ la centrul de greutate al navei determină rotirea navei față de centrul său de greutate, iar componenta a acestei forțe produce deriva navei. Forța se opune propulsiei navei și se însumează cu rezistența la înaintare. Ca urmare a apariției forței P, apare cuplul la eche, cuplu care trebuie învins de către servomotorul cârmei și reprezintă una din datele inițiale principale pentru calculul acționării electrice a instalației de cârmă.

1.6.Mașina de cârmă acționată electric

Acționarea instalațiilor de guvernare cu mașini electrice este utilizată mai ales în cazul navelor mici, fluviale. Acționările electrice pot fi cu motoare electrice de curent continuu sau cu motoare de curent alternativ. În cazul acționărilor electrice, transmisiile de comandă sunt tot electrice, lucru care simplifică foarte mult structura instalației. Transmisiile de forță sunt de obicei de tipul cu sector dințat. Dezavantajul mare al acestor instalații este acela că siguranța în exploatare este destul de mică, orice defect de natură electrică apărut putând pune nava în imposibilitate de manevră. Din acest motiv, la acționare se folosesc întotdeauna câte două motoare. Cuplarea motoarelor se face de obicei prin intermediul unor cuplaje mecanice diferențiale (Figura nr. 4). Aceste cuplaje prezintă avantajul că pot dubla vitezele de bandare ale cârmei dacă sunt pornite ambele motoare în același sens. Motoarele electrice de acționare, indiferent de tipul lor, trebuis să fie reversibile. Pozițiile limită ale cârmei trebuie să fie protejate prin două perechi de limitatori electrici care, cu (2…3º) înainte de atingerea unghiului maxim de bandare de către cârmă, decuplează motorul de la sursa de energie.

Figura nr. 4

Mașină de cârmă electricăacționată prin intermediul cuplajelor

mecanice diferențiale

1.7.Ecuația forțelor care acționează asupra cârmei

Expresia analitică a forței P care acționează asupra cârmei a fost dată pentru prima oară de către Euler 1778. Această expresie nu se mai folosește în prezent. Pentru cârmele plate, într-o serie de cazuri, la calculul forței P, exprimată în newtoni, se utilizează formula lui Jossel :

(1)

unde : F este suprafața penei cârmei, în metri pătrați ; v – viteza navei în m/s. Dacă v < 20 noduri și α > 25°, atunci k=21,17 iar .

Formula dă rezultate bune pentru o viteză de marș de până la 20 de noduri.

Teoria aripei aerodinamice elaborată de Jukovski permite să se determine cu o mare precizie forțele care apar atunci când o aripă de un profil și o forma oarecare se deplasează într-un curent de aer sau de apă. Conform acestei teorii forța dată de presiunea apei și normală la secțiunea medie SS exprimată în newtoni, este :

(2)

în care : este coeficientul adimensional al forței portante ; este coeficientul adimensional al rezistenței frontale ; α unghiul dintre planul cârmei și direcția de marș sau unghiul de atac (în cazul particular al depalsării navei în linie dreaptă ; el este egal cu unghiul dintre pana cârmei și planul diametral) ; – densitatea apei în  ; F – suprafața cârmei în metri pătrați ; v- viteza navei în m/s. Valorile coeficienților și depind de grosimea relativă a alungirii aerodinamice a cârmei, de unghiul de atac etc.

Pe baza diferitelor experiențe sau întocmit atlase cu coeficienții și pentru cârme de profile și forme diferite. S-a constatat că odată cu creșterea lui α, coeficientul la început crește dar începând cu α=30° se reduce brusc. În acest fel, la 30° capacitatea cârmei de a schimba direcția navei se reduce brusc, de aceea unghiurile limită de bandare nu depășesc 30°.

1.8.Ecuația momentelor la echea cârmei

La calculul acționării electrice a cârmei se pleacă de la cuplul la eche , necesar pentru rotirea cârmei, și de aceea vom prezenta modul în care se determină acest cuplu.

Pentru cârma dreptunghiulară :

(3)

unde : este distanța de la partea frontală a cârmei până la centrul forței de presiune. Dacă axul este amplasat în partea frontală a cârmei atunci :

(4)

Valoarea coeficientului se determină din atlasul caracteristicilor aerodinamice. Dacă axul se găsește la distanța față de partea frontală a cârmei atunci momentul se calculează cu formula :

(5)

De obicei forma penei cârmei este diferită de cea dreptunghiulară. Din această cauză, pentru calculul lui , înălțimea totală h se împarte la 2n intervale egale (figura nr.5) și astfek se obțin 2n suprafețe elementare, care au înălțimea , baza și suprafața .

