Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Дубровский О.Н. Гидроэнергетические расчеты судовых силовых гидравлических приводов и систем

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.77 Mб
Скачать

§ 20

Р асчет х а р а к те р и с ти к д и з е л ь -ги д р а в л и ч е с к и х приводов

Дизель-гидравлические приводы приобретают все большее рас­ пространение в судостроении. Их используют в автономных гидро­ приводах большой мощности (приводы гребных установок, лебедок различного назначения, подруливающих устройств, насосов) и для обслуживания групповых и общесудовых силовых гидравлических систем [7; 9; 11].

Выбор типа дизель-гидравлического привода определяется ' не только особенностями обслуживаемой гидросистемы (индивидуаль­ ной или общесудовой системы, с объемным или дроссельным регулиро­ ванием, постоянного или переменного давления, характером и про­ должительностью нагрузки и др.), но и особенностями энергетиче­ ских характеристик дизеля, приводящего насос гидропривода. При этом большое значение имеет выбор оптимального режима работы дизель-насосного агрегата — с постоянной или переменной частотой вращения — путем сравнительного анализа обоих вариантов в за­ висимости от основных режимов работы гидропривода (М = const, N = const, N = Сп3). В качестве критерия можно принять сле­ дующие параметры:

—■диапазон регулирования скорости и нагрузки;

тепловую и механическую напряженность дизеля, характери­ зующую его надежность и моторесурс;

экономичность Г]дг (іѴм, пм).

Эффективную мощность и крутящий момент дизеля можно выра­ зить зависимостями (в относительных единицах)

Ne — реп, Ме = ^ - = ре.

(157)

п

 

Действительная связь данных величин, в силу особенностей рабочего процесса дизеля, сложнее и имеет не строго линейную зависимость.

В диапазоне п ^ 0,4-4-0,9 действительные значения Ne и Ме на 5— 15% превышают рассчитанные поданным зависимостям и хорошо аппроксимируются выражениями

N e = petic- n и Ме — репс~п- \

(158)

где С =1,2-4-1,3 (меньшее значение коэффициента характерно для дизелей с газотурбинным наддувом, большее — без наддува).

Однако указанные отклонения от линейной зависимости невелики и с целью упрощения расчетов ими можно пренебречь. Данное упро­ щение не нарушает принципиальных соотношений, определяющих диапазоны возможного использования дизель-гидравлического при­ вода.

Величина ре примерно соответствует цикловой подаче топлива Д0т._При AGT = 1 (максимальная подача) ре = ре = 1- При AGT =

= АОт = const снимаются

внешние (предельные) энергетические

10*

147

характеристики дизеля Ne (я), qe, т]г, цт, а и др. При АGT < < Дбт (р е < 1) снимаются ограничительные характеристики. Во из­ бежание перегрузки дизеля работа при ре = 1 допускается ограни­

ченное время и, как правило, при я << 0,7. Длительная эксплуатация дизеля в пределах всего диапазона эксплуатационных оборотов до­

пускается

при 0,9-М),85 >

р е > 0,25-г-0,35 (по условиям нормаль­

 

 

 

 

 

 

 

 

ного смесеобразования). Эти­

 

 

 

 

 

 

 

 

ми же причинами ограничи­

 

 

 

 

 

 

 

 

вается

скоростной

режим

 

 

 

 

 

 

 

 

длительного

использования

 

 

 

 

 

 

 

 

дизеля, который, как пра­

 

 

 

 

 

 

 

 

вило, не выходит за пределы

 

 

 

 

 

 

 

 

диапазона

п = 0,9—г-0,4 (в ге­

 

 

 

 

 

 

 

 

нераторном

режиме

я «=*

1).

 

 

 

 

 

 

 

 

На режимах я'"

0,3-г-0,35

 

 

 

 

 

 

 

 

допускается

кратковремен­

 

 

 

 

 

 

 

 

ная работа дизеля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Величины я' и я"—я"'

 

 

 

 

 

 

 

 

ограничены

регулятором ча­

 

 

 

 

 

 

 

 

стоты вращения, от работы

 

 

 

 

 

 

 

 

которого зависит неравномер­

 

 

 

 

 

 

 

 

ность работы дизеля. Пре­

 

 

 

 

 

 

 

 

дельные

колебания

частоты

Рис. 43. Обобщенные характеристики дизеля.

