3.Винтовая характеристика.

При изучении эксплуатационных режимов пока обращалось внимание на изменение параметров работы дизелей по нагрузочной (п — const), внешней и ограничительной ­ характеристикам. А как же выглядят закономерности изменения показателей главного судового дизеля, непосредственно работающего на гребной винт постоянного шага на режимах от малого до полного хода судна. Определяющим фактором здесь выступает собственно характеристика гребного винта как нагрузочного устройства дизеля. Специфика характеристики винта хорошо известна и состоит в том,

что для обычных водоизмещающих транспортных судов поглощаемые винтом момент и мощность изменяются по квадратичной М и кубической параболам.

Следовательно, и эффективные энергетические показатели дизеля ввиду малости потерь в передаче изменяются пропорционально квадрату и кубу частоты вращения:

(5)

где с, с_1, с₂, — постоянные.

Это значит, что для каждого нового режима устанавливаются новые значения подачи топлива и частоты вращения, определяемые соотношением

Получаемая при этом совокупность нагрузочно-скоростных режимов, удовлетворяющих закономерностям работы гребного винта (5), и представляет собой винтовую характеристику дизеля. Зависимости показателей дизеля строят в функции основного режимного параметра — частоты вращения, как определяющего скорость судна в силу пропорциональности и режим его работы.

Обязательным условием построения винтовой характеристики по опытным данным является неизменность факторов, влияющих на сопротивление движению судна (осадка, состояние корпуса и винта, погодные условия и т.д.). Только в этом случае гребной винт ра­ботает практически с одинаковым скольжением и поступью во всем диапазоне частот вращения, и в соотношениях (5) могут быть выделены постоянные Отсюда следует, что для каждых новых условий плавания эти постоянные будут иметь свои значения, и область реальных режимов описывается полем винтовых характеристик (рис.64, а, б).

Рис. 64. Винтовые характеристики для различных условий работы судна

Левая граница поля представляет собой швартовную винтовую характеристику 4, Она соответствует тяжелым условиям работы судна

Таблица 4

n	Ре	Nt	п	ре	Nе
103,2	106,5	110	70	49	34,3
100	100	100	62,9	39.6	25
90,8	82,4	75	50	25	12,5
79,3	63	50	30	9	2,7

Примечания. 1. Данные приведены в процентах.

2. Подчеркнутые значения соответствуют условиям стендовых испытании.

(во льдах, при снятии с мели, на швартовных испытаниях), когда при нулевой скорости и — 0 гидродинамика винта определяется 100 %-ным скольжением и нулевой поступью, а постоянные в формулах (5) имеют наибольшие значения.

Правая граница относится к режимам работы дизеля в легких условиях (характеристика—движение судна порожнем, в балласте, при чистом корпусе и попутном ветре). Постоянные имеют наименьшие значения и

параболические кривые M_e=c₁n²; идут более полого.

Для отражения номинального режима работы также может быть выделена теоретическая, или расчетная, винтовая характеристика 3, проходящая через точку с номинальными значениями п, р_е, По теоретической винтовой характеристике главные судовые дизели обычно испытывают на стенде завода-изготовителя (табл. 4). Показатели, задающие режим:

M_e /M_{e ном} = p_e/p_еном=(n/n _ном)²; N_e/ N_eном=(n/n _ном)³

Из сопоставления с теоретической винтовой характеристикой устанавливается понятие гидродинамически «тяжелого» и «легкого» винта. Влево от теоретической винтовой характеристики имеем область характеристик «тяжелого» винта, вправо — «легкого».

При переходе с одной характеристики на другую как раз и воспроизводятся рассмотренные режимы нагрузочной 2, внешней 6 и ограничительной 5 характеристик. Отсюда также следует, что на режимах «тяжелого» винта номинальная мощность не может быть получена без превышения номинальной подачи топлива, а на режимах «легкого» винта для достижения потребуется превышение номинальной частоты вращения.