Figura nr.5

Pana cârmei diferită de cea dreptunghiulară

Mărimea pentru fiecare suprafață se calculează în felul următor :

– la cârma plată :

(6)

– la cârma hidrodinamică

(7)

Drept urmare, cuplul la eche este :

(8)

Dacă cârma este amplasată imediat după elice, se ia , unde : H este pasul geometric al elicei în m ; n este turația în rot/s.

După ce mărimile și sunt calculate, forța și cuplul care acționează asupra cârmei se determină din formulele :

(9)

La marșul înapoi al navei cuplul este :

(10)

În figura nr. 6 sunt prezentate curbele , obținute la bandarea dintr-un bord în altul a unei cârme obișnuite (curba 1) și compensate (curba 2) la marșul înainte al navei și a unei cârme obișnuite la marșul înapoi (curba 3). Pentru cârma compensată este caracteristică valoarea negativă a cuplului pentru unghiuri mici. La un anumit unghi cuplul la eche devine egal cu zero.

În timpul bandării cârmei dintr-un bord în altul, la efectuarea de către navă a unei deplasări în formă de S, apare unghiul de derivă β. Ca urmare, unghiul real dintre pana cârmei și curentul de apă devine mai mare decât unghiul cârmei cu valoarea β, iar cuplul la eche crește corespunzător. Cuplul maxim, datorat derivei, se obține dacă în formulele (6) și (7) se i-a în loc de unghiul α, unghiul α+β.

Figura nr.6 Figura nr.7

Curbele Dimensiunile penei cârmei

Cuplul maxim datorat derivei depășește de două-trei ori valoarea cuplului corespunzătoare lui , pentru cargourile de viteze relativ mari și cu mult mai mult pentru cargourile de viteze mici. Din această cauză este necesar ca la proiectarea acționărilor electrice a cârmei să se țină seama de valoarea posibilă a cuplului maxim datorat derivei.

Ca exemplu, se va prezenta calculul cuplului la eche, la o viteză de 20 de noduri. Dimensiunile penei cârmei sunt date în figura nr. 7. Unghiul teoretic al cârmei se i-a α=30°. La determinarea alungirii aerodinamice calculăm suprafața penei cârmei :

Deoarece alungirea aerodinamică este apropiată de unitate, pentru coeficienți, la un unghi α=30° vom avea :

Viteza navei este de 20 de noduri (≈ 10 m/s), deci :

Forța de presiune a apei pe pana cârmei este :

Cuplul corespunzător la eche este :

Prezentarea instalatiei de guvernare cu jet transversal

(thruster – ul)

4.1 – Caracteristici

instalatiile de guvernare cu jet transversal sunt realizate, in general, dintr-un tunel plasat transversal in corpul navei in zona pupa sau prova, sub linia de plutire, In functie de manevrabilitatea care se asteapta de la o nava ea poate avea instalatii de guvernare cu jet transversal atat la prova cat si la pupa.

Un bow thruster este un mecanism plasat in prova unei nave, comerciale sau de servitute, pentru a imbunatati manevrabilitatea acesteia. Principiul sau de lucru este cel prezentat mai inainte.

bow – prora, prova

stern – pupa

thruster (nav) – elice de manevra

Elementele care caracterizeaza o instalatie de guvernare cu jet transversal pot fi de tipul particularitatilor constructive:

a) dupa forma tunelului:

– cu tunel drept (fig. a, b),

– cu tunel in forma de T (fig. d),

– cu tunel in forma de dublu T (fig. c),

– cu tunel frant etc;

b) dupa tipul elicei:

– cu elice cu pas fix,

– cu elice cu pas variabil;

c) dupa tipul sursei de putere:

– antrenare cu motor cu ardere interna,

– antrenare cu energie electrica (c.c sau c.a.),

– antrenare hidraulica;

d) dupa directia aspiratiei apei:

– cu aspiratie de sub chila,

– cu aspiratie din bordul opus celui catre care se deplaseaza

extremitatea

e) dupa numarul elicilor:

– cu o elice,

– cu doua elicii (fig. b);

f) dupa locul de amplasare:

– la extremitatea prova,

– la extremitatea pupa;

Imaginile de mai jos prezinta varianta bowthruster-ului cu tunel frant

4.3 – Functionare

Aceste instalatii asigura un control precis al deplasarii navelor cu viteza foarte mica in cele mai dificile conditii de acostare/andocare sau treceri prin locuri periculoase.

Navele echipate cu bow thruster au semne distincte deasupra liniei de plutire in dreptul fiecarui propulsor, in ambele borduri. Aceste semne simbolizeaza eliciile de manevra intr-un cerc de culoare alba.