вращения

судового

дизеля

1 — фактическая

мощность;

2 — расчетная мощ­

на

установившемся

режиме

ность (Ne =

Р е п ) ;

3 — ограничительная макси­

Ая

при

полном

сбросе

на­

мальной длительной мощности

=

const); 4

грузки, как правило, не пре­

регуляторная

характеристика

максимальной

ча­

вышают

 

±10%

при

работе

стоты вращения (при р*е ~

р\

~

і); 5 — ограни­

на

гребной

вал и ±(1-=-5)%

чительная минимальной

длительной

мощности

при

работе

в генераторном

(ре = const);

6 — винтовая характеристика;

7

регуляторная

характеристика

минимальной

ча­

режиме (по нагрузочной ха­

стоты вращения (при ре)\

8 — действительная

рактеристике).

Таким обра­

минимальной длительной мощности.

 

зом, механические характе­

 

 

 

 

 

 

 

 

ристики дизеля

при исполь­

зовании его в гидроприводах следует рассматривать как устойчи­

вые, приняв

Я (М ) const.

обобщенные характеристики дизеля.

На рис.

43 приведены

Зона длительных эксплуатационных нагрузок заштрихована. При спаривании агрегатов через редукторную передачу = Ney\p и Яң = nip, где Пр и ір — полный к. п. д. и передаточное отношение редуктора.

В общем случае основные энергетические параметры дизеля

имеют следующую связь с параметрами гидропривода:

 

N.

СлРеП=

ГңРңЯң

= с„ гмРмпм

(159)

 

 

 

% п

 

4гп

 

 

 

 

 

 

 

М,

= СДРе ■

с.

гнРн

= с„

ГмРм

(160)

’Ігп

4гп

 

148

Для сравнения примем параметры, характерные для судовых дизе­

лей: р е = 1, ре — 0,25, я 1 я = 0,4. Если влиянием изменения к. п. д. гидропривода пренебречь и принять рн = рм, тогда (в от­ носительных единицах):

— при я = const

 

Ne = М е = ре = г~Рп = гмпмрн = 1-5-0,25,

(161)

откуда диапазон использования гидропривода по мощности и моменту

Бщы,М)-%г — 4;

(162)

Ре

 

 

— при я = war

 

 

Ne = реп = г„рипи = гмрнпм = 1-ь0,10,

(163)

Ме = ре = гнрн = гмрн

= 1 -5-0,25,

(164)

откуда

 

 

£>Д( л г ) = - Й - =

10,

(165)

Ре11

 

 

Я*(Лі) = 4 --= 4.

(166)

Ре

 

 

Следовательно, регулировочные возможности гидропривода с ди­ зель-насосной установкой, работающей в режиме я = war, принци­ пиально шире, чем в гидроприводе с п = const. Как видно, регулиро­ вочные возможности дизель-гидравлических приводов ограничи­ ваются нижними мощностными пределами. Например, для варианта

с я = const нижний предел Ne ^ 0 , 2 5 и для варианта с я = war

Ne = 0,1JV( при я . Следовательно, для я =

const при максимальном

значении г„

=

1

или ря — 1 минимальные значения

ря = рй =

= Ne/rH” nH'= 0,25

и я„ = N'é/pnrM= 0,25 соответственно.

При я =

= war и рн =

1

минимальные значения

гя = МУрнпя“ =

0,25 и

«м = пя - ~

=

0,1.

При я'н = 0,4 минимальное давление p'â

— р”и =

= N"e/гяпя =

0,25.

 

_

 

 

При работе по винтовой характеристике с N = пь, где b — 1,4ч-3,2 (в зависимости от типа обводов корпуса), минимальная частота вращения в обоих вариантах

«м = ^ Ре 0,4-5-0,65.

