Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

Если же принимать во внимание сравнительно небольшие потери мощности в промежуточной передаче от двигателя к гребному винту, то при установившемся движении судна и прямой передаче должны существовать равенства между моментом сопротивления винта и кру­ тящим моментом двигателя

МВ= М = К'п2, (8.3)

и между поглощаемой винтом мощностью и мощностью двигателя

N = N = Кп3. (8.4)

При непосредственной передаче мощности (прямое соединение двигателя с гребным винтом) нагрузка двигателя по мощности и мо­ менту однозначно определяется его частотой вращения п или скорос­ тью V судна, поскольку при неизменных условиях плавания V JV s2 =

п1!пг Отсюда, если необходимо увеличить скорость судна в х раз, во столько же раз должна, быть повышена частота вращения гребного винта и двигателя. При этом нужно иметь в виду, что с увеличением оборотов двигателя потребуется увеличение крутящего момента в х2 раз и мощности в х3раз.

В практике использования винтовых характеристик часто бывает удобно заменить крутящий момент М на пропорциональное ему сред­ нее эффективное давление р е. Правомерность такой замены вытекает из следующего:

М е = — F J P e = С 3 Ре, (8.5)

рт

где i ~~ число цилиндров; т - коэффициент тактности; Fn —площадь поршня; г - радиус кривошипа.

С учетом формулы (8.3) р е = С2п2. (8.6)

Винтовая характеристика, проходящая через точку номинального режима (1) и пересекающаяся в этой точке с внешней номинальной характеристикой, когда орган управления подачей топлива находится в

вой характеристикой (поступь винта Ар;на рис. 8.6).

При изменении относительной поступи винта (путь, проходимый винтом за один оборот А = V/n D), а это возможно при изменении со­ противления движению судна, винтовая характеристика меняет свое положение и вид, меняется значение коэффициентов С в уравнениях момента и мощности.

Так, при увеличении сопротивления вследствие увеличения осад­ ки судна, усиления встречного ветра или волнения, буксировки, обра-

Рис. 8.6. Винтовые характеристики

стания корпуса скорость судна и поступь винта падают, поэтому греб­ ной винт при той же частоте вращения поглощает больший крутящий момент. Винтовая характеристика, соответствующая новому значению поступи Лр2= const, на графике располагается левее характеристики ЛрГ К подобному изменению приводит также утяжеление гребного винта (увеличение шагового отношения HID), поэтому такая характе­ ристика часто называется характеристикой «тяжелого» винта.

При работе двигателя в условиях неподвижного судна (на шварто­ вах) А = VJ(nD) = 0. В этих условиях гребной винт поглощает наи­ больший момент, и соответствующая винтовая характеристика А в семействе представленных на рис. 8.6 характеристик занимает край­ нее левое положение.

При уменьшении сопротивления движению судна, что возможно при попутном ветре или уменьшении осадки (плавание в балласте), скорость судна и поступь винта возрастают, и винтовая характеристи­ ка, соответствующая новому значению поступи Лрз = const, располага­ ется правее и ниже характеристики свободного хода в грузу А = const. Характеристика Лр} = const может быть получена и при установке вин­ та с малым шаговым отношением или с обрезанными по диаметру лопастями, поэтому она называется характеристикой «легкого» вин­ та. Аналогичное положение может занимать характеристика при пла­ вании судна в балласте. При работе двигателя в условиях «легкой» характеристики загрузка его оказывается значительно меньшей, чем в

202 Судовые двигатели внутреннего сгорания

предыдущих случаях. В частности, для поддержания номинальной частоты вращения (точка 2 на рис. 8.6) от двигателя потребуются зна­ чительно меньшие мощность и среднее эффективное давление. Линией R показана регуляторная характеристика по предельной частоте вра­ щения.

Изменение параметров малооборотных двигателей при работе по винтовой характеристике приведено на рис. 8.7 и 8.8.

Переход с режима полной нагрузки к малой осуществляется пу­ тем сокращения цикловой подачи топлива. Подача воздуха турбокомп­ рессорами с уменьшением нагрузки и частоты также уменьшается, но в меньшей степени. Поэтому коэффициент избытка воздуха увеличи­ вается (на рис. 8.7 показан а . Но это относится к старым моделям двигателей с комбинированными системами наддува и невысоким уровнем наддува. Удельный эффективный расход топлива ge в связи с уменьшением Г]тсначала несколько снижается, достигает минимума при п = 115 об/мин, а затем растет. Наиболее экономичная работа дви­ гателя обеспечивается в области (0,82-1,0)и .

Рис. 8.9. Винтовые и ограничительные характеристики двигателя, работающего на ВРШ

Уменьшение нагрузки и сокращение расхода топлива приводит к падению температуры выпускных газов и максимального давления цикла.