In unele cazuri instalatii similare sunt amplasate si in pupa navei, inaintea tubului etambou (stern thruster).

Un stern thruster este un mecanism plasat in pupa unei nave, pentru a imbunatati manevrabilitatea acesteia. Constructia si functionarea este similara cu ce a bowthruster-ului .

Datorita performantelor pe care confera navelor pe care sunt instalate sistemele de guvernare cu tunel transversal sunt utilizate din ce in ce mai mult incepand cu navomodelele, ambarcatiuni de agrement, nave de servitute, nave comerciale etc.

4.3.1 – Thruster cu tunel transversal

Este o varianta constructiva cea mai raspandita. In alcatuirea lor intra elemente construite dupa principiile cele mai avansate in ceea ce priveste hidrodinamica navala. Astfel sunt utilizate elemente specifice instalatiilor de propulsie principale cum ar fi: elicii cu geometrie caracteristica, sisteme cu cate doua elicii, antrenarea eliciilor din grup in acelasi sens sau in sensuri diferite etc. , precum si o serie de elemente care nu se regasesc in cadrul sistemelor de propulsie navala dar sunt utilizate la bordul navelor in alte scopuri.

Astfel, in imaginea alaturata este prezentata o varianta de thruster cu tunel drept in care sunt montate doua propul-soare care se rotesc in sensuri contrare desi actioneaza simultan pentru obtinerea aceluiasi efect. Desigur ca o astfel de varianta constructiva este mai complicata, din punct de vedere constructiv, decat varianta in care antre-narea ambelor propulsoare s-ar face in acelasi sens.

Avantajul oferit de antrenarea in sensuri diferite face sa determine optarea pentru aceasta varianta constructiva. Se stie ca o elice aflata in functiune imprima masei de apa pe care o antreneaza o miscare circulara cu aspectul unei spirale. In acest fel o parte din energia transmisa de propulsor apei se pierde prin parcurgerea de catre aceasta a unei distante mai mari intr-un spatiu mai mic decat daca deplasarea s-ar fi facut in linie dreapta.

4.3.2 – Sistemul fara tunel transversal (azimutale)

Mai jos sunt prezentate doua modele de sisteme de guvernare prova care pot orienta jetul nu numai transversal, intalnite in constructia navelor de servitute (imagienea din stanga) si la ambarcatiunile de agrement (imaginea din dreapta).

Cand nava prevazuta cu o astfel de instalatie se afla in mars intregul mecanism este blocat intr-un spatiu special destinat din partea cea mai de jos a navei. Aparatoarea de la partea inferioara se incadreaza perfect in geometria operei vii a navei astfel incat rezistenta hidraulica nu creste deloc in comparatie cu situatia cand ar lipsi acest echipament.

Cand este in pozitia de functionare (in partea cea mai de jos) propulsorul se poate roti cu 360 grade in jurul axei verticale a mecanismului de coborare astfel incat poate orienta jetul in orice directie. Cand nu este nevoie de acesta ,mecanismul de pozitionare ridica propulsorul in locasul din corpul navei. Cand sistemul este coborat in pozitia de functionare , nava poate sa se depalaseze cu o viteza de cel mult 6 noduri fara ca efectul instalatie transversale sa se diminueze. Peste aceasta viteza, randamentul instalatie de guevrnare cu jet transversal scade simtitor.

Pentru ca locul tunelului este luat de o duza, pentru a delimita si orienta jetul format cat mai bine, dupa cum se poate observa si in imaginile de mai sus protectia catodica este asigurata prin plasara unor anozi de sacrificiu la exteriorul duzei.

4.3.3 – Sistemul combinat: propulsor – in tunel si azimutal

Propulsorul poate functiona in doua conditii distincte:

ca parte componenta a unui sistem bowthruster, in tunel, caz in care se pot obtine numai jeturi de apa pe directii perpendiculare pe planul diametral al navei;

ca propulsor azimutal, caz in care ansamblul propulsor/segment tunel coboara sub nivelul chilei iar jetul realizat putand fi orientat in orice directie datorita pivotarii propulsorului in jurul axului vertical al transmisiei;

Sursa de energie in acest caz o constituie motorul electric plasat la partea superiaora a intregului ansamblu.

Plasarea electromotorului la partea superioara a lantului cinematic care face legatura cu propulsorul elimina necesitatea utilizarii unor axe sofisticate de transmitere a miscarii de rotatie si o mai buna manevrabilitate in cazul coborarii/ridicarii ansamblului mobil. Totodata este eliminata si transmisia cu roti dintate de la partea superioara, dintre electromotor si axul la care este cuplat.

