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

Учитывая сказанное, можно определить

может изменяться в широких пределах по абсолютной величине, а также по знаку.

Механический к. п.д. двигателя после отключения агре­ гатов наддува будет равен:

Принимая во внимание формулы (141), (142), (143), (144) и (149),

\Ри.х рй

Необходимая степень уменьшения эффективных показа­ телей при n= const для обеспечения режима a = cosnt может быть определена из формулы (152):

При подстановке значения 6Н.Х в формулы (141), (144), (151) и (152) следует учитывать знак работы насосных ходов.

Если увеличение относительных затрат мощности на трение, привод вспомогательных механизмов и насосные хода компенсируется уменьшением механических потерь за счет отключения компрессора, то rjм = т]м и At]m= 0 .

150

В этом частном случае

обычно на 3—4% больше, чем подсчитанная по соот­ ношениям (153).

Двигатель со свободным турбокомпрессором. В слу­ чае повреждения свободного турбокомпрессора и не­ возможности устранить повреждения корабельными средствами для возможности использования двигателя необходимо застопорить или удалить вал с роторами и, установив заглушку, изолировать газовую полость от

После отключения наддува все составляющие формулы (154) изменяются так же, как у двигателя с механиче­ ским приводом компрессора. Исключение составляет бц = 5т = 0:

(155)

Так как рк> р 0, то после отключения свободного турбо­ компрессора механический к.п.д. всегда уменьшается на величину

(156)

Изменение эффективных показателей при соблюдении

151

условия /1 -=const и u—const может быть определено из формулы (157):

Г/М

Величину 6ц. х следует подставить в формулы (154), (155), (156) и (157) с учетом знака работы насосных

ходов.

Для главных корабельных двигателей, работающих на ВФШ, выход из строя агрегата наддува скажется только до режима, соот­ ветствующего пере­ сечению винтовой характеристики с ог­ раничительной ха­

Чтобы упростить в эксплуатационных условиях ори­ ентировочную оценку допустимой величины эффектив­

ной мощности Nе, можно пренебречь влиянием измене­ ния механического к.п.д. и считать, что необходимая

152

степень уменьшения мощности пропорциональна отно-

Рк

шению — .

ро

Допустимое число оборотов п„ и соответствующую мощность можно определить следующим образом.

Так как режимы В и Б находятся на одной прямой,

то

Таким образом, допустимый режим работы четырех­ тактного двигателя с наддувом после отключения .агре­ гатов наддува приближенно оценивается следующим' об­ разом.

В зависимости от схемы наддува по формуле (152) или (157) определяется величина относительного изме-

к

нения мощности — .

Ne

153

Подставив величину — в формулу (162), получаем

Ne

допустимое число оборотов пв. Зная Ne,n и пв, можно по формуле (159) определить мощность двигателя NB.

Так как NB всегда меньше допустимой мощности N с, то даже при погрешности в определении N'e в пределах

5—10% двигатель будет гарантирован от перегрузки. После выхода из строя агрегатов наддува и выполнения указанных выше мер по обеспечению работоспособности двигателя необходимо отключить воздухоохладитель.

§ 14. СПОСОБЫ ОЦЕНКИ И ОГРАНИЧЕНИЯ НАГРУЗКИ

Из рассмотрения режимов работы корабельных дви­ гателей следует, что в условиях эксплуатации они под­ вергаются опасности частых и значительных перегру­ зок.

Чтобы избежать этого, каждый двигатель должен иметь обоснованную границу допустимых режимов ра­ боты, предохраняющую его от перегрузок и обеспечива­ ющую длительную надежную эксплуатацию.

В качестве такой границы, ограждающей область эксплуатационных режимов работы двигателя, прини­ мается ограничительная характеристика, представляю­ щая собой зависимость допустимых нагрузок от числа оборотов коленчатого вала.

Критериями для оценки допустимости режимов ра­

боты двигателя могут быть избраны один или несколь­ ко заградительных параметров, характеризующих ка­

чество рабочего процесса и напряженность двигателя. К заградительным параметрам обычно относят цик­ ловую подачу топлива, среднее индикаторное давление или среднее эффективное давление, крутящий момент на валу двигателя, максимальное давление газов в цилинд­ рах, температуру выпускных газов и коэффициент из­

бытка воздуха.

Ограничение по цикловой подаче топлива

Так как при данном числе оборотов нагрузка дви­ гателя зависит от цикловой подачи топлива, можно для ограничения нагрузки использовать характеристику

AGT = const.

