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

Дополнительные сопротивления, которым является в данном случае двигатель, будут способствовать умень­ шению числа оборотов гребного винта и торможению корабля (линия бв).

В связи с этим выключение реверсивной муфты сле­ дует производить тогда, когда число оборотов гребного винта станет равным оборотам упора реверсирования. По регуляторной характеристике Р эти обороты соот­ ветствуют точке в.

После отключения дизеля от гребного вала и прекра­ щения действия на него турбинного момента подача топ­ лива автоматически возрастет п двигатель перейдет на режим холостого хода г.

Для облегчения условий реверсирования не следует сразу же после перевода рукоятки управления ревер­ сивной муфтой в положение холостого хода переводить ее в положение заднего хода. Выдержка в течение двух — трех секунд необходима в связи с тем, что после отключения двигателя сопротивление вращению винта уменьшается, вследствие чего число оборотов винта не­ сколько возрастает и требуется некоторое время на их снижение до оборотов по регуляторной характеристике упора реверсирования. Во время включения заднего хо­ да гребной винт продолжает вращаться в направлении переднего хода.

Синхронизация вращения гребного вала и двигателя обеспечивается тормозной лентой барабана заднего хо­ да. При этом происходит весьма динамическое нараста­ ние нагрузок двигателя, вызванное присоединением мо­ мента вращающихся масс гребного винта и валопровода.

Если на холостом ходу индикаторный момент расхо­ дуется на механические потери самого двигателя, т. е.

для сохранения оборотов по регуляторной характерис­ тике Р.

В действительности при включении заднего хода происходит некоторое снижение оборотов, так как регу­ лятор обладает определенной степенью нечувствитель­ ности и начинает воздействовать на рейку топливного насоса только после изменения числа оборотов на вели­

130

чину, превышающую область нечувствительности регу­ лятора.

При схематическом рассмотрении изменения нагру­ зок двигателя можно не учитывать влияние инерцион­ ных сил вращающихся масс гребной системы корабля и полагать, что нагрузка изменяется по статической регу­ ляторной характеристике Р, достигая максимальной ве­ личины в режиме заднего хода при движении корабля вперед (точка д). Эта нагрузка тем выше, чем больше скорость движения корабля. При скоростях, близких к полным, эффективный крутящий момент двигателя мо­ жет в течение некоторого времени превысить номиналь­ ную его величину. Учитывая, что такой момент разви­ вается на малых оборотах, когда допустимая нагрузка для двигателей с повышенным высоким наддувом обыч­ но ограничивается 40—50% от номинальной величины крутящего момента, становится очевидной опасность перегрузки двигателя во время реверса с полного хода.

По мере торможения корабля нагрузка двигателя бу­ дет уменьшаться сначала до величины, соответствующей швартовной характеристике Ш, а затем до режима 3 на винтовой характеристике заднего хода ЗХ. На этом реверс корабля завершается. Дальнейшее увеличение скорости заднего хода происходит по кривой ЗХ. Так как

то для предотвращения перегрузки двигателя максимально допустимое число оборотов на заднем ходу не должно превышать величины, соответствующей режиму а'.

Нагрузка двигателей при плавании в штормовую по­ году. Влияние штормовой погоды на работу корабель­ ного двигателя проявляется как в возрастании нагрузки по абсолютной величине, так и в периодическом колеба­ нии нагрузки и числа оборотов.

При значительном волнении и ветре двигатель рабо­ тает в неустановившемся режиме. Качка корабля и вол­ нение моря не только вызывают периодическое измене­ ние режимов работы гребных винтов и в связи с этим рост нагрузки, но и непосредственно влияют на условия работы двигателя. В частности, во время волнения и качки изменяется величина противодавления выпуску, так как меняется углубление выходного отверстия газо­ выпускной трубы в случае выпуска под воду.

Нестационарность условий работы двигателя зависит от периодически меняющихся режимов работы гребных винтов, поэтому амплитуда колебаний нагрузки и числа оборотов двигателей определяется характером волне­ ния, силой ветра и волны, длиной и высотой волны, ве­ личиной отношения длины корпуса корабля к длине волны, направлением движения корабля по отношению к волне, формами обводов и массой корпуса, а также массами вращающихся частей двигателя и валопровода.

Схему работы двигателя при волнении моря можно себе представить в несколько упрощенном виде следую­ щим образом. Когда корабль всходит на волну, сопро­ тивление движению увеличивается, гребной винт пере­ ходит на режимы утяжеленных винтовых характеристик. Соответственно возрастает нагрузка двигателя, изменя­ ясь по регуляторной характеристике Р\ (рис. 34). Точ-

Рис. 34. Изменение нагрузки двигателя при плавании в штормовую погоду

132

ка 1 соответствует максимальной величине нагрузки при данной установке всережимного регулятора. По мере схода корабля с волны относительная поступь винта воз­ растает, уменьшаются упор и момент винта, поэтому регулятор перемещает рейку топливного насоса в сторо­ ну уменьшения подачи топлива и нагрузка двигателя уменьшается по регуляторной характеристике, достигая в точке 2 минимальной величины. Далее начинается повторное восхождение на волну и изменение нагрузки по линии 2—I и т. д.

