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

210 Судовые двигатели внутреннего сгорания

Значительной экономии топлива можно достигнуть, если по ус­ ловиям рейсового задания допускается снижение скорости судна. В этом случае рекомендуется снижать частоту вращения и переходить на режим экономической скорости.

Под экономической скоростью V понимается такая скорость, которая при наличии резерва ходового времени позволяет судну своев­ ременно прибыть в порт назначения, обеспечивая максимальную эко­ номию горюче-смазочных материалов. Однако должно соблюдаться условие, что длительная работа на этом режиме не приведет к сниже­ нию надежности главного двигателя. Здесь имеется в виду в первую очередь отсутствие интенсивного роста нагара и масляных отложений в продувочном и выпускном трактах, отсутствие опасных вибраций. За основной критерий экономичности при выборе V принимается путевой расход топлива g= GJVs3k.

Напомним, что для судов с винтом фиксированного шага N = С д :, а скорость Vs ~ C/i. Часовой расход топлива, как известно, Gh= ge N eкг/час, тогда

Если в целях упрощения принять ge= const, а С и С2постоянные, то путевой расход топлива gv будет пропорционален квадрату частоты вращения gv ~ Сп2и может быть представлен квадратичной параболой. Отсюда ясно, что снижения путевого расхода топлива можно достичь уменьшением оборотов двигателя.

1 9*3* Режимы работы при волнении

Состояние моря, направление и сила ветра определяют периоди­ чески меняющееся сопротивление движению судна в связи с измене­ нием характеристик гребного винта при различной глубине его по­ гружения в воду и работе в косом потоке, а также в условиях частых перекладок руля при удержании судна на курсе. Изменение погло­ щаемого момента и упора винта непосредственно отражается на на­ грузке и оборотах главного двигателя. В этих условиях работа двига­ теля носит неустановившийся характер, меняются во времени ско­ рость вращения, механические и тепловые нагрузки. Степень их из­ менений зависит от высоты и длины волн, курсового угла, скорости хода и степени загрузки судна.

Гл. 9. Режимы работы двигателей

Если принять за отправную точ- ре>% ку 2, лежащую на эксплуатационной винтовой характеристике (рис. 9.2), то уменьшение сопротивления движе­ нию судна при оголении винта (суд­ но скатывается с волны) приведет к облегчению гребного винта и его ха­ рактеристика займет положение ЛВ.

При увеличении сопротивления (судно входит на волну) винтовая ха­ рактеристика переместится в положе­ ние ТВ (тяжелого винта). При работе регулятора частоты вращения по пре­ дельной схеме при фиксированном положении тяги управления рейками

ТНВД h = const режимы двигателя при изменении нагрузок будут пе­ ремещаться по частичной характеристике ha2из точки 2 соответствен­ но в точки а—а при пересечении с соответствующими винтовыми ха­ рактеристиками. При работе по всережимной схеме смещение режи­ мов будет происходить по регуляторной характеристике б-б. Но по­ скольку при утяжелении характеристики режим выходит за пределы ограничительной характеристики р е доп,то потребуется уменьшить ско­ рость хода судна с тем, чтобы винтовая характеристика переместилась

вточку пересечения регуляторной характеристики с ограничительной.

Впротивном случае двигатель будет работать с явной перегрузкой. Если при этом учесть колебания давлений и температур в цилиндрах, динамические нагрузки, вызываемые изменением угловой скорости, то надежная работа двигателя при плавании в штормовую погоду мо­ жет быть обеспечена лишь при существенном уменьшении мощности и скорости хода.

Из сопоставления режимов видно, что работа по частичной ха­

рактеристике ha = const сопровождается значительными изменениями частоты вращения и вызванным этим изменением ускорений движу­ щихся масс дизеля, валопровода и появлением дополнительных инер­ ционных нагрузок. Их влияние особенно неблагоприятно отражается на работе приводов распределительных валов, насосов, упорного и дейдвудного подшипников.