4.3.4 – Sistemul“silentioasa”

Aceste variante constructive fac parte din categoria EPS thruster (Electrical Propulsion Thruster) si sunt destinate in mod deosebit ambarcatiunilor de agrement si navelor de pasageri.

Permit reducerea nivelului de zgomot de la 75-88 dB, care este nivelul normal pentru cabine, cu pana la 15 dB. In combinatie cu alte masuri constructive nivelul poate sa scada chiar si cu pana la 20-25 dB.

Raportul dintre putere, performanta, zgomot, greutate ,robustete este foarte favorabil acestei variante constructive. Lipsa angrenajelor si arborelui portelice reprezinta un mare avantaj. Paletele, amovibile, sunt fixate pe un inel, la exterior lor, asemanator cu un butuc de roata. Modul de fixare a paletelor permite o mai buna intretinere sau reparatie.

Reducerea nivelului de zgomot a determinat si o reducere considerabila a vibratiilor produse de sistemele de guvernare cu jet transversal.

Avantajele oferite de aceasta varianta constructiva sunt:

un bun raport intre putere si performantele tehnice;

nivel de zgomot extrem de scazut;

o putere mai mare la o sectiune transversala similara;

constructie simpla si solida;

lagare ceamice de inalta performanta;

greutate scazuta;

constructie foarte compacta.

4.4 – Antrenarea arborilor port-elice orizontali

La majoritatea instalatiilor de guvernare cu jet, de tip bow/stern thruster sursa de energie este plasata undeva deasupra tunelului, intr-un compartiment specila destinat.

In cazul transmisiilor mecanice lantul cinematic care permite transmiterea miscarii de la sursa de energie la propulsor poate fi format din 1 – 3 arbori, fiecare dintre acestia lucrand in cate un plan (orizontal/vertical/orizontal).

Transmiterea miscarii intre acesti arbori se face prin:

cuplaje cardanice;

prin roti dintate conice.

Acolo unde arborele portelice este coaxial cu tunelul in care aceasta lucreaza intotdeauna transmiterea miscarii se face prin intermediul rotilor dintate conice iar arborele este sprijinit de lagare de rostogolire de tipul radial/axial cu role tronconice.

Elementele componente ale unei astfel de transmisii sunt prezentate in anexa 2, in varianta in care elicea este cu pas fix. Daca elicea este cu pas reglabil atunci mecanismul din tunel este mult mai complex.

4.5- Modalitati de antrenare a propulsoarelor

In functie de dimensiune, destinatie, conditii tehnice impuse tunelele se pot construi fibra de sticla armata cu rasini poliesterice, din aliaje de aluminiu sau din otel.

O astfel de instalatie poate avea una sau doua elicii cu palete Kaplan.

Datorita avantajelor pe care le confera prezenta unei astfel de instaltii, din punct de vedere al manevrabilitatii, astfel de instalatii se pot intalni din ce in ce mai mult la nave, indiferent de marimea si destinatia lor. Astfel intalnim sisteme “bow thruster” atat la navele maritime cat si la cele fluviale, incepand cu navomodelele si mergand pana la cele mai moderne nave.

Sursa de energie care asigura functionarea instaltiilor de guvernare cu jet transversal poate fi electrica, hidraulica sau motorul diesel.

4.5.1 – Antrenarea electrica

Consta in utilizarea unui electromotor capabil sa dezvolte o turatie constanta sau variabila.

Antrenarea sistemelor se poate face cu ajutorul motoarleor electrice la tensiuni de 220, 380 si 400 V, la o frecventa de 50 sau 60 Hz. Aceasta solutie tehnica permite utilizarea mai multor posturi de control a modului de functionare a instalatiei.

Instalatia electrica este mai usor de instalat decat instalatia hidraulica dar componetele electrice si electronice sunt mai pretentioase in ce priveste umezeala si socurile mecanice.

4.5.2 – Antrenarea cu energie hidraulica

Consta in utilizarea unei instalatii hidraulice care contine un hidromotor si o pompa pentru ridicarea presiunii, fiecare din cele doua principale componente, sau numai una, putand avea debite fixe sau variabile.

Deoarece sistemul de actionare hidraulica prezinta o serie de avantaje in comparatie cu antrenarea electrica a capatat o extindere din ce in ce mai mare, iar acolo unde s-a optat pentru o astfel de sursa de energie s-a preferat antrenarea a cat mai multe instalatii de la bord (de punte sau de masina).

