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

Дифференциальное уравнение вращения вала двига­ теля может быть записано в следующем виде:

Мъ — момент сил сопротивления гребного винта с учетом механических потерь в гребном ком­ плексе;

гребного комплекса, связанных с валом дви­ гателя непосредственно или через переда­ чи (/г).

Рассмотрим особенности изменения числа оборотов и крутящего момента двигателя по рис. 7, на котором да-

Рис. 7. Графическое представление о приемистости дви­ гателя, работающего на впит

50

на схема Графической интерпретации приемистости. До­ пустим, что на режиме холостого хода (Ме= 0) число оборотов двигателя доведено до п\ = 0,4п„ (точка Г ). В этот момент двигатель подключается в работу на греб­ ной винт.

После включения соединительной муфты вследствие роста момента сопротивления изменение мощности пой­ дет не по статической регуляторной характеристике Np, а по линии 1'—а. Рост Ne сопровождается здесь некото­ рым провалом оборотов. Точка а соответствует режиму работы на швартовах. По мере увеличения подачи топ­ лива AGT и крутящего момента Л4е=ЛЛОтт]е обороты двигателя будут изменяться по винтовой характеристике

на швартовах а — б до достижения точки б, соответст­ вующей пересечению швартовной характеристики с ре­ гуляторной характеристикой Nv при данном положении рычага управления всережимным регулятором.

По мере движения корабля после его страгивания с места момент сопротивления уменьшается и режим ра­ боты двигателя отступает от швартовной характеристи­

ки. Если в какой-то момент времени t\ скорость кораб­ ля составляет щ, а число оборотов двигателя п\, то ре­ жим работы двигателя в этот момент времени будет со­ ответствовать пересечению винтовой характеристики Ns

срегуляторной характеристикой Np (точка 1).

Вдействительности отступление режима работы дви­ гателя от регуляторной характеристики невелико и изме­

нение мощности можно представить по кривой 1' — б до пересечения со швартовной характеристикой, а затем после страгивания с места — по линии б — 1 до дости­

жения скорости щ.

Далее происходит разгон корабля (1—2—3).

Во время испытания двигателя на приемистость уве­ личение подачи топлива до полной производится не по­ следовательными ступенями, а сразу. Рукоятка управле­ ния всережимным регулятором переводится из положе­

ния, соответствующего режиму (точка 1), в положение, соответствующее номинальному числу оборотов. Увели­

чение подачи топлива от AGTl до AGThпроисходит очень быстро.

По мере увеличения AGT возрастают работа газов и индикаторный момент M i-A p ^ i.

Однако возрастание М{ отстает от изменения ДGT, так как стабилизация рабочего процесса зависит от мно­ гих факторов, в том числе от взаимодействия агрегатов наддува с поршневой частью двигателя. Требуется неко­ торое время на увеличение числа оборотов газовой тур­ бины и компрессора, т. е. па создание нормальных усло­ вий воздухосиабжения цилиндров, смесеобразования и сгорания. Продолжительность стабилизации рабочего процесса зависит от времени, необходимого для дости­ жения установившихся величин р* и гр, соответствую­ щих данному режиму.

Индикаторный момент затрачивается на преодоле­ ние сопротивления движению корабля, механических по­ терь в двигателе и приращение кинетической энергии вращающихся масс двигателя и гребного комплекса, т.е.

по кривой 1—2, достигая в точке 2 внешней характери­ стики, т. е. максимального значения при данных оборо­ тах /го. Далее изменение мощности и числа оборотов двигателя происходит по внешней характеристике (2—3) и в точке 3, соответствующей пересечению винто­ вой и внешней характеристик, достигается номинальный режим. Время перехода от режима (точка 1) до режима (точка 3) составляет приемистость двигателя по числу оборотов.

Как видим, приемистость по числу оборотов значи­ тельно больше приемистости по моменту и всегда равна времени разгона корабля до полной скорости.