Следовательно, для расширения диапазона регулирования и обеспечения длительного холостого хода в установках обоих типов необходимо обеспечить дополнительную загрузку дизеля мощностью,

равной реп . В судовых дизель-гидравлических приводах это дости­ гается электрогенераторами, приводимыми от дизель-насосного агре­ гата (для варианта с я = const), или введением дросселя с пере­ пуском рабочей жидкости гидропривода.

149

Связь моторесурса дизеля Тд с режимом эксплуатации чрезвы­ чайно сложна. Данный вопрос не имеет законченного решения. Можно привести ряд ориентировочных соотношений, которые по­ могут, в первом приближении, выбрать рациональный режим работы дизеля в составе дизель-гидравлического привода.

Срок службы дизеля гребной установки между переборками (ремонтами) в зависимости от эксплуатационной мощности, по дан­ ным [3], можно выразить примерной зависимостью

7,д^ - = - ( 1 - О Д / П

(167)

Видно, что срок службы судового дизеля с уменьшением средней эксплуатационной мощности интенсивно возрастает. Основные пара­ метры, определяющие мощность, оказывают неравноценное влияние на износ двигателя. По рекомендации Д. Б. Танатара, изменение моторесурса геометрически подобных двигателей, при подобии усло­ вий смазки и материальных систем, в первом приближении можно оценить по выражению

(168)

где X л* 1-Д),33, у ж 1ч-2.

Таким образом, преобладающее влияние на моторесурс имеет скоростной режим двигателя. Поэтому режим п — war принципиально выгоднее режима п = пс = const.

Реализация заданной мощности с целью сохранения моторесурса более выгодна путём эксплуатации дизеля при возможно более низ­ кой частоте вращения за счет максимального увеличения среднего эффективного давления. Однако увеличение ре, как правило, ведет к уменьшению коэффициента избытка воздуха а, который может слу­ жить одним из показателей тепловой напряженности поршневой группы. С уменьшением а температура поршней интенсивно возра­ стает, уменьшаются надежность и срок службы дизеля.

Данный показатель может быть использован в качестве дополни­ тельного параметра, характеризующего степень напряженности выбранного режима работы. При прочих равных условиях предпочти­ тельнее режим с большим значением а. Не следует допускать дли­ тельную работу дизеля на режимах, когда а < а с, а также кратко­ временную эксплуатацию на режимах с а < 0 ,9 а с.

Параметр а в функции величин, оказывающих на него основное влияние,

(169)

Все параметры, составляющие приведенное выражение, взаимо­ связаны. Для приближенной оценки можно записать

Тогда

, ПС1+С2

 

пс

 

 

 

(171)

 

а = а :і-я ,—н. =

а

где

 

 

N» ’

 

(м')с,+ С2

 

(пУ

 

а

ас

(172)

= сг- -й

 

 

 

( К Г

С = Сг + С2 + Н, Я = 1— я х— я 2

Параметры а ', п' и pé соответствуют максимальным значениям, принятым в рассматриваемом варианте. В общем случае а' = ас. Коэффициент избытка воздуха на спецификационном режиме а с у судовых дизелей лежит в следующих пределах: для быстроходных четырехтактных двигателей с многокамерным смесеобразованием 1,4— 1,6; для двигателей с непосредственным впрыском высокой и средней быстроходности 1,8—2,0 (меньшие значения для четырех­ тактных большой мощности, большие — для двухтактных) и 2—2,2 для тихоходных двухтактных двигателей двойного действия.

Коэффициенты Сг и Н 1 при оценке к. п. д. в первом приближении могут определяться в зависимости от вида характеристики, по кото­ рой работает дизель, и типа смесеобразования. Можно рекомендовать:

— для внешней (предельной) характеристики Сг = 0-й), 1, Н х =

=0;

для винтовой характеристики Я і = 0, Сг = 0,15-г-0,2 при

непосредственном впрыске топлива, Сх =

 

0,33—^0,5 при форкамерном

смесеобразовании;

 

 

характеристики

Сг =

0,

Н г = 0,1н-0,15

 

— для

нагрузочной

при непосредственном впрыске топлива,

 

Н г = 0,25-f-0,33 при фор­

камерном

смесеобразовании.