CARACTERISTICILE ELICEI ȘI INTERACȚIUNILE CU CELELALTE SUBSISTEME

3.1. Caracteristicile elicei

În prezent, pe nave, ca propulsor sunt folosite elici cu pas fix EPF sau elici cu pas reglabil EPR. Elicea conform fig. 4 este alcătuită din pale amplasate pe un butuc la distanțe egale una de alta.

Conform [1], pala are o asemenea formă încât la o rotire axială, asigură proiectarea unei mari mase de apă în direcție opusă mișcării navei. Această problemă se rezolvă favorabil la palele cu o suprafață de lucru elicoidală, suprafață generată de intradosul palei, de segmentul AA’ când punctul A’ avansează uniform de-a lungul axei Oz, în timp ce AA’ se rotește în jurul lui A’ cu viteza unghiulară uniformă .

Spațiul parcurs de orice punct al elicei pe direcție axială într-un mediu solid se notează cu H și se numește pas geometric (sau pas absolut) al elicei.

Se mai utilizează de regulă raportul H/D denumit și raport de pas, unde D este diametrul elicei.

Desfășurând linia elicoidală ABC, unghiul format cu o suprafață normală pe axa Oz se numește unghi de pas și se notează cu .

Drumul parcurs de elice pe direcție axială într-un mediu lichid se numește pas liniar (sau avans liniar) al elicei și se notează cu he.

Diferența între pasul absolut și pasul liniar se numește alunecare și se notează cu s.

Fig. 4

Din fig. 4 se observă că luând în considerare turația ne a elicei se poate defini viteza în discul elicei vA (sau viteza de avans) determinată cu relația (3):

vA = he ne (3)

În practică se utilizează avansul relativ j, adimensional, introdus cu relația (4):

(4)

Împingerea T, momentul rezistent Q, puterea absorbită și randamentul elicei reale se calculează cu relațiile:

(5)

(6)

(7)

(8)

unde: kT si kQ sunt coeficienții împingerii și momentului, adimensionali.

Randamentul și coeficienții împingerii și momentului se determină experimental prin încercări ale elicei în apă liberă, în bazine și tunele de cavitație și se reprezintă grafic prin dependența față de avansul relativ j și raportul de pas H/D.

Ele constituie caracteristicile elicei care permit determinarea împingerii T, momentului cerut la arbore Q și randamentului elicei la diverse regimuri de lucru.

Funcționarea reală a elicei în pupa navei are loc într-un curent neuniform determinat de corpul navei și denumit siaj.

În consecință, viteza în discul elicei vA este mai mică decât viteza navei v. Influența se caracterizează prin coeficientul de siaj w, determinat prin încercări la bazin.

Viteza de avans vA rezultă cunoscând viteza navei v și coeficientul w cu relația:

(10)

Elicea la rândul ei, producând accelerarea fluidului prin discul ei, creează o regiune de presiune redusă care are drept consecință mărirea vitezei de curgere în zona pupa, cu efecte asupra măririi rezistenței la înaintare a corpului R, cu o mărime R numită sucțiune. În consecință, în regim staționar de viteză împingerea trebuie să asigure egalitatea :

T=R+R (11)

Definind coeficientul de sucțiune t cu relația :

(12)

putem exprima valoarea forței utile de împingere de forma :

Tu=T(1-t) (13)

În continuare, se poate determina randamentul propulsiei, exprimat ca raportul dintre puterea efectivă de remorcare și puterea primită de elice de la motorul principal (echivalentă cuplului rezistent Q cerut).

(14)

Ținând seama de (10) și (13) relația devine:

(15)

unde:

– randamentul elicei (16)

– randamentul corpului navei (17)

Luând în considerare pierderile de putere în reductor și de-a lungul liniei axiale exprimate prin și , puterea necesară la flanșa motorului principal rezultă cu relația (18):

(18)

3.3. Interacțiunea cu mecanismul se schimbare al pasului MSP

La elicile cu pas reglabil, mecanismul MSP acționează în vederea rotirii palelor în butuc, în jurul axului propriu fiecărei pale. Momentului activ dezvoltat de MSP i se va opune un cuplu rezistent la rotirea palelor notat în continuare, Mrr, și care rezultă din compunerea algebrică a două momente.

Unul se datorează formei spațiale a palei, și al doilea repartizării neuniforme a secțiunilor pe rază. Conform detaliilor de la fig.4 se observă că linia grosimilor maxime nu coincide cu axa de rotație a palei în butuc. Datorită rotirii palelor față de axul port-elice, punctele de aplicare a forțelor centrifuge corespunzătoare maselor secțiunilor elementare se dispun pe axa grosimilor maxime. Decalajul față de axa de rotație conduce la apariția așa numitului moment centrifugal Msc.