Эффективный момент двигателя па отрезке (2—3) уменьшается, так как по мере разгона корабля динами­ ческий момент уменьшается и при достижении устано­

вившегося номинального режима / — =0, а следова- dt

тельно, Ме= М ъ.

Дизель-генераторы отличаются значительно лучшей приемистостью по числу оборотов, чем главные двигате­ ли, так как динамический момент дизель-генератора при одинаковых мощностях двигателей всегда меньше дина­ мического момента гребного комплекса.

52

Стендовая и эксплуатационная приемистости у ди­ зель-генераторов близки по величине, а тп. м«^тп. „, в то

время как у гребных двигателей стендовая приемистость по числу оборотов значительно отличается от эксплуата­ ционной, а тн. п > Т,т. м.

величина возрастает до нескольких минут даже для са­ мых легких и быстроходных кораблей с минимальными значениями динамического момента.

Для таких же дизелей тп. ы оценивается в 5—10 сек и определяется главным образом быстродействием всережимного регулятора. Двигатели со свободным газотур­ бинным наддувом при прочих равных условиях облада­ ют несколько худшей приемистостью, чем двигатели без наддува и с механическим приводом агрегатов наддува.

§ 7. УСТОЙЧИВОСТЬ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Устойчивостью режима работы называется способ­ ность двигателя восстанавливать равновесный режим без воздействия на орган управления топливоподачи.

Понятия устойчивости режима и самовыравнивания идентичны.

В условиях эксплуатации установившийся режим ра­ боты сохраняется при сохранении равенства среднего значения эффективного крутящего момента двигателя Ме моменту сопротивления Мс, т. е. при неизменных ус­ ловиях работы двигателя и потребителя.

Если вследствие каких-либо причин Ме становится больше Мс, то избыток энергии расходуется на увели­ чение числа оборотов, которое возрастает до такого предела, когда вновь восстанавливается нарушенное ра­ венство моментов.

Если изменение режима связано с увеличением мо­ мента сопротивления, т. е. когда Мс> М е, число оборо­ тов двигателя соответственно снизится.

Способность двигателя без каких-либо внешних воз­ действий вновь возвратиться в первоначальный режим, после того как причина, вызвавшая его нарушение, пе­ рестала действовать, и характеризует устойчивость ре­ жима работы.

53

На рис. 8 совмещены собственные характеристики ди­

ответствующие установившиеся режимы работы двига­ теля. В каждой из этих точек Ме{ = М01. Допустим, что

в некоторый момент времени произошло кратковремен-

Рис. '8. Совмещенные характеристики изменения моментов дизеля и гребного винта

ное нарушение режима работы. Реальными причинами нарушения заданного режима работы могут быть, на­ пример, неустойчивая подача топлива в одном или не­ скольких цилиндрах, оголение гребных винтов, колеба­ ние сопротивления движению корабля в штормовых ус­ ловиях и т. д.

Если двигатель работал в режиме at и вследствие уменьшения сопротивления равенство моментов наруши­ лось, избыток энергии АМ = Ме— Мс будет расходо­ ваться на увеличение числа оборотов. При неизменной подаче топлива новый равновесный режим установится в точке в\, где пересекается характеристика Ме1 с кри­

вой В, соответствующей измененным условиям работы гребного винта.

Если бы характеристика винта «утяжелилась» и ста­ ла соответствовать кривой Б, то уменьшение числа обо­ ротов происходило бы по линии (ai — 60, а новый уста­ новившийся режим соответствовал бы точке б|.

54

Очевидно, что, чем меньше колебание оборотов при изменении ДМ, тем более устойчив режим работы дви­ гателя в условиях корабля.

Устойчивость режима работы зависит от взаимного протекания характеристик двигателя и потребителя его энергии, т. е. от закономерности относительного измене­ ния Ме и-Мс.

Показателями устойчивости могут служить: 1. Коэффициент устойчивости

где ДМ = Мс — Ме.

