книги из ГПНТБ / Брук М.А. Инженерные основы эксплуатации корабельных дизелей учебник

Таким образом, основным фактором, ограничиваю­ щим допустимую температуру поршня, является возмож­ ность обеспечения работоспособности поршневых ко­ лец.

Исходя из этого, следует учитывать, что предельная температура в зоне верхнего поршневого кольца, явля­ ясь функцией нагрузки двигателя, вместе с тем зависит от эксплуатационных качеств смазочного масла, в част­ ности, от эффективности антииагарщнх и моющих при­ садок.

При оценке влияния нагрузки на суммарную напря­ женность двигателя нужно иметь в виду, что сама по себе величина крутящего момента или среднего эффек­ тивного давления однозначно не характеризует напря­ женности и возможности надежной работы деталей дви­ гателя.

Существенное, а часто и решающее значение имеют качество рабочего процесса, наличие необходимых усло­ вий для осуществления полного и своевременного сго­ рания при данной нагрузке.

По мере повышения нагрузки не только возрастают удельные показатели тепловой и механической напря­ женности, но и усложняются условия сгорания. Горение все более перемещается на линию расширения.

При неизменном числе оборотов растет продолжи­ тельность сгорания, а вместе с тем растет и время воз­ действия высоких температур газа на детали двигателя, усиливаются процессы нагарообразования и лакообразования, ухудшаются условия смазки деталей цилиндро­ поршневой группы, возрастает вероятность перегрева и деформации наиболее напряженных участков выпускно­ го клапана, поршня, втулки и крышки цилиндра.

Все вышесказанное в большей степени проявляется при значительном повышении нагрузки на частичных оборотах у двигателей с повышенным и высоким надду­ вом.

Изменение нагрузки и числа оборотов

При переходе с одного режима на другой у кора­ бельных двигателей, работающих на гребной винт фик­ сированного шага, происходит одновременное изменение нагрузки и числа оборотов.

100

При этом если показатель винтовой характеристики т = 3, среднее эффективное давление и крутящий мо­ мент двигателя изменяются пропорционально квадрату числа оборотов:

Средняя скорость поршня изменяется прямо пропор­ ционально числу оборотов, поэтому при переходе с од­ ного режима на другой показатель напряженности дан­ ного двигателя будет изменяться по - следующей функ­ циональной зависимости:

При снижении числа оборотов по винтовой характе­ ристике механический к. п. д. уменьшается, поэтому если

п \> п г, то

"От, ~Цтг, а Ят2 = м < 1.

rlmi

Следовательно, при переходе с номинального режима на частичный показатель напряженности уменьшается пропорционально третьей степени изменения числа обо­ ротов.

Соответственно уменьшается температура основных деталей и температура выпускных газов.

На рис. 25 наглядно видно, что температура поршня двигателя 40Д при его работе на винт (кривые в) зна­

чительно ниже, чем по ограничительной характеристике (кривые б ).

Температура выпускных газов изменяется примерно по такому же закону, что и температура поршня.

Аналогичным образом изменяется температура вы­ пускного клапана, крышки и втулки цилиндра.

101

Так как надежность и срок службы зависят от на­ пряженности и степени форсировки двигателей, то рас­ смотренный .характер изменения показателей напряжен­ ности по винтовой характеристике создает благоприят­ ные возможности увеличения межремонтных сроков за счет эксплуатации двигателей на частичных режимах.

Очевидно, что на этих режимах нельзя перегрузить двигатель, если действительная характеристика гребно­ го винта соответствует паспортной.

Однако в некоторых условиях перегрузка двигателей на частичных оборотах оказывается возможной и веро­ ятной. Причина таких перегрузок связана или с пере­ ходом от номинальной винтовой характеристики к «утя­ желенной» на' установившихся режимах, или с воздейст­ вием динамических усилий на переменных режимах.

