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

ла оборотов мощность, то для двигателя, работающего на винт, задача сводится к определению числа оборотов

пв (рис. 39, гл. II).

Определение допустимого числа оборотов в данном случае может быть произведено по методике, изложен­ ной в гл. II. Чтобы оценить допустимый в условиях экс­ плуатации режим работы двигателя при Т'0> Т 0, нужно знать только величину ANe, на которую следует умень­ шить эффективную мощность на номинальном числе оборотов исходя из условия сохранения неизменным ко­ эффициента избытка воздуха, так как номинальные мощность и число оборотов всегда известны.

В случае отсутствия данных зависимости ANe= f(T 0) можно воспользоваться температурой выпускных газов как легко контролируемым эксплуатационным критери­ ем для оценки допустимой нагрузки. Следует снижать нагрузку при п —const до тех пор, пока не установится температура выпускных газов, не превышающая допус­ тимую.

данной температуре атмосферного воздуха Т0'. Работа двигателя с любой схемой наддува на ВФШ обеспечи­ вает при а/>ац и Т'0> Т 0 улучшение условий смесеобра­ зования и сгорания, а следовательно, и более качествен­ ное протекание рабочего процесса, чем при низких тем­ пературах атмосферного воздуха, поэтому на частичных режимах, соответствующих п = (0,5-ь0,6)//„, ослабляет­ ся пли вовсе исключается (в зависимости от пределов изменения Т0) отрицательное влияние повышенных зна­ чений температуры воздуха на эксплуатационные пока­ затели корабельных двигателей.

В зависимости от изменения производительности компрессора при изменении числа оборотов вала двига­ теля (т. е. в зависимости от схемы наддува и характе­ ристик турбины и компрессора) может сужаться или расширяться зона благоприятных условий работы кора­ бельного двигателя по мере повышения температуры атмосферного воздуха. Для каждого двигателя эта зона

200

может быть установлена экспериментальным путем. Так, например, работа двигателя 37Д в режиме «Винтрасход» на оборотах я=(0,55—0,6)/г„ при температуре атмосферного воздуха 40—45° С не вызывает каких-либо затруднений. Более того, отмечается ощутимая эконо­ мия топлива по сравнению с работой двигателя на та­ ких же режимах при температуре атмосферного возду­ ха 10—15° С.

Следует, однако, учитывать обстоятельства, связан­ ные с косвенным влиянием высоких температур воздуха на условия эксплуатации корабельной энергетической установки, в том числе и двигателей. При высоких тем­ пературах атмосферного воздуха возрастает также тем­ пература в отсеках корабля, снижаются работоспособ­ ность п внимание личного состава, с большим напряже­ нием работает система кондиционирования воздуха, затрудняются условия работы систем охлаждения двига­

Атмосферное давление изменяется в сравнительно небольших пределах, поэтому оно может оказать мень­ шее влияние на условия эксплуатации двигателя, чем из­ менение температуры. Однако на многих корабельных установках давление воздуха перед всасывающими ор­ ганами двигателя снижается не только за счет измене­ ния атмосферного давления, но и за счет транспорти­ ровки воздуха через воздухозаборные системы с огра­ ниченными проходными сечениями и значительными со­ противлениями.

В зависимости от конструкции и сопротивления ко­ рабельной системы воздухоснабжения будут изменяться начальные условия на впуске. Эффект их воздействия па работу данного двигателя зависит не от способа и причин изменения давления воздуха, а от пределов это­ го изменения и режима работы двигателя.

Условия наполнения цилиндров двигателя

Снижение атмосферного давления р0 вызывает соот­ ветствующее уменьшение плотности воздуха перед вса­

201

сывающими органами. Это в свою очередь уменьшает давление и плотность воздуха, поступающего в цилинд­ ры двигателя. Полагая 7'0 = const и p0 = var, изменение весового заряда воздуха можно выразить отношением

Р о 1 И Р Оо 1

Из выражений (190) и (191) следует, что относи­ тельное изменение плотности воздуха для данного дви­ гателя на заданном режиме работы обусловлено изме­ нением атмосферного давления р 0, степени повышения

давления в компрессоре як и коэффициента наполне­

ния Г|и- _ Величина як при изменении р0 зависит от особен­

ностей связи компрессора с дизелем и газовой турбиной и режима работы двигателя. Рассмотрим влияние умень­ шения ро при условии, что двигатель, работая на винт, поддерживает мощность Nc и обороты вала п неизмен­