 

 

 

 

образом

типом

 

Коэффициенты

С2

и Я 2

определяются главным

наддува. Можно рекомендовать:

 

 

—0,1,

Я 2 = —0,1 -4-0;

 

— для двигателей без наддува С2 =

 

Я 2

для

двигателей

с

механическим

наддувом С2 = 0,25-й),30,

=

0;

 

 

 

 

 

 

 

 

наддувом

С2 =

0,2—^-0,25,

Я 2

— для двигателей с газотурбинным

 

=

0,1-й),22.

 

 

 

 

 

 

const и,

следовательно,

 

Для внешней характеристики при ре

Ne = Спіг

«(п) =

а'п 11, где п =

Сг + С2.

 

 

 

(173)

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

винтовой

характеристики

Ne =

CBnb

при

b =

3

 

 

 

«в = 4 »

где ß

=

2 ( 1 - Я 2) - С 1- С

2 (Я1 =

0).

(174)

 

 

 

 

п°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

нагрузочной

характеристики

при ti'

= const

 

 

 

 

 

 

а {Н) = ^ ң ,

где Я =

1 — Я х — Я 2.

 

 

(175)

 

 

 

 

 

Ре

 

 

 

 

 

 

 

 

 

151

Эксплуатация дизеля по винтовой или иной скоростной характе­ ристике, а также наличие газотурбинного наддува способствуют поддержанию более высокого значения а и меньшей тепловой напря­ женности поршневой группы.

Коэффициент избытка воздуха является также одним из наи­ более существенных показателей, определяющих экономичность двигателя.

Рис. 44. Характеристики тц (а) судовых и тепловозных дизелей различных типов.

/ — 4СП 8,5/11; 2 — 14 10,5/13; 3 — К 157М; 4 — К-457; 5 — Д-50; 6 — М-50; 7 — К -164; 8 — ЗД6; 9 — 6ЧН 23/30; 10 — 16ЧН 24/27; 11—ЗД12А;

12 — 8ДКР 75/125 (нагрузочная характеристика); 13 — Коло —BBA; 14 — 8ДК.Р 75/125 (винтовая характеристика).

Экономические характеристики дизеля неустойчивы. В зависи­ мости от режима работы они могут изменяться на 50— 100% и суще­ ственно влиять на экономичность гидропривода в целом. Это может быть решающим фактором при выборе типа первичного двигателя, принципиальной схемы гидропривода и режимов его использования.

В общем виде

Чдг = Лайт.

(176)

где

11а = %Лт-

Связь эффективного к. п. д. дизеля с нагрузочными и скоростными режимами работы сложна и определяется многими конструктивными

Щ

особенностями. Основным фактором, определяющим гр, является коэффициент избытка воздуха а [3], который, имея в спецификационном режиме значение 1,5—2,0, может снизится до 1,0—1,3 при работе дизеля по внешней характеристике или возрасти до 5—8 на режимах нагрузочной и винтовой характеристик, существенно меняя при этом экономичность двигателя. Данному диапазону изме­ нения а соответствует эксплуатационный диапазон мощности 1 : 0,2, характерный для работы судовых дизель-гидравлических приводов.

В основе метода расчета rp (Ne, п) является связь

тр (а),

а

(Ne, п)

и т]т (Ne, п).

рис.

44

приве­

Дизели имеют общую закономерность гр (а). На

дены характеристики тр (а) судовых и тепловозных дизелей различ­

ных типов. Можно отметить следующие закономерности.

Все харак­

теристики, как правило, имеют максимум тр при а

2 -т-5. Мень­

шие значения тр и а характерны для дизелей с малой цилиндровой мощностью, с многокамерным (вихрекамерным) смесеобразованием. Характеристики дизелей с непосредственным смесеобразованием,

свысокой цилиндровой мощностью, с большим размбром цилиндров

ималой частотой вращения более устойчивы и могут иметь тенден­ цию к непрерывному замедленному возрастанию тр с увеличением а.

