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

ботающем валу одного из двух двигателей. Определе­ ние допустимой нагрузки на таком режиме, представля­ ющем собой сочетание парциальной работы гребных валов и двигателей, должно производиться с учетом утяжеления винтовой характеристики при данной степе­ ни парциальности валов /п„ и перераспределения нагруз­ ки иа двигатели с учетом степени их парциалы-юсти шд.

Нагрузка двигателей при буксировке и при плавании на мелководье. При буксировке трала пли другого ко­ рабля происходит увеличение полного сопротивления воды движению буксирующего корабля. Винтовая ха­ рактеристика становится более тяжелой, уменьшается

глубины h к осадке корабля Т меньше 15. При плава­ нии в узкостях, каналах и реках на величину сопротив­ ления оказывают влияние также и берега.

В результате происходит изменение потребляемой винтом мощности, а следовательно, изменение нагрузки двигателей. Причем винтовая характеристика изменяет­ ся немонотонно (рис. 31).

120

На малых споростях при — гг <0,3 сопротивление

V g h

на мелководье мало отличается от сопротивления на не­ ограниченной воде. При дальнейшем увеличении ско­ рости корабля сопротивление возрастает в два — три ра­

за, однако рост постепенно замедляется и при vл* |/ gh сопротивление воды движению корабля не изменяется

с изменением скорости, приближаясь по величине к co­

if

противлению на неограниченной воде. При —— >1,2

V g h

сопротивление на мелководье даже меньше, чем на глу­ бокой воде.

Аналогично изменяется вид винтовых характеристик, изображенных на рис. 31, применительно к кораблю во­ доизмещением 120 г для глубины 3,67— 16,5 м [1].

До скорости 5,0—6,0 уз глубина воды под килем не

оказывает заметного влияния на потребляемую винтом мощность. При больших скоростях хода с уменьшением глубины отмечается резкое возрастание мощности.

(кривая /), примерно на столько же возрастает мощ­ ность при глубине Л = 5,96 м и скорости 7,5 уз (кри­ вая 2).

На этих режимах мощность, потребляемая винтом, не только превышает допустимую по ограничительной характеристике, но может соответствовать внешней ха­ рактеристике. Если учесть, что такая мощность должна быть реализована на долевых оборотах, становятся оче­ видными невозможность и недопустимость использова­ ния двигателей при плавании в условиях мелководья на

скоростях, вызывающих критическое возрастание мощ­ ности по сравнению с нормальной винтовой характери­

стикой на глубокой воде.

Нагрузка двигателей на переменных и переходных режимах

Вероятность перегрузки двигателей имеется не толь­ ко на стационарных режимах. Кратковременные пере­ грузки могут возникнуть при страгивании, разгоне и циркуляции корабля, при реверсировании.

121

Периодические колебания нагрузки в штормовую по­ году, даже если вызываемые ими напряжения по абсо­ лютной величине не превосходят допускаемые, весьма неблагоприятно сказываются на надежности двигателя.

Всякое нарушение стационарности режима вызывает изменение механических и тепловых напряжений. Для их стабилизации требуется некоторое время.

Если импульсы, вызывающие нарушение стационар­ ности, следуют один за другим, как это имеет место при плавании в штормовую погоду, а необходимое время стабилизации параметров рабочего процесса и напряже­ ний деталей двигателя становится соизмеримым или большим, чем период колебания нагрузки, то в этих ус­ ловиях нестационарность режима оказывается незату­ хающей и двигатель работает длительное время на не­ прерывно чередующихся переходных режимах.

Рассмотрим особенности изменения нагрузки двига­ телей при их работе на наиболее характерных и частых нестационарных режимах.

Нагрузка двигателя при страгивании с места и раз­ гоне корабля. При страгивании с места режим работы двигателя не отличается от швартовного режима, так как в первый момент скорость корабля и относительная поступь винта равны нулю, а коэффициенты упора и мо­ мента возрастают до максимальной величины. По мере преодоления инерции массы корабля и присоединенной массы воды упор и момент начинают снижаться, прибли­ жаясь к величинам, соответствующим установившемуся движению корабля с данной скоростью по нор­ мальной винтовой характеристике. Уравнение движе­

где P s — суммарный эффективный упор гребных винтов; R — сопротивление воды движению корабля;

т— масса корабля;

v— скорость движения корабля.

122

ние R на величину, зависящую от массы корабля и уско­ рения, т. е. режима разгона.

Нагрузка двигателя при разгоне может быть опреде­ лена из уравнения моментов:

Мм.„ — момент от механических потерь в гребной сис­ теме;

гребной системы.

Страгивание корабля с места можно рассматривать как частный случай разгона, когда начальная скорость Уо = 0.

Условия работы двигателя при страгивании зависят от того, предусмотрена ли возможность пуска двигателя с отключенным гребным валопроводом или такой воз­ можности нет.

Изменение нагрузки и оборотов двигателя, соединен­ ного с гребным валом при помощи муфты, при страги­ вании может быть схематично представлено следующим образом (рис. 32).