ными. Если компрессор имеет механическую связь с валом двигателя, то обороты компрессора также оста­ нутся неизменными, в связи с чем степень повышения давления як можно считать практически постоянной. Это

в равной мере справедливо применительно к подключен­ ному турбокомпрессору. В зависимости от пределов из­

менения и режима работы двигателя обороты свободно­ го турбокомпрессора могут несколько возрастать или убывать. Например, у двигателя 6ЧН 30/38 при измене­ нии ро от 1,0 до 0,95 кгс/см2, т. е. на 5,0%, обороты тур­ бокомпрессора снизились примерно на 300 об/мин, что составляет около 1,5% (рис. 60).

Так как противодавление на выпуске при этом оста­ валось неизменным, а давление газов перед турбиной рг вследствие уменьшения GB и рк уменьшается с 2,91 до 2,85 кгс/см2, т. е. на 2%, происходит уменьшение степе-

202

Рис. 60. Изменение параметров двигателя 6ЧН 30/38 в зависимости от давления воздуха на всасывании при п = 750 об/мин и рс = 0,91 рсн

ни понижения давления газа в турбине ят, располагае­ мой энергии газов и мощности турбины.

В рассматриваемых условиях работы двигателя тем­ пература выпускных газов растет, что хотя и не полно­ стью, но в какой-то мере компенсирует отрицательное влияние уменьшения рг и ят. Поэтому изменение числа оборотов турбокомпрессора птк сравнительно мало. Сте­ пень повышения давления в компрессоре як при этом даже незначительно возрастает (на 1,7%).

203

Испытания двигателей со свободным турбонадду­

вом, проведенные английской фирмой CAV Ltd в высо­ когорных условиях, когда происходит одновременное п однозначное изменение давления па всасывании и па выпуске, показали некоторое увеличение скорости вра­ щения турбокомпрессора по мере падения атмосферно­ го давления. Но и в этом случае влияние атмосферного давления на число оборотов и степень повышения дав­ ления турбокомпрессора незначительно, что позволяет для качественного анализа считать rrIt = const.

В связи с этим плотность воздуха перед впускными органами двигателя без наддува и с наддувом незави­

симо от схемы привода компрессора определяется толь­ ко пределами изменения давления на всасывании. В слу­ чае если принятые условия режима работы двигателя не обеспечиваются, т. е. если мощность и число оборо­ тов не остаются постоянными при изменении р0, степень повышения давления в компрессоре также будет изме­ няться. При этом изменяется не только давление надду­

ва р,,-, но и температура воздуха после компрессора т,;. Работа двигателя на винт при неизменной подаче топлива вызовет уменьшение числа оборотов и мощности по мере снижения р0, что повлечет за собой уменьшение лк как компрессора с приводом от вала двигателя, так

и свободного турбокомпрессора..

По данным Д. А. Портнова [44], коэффициент напол­ нения турбопоршиевых двигателей снижается не более чем на 0,9% при разрежении па входе в компрессор, достигающем 1000 мм вод. ст. Опытные данные подтвер­ ждают достоверность вывода о незначительности влия­ ния р0 на коэффициент наполнения. Очевидно, что для практических целей малым изменением коэффициента наполнения, в особенности у двигателей с наддувом, можно пренебречь и полагать, что давление и плотность поступающего в цилиндры двигателя воздуха изменя­ ются пропорционально давлению перед всасывающими

204

/1 = const коэффициент избытка воздуха а также умень­ шится. Степень уменьшения а зависит от пределов из­ менения р0 и AGT:

GfO

(192)

«1 до^ AGt2 рч ДОфд

где AGn — весовой заряд воздуха за цикл.

Уменьшение а вызывает, ухудшение теплоиспользования и, как следствие этого, уменьшение индикатор­ ного к.п.д.

При условии /г= const можно записать:

возможно только при увеличении подачи топлива, с тем

AGT = const. Чем меньше р0, тем большая подача топли­

ва потребуется для сохранения Jve= 1, тем больше а и меньше величина индикаторного к.п.д.

При изменении р0 двигателя 6ЧН 30/38 в указанных на рис. 58 пределах коэффициент избытка воздуха уменьшается на 5%, температура выпускных газов воз­ растает примерно на 25°, а часовой расход топлива на 3 /сг/ч, что составляет немногим более 1%.