Режим работы будет устойчивым, если/7у> 0 , и неус­ тойчивым при F y< 0, при условии что ДМ имеет поло­ жительный знак, если Мс> М е и Д/г считается положи­ тельным при увеличении оборотов по сравнению с рав­ новесным режимом и отрицательным при уменьшении оборотов. -Чем больше положительная величина F y, тем большая энергия участвует в выравнивании режима и, следовательно, тем быстрее будет восстановлен перво­ начальный режим при отклонении его на величину Ап.

2. Коэффициент приспособляемости,- равный отноше­ нию максимального значения среднего эффективного давления к его номинальному значению:

Рм

Более показательным является коэффициент приспо­ собляемости, выраженный отношением текущего значе­ ния среднего эффективного давления рвх к его значению

при максимальной мощности PeNmax '■

К' Рех

PWm.

От величины К'п зависят динамические характеристи­

ки двигателя, в частности приемистость и устойчивость работы на малых оборотах.

3. Одним из показателей устойчивости режима яв ляется коэффициент переменности оборотов

К д „ :

. “ feme

11N

55

лее устойчивой работы двигателя при изменении оборо­ тов. Коэффициент переменности оборотов показывает также, в каких пределах изменения оборотов сохраняет­ ся повышенное значение крутящего момента.

Режимы работы корабельного дизеля на винт отли­ чаются значительной устойчивостью даже без учета на­ личия регулятора. Устойчивость режима может быть на­ рушена, если по каким-либо причинам резко изменится нагрузка (самовыключение соединительной муфты, ого­ ление, потеря или деформация гребного винта и др.).

Устойчивость режима как показатель самого двига­ теля приобретает большую значимость в случае выхода из строя регулятора, а также в случае работы на малых оборотах.

§ 8. ШУМНОСТЬ И ВИБРАЦИИ

Форсированные по ре и числу оборотов корабельные двигатели являются мощными источниками звуковых колебаний и вибраций.

Высокая шумность двигателей затрудняет их исполь­ зование, ухудшает скрытность и условия обитаемости ко­ рабля, быстро утомляет обслуживающий персонал, а часто делает невозможным длительное пребывание лю­ дей в отсеке, где установлен двигатель, так как в ре­ зультате воздействия интенсивного шума не только ос­ лабляется внимание, снижается работоспособность, но и возникают болевые ощущения.

Вибрации двигателей и их агрегатов вызывают до­ полнительную шумность, снижают надежность работы механизмов и контрольно-измерительных приборов, мо­ гут повлечь за собой поломки трубопроводов, задиры втулок цилиндров, нарушение плотности соединений эле­ ментов двигателя и его систем, сокращение срока служ­ бы и преждевременный выход двигателя из строя.

Все это побуждает изыскивать эффективные меры по снижению шума и вибраций.

Поиски этих мер ведутся в трех направлениях:

56

— ослабление шума и вибраций в Самом иСтбчкиКб их генерирования;

—принятие мер по шумопоглощению;

—шумо- п пибропзоляцпн.

Источники шума и вибраций корабельных дизелей

В зависимости от условий возникновения и источни­ ка, возбуждающего звуковые колебания, различают пер­ вичный и вторичный шумы.

Источниками первичного шума являются впускная и выпускная системы, процесс сгорания в цилиндрах, ме­ ханизм газораспределения, топливная аппаратура, виб­ рации втулок рабочих цилиндров, рабочий процесс во вспомогательных механизмах.

Вторичный шум появляется в результате передачи звуковых колебаний и вибраций от двигателя к его сис­ темам, через фундамент к переборкам и к другим кон­ структивным элементам корпуса корабля.

Вибрации двигателя возникают вследствие периоди­ ческого характера протекания рабочего процесса, пере­ менного значения крутящего момента, неполной уравно­ вешенности механизмов двигателя, взаимодействия раз­ личных элементов двигателя и т. д.