Нестационарность нагрузки и переходные режимы

Рассматривая показатели нагрузки и напряженности, мы исходим из условия, что крутящий момент и число

102

оборотов на установившемся режиме имеют постоян­

ные, неизменные по времени значения.

В расчетах деталей на прочность также принимают

риодическому закону с периодом колебания, зависящим от тактности и числа цилиндров дизеля.

Динамические напряжения, возникающие под воз­ действием переменных усилий, могут стать причиной пе­ ренапряжения деталей движения и появления усталост­ ных трещин, в особенности у форсированных быстро­ ходных двигателей.

Все это указывает на необходимость учета нестациоиарности крутящего момента, скорости вращения вала,

давления и температуры газа при оценке напряженности двигателя.

На характер распределения нагрузки и напряженно­ сти двигателя влияет также стабильность режима рабо­ ты. Частые пуски и реверсы, перемены числа оборотов и подачи топлива, маневрирование корабля — все это вызывает колебание температуры и температурных на­ пряжений деталей двигателя.

Маневрирование корабля, изменение его скорости вы­ зывают соответствующие колебания нагрузки и числа оборотов двигателя, что влечет за собой колебания па­ раметров рабочего процесса, температуры газов, тем­ пературы и тепловых напряжений основных деталей.

Показательным в этом отношении является рис! 26, построенный на основании экспериментальных данных исследования судового двигателя [57].

Несмотря на поддержание температуры охлаждаю­ щей воды на постоянном уровне, температура втулки ци­ линдра и температура выпускных газов оказалась весь­ ма чувствительной к изменению скорости корабля. Ко­ лебание температуры втулки достигало 40—45° С, а тем­ пература выпускных газов изменялась от 180° G до 330° С при переходе от «стопа» к полной скорости.

Причем изменение температуры втулки цилиндра сле­ дует за изменением температуры выпускных газов.

При переходе на новый установившийся режим пара­ метры рабочего процесса сравнительно быстро стабили­ зируются, однако в течение некоторого времени про­ должают действовать переменные по величине и на-

103

правлению напряжения. Чем резче переход от одного режима к другому, тем больше амплитуда колебаний температуры н тепловых напряжений.

Поэтому следует избегать резких изменений режима работы, с тем чтобы дополнительные напряжения, воз-

Время, мин

Рис. 26. Влияние процессов маневрирования на температуры:

А — выпускных газов; Б — втулки цилиндра в двух точках; В — охлаж­

дающей воды

пикающие под воздействием переменных усилий, не вызывали перегрузки двигателя при допустимой средней величине основных его показателей.

§ 12. ИЗМЕНЕНИЕ НАГРУЗКИ КОРАБЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ И РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Нагрузка корабельных двигателей зависит от взаи­ модействия гребного комплекса: корпуса корабля, греб­ ного винта и среды, в которой он работает.

В конечном счете режим работы данного двигателя определяется величиной упора или момента гребного винта и числом его оборотов.

Если остается неизменной зависимость упора греб­ ного винта Р от скорости корабля v, то и винтовая ха­ рактеристика остается стабильной.

104

Однако во время эксплуатации действительная вин­ товая характеристика может отличаться от номи­ нальной.

Причинами такого отличия могут быть: изменение водоизмещения корабля, увеличение сопротивления при обрастании и загрязнении корпуса корабля, плавание в штормовую погоду, перераспределение упора, приходя­ щегося иа гребные винты при парциальном их исполь­ зовании в многовальной установке, изменение условий работы винтов при циркуляции, страгивании с места и разгоне корабля, при буксировке тралов и др.

Изменение упора гребного винта при переходе с од­ ного режима иа другой может быть выражено зависи­ мостью

где /с2— коэффициент момента.

Изменение режима работы гребного винта приводит к переходу на новую винтовую характеристику.

Допустим, что двигатель работал с числом оборотов /гь соответствующим вертикальной пунктирной линии на рис. 27, по номинальной винтовой характеристике. Мощ­

105

тем выше, чем больше число оборотов.

