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

Г л а в а Ш

ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ

Во время эксплуатации корабельных двигателей в зависимости от времени года и климатических особен­ ностей района плавания корабля температура, давле­ ние и влажность воздуха могут изменяться в широких пределах. При этом изменяются условия работы дви­ гателя и его основные эксплуатационные показатели: мощность, экономичность, напряженность, а следова­ тельно, надежность и срок службы. Номинальный ре­ жим работы двигателя гарантируется при определенных метеорологических условиях, которые устанавливаются в зависимости от типа энергетической установки кораб­ ля, назначения и преимущественных условий эксплуата­ ции двигателей.

Стандартные или нормальные метеорологические ус­ ловия оговариваются и учитываются при проектирова­ нии, доводке, приемо-сдаточных испытаниях и эксплуа­ тации двигателей. Для того чтобы не перегрузить дви­ гатель при отклонении показателей метеорологических условий от нормальных, необходимо знать:

—сущность и степень влияния метеорологических условий на работу двигателя;

—как учесть это влияние и какие меры по измене­

нию режима следует предпринять с целью определения допустимой нагрузки двигателя.

Изменение метеорологических условий непосредст­ венно влияет на удельный вес воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Но при этом в зависимости от ре­ жима работы изменяются условия сгорания, параметры рабочего процесса, теплонапряженность, эффективная мощность и удельный эффективный расход топлива.

181

Взаимосвязи параметров рабочего процесса двига­ теля и метеорологических условий чрезвычайно сложны, Что вызывает трудности аналитического учета их сум­ марного количественного влияния на мощность и эконо­ мичность двигателя.

В связи с этим целесообразно рассматривать раз­ дельно воздействие изменяющихся температуры, давле­ ния и влажности атмосферного воздуха.

§ 16. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

(давление и влажность неизменны)

Общие положения

Для корабельных двигателей учет влияния темпера­ туры воздуха наиболее важен и необходим. Плавание корабля в различных широтах и в разное время года связано с работой двигателя при значительных колеба­ ниях температуры атмосферного воздуха.

Обозначим все параметры, относящиеся к нормаль­ ным метеорологическим условиям, без индекса (обычно

Относительное изменение мощности при повышении температуры воздуха Т0 и постоянном числе оборотов вала двигателя может быть выражено следующей зави­ симостью:

Из формулы (179) следует, что изменение мощности определяется степенью воздействия на весовой заряд воздуха уа=Ук. цЛн, индикаторный к.п.д., механический к.п.д. и величину коэффициента избытка воздуха.

* По рекомендации международного конгресса по ДВС (CiMAG), принятой в 1961 г., мощность дизелей приводится к следующим ат­ мосферным условиям: 736 мм рт. ст., 20° С и ф =60% , или: 760 мм рт. ст., 30°С и ср=60%. Параметры воздуха должны изме­ ряться на входе во впускную систему двигателя. Единообразия учета ^атмосферных условий в разных странах нет. Поэтому при сравнении (номинальных .показателей двигателей следует учитывать принятые в

.данной стране стандартные атмосферные условия.

И82

Условия наполнения цилиндров двигателя Удельный вес воздуха перед впускными органами:

где Ap.t и Apr — соответственно перепад давления и тем­ пературы воздуха в холодильнике;

пК — показатель политропы сжатия, в ком­ прессоре.

В общем случае для двигателя с одноступенчатым наддувом и охлаждением воздуха

Если ие предусмотрено охлаждение воздуха, 1

Для двигателя без наддува як =1, поэтому

С учетом формулы (183) формулу (182) можно запи­ сать в виде

Из рассмотрения формул (180) — (184) следует, что вследствие повышения температуры воздуха перед впускными органами уменьшится удельный вес воздуха перед впускными органами двигателя. Это положение в равной мере справедливо для двигателей любого назна­ чения независимо от их конструктивных особенностей, наличия наддува, схемы и степени наддува. Однако ска­ занное не учитывает своеобразия и количественного влияния изменения температуры воздуха на наполнение

.цилиндров разны.х двигателей.

183

У двигателей без наддува плотность воздуха перед

ми изменения температуры атмосферного воздуха — фор­ мула (183).