Причины, вызывающие вибрации, вместе с тем явля­ ются причинами усиления структурного шума. (Струк­ турный шум распространяется по конструктивным эле­ ментам двигателя и корпуса корабля). . _

Наличие в двигателе большого количества источни­ ков шума, возбуждающих звуковые колебания различ­ ной громкости и частоты, создает сложный спектр шу­ мов. Суммарное воздействие всех источников приводит

кповышению общего уровня силы звука и громкости. Допустим, что одновременно действуют два источни­

ка шума с соответствующими уровнями силы звука L\ и L2, причем наиболее мощным источником является Lb тогда суммарный уровень сил звука L = L X+ AL, где AL — поправка, зависящая от разности уровней сил зву­ ка Ь\—Lo — действующих источников.

Чем меньше разность Ьх—L2, т. е. чем ближе уровни силы звука второстепенного и наиболее мощного источ­ ников, тем на большую величину возрастает суммарный уровень шумности; двигателя, Зависимость величины по­ правки AL от разности Lx— L2 уровней силы звука двух

57

Одновременно действующих источников шума показана

на рис. 9.

Данные исследований показывают, что основные ис­ точники шума могут быть расположены по уровню гром­ кости излучаемого шума для большинства двигателей в следующем нисходящем порядке:

—системы впуска и выпуска;

—процесс сгорания;

Рис. 9. Зависимость величины поправки AL от разности уров­ ней силы звука Li — Z.2 двух одновременно действующих ис­ точников шума

—соударения и трение в сочленениях деталей дви­ жения;

—топливоподающая аппаратура;

—клапанный механизм системы газораспределения. Источники вибраций располагаются в таком же по­

рядке, за исключением систем впуска и выпуска. Колеба­ ния, возникающие в этих системах, могут вызвать или усилить вибрации коллекторов, трубопроводов, корпусов турбин и компрессоров, но сами по себе играют второ­ степенную роль по сравнению с более мощными источ­ никами вибраций.

Шумы систем впуска и выпуска. Причинами образо­ вания шума во впускной системе четырехтактных двига­ телей без. наддува являются: пульсация воздуха на вхо­

58

де во всасывающий коллектор, колебания давления в самом коллекторе и образование вихрей при перетека­ нии воздуха через всасывающие клапаны в цилиндры двигателя.

Наиболее интенсивные шумы в общем спектре звуко­ вых колебаний на всасывании соответствуют низким и средним частотам (от 100 до 1000 гц) и обусловлены пульсациями воздуха.

Шум на впуске двигателей с наддувом зависит от состава агрегатов наддува и их конструктивных особен­ ностей.

Уровень шума центробежных компрессоров достига­ ет 110—130 дб в области частот (2-^10)103 гц, воз­ растая по мере увеличения напора и производитель­ ности.

Пульсации воздуха во всасывающей и нагнетатель­ ной полостях и возмущение воздушного потока вращаю­ щимися роторами являются основными причинами шумообразования в роторно-лопастных компрессорах.

Причем пульсации потока на всасывании вызывают аэродинамический шум, а пульсации в нагнетательном трубопроводе порождают вибрации корпуса компрессора и связанных с ним элементов воздухопровода, вызываю­ щих, в свою очередь, воздушный и структурный шумы.

Наряду с шумом вращения и вихревым шумом в ро­ торно-лопастных компрессорах и продувочных насосах могут возникнуть шумы механического происхождения, порождаемые работой шестерен привода и усиливаемые крутильными колебаниями.

Установка на всасывании глушителей позволяет сни­ зить уровень воздушного шума на 5—7 дб. Вместе с тем глушители увеличивают сопротивление во впускной системе и вызывают ухудшение эффективных показа­ телей двигателя.

Выпуск отработавших газов имеет пульсирующий ха­ рактер и сопровождается распространением и много­ кратным отражением волн давления в выпускной систе­ ме, что приводит к образованию интенсивного шума и вибраций.

В связи с тем что выпускные газы обладают высокой температурой и большей массой, чем воздух навпуске, средняя скорость истечения газов значительно выше ско­ рости воздуха на впуске. Динамические явления в вы­

59