В случае работы на утяжеленной винтовой характе­ ристике предельно допустимое число оборотов, которое может развивать двигатель без перегрузки, определится точкой пересечения винтовой и ограничительной харак­ теристик.

При /г = const мощность двигателя, работающего по

тяжелой или легкой характеристике, может быть выра­ жена через мощность по номинальной характеристике при помощи коэффициента утяжеления винтовой харак­ теристики А:

106

Из формулы (99) следует, что А зависит от величи­ ны относительного изменения моментов, развиваемых

гребным винтом при переходе от одного режима его ра­ боты к другому.

На основании формулы (98)

Нагрузка двигателя при утяжелении винтовой ха­ рактеристики изменяется пропорционально величинам относительного изменения-коэффициента момента.

Чтобы предотвратить перегрузку двигателя при изме­ нении винтовой характеристики, нельзя допускать пре­ вышения мощности, предусмотренной ограничительной характеристикой.

Число оборотов двигателя легко контролируется по­ казаниями тахометров.

Действительная мощность при данном числе оборо­ тов может быть определена одним из способов, изло­ женных в настоящей главе.

Имея ограничительную характеристику, можно сопо­ ставить на графике, подобном рис. 27, действующую и допустимую мощности двигателя при данном числе обо­ ротов.

Постоянный контроль нагрузки — основа обеспече­ ния надежной работы двигателя, поэтому на каждом корабле должны быть необходимые графики и номо­ граммы, позволяющие быстро оценить мощность или крутящий момент двигателя.

Инженер-механик должен не только знать номенкла­ туру режимов, на которых появляется вероятность пе­ регрузки двигателя, но и отчетливо представлять суще­ ство каждого из таких режимов, так как только при этом условии можно правильно назначать режимы и быть уверенным, что двигатель работает без перегрузки.

107

(i poet потребляемой мощности для обеспечения Задайной скорости корабля;

—воздействие ветра и волнения в условиях штормо­ вой погоды;

— увеличение водоизмещения корабля при установ­ ке дополнительного оборудования, приеме сверхнорма­ тивных запасов топлива, масла, запасных частей.

На подводной лодке надводное водоизмещение изме­ няется в зависимости от полноты продувания цистерн главного балласта.

Если при проектировании и испытании не был пре­ дусмотрен запас мощности двигателей для компенсации возрастающего сопротивления трения, то с течением времени окажется невозможным развивать полную ско­ рость без перегрузки двигателей.

По экспериментальным данным [1], после 10 месяцев эксплуатации катера с полуглиссирующими обводами в северных морях только за счет обрастания корпуса на­ грузка главных двигателей возросла в среднем на 22%, а максимальная скорость катера составила 70% ско­ рости в начале эксплуатации. При этом корпус имел от­ носительно небольшое обрастание, характерное для се­ верных районов.

При плавании в южных морях обрастание происхо­ дит значительно быстрее.

По данным британского адмиралтейства, увеличение трения от обрастания составляет в сутки около 0,25% для морей умеренного пояса и 0,5% для тропических морей (без применения противообрастающих красок).

При длительной стоянке корабля обрастанию под­ вергается также и гребной винт. По данным А. А. Рих­ тера [1],' после введения в эксплуатацию катера, нахо­ дившегося в бездействии на плаву 3,5 месяца, полная скорость могла быть обеспечена только при перегрузке двигателей на 30—40%, что совершенно недопустимо. После очистки гребных винтов металлической щеткой нагрузка двигателей снизилась, но все еще превосходи­ ла допускаемую. Нормальная винтовая характеристика была восстановлена только после того, как гребные винты были подвергнуты необходимой обработке.

Для оценки влияния водоизмещения на нагрузку дви­ гателей можно воспользоваться методом адмиралтей­ ских коэффициентов. Полагая, что для данного корабля

109