Forma spațială a palei face ca la diverse valori ale razei r, extradosul secțiunilor elementare să fie decalat față de un plan de referință, astfel că forțele de împingere elementare sunt orientate diferit una față de cealaltă (dar perpendicular pe planul extradosului secțiunii elementare) și conduc la apariția momentului hidrodinamic Msh.

1.9.Nava ca obiect comandat

La proiectarea și construcția sistemului automat de guvernare a navei este necesară analiza proprietăților dinamice ale navei și obținerea modelului său matematic. Pentru studiul manevrabilității, stanilității și girației navei este necesar să se înțeleagă toate fenomenele caracteristice deplasării navei ca urmare a acțiunii cârmei bandate cu un unghi α, în condițiile unor perturbații exterioare diverse din partea mediului ambiant F, ca valuri, vânt etc.

Mărimile de comandă. O navă cu cârma amplsată în planul diametral, lipsa perturbațiilor, este supusă acțiunii forței de împingere produsă de propulsoare și rezistenței la înaintare. La bandarea cu un anumit unghi α, secțiunea sa mediană formează cu direcția fluxului unghiul α. Așa cm s-a arătat anterior, ca urmare areacției hidrodinamice, apare forța de presiune P, orientată sub un anumit unghi față de planul diametral.

În general, forța P, așa cum reiese din figura nr. 8 produce o deplasare laterală (derivă) și mișcarea de rotație a navei în jurul a trei axe perpendiculare: verticală (girație), longitudinală (banda) și transversală (asietă). În afară de aceasta, din cauza măririi rezistenței la înaintare se micșorează corespunzător și viteza navei v.

Rotirea navei în jurul axei verticale se produce datorită acțiunii forței P față de centrul de greutate al navei. Deriva navei apare datorită componentei (proiecția forței P pe o direcție perpendiculară pe planul diametral). Datorită miscării de derivă, asupra corpului navei vor apărea forțe hidrodinamice de aceeași natură ca și cele care apar la deplasarea cârmei în fluxul de lichid.

Figura nr. 8

Forțele care acționează asupra navei

Forța de derivă împreună cu forța P dau un cuplu care produce viteza unghiulară ω (figura nr. 7). La deplasarea cârmei apare cuplu datorat forțelor care acțonează asupra corpului navei în planul secțiunii maestre. Acest cuplu produce bandarea navei în bordul opus celui în care este bandată cârma.

Traictoria de mișcare a navei. Centrul de greutate al navei, după bandarea cârmei, se va deplasa după o traictorie curbă, denumită curbă de girație. Se disting trei perioade în procesul de girație : manevră, evoluție și stabilizare. Fiecare perioadă se caracterizează printr-o anumită interdependență a forțelor și cuplurilor care acțonează asupra navei după bandarea cârmei. În figura nr. 9 este prezentată traictoria navei după deplasarea cârmei sub un unghi oarecare α.

Perioada de manevră coincide în timp cu durata deplasării cârmei din planul diametral până la un unghi α. Acest interval de timp este scurt și se caracterizează prin creșterea continuă a forței P. Unghiul de derivă crește, ca urmare a deplasării navei, în partea opusă. Ca urmare, apare o viteză unghiulară ω, orientată în sensul rotației navei. La sfârșitul acestei perioade forța hidrodinamică pe cârmă devine maximă.

Perioada de evoluție începe din momentul în care cârma a fost rotită sub unghiul α și se termină când parametrii deplasării navei se stabilizează. În această perioadă, viteza unghiulară de rotație a navei se mărește, iar momentele de inerție și hidrodinamic care se opun rotației cresc.

Perioada de stabilizare începe odată cu treminarea perioadei a doua și continuă atâta timp cât cârma rămâne deplasată sub unghiul α. În această perioadă toate forțele care acționează asupra navei se găsesc în echilibru dinamic. Unghiul de derivă β și viteza unghiulară ω nu variază, iar nava execută o mișcare circulară cu raza constantă R. Traictoria de mișcare în a treia perioadă se numește girație stabilizată.

Pentru studiul girației navei ca obiect comandat de către cârmă este necesar să dispunem de ecuațiile mișcării sale în sistemul de coordonate mobil x, y, fixat rigid la navă și în sistemul de coordonate , fix în spațiu (figura nr. 9).