Параметры тр и а связаны со спецификационным значением т^. Эта связь достаточно стабильна для дизелей разных типов и может быть определена эмпирическими соотношениями

 

тр = Clip, а* = t o ' ) 2,

(177)

где Ci

1,35-5-1,45 (меньшие значения характерны для двигателей

 

большей мощности с газотурбинным наддувом и малым

 

удельным расходом тошщва, большие — для

двигателей

 

малой мощности с механическим наддувом);

двигателей

С2 «г 4,8 ч-5,5 (меньшие значения характерны для

 

с многокамерным смесеобразованием и двухтактных, сред­

ние—для быстроходных дизелей с непосредственным впрыс­ ком топлива, наибольшие— для тихоходных дизелей с боль­ шой цилиндровой мощностью).

Текущие значения тр во всем эксплуатационном диапазоне изме­ нения а для дизелей различных типов аппроксимируются уравнением

У]і =

где

(а* — а)2

(178)

Cta

Сі = (С3тр)2, Сз ^ 12 4- 15.

Общие рекомендации по выбору С3 аналогичны рекомендациям по выбору С2.

Механические потери в дизеле определяются выражением

Мп

 

 

(179)

' N:

1

 

Ne

1 -I- N„

 

 

^

 

153

По данным [3]

 

 

 

1

Nn

{^тп у

(180)

где С„

, d — 1,6-ь2,2

(большие значения

характерны для

двигателей

с

механическим наддувом, меньшие — с газотурбинным

наддувом и без наддува).

Общее выражение эффективного к. п. д. дизеля на режимах

частичного

использования

при относительном выражении мощности

и частоты

вращения (за

единицу принимаются спецификационные

значения Ne и пс)

* Л N?

 

 

П і - Се

 

 

л .=

 

 

1 +

Cm ^

 

где Се =

 

 

С(-ас

 

 

Для внешней характеристики

 

 

- - 2 і- ( а * -

а сй п ) 2

Ц е (п) —

Cmnd

1

1 +

Для винтовой характеристики

(при

b 3)

„с \2

Пі

й« (в

йЗ—d

(181)

(182)

(183)

Для нагрузочной характеристики

 

 

■'ll СеР*е \ «-

 

Ле(н) —

(184)

 

1

Ре

 

 

 

Ориентировочно к. п. д. можно оценивать по табличным спецификационным значениям (при отсутствии паспортных данных дизеля), приведенным в табл. 18. Связь указанных величин можно также установить по удельному расходу топлива на спецификационном

режиме <fe

г/(э. л. с-ч):

 

 

 

 

6 3 2

/ і о г \

 

* =

вд й й Г '

(185)

где Ни = 10 000-НІ0 500 ккал/ч

(низшая

теплотворнаяспособно

дизельного

топлива).

 

 

154

3

н

ОЗ

X

а .

н

у

а> 3

н

оз

X > .

со

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 18

Спецификационные значения к. п. д. судовых дизелей

 

 

 

 

 

различных типов

 

 

 

Д и з е л и

 

 

<

 

Ч?

быстроходные

с непосред-

 

 

 

ственньш впрыском:

 

0,32—0,34

0,82—0,86

0,39—0,42

без

наддува

 

с

механическим надду-

0,33—0,35

0,75—0,8

0,4—0,42

 

вом

 

 

0,35—0,37 ,

0,82—0,86

0,41—0,44

с газотурбинным надду-

 

ВОМ

 

 

 

 

 

Средней

быстроходности с

 

 

 

непосредственным впрыском:

0,34—0,37

0,8—0,85

0,42—0,46

без

наддува

над-

с

газотурбинным

0,36—0,40

0,8—0,86

0,44—0,48

 

дувом

(предкамер-

 

 

 

Форкамерные

 

 

 

ные):

 

 

 

 

0,29—0,32

0,75—0,78

0,38—0,40

без наддува

 

с газотурбинным надду-

0,3—0,34

0,76—0,8

0,39—0,41

 

вом

 

 

 

 

 

Вихрекамерные (в поршне):

0,32—0,34

0,75—0,78

0,42—0,45

без наддува

 

с газотурбинным надду-

0,33—0,36

0,76—0,8

0,43—0,46

 