У двигателей с наддувом наполнение цилиндров, кро­ ме того, зависит от показателей совместной работы дви­ гателя, нагнетателя, газовой турбины и воздухоохлади­ теля. В связи с этим при оценке влияния Т0 на напол­ нение цилиндров двигателей с наддувом нужно учиты­ вать схему наддува, способ связи компрессора с двига­ телем и изменение параметров турбины и компрессора при изменении Т0.

Известно, что повышение температуры воздуха на всасывании при р0 = const и неизменном числе оборотов компрессора приводит к уменьшению степени повыше­ ния давления в компрессоре jti; и весового расхода воз­ духа. На величину расхода воздуха и як, кроме того, весьма существенно влияет число оборотов компрессора.

У приводного компрессора уменьшение як при повы­ шении Т0 и п= const зависит только от пределов изме­ нения температуры воздуха Т0.

Работа турбокомпрессора обусловлена взаимозави­ симостью показателей турбины, компрессора и дизеля. Число оборотов свободного турбокомпрессора зависит при прочих равных условиях от сочетания располагае­ мой энергии выпускных газов, с одной стороны, темпе­ ратуры и давления воздуха на всасывании компрессора, с другой стороны.

Повышение температуры Т0 и соответствующее уменьшение плотности воздуха на входе в компрессор при постоянной подаче топлива влекут за собой сниже­ ние давления наддува рк, расхода воздуха GB, давления газов перед турбиной рг и расхода газов Gr при одно­ временном повышении температуры выпускных газов Тт.

В зависимости от пределов изменения параметров

оказаться вероятными два противоположных случая из­ менения числа оборотов турбонагнетателя при повыше­ нии Т0.

184

Снижение числа оборотов, если степень влияния уменьшения Рг более значительна, чем влияние повыше­ ния Гг. Повышение числа оборотов, если решающим оказывается воздействие повышения Тг.

По данным [59], на режиме /t = const и AGT = const

при изменении температуры воздуха от —20 до +40° С секундный расход газов двигателя 9Д100 снижается от 7,5 до 5,25 кгс/сек, что составляет примерно 5,8% на каждые 10° повышения Т0.

Давление газов перед турбиной снижается от 1,64 до 1,41 кгс/см2, что составляет 2,34% на каждые 10° по­ вышения Г0.

Температура выпускных газов возрастает от 620 до 705° К, что составляет около 2,3% на каждые 10° повы­ шения Г0. Число оборотов турбокомпрессора /гт. к сни­ жается при этом от 9770 до 8600 об/мин.

Однако /гт. к изменяется не монотонно. Так, при росте t0 в пределах от —40 до —20° С происходит уве­ личение /гт. к иа 150 об/мин в расчете на 10° измене­ ния Т0. При дальнейшем повышении температуры от —20 до +20° С пт. к уменьшается на 250 об/мин в рас­ чете на 10° изменения Г0.

В пределах изменения t0 от +20 до +40° С уменьше­ ние /гт. „ составляет всего 70 об/мин на каждые 10° по­ вышения Г0.

На рис. 51 показано влияние температуры атмосфер­ ного воздуха на мощность приводного компрессора и турбокомпрессора двигателя 9Д100.

При изменении t0 от +20 до +40° С и /r= const мощ­

двигателя 2Д100 с приводным компрессором изменяется на 6%, а у двигателя 9Д100 с двухступенчатым надду­ вом— на 15% (рис. 52).

Аналогичные зависимости получены в результате экспериментально-расчетных исследований двухтактного двигателя G.M.C с двухступенчатым наддувом со сво­ бодным турбокомпрессором в качестве первой ступени

(рис. 53).

При возрастании температуры воздуха Г0 удельный вес воздуха перед впускными органами двигателей с наддувом уменьшается по двум причинам: вследствие

185

Г—двигателя 2Д100; 2 — двигателя 9Д100

увеличения температуры Гк и уменьшения як, что вызы­ вает также уменьшение р„. Особенно существенно изме­ нение як у двигателей с механической связью компрес­ сора и высоким давлением наддува.