Figura nr.9

Traictoria de mișcare a navei

Parametrii traictoriei de mișcare a navei. Parametrii care caracterizează mișcarea navei pe o anumită traictorie sunt: unghiul de derivă β, adică unghiul dintre planul diametral și direcția vectorului vitezei liniare a centrului de greutate, viteza liniară a centrului de greutate v, viteza unghiulară de rotație a navei în jurul axei verticale ce trece prin centrul de greutate ω ; unghiul de drum ψ, adică unghiul dintre planul diametral al navei și axa fixă (de regulă axa se alege astfel încât să se găsească în planul diametral al navei în momentul inițial al perioadei de manevră) ; inghiul de viteză, adică unghiul dintre axa și direcția vitezei liniare a centrului de greutate v ; coordonatele centrului de greutate al navei și  ; raza traictoriei centrului de greutate al navei R ; deplasarea navei în direcția drumului inițial din momentul bandării cârmei până în momentul corespunzător rotației navei la 90° denumită avans, adică coordonata la ψ=90° ; deplasarea navei în direcția deplasării cârmei, denumită deplasare directă, adică coordonata la ψ=90° ; deplasarea maximă a centrului de greutate al navei în direcția opusă rotirii , denumită deplasare opusă ; distanța de la drumul inițial până în punctul care corespunde unei rotații de ψ=180°, denumită diametrul girației tactice.

Legătura cinematică dintre parametrii ce caracterizează deplasarea navei pe o traictorie curbilinie este dată de relația :

(11)

Mărimile perturbatoare. La marșul în linie dreaptă, nava este supusă permanent acțiunii unor factori perturbatori diverși (vânt, valuri etc.) care se opun mențnerii direcției inițiale. Fenomenele fizice care au loc în cazul acțiunii perturbațiilor sunt similare cu cele care apar în faza inițială a girației. De exemplu, sub acțiunea unei rafale de vânt de scurtă durată, nava se rotește puțin, fapt care duce la apariția derivei. Cuplul forței de derivă care apare din cauza deplasării oblice a navei duce la apariția unei viteze unghiulare, iar nava începe să se abată de la drumul impus. În acest caz, dacă cuplul care împiedică rotația, este mai mare decât cuplul dat de forța de derivă , atunci această viteză unghiulară se micșorează iar nava, care s-a abătut de la drumul inițial cu un anumit unghi, se va deplasa din nou în linie dreaptă.

Acest lucru este valabil pentru nave cu stabilitate de drum naturală. La navele care nu au stabilitate de drum naturală, viteza unghiulară crește în timp, iar nava începe să descrie o traictorie, care s-ar abate din ce în ce mai mult de la drumul inițial, dacă nu s-ar interveni cu ajutorul cârmei.

1.10. Ecuațiile generale de mișcare a navei

Pentru studiul dinamicii mișcării navei in plan orizontal este necesar să dispunem de sistemul de ecuații care descriu interacțiunea dintre parametrii traictoriei de mișcare a navei. Aceste ecuații pot fi obținute din ecuațiile de echilibru ale forțelor și cuplurilor care acționează asupra navei :

(12)

în care : și sunt proiecțiile pe axele x și y ale vitezei v a navei; m – masa navei; J – momentul de inerție al masei navei față de axa verticală ; , – proiecțiile forțelor motrice și ale forțelor de rezistență.

Transformarea în continuare a ecuațiilor se face cu următoarele simplificări : dependența forței laterale care acționează asupra corpului navei de unghiul de derivă este neliniară și poate fi aproximată printr-o parabolă cu două ramuri ; dependența momentului hidrodinamic în plan orizontal de unghiul de derivă și de viteza unghiulară este liniară ; influența rotației navei în plan orizontal asupra forței laterale care acționează asupra corpului se neglijează ; înclinarea navei în plan transversal nu influențează parametrii de mișcare în plan orizontal ; formula metacentrică a stabilității este corectă pentru tot domeniul unghiurilor de bandă care apar în perioada de evoluție ; nava se deplasează în apă calmă, iar în momentul în care începe girația asieta rămâne constantă ; axele principale de inerție ale navei coincid cu axele de coordonate fixate la navă ; se utilizează coordonatele fixate de navă x, y ; unghiul de derivă și viteza unghiulară se determină în condiția v≈constant.

Având în vedere cele de mai sus mișcarea navei este descrisă de următorul sistem de ecuații pus în formă adimensională :

(13)

Unghiul de drum al navei în caz general se determină cu expresia :

(14)

Unghiul de bandă al navei θ se obține cu ajutorul ecuației :

(15)

În expresiile (13), (14) și (15) s-au folosit următoarele notații : – viteza unghiulară adimensională față de axa verticală ; – viteza adimensională a navei ; – timpul adimensional ; L – lungimea navei ; – valoarea vitezei navei la începutul girației.

Expresiile matematice pentru determinarea coeficienților ecuațiilor și sunt date cataloage.