154

В этом случае верхней границей допустимых режи­ мов работы двигателя будет внешняя характеристика.

Возможность и допустимость работы на режимах

внешней характеристики зависят от конструктивных осо­ бенностей и условий протекания рабочего процесса дви­ гателя, в частности, от степени наддува, состава агрега­

тов наддува и закона изменения расхода воздуха по оборотам.

Двигатели без наддува, как правило, могут рабо­ тать по внешней характеристике в широком диапазоне оборотов без значительной перегрузки.

Объясняется это следующими обстоятельствами. При уменьшении числа оборотов у двигателя без

наддува цикловой заряд воздуха остается примерно по­ стоянным или несколько возрастает за счет увеличения коэффициента наполнения.

Величина коэффициента избытка воздуха зависит от соотношения количества воздуха AGB и топлива ДGT,

можно считать, что по внешней характеристике коэффи­ циент' избытка воздуха остается практически постоян­ ным.

Это обстоятельство позволяет обеспечить нормаль­ ные условия смесеобразования и сгорания на понижен­ ных оборотах даже с учетом некоторого ухудшения ка­ чества распыливания.

155

Температура выпускных газов при этом может не­ сколько уменьшиться за счет увеличения времени на теплопередачу между газами и охлаждаемыми стенками

цилиндра.

Работа двигателей с повышенными и высокими сте­ пенями наддува на частичных оборотах по внешней ха­ рактеристике недопустима даже в течение короткого времени, так как это сопряжено со значительными пере­ грузками.

С уменьшением числа оборотов коленчатого вала происходит уменьшение циклового-заряда воздуха и давления наддува. Эта закономерность в равной мере относится ко всем схемам наддува.

У двигателей с механическим наддувом и подклю­ ченным турбокомпрессором с уменьшением числа оборо­ тов коленчатого вала соответственно уменьшаются обо­ роты компрессора, в результате чего снижается степень повышения давления и плотность воздуха перед впуск­ ными органами двигателя.

По мере снижения числа оборотов коленчатого ва­ ла двигателя со свободным турбокомпрессором умень­ шаются расход, давление и температура газа перед тур­ биной, а также к. п.д. турбокомпрессора. Это влечет за собой уменьшение мощности и числа оборотов тур­ бины, снижение степени повышения давления в ком­ прессоре и плотности воздуха перед впускными орга­ нами двигателя.

Под воздействием уменьшения коэффициента избыт­ ка воздуха, давления распыливапия и интенсивности вихревых возмущений рабочей смеси по мере уменьше­ ния числа оборотов происходит ухудшение условий сме­ сеобразования и сгорания.

В результате этого усиливается отложение нагара и лака, что в свою очередь затрудняет отвод тепла от нагретых деталей, может вызвать закоксовывание и по­ ломку поршневых колец и ухудшение условий смазки и охлаждения двигателя.

Низкое качество рабочего процесса сопровождается повышением температуры «чистых» (без учета проду­ вочного воздуха) выпускных газов и снижением эконо­ мичности.

Таким образом, первопричиной недопустимости рабо­ ты двигателя с наддувом по внешней характеристике на

156

сниженных оборотах является плохое качество рабочего процесса.

Сохранение нормальных условий работы двигателя с наддувом на сниженных оборотах по внешней харак­ теристике может быть достигнуто путем применения ре­ гулируемых турбокомпрессоров.

Учитывая современное состояние дизелестроения, сле­ дует заключить, что характеристика AGT = const не ог­ раждает двигатели с наддувом от перегрузки на частич­ ных оборотах, поэтому она не может быть использована в качестве ограничительной характеристики таких дви­ гателей.

Ограничение по крутящему моменту

При назначении характеристики Ме= const предпола­ гается, что если на всех оборотах не будет превзойден поминальный крутящий момент, то суммарная напря­ женность двигателя и основные показатели рабочего процесса обеспечат надежную работу двигателя.

Ограничительная характеристика постоянства крутя­

щего момента в координатах Nen описывается уравне­ нием прямой, выходящей из начала координат:

N.=-~An, где А =

716,2

Этим определяется легкость и доступность ее при­ менения.

Для построения характеристики Ne=f(n ) при Ме= = const достаточно соединить прямой точку, характери­ зующую номинальный режим, с началом координат.