ВОМ

 

 

 

 

 

Быстроходные:

 

 

0,32—0,34

0,70—0,75

0,43—0,45

с

механическим надду-

с

комбинированным над-

0,34—0,36

0,72—0,76

0,44—0,47

ВОМ

 

 

 

 

 

дувом

 

 

 

 

 

Средней быстроходности:

0,33—0,35

0,72—0,77

0,44—0,47

с

механическим надду-

 

вом

 

 

0,34—0,37

0,73—0,78

0,44—0,48

с комбинированным над-

 

дувом

 

дей­

0,38—0,42

0,8—0,9

0,45—0,52

Тихоходные двойного

ствия большой мощности с ком­ бинированным наддувом

Покажем пример расчета характеристик судового быстроходного четырехтакт­ ного дизеля М-50 (12 ЧНС 18/20) с механическим наддувом.

 

Спецификационные данные дизеля М-50: N ec = 1000 л. с. при дс =

1700 об/мин;

qce =

180

г/(э. л. с -ч) или т)£ =

0,335.

 

 

 

 

 

В соответствии с рекомендациями для дизеля типа М-50 с непосредственным

смесеобразованием

принимаем:

С1 = 1 , 4 ;

Сг — 5,2; С3 = 13,5.

Следовательно,

а* =

(5,2-0,335)2 =

3,0, фактически а*

3,0-^3,2,

tjJ = 1,4.0,335 =

0,466, фак­

тически

!=« 0,467.

Расчетный

коэффициент Сі =

(13,5-0,335)2 =

20.

 

 

Основное уравнение индивидуального

к. п. д.

 

 

 

 

 

 

т = 0.466

 

 

 

(186)

1 5 5

Механический к. п. д. (см. табл. 18)

 

ОД

 

Следовательно,

 

1—0,8

 

 

 

 

 

0,25.

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

Основное уравнение механического к. п. д. при d == 2

 

 

 

Цт =

1

 

(187)

 

 

'

 

 

 

 

 

1 + 0,25 т=-

 

 

 

 

 

 

Ne

 

Спецификационный коэффициент избытка воздуха для дизелей М-50 а с я« 1,8

соответствует

фактическому.

 

 

 

 

 

п =

0,05 + 0,28 =

0,33,

в = 2 (1 — 0) — 0,17 — 0,28 =

1,55.

Расчета и т]в по внешней и винтовой характеристикам производим по уравнениям

 

 

1,8

3г~

 

1,8

(188)

 

(п )

V

 

аМ~~пх-55 »

 

 

0,466 -

0,0278

(з,0 — 1,8 V n f

 

 

Че(и)

 

у Т

 

 

(189)

 

 

1 +

 

0,25«

 

 

 

 

 

 

 

0,466 —

0,0278ft1,55(з,0 — 4 4 5Ѵ

 

 

(в),.

 

1

 

0,25-

(190)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты расчета графически показаны на рис. 45, а, б. Для ряда характеристик расчетные линии (штриховые) полностью сов­ пали с фактическими (сплошные) по данным [3]. На рис. 45, в при­ ведены фактические и расчетные экономические характеристики гребной дизель-гидравлической установки УМХ с дизелем К-457, работающим через редуктор на два насоса ІІД-5, каждый из которых соединен с мотором ІІМ-Ю на гребных валах. При испытании уста­ новки замерялся часовой расход топлива GT, кг/ч, расчетная величина которого определялась по выражению

К = Ч е ш ЛѴгЮ3. .............................(191)

Расчеты экономических характеристик дизель-гидравлических приводов на режимах, отличных от спецификационных (максималь­ ных), в первом приближении можно выполнять по упрощенной зависимости т]дг = іулгп, в которой г\е рассчитывается с показате­ лями Сх и Н х, а т]гп — с показателем ср (см. упрощенный расчет г|гп в § 17, 18). В общем виде упрощенное уравнение г|дг для дизельгидравлического привода с объемным регулированием

1

4гпС

Т]дг — У]еПС' Р е ' 1

(192)

(гн5м«н«мРгп)Ф .

156

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