Винтовые характеристики при работе на винт регулируемого ш ага (ВРШ). Условия работы двигателя при наличии винта регули­ руемого шага существенно отличаются от ранее рассмотренных, так как благодаря возможности изменения шага винта можно в широких пределах варьировать величиной нагрузки и оборотами двигателя. Зона рекомендуемых режимов силовой установки с ВРШ представлена на рис. 8.9.

Показанное здесь положение ограничительных характеристик под­ робно рассматривается в § 8.4. Поле допустимых в эксплуатации режи­ мов заключено в обширную (затененную) область, ограниченную сни­ зу характеристикой нулевого шага винта, сверху - комбинаторной кри­ вой, слева - точкой режима минимально допустимых оборотов и спра­ ва - регуляторной характеристикой п .

Комбинаторная кривая, объединяющая режимы оптимальных со­ отношений шаговых отношений винта и оборотов, при которых обес­ печивается наиболее экономичная работа двигателя, заранее подбира­ ется и встраивается в системы ДАУ. Она, как видно из рисунка, распо­ лагается ниже ограничительных характеристик.

На ряде судов двигатели с ВРШ работают по регуляторным ха­ рактеристикам, тем самым позволяя избежать часто нежелательных для двигателя режимов малых оборотов, при которых возникают пробле­ мы с воздухоснабжением.

ВРШ обладают рядом существенных преимуществ и поэтому прежде всего находят применение на буксирах, судах ледового плава­ ния —там, где требуются высокие тяговые свойства. В то же время ВРШ уступают винтам фиксированного шага (ВФШ) по КПД, стоимо­ сти, более сложны по конструкции и в эксплуатации.

Глава 9

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 9*1* Режим полного хода

Режим полного хода для транспортных судов является основным. При назначении режима полного хода необходимо, чтобы тепловые и механические напряжения, возникающие в двигателе при длительной работе на этом режиме, не выходили за допустимые уровни, чтобы гарантировалась надежная работа двигателя и была обеспечена наибо­ лее высокая экономичность его рабочего процесса. В практике двигателестроения при определении поля рабочих режимов обычно исходят из максимальной длительной номинальной мощности, которую двига­ тель может развивать лишь при определенных, оговариваемых заво­ дом внешних условиях, но при отходе от них не исключена возмож­ ность нарушения нормального хода рабочего процесса. В то же время главные судовые двигатели эксплуатируются на разных широтах, в широком диапазоне изменения параметров внешней среды, на различ­ ных топливах и пр. Поэтому при назначении для них режима полного хода нужно по отношению к номинальному режиму располагать опре­ деленным запасом мощности.

Этими соображениями, а также стремлением обеспечить наибо­ лее высокую экономичность рекомендуется для современных фор­ сированных наддувом дизелей назначать режим полного хода исходя из максимальной длительной (спецификационной мощности), которая должна лежать в области, ограниченной линиями I, Д На, III (рис. 9.1). На режим максимальной спецификационной длительной мощности завод-строитель настраивает двигатель, подбирая оптимальные фазы газораспределения, топливоподачи, проходные сечения соплового ап­ парата газотурбокомпрессора и пр. В этом случае в качестве отправ­ ного предлагается принимать не номинальный режим, а специфика-

ционный и развиваемые на этом режиме мощность и частоту враще­ ния за 100%.

Особенность рисунка 9.1 заключается в том, что по координат­ ным осям откладываются не N и п, а логарифмы их значений. Это позволяет кривые винтовых характеристик заменить отрезками пря­ мых. Так, номинальная винтовая характеристика, ранее выглядевшая в виде кривой кубической параболы, на рис. 9.1 представлена прямой

ним, что под номинальной мощностью понимается длительная эффек­ тивная мощность, назначаемая двигателестроителем при заданной (но­ минальной) частоте вращения, гарантируемая при сохранении следую­ щих условий:

- барометрическое давление р о = ЮОкПа (750 мм рт.ст.);

-температура окружающего воздуха То= 27° С;

-относительная влажность (ро = 60%, теплота сгорания топлива 42,7 мДж/кг.

Номинальную мощность можно рассматривать как синоним мак­ симальной длительной мощности (MCR —Maximum Continious Rating).

Выбор положения точки спецификационного режима внутри области, ограниченной линиями I, Д Ila, III, определяется требованиями к мощ­ ности и частоте вращения со стороны приемника энергии (гребного винта, электрогенератора). Немаловажное значение имеет и экономич­ ность двигателя, характеризуемая удельным расходом топлива, кото­ рый уменьшается в пределах рассматриваемой зоны при снижении как нагрузки, так и частоты вращения.