При работе по этой характеристике мощность двига­ теля на каждом числе оборотов меньше, чем мощность по внешней характеристике. Исключение составляет лишь одна точка номинального режима, в которой пере­ секаются внешняя, ограничительная и винтовая харак­ теристики. Сохранение Ме= const вместе с тем означа­ ет сохранение ре= const.

По мере снижения числа оборотов происходит про­ порциональное уменьшение показателя напряженности. Однако нельзя оценивать допустимость режима работы,

ориентируясь только на величину реСт , без учета усло­ вий протекания рабочего процесса. Для двигателей без наддува и с малыми степенями наддува характеристи­

157

ка М(. = const обоснованно и широко применяется для определения области допустимых режимов. Опыт экс­ плуатации таких двигателей показал, что в пределах характеристики Ме= const исключается опасность их перегрузки.

Использование Ме = const в качестве заградительного параметра форсированных двигателей с повышенным и высоким наддувом на пониженных оборотах становится недопустимым по тем же причинам, которые исключа­ ют их работу на режимах внешней характеристики.

Не сама по себе величина нагрузки, а рабочий про­ цесс и теплонапряженность двигателя определяют воз­ можность использования того или иного режима на ча­ стичных оборотах.

Необходимость снижать крутящий момент форсиро­ ванных двигателей на частичных оборотах объясняется, таким образом, двумя взаимосвязанными причинами: невозможностью обеспечения надлежащих условий сме­ сеобразования и сгорания и невозможностью поддержа­ ния температуры поршневой группы, выпускных клапа­ нов и других напряженных деталей на допустимом уров­ не. Чем выше давление р„ на номинальном режиме дви­ гателя с нерегулируемым наддувом, тем меньшую ве­ личину крутящего момента можно допустить на частич­ ных оборотах.

Так, например, при n* = 0,5/z„ допустимый крутящий момент по сравнению с номинальной величиной состав­ ляет примерно 100% для 37Д, 85% для М50Ф-1, 70% для 12ДН 23/30 и 65% для 6ЧН 30/38. Дальнейшее уменьшение числа оборотов до 0,4 /г„ вызывает необхо­ димость снижения допустимой величины крутящего мо­ мента примерно до 90% для 37Д, 75% для М50Ф-1, 55% для 12ДН 23/30 и 40% для 6ЧН 30/38.

Таким образом, использование номинального значе­ ния крутящего момента (среднего эффективного давле­ ния) в качестве заградительного параметра допустимо только для двигателей без наддува и с малыми давле­ ниями наддува.

Ограничение по коэффициенту избытка воздуха

У некоторых быстроходных двигателей в качестве заградительного параметра, лежащего в основе постро­ ения ограничительной характеристики, принимается но-

158

мииальная величина коэффициента избытка воздуха а. При этом полагается, что если на всех оборотах сохра­ нить а = const, то тем самым обеспечиваются нормаль­ ные условия протекания рабочего процесса и неизмен­ ные значения теплонапряженности основных деталей.

т. е. на каждом частичном числе оборотов крутящий момент по характеристике a = const будет меньше, чем его номинальное значение.

Условность применения коэффициента избытка воз­ духа в качестве основного заградительного параметра связана прежде всего с трудностью точного его опреде­ ления в лабораторных условиях и практической невоз­ можностью определения и проверки в условиях корабля, поэтому ограничительная характеристика по a = const строится расчетным путем.

Кроме того, не всегда соображения, положенные в основу построения характеристики a = const, оказывают­ ся правильными.

Коэффициент избытка воздуха является среднеста­ тистическим показателем, характеризующим соотноше­ ние между суммарным количеством воздуха и топлива в камере сгорания.

Так как топливо распределяется по объему камеры сгорания неравномерно, то действительный коэффициент избытка воздуха в различных участках камеры сгора­ ния отличается от средней величины.

По мере сгорания соотношение между количествами топлива и воздуха меняется, а следовательно, коэффи­ циент избытка воздуха изменяется по времени в тече­ ние каждого цикла.

Чем меньше число оборотов по сравнению с номи­ нальными, тем большие избытки воздуха необходимы для компенсации ухудшения качества смесеобразования.

Сохранением a = const можно обеспечить нормальные условия смесеобразования и сгорания до тех пор, пока

воздействие снижения оборотов невелико.

При значительном уменьшении числа оборотов на скорость и качество смесеобразования оказывают за-

159