Двигатель запускается на холостом ходу, прогре­ вается и при некотором числе оборотов, соответствующем точке 1, включается соединительная муфта. Момент дви­ гателя при включении муфты резко возрастает, в связи с чем наблюдается провал числа оборотов (точки 1, 2 и кривая /г). Стремясь поддерживать заданное число оборотов, регулятор перемещает рейку топливного насо­ са в сторону увеличения подачи топлива (кривые h). До момента страгивания корабля с места компенсация про­ вала числа оборотов происходит при v—О и Хр= 0 по швартовной характеристике. По достижении заданного числа оборотов п\ в точке 3 пересечения регуляторной характеристики Р | с швартовной характеристикой и = 0

123

Рис. 32. Характер изменения нагрузки двигателя при троганип с места и разгоне корабля:

В — номинальная винтовая характеристика; В Е — характери­ стика /VeH=const; О — ограничительная характеристика; Pi, Р2, Рз, Pi, Ps. Рн —регуляторные характеристики; У — кривые

постоянной скорости корабля; /И — крутящий момент двига­ теля; п — число оборотов двигателя; h — перемещение рей­ ки топливного насоса. Индексы соответствуют: / — экстренно­ му разгону; 2 — плавному разгону

124

начинается страгивание корабля. Дальнейшее изменение нагрузки происходит по регуляторной характеристике.

Потребляемый момент последовательно уменьшается

(Кр изменяется от 0 до номинального значения),.и в точ­ ке 4 пересечения регуляторной характеристики Р\ с но­

минальной винтовой характеристикой В разгон до за­ данной скорости завершается.

Если не предусмотрена соединительная муфта, то с первых оборотов вала двигатель работает по швартов­ ной или близкой к ней характеристике с повышенными моментами вплоть до достижения в точке 3 числа обо­ ротов, заданных регулятором и соответствующих нача­ лу страгивания корабля. Дальше изменение нагрузки происходит по регуляторной характеристике так же, как и в установке с разобщительной муфтой.

Разгон корабля до полной скорости может произво­ диться или постепенным ступенчатым изменением на­ грузки и оборотов, или экстренно.

В случае экстренного разгона корабля рукоятка уп­ равления регулятором сразу переводится в положение, соответствующее полному числу оборотов двигателя.

Крутящий момент и число оборотов нарастают по характеристике v = const. Причем крутящий момент Mt растет до величины, соответствующей упору в ограни­ читель подачи топлива. Дальнейший разгон до полного числа оборотов происходит при максимальном крутящем моменте, который снижается по мере замедления разго­ на, достигая номинальной величины на режиме полных оборотов.

Из рис. 32 следует, что экстренный разгон вызывает значительную, хотя и кратковременную перегрузку дви­ гателя по моменту. Энергия экстренного разгона про­ порциональна площади, ограниченной винтовой характе­ ристикой В и линией разгона 4—9—Я.

Продолжительность экстренного разгона Ть опреде­ ляемая по времени достижения установившегося номи­ нального числа оборотов, будет наименьшей из всех воз­ можных режимов разгона, но вызывает перегрузку дви­ гателя начиная с оборотов, соответствующих пересече­ нию ограничительной характеристики О с кривой изменения нагрузки при разгоне (точка 9) и до дости­ жения номинального режима.

125

Если обстоятельства не вынуждают производить эк­ стренный разгон корабля, то предпочтительнее изменять обороты двигателя постепенным увеличением подачи топлива.

Изменение нагрузки при постепенном разгоне можно представить в виде ступенчатого перехода от одного про­ межуточного числа оборотов к другому. Соответственно рукоятка управления регулятором последовательно фик­ сируется в определенных положениях. Число фиксиро­ ванных положений регулятора зависит от числа ступеней разгона.

На рис. 32 после достижения первоначальной ско­

рости о = 0,4 при П\ (точка 4) разгон производится пя­ тью ступенями. Для достижения следующей ступени скорости рукоятка регулятора перемещается в новое по­ ложение, соответствующее числу оборотов по регулятор­ ной характеристике Р2. Подача топлива возрастает очень быстро. Скорость корабля сначала не изменяется, а изменение нагрузки происходит по характеристике

o=const = 0,4. Когда скорость корабля начинает возрас­ тать, кривая изменения нагрузки 4—5—6 все более от­

ступает от и = 0,4. Крутящий момент при этом умень­ шается.

В точке 5 достигается число оборотов по заданной регуляторной характеристике Рг- На участке 5—6 изме­ нение нагрузки происходит по регуляторной характе­ ристике.

В точке 6, лежащей на пересечении характеристик: номинальной винтовой, регуляторной Л» и р =0,6 = const, заканчивается первая ступень разгона.

Разгон на следующей ступени производится таким же образом. Изменение нагрузки на второй ступени происходит по кривой 6—7—8 и т. д.

Заштрихованные площадки на рис. 32 характеризуют затраты энергии на ступенчатый разгон корабля.

