46. Работа гребного винта на различных режимах, энергетические показатели винта и гд.

По кривым действиям судят о работе винта на различных режимах. Расчетным (номинальным) условием соответствует в точке “в”, когда КПД винта стремится к мах. В точке “а” имеет швартовный режим, когда скольжение равняется S = 100 %; = 0; коэффициент К₁ и К₂ достигают максимального значения, а КПД = 0. В точке “с” винт работает с нулевым скольжением К₁ и силе упора Р = 0, а поступь = H/D, равна шагу нулевого упора или гидродинамическому шагу.

Подводимый момент расходуется на преодоление профильного сопротивления лопастей. В точке “d” скольжение и коэффициент К₁ отрицательные, коэффициент К₂ и Мв (момент винта) = 0. Винт работает в набегающем потоке, в режиме гидротурбины и создает отрицательный упор на участке “cd”, винт (парализован), то есть не является ни движителем, ни турбиной. Действие винта в широком диапазоне, изменение и S проявляется на судне при больших взаимодействиях на сопротивлениях движения судна (работа во льдах, разгон, торможение).

В неизменных условиях плавания наблюдаются пропорциональные изменения скорости и частоты вращения, что при постоянстве коэффициента попутного потока приводят к малым отклонениям потупи скольжения, тогда согласно кривым действиям винта при = const имеем постоянство К₁, К₂, КПД винта в формуле момента и мощности можно выразить постоянной: С’’= К₁ Д_В⁴60^-2

С’ = К₂ Д_В⁵60^-2

С = К₂ Д_В⁵ 2 60^-2

Следовательно энергетические показатели, работа гребного винта можно представить параболическими зависимостями от частоты вращения. Упор Р = С’’n_В²; момент М_В = С’ n_В²; мощность N_В = C n_В³.

Учитывая, что гребной винт является промежуточным элементом пропульсивного комплекса, передающим энергию ГД к корпусу судна в зависимости М_В(n), N_В(n) могут быть трансформированы винтовые характеристики ГД.

,

Где ; ; ;

Связь гребного винта с корпусом судна через буксировочную мощность и пропульсивный коэффициент N_В = N_R / с учетом пропорциональности сопротивления корпуса судна к квадрату скорости R = К , где ( К – коэффициент пропорциональности), позволяет представить мощность в кубической зависимости от скорости хода судна.

, где

Следовательно мощность ГД может быть выражена через частоту вращения и скорость судна ; .

Для геометрически подобных винтов ВФШ и ВРШ кривые действия приведены ни рис.3.

47. Винтовые характеристики пропульсивного комплекса и работа на них гд.

Винт “ лёгкий”, если при номинальном числе оборотов он не использует построечные мощности двигателя.

Винт “ тяжёлый”, если при построечной мощности двигателя работает с числом оборотов меньше номинального. При выходе на номинальное число оборотов двигатель начинает работать с повышенной мощностью.

Для исправления “ тяжёлого” винта нужно уменьшить диаметр или шаг, для легкого увеличить диаметр или шаг.

Тяговая характеристика строится для буксирных судов. Верхний график содержит кривую предельной тяги на гаке.

Z = Pe - R_б Pe – полезная тяга;

n_z = . R_б –.

По паспортной диаграмме и тяговой определяют: скорость полного хода судна, соответственно число оборотов и потребляемой мощности при различных условиях плавания.

Скорость определяется точками пересечения кривой предельной тяги с кривой полного сопротивления для рассматриваемых условий плавания. Зависимость скорости хода судна от частоты вращения винта. Эту зависимость находят по паспортной диаграмме, снимая точки пересечения кривых тяги при n = const с кривой полного сопротивления для рассматриваемых условий плавания.

Пропульсивный КПД учитывает все гидродинамические потери связанные с работой винта. На современных судах пропульсивный КПД изменяется от 0,50 до 0,70 и мало зависит от скорости хода судна.

Ходовые характеристики увязывают между собой внешнюю характеристику двигателя. Кривые действия гребного винта и сопротивления воды движения судна для различных осадок. На верхней диаграмме Ре - зависимость полезной тяги для различных чисел оборотов, кривые зависимости сопротивления воды от скорости движения для различных осадок ( кривые Т1,Т2,Т3) и кривая располагаемой тяги.