При одной и той же величине относительного изме­ нения а индикаторный к.п.д. изменится тем меньше, чем

больше номинальное значение коэффициента избытка воздуха. В связи с этим при одинаковом изменении атмосферного давления индикаторные показатели изме­ нятся в большей мере у. того двигателя, который имеет меньшую величину номинального коэффициента избытка воздуха. Уменьшение индикаторного к.п.д. при р02 < р 0 t

обусловлено уменьшением а и влиянием р0 на динамику

205

процесса Сгорания, изменение давления в цилиндре npri протекании всех процессов рабочего цикла, в том числе и максимального давления рг.

Рост температуры выпускных газов является также следствием изменения условий сгорания. Так же как и в рассмотренном случае повышения начальной темпера­ туры воздуха, ухудшение индикаторных показателей при уменьшении начального давления р0 сопровождает­ ся не только ухудшением экономичности, но и опасно­ стью перегрузки двигателя. Однако такая опасность реальна для двигателя, работающего на винт только в области режимов, близких к номинальному.

Из формулы (194) следует, что среднее индикаторное давление и индикаторная мощность убывают в такой же

В случае если пропорционально уменьшению весовой плотности воздуха сокращается подача топлива и обес­ печивается сохранение a = const, изменение индикатор­ ного к.п.д. обусловлено только влиянием динамики про­

цесса СГОраНИЯ (Ti, К, —). dr

Очевидно, что при сохранении цикловой подачи топ­ лива ДGT неизменной коэффициент избытка воздуха уменьшается по мере снижения р0. В этом случае сни­ жение индикаторного к.п.д. будет более значительным,

чем при a=const.

В режиме Ne= const и n= const уменьшение т], будет более существенным, чем при AGT= const, так как этот режим в случае снижения р0 осуществляется при возра­ стающей подаче топлива и еще более низких значени­ ях а. Вместе с тем среднее индикаторное давление и индикаторная мощность снижаются более интенсивно в режиме a = const, так как при этом неизбежно уменыде-

206

мне подачи топлива, а следовательно, и дополнительное уменьшение работы газов.

Эффективная мощность зависит также от характера изменения механических потерь и механического к.п.д. К составляющим механических потерь, которые зависят

исреднее индикаторное давление. При условии n=const

иAGT = const или а = const среднее индикаторное давле­ ние изменяется более интенсивно, чем механические по­ тери, поэтому уменьшение р0 вызывает некоторое сни­ жение механического к.п.д. В связи с этим эффективный

к.п.д. и эффективная мощность двигателей в режимах а = const и AGT= const должны изменяться несколько ин­ тенсивнее, чем соответствующие индикаторные показате­ ли. О степени и характере влияния р0 на эффективную мощность можно судить по кривым 1, 2, 3 и 4 на рис. 62.

В среднем при изменении р0 на 10 мм рт. ст. эффек­ тивная .мощность двигателя 5Д50 в режиме п = const и AGT= const изменяется на 1,5%. Так, в интервале 770—740 мм рт. ст. сохраняется почти линейная зави­

207

скорость изменения мощности возрастает в три раза и составляет 3% на 10 мм рт. ст.

Интенсивность изменения эффективных показателей зависит от особенностей конструкции и режима работы двигателя.

Рис. 62. Зависимость мощности двигателя 5Д60 от атмосферного давления:

каждые 10 мм рт. ст. возрастание удельного эффектив­ ного расхода топлива составляет 2,6%. Одновременно температура выпускных газов возрастает на 96° С. Темп нарастания температуры выпускных газов указывает на

208

опасность перегрузки двигателя даже в том случае, если нагрузка двигателя, определяемая величиной среднего эффективного давления, составляет 90% номинальной. Таким образом, в случае работы двигателя с разреже­ нием иа всасывании, так же как и в случае повышения

теля, пользуясь рас­ смотренным ранее совмещенным графиком винтовой и ограничительной характеристик.

Для определения допустимого числа оборотов двига­ теля расчетным путем можно воспользоваться методом, рассмотренным во второй главе.

§ 18. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Влажность воздуха оценивается количеством водя­ ных паров, содержащихся в нем. Вес водяного пара в 1 м3 влажного воздуха при данной его температуре на­ зывается . абсолютной влажностью. Однако чаще поль­ зуются понятием относительной влажности или степени насыщения. Относительная влажность