Выбираемые номинальные параметры устанавливаемого на судно дизеля обычно согласуются с исходной характеристикой винта для чистого нового корпуса судна в полном грузу таким образом, чтобы при был обеспечен запас мощности 10—15 %. Следовательно, в начальный период эксплуатации дизель работает по «облегченной» винтовой характеристике, а запас мощности используется для поддержания скорости при обрастании корпуса или винта. При таком подходе также обеспечивается минимизация удельных расходов топлива на эксплуатационных режимах полного хода для различных загрузок и состояний корпуса. И все же «жесткость» задания эксплуатационных режимов, недоиспользование мощности из-за ограничений по подаче топлива и частоте вращения являются основным недостатком винта постоянного шага. Этот недостаток особенно проявляется на судах, работающих с переменным сопротивлением движению (буксирах, траулерах, спасателях, судах ледового плавания), на которых, как известно, преимущественно применяют ВРШ.

Винт регулируемого шага позволяет существенно расширить диапазон эксплуатационных режимов и возможности использования мощности дизеля (рис. 65, а, б) изменением шага винта в допускаемых по условиям кавитации пределах шаговых отношений всегда имеется возможность перейти с одной винтовой характеристики на другую и скомпенсировать нежелательные влияния внешних факторов. Используемые в системах управления дизелем и ВРШ программы задания режимов как раз и решают задачу оптимизации тяговых, мощностных и экономических характе­ристик (регуляторной /, нулевого 2 и максимального 5 упора, теоретической 4, швартовной 6, внешней 7) в многообразных условиях работы судна (3 — граница кавитации).

Закономерности изменения эффективных энергетических показателей . непосредственно влияют и на обеспечение режимов работы дизеля по винтовой характеристике. Так, из табл. 4 следует, что при повышении частоты вращения на 3,2 % (п=103.2 %) перегрузка дизеля по мощности составляет 10%. С понижением же частоты вращения энергетические показатели резко снижаются.

Рис. 65. Поле рабочих режимов на ВРШ

Рис. 66. Винтовая характеристика дизеля

При n=30% момент и давление составляют 9 % от номинальных значений. Отсюда трудности поддержания допустимых уровней тепломеханических нагрузок на режимах лад­ного хода и устойчивой работы дизеля на режимах самого малого хода n≤30%. Последнее обусловливается неудовлетворительным распиливанием топлива, большой неравномерностью распределения его по цилиндрам, а иногда и недостаточным воздухоснабжением.

Индикаторные энергетические показатели дополнительно зависят от изменения механических потерь

но при β=1,5-2 темп их возрастании ниже, N_м=Аn^β и p_м=А₁n^β-1. Следовательно, с увеличением частоты вращения снижаются относительные механические потери N_i=1/(1-N_м /N_е) и возрастает механический КПД (рис. 66, а). В диапазоне частот вращения70% ≤n≤100% увеличение η_м незначительно, что и дает основания оценивать изменение параметров , в этой области сближенными зависимостями , где

- постоянные

показатели экономичности при работе на винт подвержены одновременному влиянию двух переменных— подачи топлива и частоты вращения, а именно: с уменьшением частоты вращения подача топлива снижается по зависимости что при умеренном давлении наддува обычно превышает темп снижения заряда и коэффициент избытка воздуха а, возрастает (рис. 66, 6). При повышенном МПа возрастание коэффициента α возможно лишь на режимах малого хода, а в области отмечается снижение α. В целом влияние α на η_i оказывается незначительным, и зависимость на рис. 66, б близка к прямой η_і=const. Большее влияние на η_i и g_i; оказывают качество сгорания и тепловые потери в связи с регулированием ТНВД. Как видно из рис. 67, стабилизация сгорания относительно ВМТ при регулиро­вании насоса по концу подачи (кривая 2) ведет к улучшению экономичности по сравнению с ТНВД по началу подачи (кривая 1). Понятен и механизм такого влияния — в ТНВД с регулированием по началу подачи при уменьшении цикловой подачи угол опережения подачи топлива уменьшается, сгорание смещается на линию расширения, потери q_газ возрастают, а коэффициент η_i=1-(q_охл.+q_газ) падает.