На нижней диаграмме показаны зависимость мощности двигателя, работающего на винт от скорости движения (кривая располагаемой мощности), кривые зависимости потребляемой мощности от скорости движения для различных осадок (кривые потребления мощности) и кривые зависимости мощности от скорости судна при различных значениях чисел оборотов. По этой диаграмме решают задачу соответствия гребного винта ГД, и корпусу судна, определение зависимости _s от n двигателя для разных значений Т, скорости полного хода, n и N_e двигателя при разных осадках.

№48 Режимы «легкого» и «тяжелого» гребного винта. Эксплуатационный запас мощности ГД.

Гидродинамические характеристики винта должны соответствовать корпусу судна и ГД при работе на эксплуатационном режиме полного хода, полной грузовой осадке судна и в нормальных гидро-метеоусловиях. В этом случае полностью используется номинальная мощность ГД, при n = номин., ГД работает без перегрузки, судно имеет проекторную скорость. Несоответствие винта корпусу судна или ГД - недоиспользование мощности ГД или к перегрузке и невыполнению проектной скорости перерасходу топлива. В зависимости от этого винт считается «легким» или «тяжелым».

При тяжелом винте ГД работает с повышенными значениями Р_i и температурой выпускных газов и сниженной индикаторной мощности. Винт будет тяжелым если ГД развивает номинальную, но частота вращения меньше номинальной. При легком винте ГД не развивает номинальной мощности даже при повышенной против номинальной частоты вращения вследствие того, что работает с пониженным Р_i (эти вопросы решают на основе анализов и испытаний комплекса ГД – двигатель – корпус судна).

Понятия легкий и тяжелый гребной винт не относятся к его массе, а определяются гидродинамическими характеристиками (дисковым отношением, шагом винта). Винты исправляют путем изменения Φ и шага.

Поворот лопастей – увеличение шага – винт легкий и уменьшением если тяжелый, тяжелый винт – срезка по диаметру (4/3). Легкий винт исправляется путем механической правки либо придания вогнутости лопастей по нагнетательной стороне. Техническое состояние судна с течением времени меняется: ухудшается состояние подводной части корпуса, она обрастает и загрязняется, увеличивается ее шероховатость из-за коррозии, гофр и вмятин. Поэтому увеличивается сопротивление при движении, которое непрерывно возрастает и не восстанавливаются поврежденные кромки лопастей гребного винта. Следовательно изменяются характеристики работы ГД, вследствие износа топливного аппарата, деталей ЦПГ, органов газообмена, загрязнения полостей охлаждаемых втулок, цилиндровых крышек, охладителя продувочного воздуха.

При расчетах ходкости судна учитывается запас мощности ГД на преодоление увеличивающемуся со временем сопротивления трения движения судна. В случае отсутствия такого запаса мощности ГД не сможет развивать N_номин , чем повысится расход топлива и перегрузка ДВ.

49-Закономерности изменения энергетических показателей дизеля

на режимах винтовой характеристики.

Зависимости показателей дизеля, непосредственно работающего на винт, от частоты вращения называются винтовой характеристикой. Мощность и момент, развиваемые дизелем, за вычетом потерь энергии в пере-

даче «поглощаются» гребным винтом.

Изменение энергоэкономических показателей. При работе на винт изменение эффективных энергетических показателей дизеля полностью определяется характеристикой винта М=f(n), N=f(n). Момент и мощность, потребляемые винтом, в свою очередь зависят от геометрических и гидродинамических параметров гребного винта. Для винта фиксированного шага (ВФШ) геометрические параметры остаются неизменными.

При работе на винт регулируемого шага (ВРШ) изменяется шаг винта Н или безразмерный геометрический параметр Н/D — шаговое отношение.

К числу гидродинамических параметров относятся скольжение S и поступь винта р. Скольжение винта определяется отношением скорости скольжения {Нns) к осевой скорости винта в твердой среде Нns.

S=( Нns –Vp)/ Нns

Ns-частота врашения винта

Vр-действительная осевая скорость винта,м/с

Перегрузка по мощности в 10% достигается уже при п= 103,2 %.

Снижение частоты вращения ведет к резкому уменьшению нагрузки. При малом ходе судна (n=20—30%) дизель практически работает на режиме холостого хода. Отсюда также следует, что назначение эксплуатационного режима полного хода при незначительном снижении п связано с существенным понижением давления рг и увеличением моторесурса, а работа на режимах самого малого хода —

с трудностями поддержания минимально устойчивых частот вращения из-за малых цикловых подач, неудовлетворительного распиливания и неравномерного распределения топлива по цилиндрам.