Poziția navei în plan se determinăprin calcularea coordonatelor adimensionale ale traictoriei centrului de greutate al navei și care se calculează cu formulele :

(16)

Mărimile se calculează cu ajutorul sistemelor de ecuații (11) și (13). Mărimea de comandă α este o funcție de timp dată. Funcția poate fi aflată cu ajutorul formulei , unde : este viteza stabilizată ; – intervalul de timp adimensional de la începutul deplasării cârmei până la sfârșitul perioadei de evoluție (timpul de stabilizare), care se recomandă să se ia pentru toate navele.

Calculul analitic al parametrilor de mișcare se face, de regulă, cu ajutorul formulelor (13 … 16), separat pentru perioadele de manevră și cea de evoluție, deoarece anumite mărimi care au o importanță deosebită în perioada de manevră se pot neglija în perioada de evoluție.

Metoda analitică de calcul al parametrilor de mișcare a navei permite rezolvarea problemelor de dinamică a navei, dar este destul de greoaie. În cazul în care se impune să se varieze parametrii, rezolvarea problemei devine atât de dificilă, încât utilizarea acestei metode apare ca nerațonală.

Utilizarea modelării matematice permite să se studieze, relativ simplu, caracterul de variație a elementelor mișcării orizontale și a unghiului de bandă al navei la începutul girației, atât la diferite valori ale unghiului de cârmă, cât și la schimbarea parametrilor navei. După rezultatele modelării în figura nr. 10, sunt prezentate cu linie continuă curbele de variație în timp a parametrilor de mișcare a navei la începutul girației. Cu linie întreruptă sunt reprezentate rezultatele calcului analitic. Confruntarea datelor obținute prin modelare și prin metoda analitică demonstrează precizia bună a modelării. Din curbele prezentate se vede că viteza navei după 40 de secunde se reduce cu 40%, viteza unghiulară ω are un caracter exponential și cam în acelați timp ca și , se stabilizează.

După aceeați lege variază și unghiul de derivă β. Unghiul de bandă θ variază după o lege de oscilație amortizată. El atinge o valoare mare care, în anumite cazuri, face ca vitezele de deplasare a cârmei la unghiuri de cârmă mari să fie limitate.

Figura nr.10

Curbele de variație a parametrilor de mișcare a navei

β, ω, θ și la începutul girației

=== Concluzii ===

Concluzii:

În concluzie sistemele de guvernare a navelor utilizate cu precădere în ziua de astăzi, adică cele de tip hidraulic și cele electrohidraulice sunt sisteme care și-au demonstrat din plin eficacitatea precum și fiabilitatea dea lungul unei lungi perioade de timp de când sunt instalate la bordul navelor.

Până de curând sistemele de guvernare pur electrice erau instalate doar la ambarcațiuni de dimensiuni și tonaj mic însă odată cu dezvoltarea, în special după anul 1990 a electronicii de putere combinată cu „explozia” informaticii industriale care beneficiază de noua generație de procesoare implementate în arhitectura noilor tipuri de PC-uri a dus la apariția unor noi posibilități de implementare și de control a motoarelor electrice în cadrul acționărilor electrice navale.

Datorită numeroaselor avantaje oferite de folosirea acestora în cadrul instalațiilor navale cum ar fi spațiul mult mai mic necesar la proiectarea sălii mașinii de cârmă, gabarit mult mai redus, vibrații ale întregii instalații la smucituri, mult mai reduse, uzura mecanică aproape inexistentă, costuri de întreținere și exploatare reduse din ce în ce mai mult, comanda și semnalizarea efectuate în timp real și corectate de către computerul de la bordul navei au dus la o nouă generație de nave care au început să adopte aceste instalații de guvernare pur electrice stabilind astfel noi standarde de calitate și fiabilitate în domeniul construcțiilor și exploatării navale.

Foarte importantă a devenit următoarea trăsătură a navelor de ultimă generație:

– se dorește o înglobare a sistemului de propulsie a navei în sistemul de guvernare al acesteia prin folosirea sistemelor de guvernare active.

Așadar sistemele de guvernare a navelor, pur electrice, constitue într-adevăr o alternativă viabilă la cele existente în ziua de azi care cu siguranță cu timpul vor deveni majoritare înlocuindu-le pe cele actuale.

=== experiment ===

Rezultate obținute în urma simulării în mediul de programare Borland C++ 3.1:

– pentru un randament al motorului de 88 % și cele două legi de comandă com1 și com2

– pentru un randament al motorului de 76% și cele două legi de comandă com1 și com2

– pentru un timp final impus de 1.5 secunde pentru ambele legi de comandă

sdfasf