Поэтому чем ближе будет располагаться зона рабочих режимов к точке Ь4, тем более экономичной будет работа двигателя. В частности, в двигателях «МАН-Бурмейстер и Вайн МС» переход из точки номи­ нального режима L, в точку Ь4 дает экономию в 3-5 г/(кВтч). В рас­ сматриваемом примере (рис. 9.1 построен в логарифмических коорди­ натах) в качестве максимальной длительной мощности принята мощ­ ность, составляющая 91% номинальной (точка ^).

На приведенном в главе 8 рис. 8.4, иллюстрирующем зоны эксп­ луатационных ограничений, также построенном в логарифмических координатах, прямая 1 представляет расчетную винтовую характерис­ тику (линию нагружения двигателя гребным винтом), проходящую через точку А спецификационного режима.

Параллельные ей линии представляют винтовые характеристики винта более легкого (справа от прямой 1) или более тяжелого (слева от прямой 1). Параллельные пунктирные линии 2 представляют постоян­ ные значения средних эффективных давлений (ре = const). В частно­ сти, линия, проходящая через точку А, соответствуетр е (спецификационное) ~ 100%. Линия 3 ограничивает максимально допустимую для длительной работы частоту вращения, составляющую 103,3% п .

Лишь на ходовых испытаниях судна и при движении в балласте допускается повышение частоты вращения до 106%. Линии 4 и 5 на­ кладывают ограничение на развиваемое двигателем среднее эффектив­ ное давление исходя из обеспеченности его воздухом, необходимым для полного сгорания топлива. Эти линии представляют собой ограни­ чительную характеристику, в задачу которой входит также защита двигателя при назначении эксплуатационных режимов от недопусти­ мых тепловых и механических нагрузок (см. § 8.4).

Частота п представляет собой минимально устойчивые оборо­ ты, при которых двигатель продолжает устойчиво работать. Она по Правилам Российского Морского Регистра судоходства должна быть не менее ~ 30% п . При ее снижении из-за роста неравномерности подачи топлива по цилиндрам и снижения давления сжатия двигатель может заглохнуть.

208 Судовые двигатели внутреннего сгорания

Согласно рис. 8.4 в области частот вращения (97-100%) п до­ пускается работа при давлении р е = р еспец = 100% (линия 5), но если режим переходит в область меньшей частоты вращения, то работа с р е= р е спецуже недопустима. Нужно снижать давление ре, руководству­ ясь положением ограничительной характеристики (линия 4), что озна­ чает необходимость уменьшения цикловой подачи топлива. Это требо­ вание вызывается ухудшением снабжения двигателя воздухом при сни­ жении скоростного режима, что, в свою очередь, вызывает снижение коэффициента избытка воздуха, а также ухудшение сгорания топлива и возможный рост тепловых напряжений в деталях ЦПГ. Если же при снижении частоты вращения уменьшать подачу топлива в цилиндры и соответственно давление ре, как это диктует ограничительная характе­ ристика 4, то существенного падения коэффициента « н е произойдет и будет гарантировано достаточно полное сгорание топлива.

Зона между линиями 4-5 и ломаной жирной пунктирной линией относится к зоне перегрузок, время работы в которой ограничивается 1 часом на протяжении каждых 12 часов.

Максимально допустимая мощность составляет 110% при п = 103,3% (точка А').

Гребной винт рекомендуется подбирать таким образом, чтобы его характеристика (рис. 8.4, кривая 6) была на 2-3% легче винтовой ха­ рактеристики, проходящей через точку спецификационного режима (линия 1). Это означает, что эту же мощность двигатель будет погло­ щать при частоте вращения, на 2-3% большей (сравните точки АиС') . Если за основной скоростной режим (режим полного хода) принять частоту вращения пстц (точка С), то при полной загрузке судна и спо­ койной погоде от двигателя потребуется мощность, на 10-15% мень­

луатационной мощности Ne жсл(в последние годы эксплуатационная мощность назначается с запасом 10-15%).

На эту мощность и следует проектировать гребной винт, его вин­ товая характеристика будет проходить левее номинальной (теорети­ ческой) характеристики через точки С и С'. Это обеспечит необходи­ мый 10—15% запас мощности при сохранении частоты вращения греб­ ного винта п = 100%. Сохранение оборотов позволит при увеличении сопротивления движению судна скорость судна V поддерживать неиз­ менной, не опасаясь перегрузить двигатель. Сопротивление увеличи­ вается при обрастании или повреждении корпуса и гребного винта, усилении встречного ветра и волнения и пр. В этих условиях режим работы двигателя, соответствующий полному ходу, из точки С по регу­