При изменении условий плавания и режима работы судна, вызывающих изменение сопротивления движению судна с данной скоростью хода (состояние моря, корпуса, винта, осадка, буксировка и т. Д.

№50 Закономерности изменения показателей топливной экономичности при работе по винтовой характеристике.

Винтовые характеристики – зависимость мощности и параметров двигателя от числа оборотов при работе на винт.

Для винтовых характеристик:

N_e = cn³ – эффективная мощность.

с – коэффициент пропорциональности, n – число оборотов.

Винтовые характеристики снимают при различных цикловых подачах топлива. Зависимость мощности от n отклоняется от кубической. В условиях эксплуатации коэффициент с снижается с уменьшением линейной поступи винта ( отношение скорости судна к n) и возрастает при обрастании корпуса и увеличения осадки.

Нормальная и экономичная работа дизеля достигается на пересечении 1 и 5 характеристик. Для всех остальных режимов имеет место недогрузка ДВ, которая сопровождается увеличением удельного расхода топлива, а при пониженных оборотах к неустойчивой работе ДВС. N дизеля прямолинейно меняется от n , следовательно Р_i снижается при увеличении n вследствие уменьшения цикловой подачи топлива g_ц . коэффициент избытка воздуха α и суммарный коэффициент избытка воздуха α_∑ повышается с увеличением n, механический КПД падает т.к. механические потери возрастают. Следовательно, эффективный удельный расход топлива не остается постоянным, удельный индикаторный расход топлива при увеличении n снижается – возрастание коэффициента избытка воздуха α. Максимальное давление цикла Р_z снижается по причине уменьшения угла опережения подачи топлива по времени, а средняя температура за цикл t_ц возрастает.

При работе дизеля нужно выбирать оптимальные режимы по загрузке дизеля, чтоб его не недогрузить и не перегрузить.

№51 Закономерности изменения показателей теплонапряженности и механической напряженности дизеля.

При работе ГД по винтовой характеристике нежелательно поднимать число оборотов двигателя выше 0,8 от номинального, в противном случае напряжения обусловленные моментом приложенным к кормовому фланцу вала могут оказаться опасными. Режим трогания судна с места во многом похож на режим работы на швартовых, т.к. значение относительной поступи гребного винта (λ) мало и двигатель может быть перегружен по крутящему моменту. При разгоне судна λ постепенно возрастает и возможность перегрузки определяется увеличением n во времени, которое определяет увеличение крутящего момента. Увеличение скорости – увеличение числа оборотов – увеличение цикловой подачи. С ростом цикловой подачи растет крутящий момент на валу ДВ, который в период ускорения будет больше момента сил сопротивления винта. Переходной динамический процесс сопровождается прогревом ДВ, т.е. нестационарным тепловым процессом, в результате температура деталей двигателя повышается. При разгоне судна резкое увеличение оборотов, перегруз ДВ сначала по моменту, а затем по среднему эффективному давлению, если на ДВ нет ограничителя на ТНВД. Нестационарный динамический процесс, протекающий быстрее теплового, заканчивается при условии М_кр = М_{статич.} и является наиболее тяжелым для ДВ, с последствиями: заклинивание и задиры втулок, поршней, трещина в ЦПГ, перегрев и зависание клапанов. Эти процессы являются

практически неконтролируемыми, т.к. датчики температур установлены снаружи ДВ, а тепловой поток направлен изнутри наружу ДВ. Рекомендации – плавный переход, прогрев ДВ, режимы ввода и вывода.

Понимают напряжения и деформации, возникающие в коленчатом вале, подшипниках, анкерных связях, поршнях и стенках рабочего цилиндра, и оцениваются скоростью нарастания давления газов в цилиндре в период сгорания топлива и Р_z. Коленчатый вал и подшипники в некоторый период рабочего цикла частично разрушаются от Р_z действием сил инерции поступательно движущихся масс КШМ.

Необходимо с особым вниманием относиться ко всем изменениям условий работы дизеля, которые могут привести к перемене частот вынужденных или собственных колебаний системы вала (выключение 1 цилиндра со снятием деталей движения).