Эти затраты значительно меньше, чем в случае эк­ стренного разгона, причем нагрузка двигателя на всех оборотах при ступенчатом разгоне не достигает допу­ скаемой по ограничительной характеристике величины.

На рис. 32 сопоставлены кривые изменения крутяще­ го момента М, числа оборотов /г и рейки топливного

126

насоса h при экстренном разгоне корабля (индекс 1) и при постепенном разгоне (индекс 2), подтверждающие более благоприятные условия работы двигателя при плавном разгоне корабля.

Нагрузка двигателей при циркуляции корабля. Режи­ мы работы двигателей во время циркуляции корабля от­ личаются следующими особенностями.

1.При неизменных оборотах нагрузка двигателей возрастает, что является следствием уменьшения отно­ сительной поступи и соответствующего роста упора и мо­ мента гребных винтов, работающих в косом потоке воды.

Во время циркуляции режимы работы двигателя пе­ ремещаются на более тяжелые винтовые характеристики.

2.Нагрузка на двигатели в многовальной установке распределяется неравномерно, так как суммарный упор неравномерно распределяется между гребными винтами, задающими нагрузку двигателям.

Всегда более нагружены винт и двигатель, располо­ женные ближе к центру циркуляции.

3. Степень увеличения нагрузки двигателей по срав­ нению с ходом на прямом курсе зависит от скорости и величины перекладки руля.

Двигатель работает в течение всего времени цирку­ ляции по внешней характеристике, обусловленной поло­ жением рейки топливного насоса на упоре в ограничи­ тель, если циркуляция осуществляется на полной ско­ рости.

Двигатель может выйти на режим внешней характе­ ристики также и при циркуляции на частичной ско­ рости.

Для того чтобы не перегрузить двигатели во время циркуляции корабля, нужно осуществлять ее на пони­ женном числе оборотов. Причем число оборотов двига­ теля, работающего на винт внутреннего борта, по отно­ шению к центру циркуляции должно быть меньшим, чем у двигателя, работающего на винт внешнего борта.

Нагрузка двигателей при реверсировании гребных винтов. Реверсирование может осуществляться или пу­ тем изменения направления вращения коленчатого вала двигателя (непосредственный реверс), или с помощью реверсивной муфты, применяемой обычно на быстроход­ ных дизелях.

127

При изменении направления Движения корабля могут развиваться крутящие моменты, значительно превосхо­ дящие нагрузки при работе на швартовах. В этом слу­ чае двигатель может выйти на режим внешней характе­ ристики и оказаться перегруженным. Так как элементом,

задающим двигателю режим его работы, является греб­ ной винт, необходимо хотя бы схематично представлять характер взаимодействия гребного винта и двигателя во время реверсирования.

После того как выключается подача топлива у дви­ гателя с непосредственным реверсом или отключается реверсивная муфта, гребной винт продолжает вращать­ ся в турбинном режиме под воздействием хода корабля вперед.

Если в системе связи двигателя с гребным валом пет отключающих устройств, то гребной виит в турбин­ ном режиме будет вращать вал двигателя.

Остановка винта может производиться или специаль­ ными тормозными устройствами, или под воздействием тормозного момента, создаваемого силами трения греб­ ной установки и дизеля, или подачей в двигатели с не­ посредственным реверсом так называемого контрвоздуха.

В последнем случае реверсирование двигателя произ­ водится на самом малом ходу или после его остановки, а следовательно, время реверса зависит от продолжи­ тельности затухания скорости корабля до величины, обеспечивающей возможность включения двигателя на задний ход.

Рассмотрим характер изменения нагрузок двигателя с реверсивной муфтой при переходе с полного хода ко­ рабля вперед на задний ход.

На рис. 33 приведены винтовые характеристики: но­ минальная переднего хода ЯЯ, заднего хода ЗХ, на швартовах 111, соответствующая работе гребного винта назад при движении корабля вперед — %, а также огра­ ничительная характеристика О, характеристика посто­ янных скоростей корабля (пунктиром), кривая суммар­ ных механических потерь в дизеле и валопроводе кораб­ ля Я г м и регуляторная характеристика Р, соответствую­

щая оборотам двигателя на упоре реверсирования.

Во время работы двигателя в режиме полной ско­ рости корабля а рукоятка управления всережимным

128

регулятором перемещается на упор реверсирования, вследствие чего число оборотов двигателя быстро сни­ жается.

Изменение нагрузки двигателя может быть изобра­ жено характеристикой п = 1, так как за несколько се­ кунд, в течение которых происходит переход двигателя

Рис. 33. Изменение нагрузки дизеля с реверсив­ ной муфтой при реверсировании

от номинального режима на режим упора реверсирова­ ния, скорость корабля изменяется мало.

Если число оборотов гребного винта в турбинном ре­ жиме больше числа оборотов двигателя на упоре ревер­ сирования, то регулятор переместит рейку топливного насоса в сторону уменьшения подачи топлива и двига­ тель будет вращаться гребным винтом.