Перейдя на новую регуляторную характеристику Р2 и зафиксировав величины максимальной и минимальной нагрузок, можно определить соответствующие этим на­ грузкам точки 5 и 6.

Определив аналогичным образом ряд точек макси­ мальных и минимальных нагрузок при различных уста­ новках всережимного регулятора, можно через эти точки провести кривые / и II, между которыми происходит колебание режимов работы двигателя при плавании ко­ рабля в штормовую погоду. Чем больше волнение моря, тем шире область колебания нагрузок. В случае выхода из строя всережимного регулятора работу двигателя можно обеспечить ручным регулированием подачи топ­ лива. Изменение режимов работы двигателя будет про­

исходить примерно по частичной характеристике 3—4 со значительным колебанием числа оборотов и сравнитель­ но меньшим, чем по регуляторной характеристике, ко­ лебанием крутящего момента.

При ручном регулировании подачи топлива велика опасность разноса двигателя, особенно если происходит оголение гребных винтов.

В связи с этим на некоторых двигателях предусмот­ рены специальные аварийные меры защиты от разноса, обеспечивающие перекрытие подачи топлива и воздуха при превышении максимально допустимой величины числа оборотов.

Во время действия всережимного регулятора колеба­ ние нагрузок в штормовую погоду происходит в весьма широких пределах. Коэффициент повышения мощности при данной скорости корабля v может составлять

A ,v = 1,2+2,2.

133

Верхний предел Av г относится к состоянию моря, А'

оцениваемому б—7 баллами шкалы Бофорта и при ходе корабля против волны и ветра.

На рис. 34 видно, что работа двигателя в штормовую погоду с колебанием нагрузок между линиями / и II может протекать без перегрузок только в том случае, если число оборотов двигателя равно или меньше числа оборотов в точке а', определяемой пересечением ограни­ чительной характеристики О с линией I максимальных значений нагрузок.

Область режимов, расположенных справа от верти­ кальной пунктирной линии, проведенной из точки а', соответствует перегрузке двигателя по крутящему мо­ менту (среднему эффективному давлению). Степень пе­ регрузки двигателя в условиях штормовой погоды нельзя оценивать только с учетом абсолютной величины верхнего предела нагрузки. Необходимо также учиты­ вать переменный характер нагрузки, вызывающий до­ полнительные напряжения в основных деталях двига­ теля.

Рядом экспериментов установлено, что при плавании в штормовых условиях температура поршня, выпускных клапанов и втулки цилиндра изменяется в широких пределах. Влиянием состояния моря объясняется то об­ стоятельство, что на аналогичных режимах температура деталей двигателя в море всегда выше, чем при испыта­

ниях на стенде. Колебание температур, тепловых и механических напряжений способствует появлению тре­ щин, в особенности при наличии концентраторов напря­ жений, которых не удается полностью избежать даже в самых совершенных конструкциях.

В случае нарушения стационарности режима работы требуется некоторое время для стабилизации всех пока­ зателей, характеризующих рабочий процесс и напряжен­ ность двигателя. Амплитуды дополнительных напряже­ ний, появляющихся в результате нестационарное™, затухают по мере приближения к установившимся усло­ виям, следовательно, на их затухание также требуется некоторое время.

При плавании в штормовую погоду происходит не­ прерывное воздействие импульсов нестационарное™ в виде колебаний нагрузки и числа оборотов.

134

Частота этих импульсов, как правило, такова, что стабилизация режима, даже кратковременная, оказы­ вается невозможной. Это приводит к непрерывному про­ цессу перехода от одного нестационарного режима к другому. Колебательный характер изменения нагрузки и числа оборотов даже в допустимых пределах создает тяжелые условия работы двигателя, повышает его на­ пряженность и ускоряет износ. Тем более недопустима перегрузка в таких условиях.

§ 13. ИЗМЕНЕНИЕ НАГРУЗКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ЦИЛИНДРОВ И ПРИ ВЫХОДЕ

ИЗ СТРОЯ НАДДУВОЧНОГО АГРЕГАТА

Во время эксплуатации может возникнуть необходи­ мость обеспечения работы двигателей при отключении части цилиндров или при выходе из строя наддувочного агрегата. Работу двигателей в таких условиях следует рассматривать как аварийную. Прибегать к ней можно лишь в исключительных случаях, когда обстоятельства не позволяют остановить двигатель для проведения ре­ монта, а устранить повреждения во время работы дви­ гателя нельзя.

Чтобы предотвратить выход из строя двигателя, ра­ ботающего на вышеперечисленных аварийных режимах, нужно определить условия, обеспечивающие его исполь­ зование без перегрузки.

Отключение одного или нескольких цилиндров

В зависимости от причин, вызывающих необходимость отключения цилиндра, можно различать два случая:

—отключение подачи топлива в аварийный цилиндр;

—отключение подачи топлива и удаление шатуна и поршня из аварийного цилиндра.