Если в результате повышения Т0 снижается число оборотов турбокомпрессора, то происходит более интен-

1

2

Рис. 53. Влияние температуры окружающей среды на работу двухтактного двигателя с газотурбинным наддувом:

1 — постоянная площадь эквивалентного отверстия; 2 — постоянный объемный расход воздуха на входе в двигатель

сивное снижение як, рк и у„. Наполнение цилиндра воз­ духом зависит не только от плотности воздуха перед впускными органами, но и от величины коэффициента наполнения

где Ga — количество воздуха, поступившего в цилиндр двигателя.

Как показывают эксперименты [8] и расчеты, при прочих равных условиях и изменении Го в широких пре­ делах коэффициент наполнения остается практически неизменным.

187:

Поэтому можно считать, что

То _ Тк

--- ^ ---.

Уа Yk

Наполнение цилиндров двигателя при повышении Т0 изменяется не только количественно вследствие умень­ шения весового заряда, но и качественно вследствие уменьшения концентрации кислорода в единице объема воздуха.

Таким образом, с ростом температуры атмосферного воздуха уменьшение весового заряда воздуха при на­ полнении цилиндров двигателя обусловлено:

— уменьшением плотности воздуха, всасываемого в компрессор;

— уменьшением степени повышения давления в ком­ прессоре и давления наддува.

Индикаторные показатели

Количественное и качественное ухудшение наполне­ ния цилиндров двигателя при возрастании температуры атмосферного воздуха оказывает однозначное влияние на протекание рабочего процесса и прежде всего вызы­ вает изменение индикаторного к.п.д. и среднего индика­ торного давления.

Степень влияния изменения Т0 на т]; и р,- зависит от конструктивных особенностей, форсировки рабочего про­ цесса, схемы наддува и режима работы двигателя. По­ следнее особенно важно учитывать при эксплуатации корабельных двигателей, работающих на гребной винт. Представим себе, что двигатель работает на винт фикси­ рованного шага на номинальном или близком к нему режиме. Вследствие возрастания Т0 весовой заряд воз­ духа уменьшится. Допустим, что подача топлива не изменилась, т. е. AGT = const. Коэффициент избытка воз­ духа в этом случае уменьшится пропорционально изме­ нению ук. ц. Это в свою очередь вызовет снижение инди­ каторного к.п.д. из-за ухудшения условий смесеобразо­ вания и сгорания. Уменьшение грбудет сопровождаться пропорциональным снижением удельной работы газов Р и что следует из зависимости

(186)

188

Для сохранения заданных оборотов и обусловленной ими нагрузки автоматический регулятор скорости уве­ личит подачу топлива до такого предела, который обес­ печит получение при данных оборотах необходимого крутящего момента. Величина р, будет возрастать за счет увеличения AGT. Следовательно, для рассматривае­ мого случая работы корабельного дизеля при необходи­ мости поддержания номинального числа оборотов со­ хранить неизменной подачу топлива нельзя. Она неизбежно возрастет, вызвав еще большее снижение а и г];.

Следует учитывать, что влияние Т0 иа индикаторный к.п.д. не исчерпывается его зависимостью от а. При по­ вышении Т0 происходит одновременное воздействие ря­ да факторов: уменьшение периода задержки самовос-

приводит к росту неполноты сгорания и догоранию в конце хода расширения. При этом возрастают потери от теплопередачи в стенки цилиндра и с выпускными газами, что вызывает еще более существенное снижение индикаторного к.п.д. Соответственно возрастает индика­ торный удельный расход топлива.

Степень влияния внешних условий на индикаторные показатели данного двигателя зависит от режима рабо­ ты. Это подтверждается, в частности, графиками изме­ нения г], и Pi в зависимости от температуры воздуха на впуске, построенными по данным экспериментального исследования дизеля ЗД6 (рис. 54).

При сохранении а = const индикаторный к.п.д. умень­ шается с повышением температуры воздуха менее ин­ тенсивно, чем при сохранении постоянства цикловой по­ дачи AGT. Среднее индикаторное давление снижается более резко в случае сохранения a = const (т. е. при уменьшении подачи топлива). Изменение индикаторного к.п.д. будет в данном случае обусловлено лишь влияни­ ем температуры на период задержки самовоспламенения, скорость нарастания давления газа в цилиндре и усло­

189