В современных судовых дизелях эффект минимизации кривой усиливают применением специального регулирования ТНВД (кривая 3) в том смысле, что в диапазоне с уменьшением частоты вращения п по концу подачи одновременно увеличивается угол опережения . Мерой такой коррекции является поддержание что в итоге и дает эффект φ_опер снижения расхода, показанный на рис. 67.

Более характерный минимум имеют g_i кривые удельного эффективного расхода топлива g_e. (см. рис. 67). На участке справа от точки g_emin расход топлива минимален, ухудшение экономичности обусловливается в основном снижением индикаторного так как

Механическая напряженность при работе на винт обусловливается влиянием цикловой подачи и частоты вращения. Следствием этого является изменение показателей динамики рабочего цикла динамики дизеля и коэффициентов запаса длительной прочности по нормальным ч_а и касательным напряжениям. Определяющим фактором является способ регулирования ТНВД. А именно, для ТНВД с регулированием по концу подачи (кривые 2} повышенная «жесткость» работы при n=70-80% (рис. 68) объясняется сокращением фазы задержки вос­пламенения и более ранним воспламенением топлива в области полного хода отмечается φ_ив= φ_{о пер}- φ_i умеренное повышение дав

Рис. 67. Индикаторный

расход g, при различных

способах регулирования

ТНВД

ления и постоянство максимальной движущей силы В случае регулирования ТНВД по началу подачи (кривые 1) движущая сила возрастает, а в случае специального регулирования (кривые 3), обес­печивающего и повышение экономичности, сила достигает наибольшего значения при Следо вательно, на этих режимах сокращается запас по нагрузкам на подшипники (А-уровень допустим.

нагрузок). Это обстоятельство учитывают в конструкциях современных судовых дизелей, работоспособность которых проверяют на режимах п=90% при Последнее тем более необходимо в силу обратной зависимости от давления р_г и силы P_maх запасов длительной прочности для двухтактных дизелей, для четырехтактных, — для дизелей обоих типов (где а, Ь —-постоянные).

Особенности изменения механической напряженности дизеля при работе на винт в зависимости от способа регулирования ТНВД следует принимать во внимание и при обеспечении эксплуатационных режимов. В первую очередь это распространяется на характеристики «тяжелого» винта, где подача топлива ограничивается в соответствии с величино Наконец, следует помнить о критических зонах частот вращения, работа в которых должна быть ограничена во времени или исключена.

Тепловая напряженность дизеля, работающего на винт, подвержена глубоким изменениям вследствие воздействия на подачу топлива и частоту вращения. Достаточно сказать, что для обобщенных показателей теплонапряженности: тепловой нагрузки обобщенной температуры стенки камеры сгорания и обобщенных температурных напряжений с точностью до постоянных и и можно принять кубические зависимости от частоты вращения:

Рис. 68. Давление р_z и р_max

при различных способах

регулирования ТНВД

Отсюда и отмеченные жесткие требования к обеспечению максимального теплоотвода от стенок путем интенсивного прокачивания полостей охлаждения, поддержания умеренных температур воды, масла и наддувочного воздуха на режимах полного хода и наоборот, принятие мер для сохранения теплового состояния дизеля на режимах малого хода.

Необходимые тепловые условия задаются настройкой систем терморегулирования воды, масла, наддувочного воздуха. Для водяного охлаждения сохраняется водопоток и частичным байпасированием водоохладителя термостатом поддерживается постоянство темпера­туры воды на выходе из дизеля. В системе масляного охлаждения поршней также сохраняется маслопоток, но терморегулятором поддерживается температура масла на входе. В системе охлаждения наддувочного воздуха изменением водопотока через воздухоохладители температура воздуха поддерживается постоянной, а на малых ходах прокачивание воздухоохладителей прекращается.

Однако принятых мер иногда оказывается недостаточно. Так, в тропических районах плавания нормальное тепловое состояние дизеля, обычно оцениваемое по температуре выпускных газов, удается обеспечить лишь снижением подачи топлива и мощности дизеля. При низкой температуре для поддержания теплового состояния дизеля на режимах малого хода прибегают к подогреву воздуха на входе в компрессоры или в двигатель. В последнем случае прокачивают горячую воду через отдельную секцию воздухоохладителя.