Отключение подачи топлива в один или несколько

цилиндров. В случае повреждения топливного насоса, форсунки или деталей привода топливной аппаратуры прекращается подача топлива в соответствующий ци­ линдр. С некоторыми допущениями можно считать инди­ каторную работу отключенного цилиндра равной нулю. Если обеспечить сохранение индикаторной мощности работающих цилиндров неизменной, то индикаторная

135

мощность всего двигателя при отключении одного ци­

ра. Формула (115) справедлива для двигателей без наддува и с механическим приводом агрегатов надду­ ва, если сохраняются неизменными подача топлива в работающие цилиндры и число оборотов коленчатого вала двигателя. При этом полагается, что индикатор­ ная мощность равномерно распределяется по всем z ци­

линдрам двигателя, а отключенные цилиндры не ока­ зывают влияния на рабочий процесс работающих ци­ линдров.

У двигателей со свободным турбокомпрессором от­ ключение одного или нескольких цилиндров приводит к изменению параметров газа перед турбиной и режи­ ма работы турбокомпрессора, что влечет за собой уменьшение числа оборотов турбокомпрессора, як, рк, цтк и расхода воздуха через двигатель. При условии

к. п. д. и индикаторная мощность работающих цилинд­ ров уменьшаются. Степень дополнительного уменьше­ ния индикаторной мощности за счет изменения коэффи­ циента избытка воздуха зависит от режима работы двигателя, общего числа цилиндров двигателя, числа отключенных цилиндров, особенностей конструкции турбокомпрессора (в частности, от наличия регулируе­ мого соплового аппарата), особенностей конструкции впускной и выпускной систем двигателя.

Таким образом, индикаторная мощность двигателя со свободным газотурбинным наддувом после отклю­ чения одного цилиндра при условии AGT= const и п = const составит

ния подачи топлива в один или несколько цилиндров на величину индикаторной мощ­ ности работающих цилиндров;

136

Ni и N1л — индикаторная мощность всего двигателя и

при прочих равных условиях в результате отключения подачи топлива в один из цилиндров индикаторная мощность у двигателей со свободным турбокомпрессо­ ром уменьшится в большей мере, чем у двигателей с подключенным компрессором или без наддува.

Если после отключения одного или нескольких ци­ линдров сохранить неизменными мощность и число обо­ ротов на номинальном режиме, то двигатель окажется перегруженным.

При определении эффективной мощности двигателя с отключенным цилиндром принимается условие неза­ висимости мощности механических потерь от нагрузки.

.Некоторая погрешность принятого условия связана с зависимостью работы насосных ходов четырехтактных двигателей от нагрузки. С учетом примятого условия при п —const и AGT= const

Ar* - A' * - ( ^ + iW') “ w' ( 1- 5 r ) - 4A'- <117)

При отключении к цилиндров допустимая мощность на номинальных оборотах и неизменной подаче топлива со­ ставит

<|18)

Из формулы (118) следует:

— чем меньше число цилиндров двигателя, тем бо­ лее резко уменьшается допустимая мощность двига­ теля при отключении одного и того же числа цилинд­ ров;

— при одинаковых г и / с можно допустить тем боль­

137

На рис. 35 показано изменение относительных вели-

N*

чин мощности — в зависимости от числа цилиндров

Ne

двигателя z, числа отключенных цилиндров к и меха­ нического к. п.д. на номинальном режиме тщ. Кривые получены расчетом с использованием формулы (118)

без учета поправки ДА^.

А'//А'вй

Рис. 35. Изменение допустимой мощности двига­ телей с различным числом цилиндров г в зависи­ мости от числа выключенных цилиндров к и вели­ чины механического к. п. д. Дм

Принятое условие NM= conts при п = const не вно­

сит существенных погрешностей при определении Nе. Однако с учетом этого условия механический к. п.д. двигателя после отключения цилиндра уменьшится.

В случае когда работают все z цилиндров,

138

После отключения одного цилиндра

В случае отключения к цилиндров

.,к __ zi\K — k

( 121)

Из формулы (121) и рис. 36 следует, что влияние от­ ключения цилиндра на величину механического к. п.д. тем более значительно, чем меньше число цилиндров двигателя z и чем большее число отключенных ци­ линдров к.

Так, при отключении одного цилиндра и исходном т]м = 0,8 у четырехцилиндрового двигателя г|м =0,734, а у десятицилиндрового двигателя щ, =0,780.

Величина уменьшения механического к. п. д. при вы­

На рис. 36 величины Дг|м для двигателей с различ­ ным числом цилиндров показаны стрелками.

По формуле (118) можно приближенно оценить до­ пустимую мощность двигателя при отключении одного или нескольких цилиндров в том случае, если двига­ тель продолжает работать на номинальном числе обо­ ротов при неизменной подаче топлива на цикл.

Для главного корабельного дизеля это условие нель­ зя. выполнить, так как сохранение п = const автомати­ чески вызовет сохранение исходной номинальной мощ­ ности, а следовательно, увеличение подачи топлива и перегрузку работающих цилиндров.

Допустимый режим работы для рассматриваемого случая может быть приближенно определен следующим образом.

139