52-Изменение тепловой напряженности

Изменение тепловой напряженности. Показатели T’ст, Tст и Тст на

режимах винтовой характеристики меняются в результате влияния

подачи топлива и частоты вращения, на тепловую нагрузку

qср=qhaпngохл

При постоянных условиях со стороны охлаждения пропорционально параметру qср изменяется температурный перепад Тст и по линейному закону температуры T’ст и Tст.

К аналогичному выводу приходим,анализируя изменение теплонапряженности по методу эквивалентных стенок. На режимах малого хода имеем низкие температуры стенок, на режимах полного хода — наибольшие температуры и температурные перепады. В соответствии с этим при малых нагрузках следует стремиться к поддержанию более высоких температур в системах охлаждения и производить отключение воздухо-

охладителей в системе наддува. При полных нагрузках, наоборот,— осуществлять максимальный теплоотвод от стенок путем интенсивного прокачивания полостей охлаждения, поддержания умеренных температур воды, масла и рационального охлаждения наддувочного воздуха.

Температуры воды в системе охлаждения на различных режимах обычно сохраняются постоянными на входе в дизель или на выходе.Часто это достигается автоматически с помощью терморегулирующих клапанов. Поддержание постоянной температуры воды на выходе благоприятно влияет на тепловое состояние, так как средняя температура

воды Tохл понижается с ростом частоты вращения и нагрузки.

Температура в различных точках поршня, втулки указывают на интенсивное возрастание теплонапряженности в области частоты вращения и нагрузок полного хода. Характерно, что температуры этих деталей на режиме эксплуатационной мощности при плавании в тропических широтах во многих точках превосходят температуры, полученные на стенде при той же нагрузке, и равны температурам при 10 %-ной перегрузке по мощности. Такие изменения связаны с более высокими температурами воздуха в машинном отделении, на что указывает повышенная температура выпускных газов по сравнению с температурой tг на стенде.

По температуре выпускных газов tг оценивается лишь относительное изменение теплонапряженности на различных режимах в одинаковых условиях, но не ее абсолютный уровень. Так,при плавании в северных широтах температура газа выше стендовых

значений на 50 °С, а тепловое состояние дизеля в море и на стенде характеризуется одинаковыми температурами втулки, поршня.

52-Изменение тепловой напряженности

Изменение тепловой напряженности. Показатели T’ст, Tст и Тст на

режимах винтовой характеристики меняются в результате влияния

подачи топлива и частоты вращения, на тепловую нагрузку

qср=qhaпngохл

При постоянных условиях со стороны охлаждения пропорционально параметру qср изменяется температурный перепад Тст и по линейному закону температуры T’ст и Tст.

К аналогичному выводу приходим,анализируя изменение теплонапряженности по методу эквивалентных стенок. На режимах малого хода имеем низкие температуры стенок, на режимах полного хода — наибольшие температуры и температурные перепады. В соответствии с этим при малых нагрузках следует стремиться к поддержанию более высоких температур в системах охлаждения и производить отключение воздухо-

охладителей в системе наддува. При полных нагрузках, наоборот,— осуществлять максимальный теплоотвод от стенок путем интенсивного прокачивания полостей охлаждения, поддержания умеренных температур воды, масла и рационального охлаждения наддувочного воздуха.

Температуры воды в системе охлаждения на различных режимах обычно сохраняются постоянными на входе в дизель или на выходе.Часто это достигается автоматически с помощью терморегулирующих клапанов. Поддержание постоянной температуры воды на выходе благоприятно влияет на тепловое состояние, так как средняя температура

воды Tохл понижается с ростом частоты вращения и нагрузки.

Температура в различных точках поршня, втулки указывают на интенсивное возрастание теплонапряженности в области частоты вращения и нагрузок полного хода. Характерно, что температуры этих деталей на режиме эксплуатационной мощности при плавании в тропических широтах во многих точках превосходят температуры, полученные на стенде при той же нагрузке, и равны температурам при 10 %-ной перегрузке по мощности. Такие изменения связаны с более высокими температурами воздуха в машинном отделении, на что указывает повышенная температура выпускных газов по сравнению с температурой tг на стенде.

По температуре выпускных газов tг оценивается лишь относительное изменение теплонапряженности на различных режимах в одинаковых условиях, но не ее абсолютный уровень. Так,при плавании в северных широтах температура газа выше стендовых

значений на 50 °С, а тепловое состояние дизеля в море и на стенде характеризуется одинаковыми температурами втулки, поршня.