Если также учесть, что с изменением частоты вращения динами­ ческие показатели рабочего цикла р p jp и скорость нарастания дав­ ления при сгорании также не остаются постоянными, то изменение

14*

более значительным, чем при работе по регуляторной характеристике (на режимах по кривой б-б). Кроме того, работа двигателя по час­ тичной характеристике сопровождается повышенной степенью нерав­ номерности вращения вала, большими колебаниями крутящего и оп­ рокидывающего моментов двигателя, возможными вибрациями корпу­ са судна.

В условиях качки амплитуда и скорость изменения частоты вра­ щения при ha2 = const (при установке регулятора на предельное число оборотов) являются по существу нерегулируемыми параметрами и полностью определяются состоянием моря, загрузкой судна. Умень­ шение колебаний частоты вращения (см. рис. 9.2) можно получить пе­ ренастройкой регулятора на более низкую предельную частоту враще­ ния (работа по кривой частичной характеристики ha3).

1 9*4* Режимы при плавании на мелководье и в узкостях

При плавании в условиях мелководья сопротивление движению судна увеличивается и нагрузка на главный двигатель растет. Экспери­ ментально установлено, что влияние на сопротивление дна водоема зависит от отношения глубины Н к осадке судна Т. При HIT > 15 дно водоема не влияет на сопротивление движению судна. При мелководье отношение Н /Т <15 влияние дна начинает сказываться, и чем меньше это отношение, тем больше это влияние. Увеличение сопротивления воды движению судна объясняется тем, что при выходе судна на мел­ ководье оно несколько увеличивает свою осадку, как бы «проваливает­

ся» из-за уменьшения скорости по­ тока под днищем судна и падени­ ем гидростатического давления на днище. Винтовая характеристика приобретает более крутой харак­ тер (тяжелеет) и, если не умень­ шать скорость судна и переходить на более низкие обороты, то дви­ гатель будет перегружаться.

Сопротивление воды движе­ нию судна зависит от скорости, и на мелководье в некоторых слу­

чаях может в несколько раз превысить сопротивление движению на глубокой воде.

На рис. 9.3 показано влияние скорости движения судна на величи­ ну сопротивлений на глубокой воде R и на мелководье R . В точке 1, соответствующей скорости VsI, начинает проявляться влияние мелко­ водья на сопротивление движению.

При меньших скоростях мелководье не оказывает влияния на со­ противление. В точке 2, при скорости судна Vs2, разность сопротивле­ ний на мелководье и на глубокой воде достигает наибольшего значе­ ния. В пределах участка скоростей V —V выход судна на мелководье сопровождается увеличением сопротивления его движению, а следо­ вательно, увеличением нагрузки на двигатель.

Если на глубокой воде скорость судна равна V , то сохранение этой скорости при выходе судна на мелководье повышает сопротивле­ ние воды с R2до R , и это, как уже отмечалось, может привести к перегрузке двигателя. Во избежание перегрузки при плавании на мел­ ководье следует осуществлять контроль за нагрузкой двигателя и под­ держивать более низкие скорости. Нужно также учитывать, что при плавании по водным путям, имеющим относительно узкие проходы (каналы и реки), на изменение сопротивления воды движению судна влияет не только дно, но и берега.

1 9*5* Режимы работы на малых нагрузках

Переход главного двигателя на режим малого хода, как и переход вспомогательного двигателя на режим малых нагрузок, связан со зна­ чительным сокращением подачи топлива в цилиндры. Одновременно снижаются параметры воздуха в конце сжатия. Особенно заметно из­ менение величин и Г в двигателе с газотурбинным наддувом, так как ГТК на малых нагрузках практически не работает и двигатель ав­ томатически переходит на режим работы без наддува. Малые порции сгорающего топлива приводят к снижению температуры в камере сго­ рания. Из-за низких температур цикла процесс сгорания топлива проте­ кает вяло, медленно, часть топлива не успевает сгореть и стекает по стенкам цилиндра в картер или уносится с отработавшими газами в выпускную систему. Ухудшению сгорания топлива способствует так­ же плохое смесеобразование топлива с воздухом, обусловленное сни­ жением давления впрыска топлива при падении нагрузки и снижении

В этом случае при снижении частоты вращения давление впрыскива­ ния, подчиняющееся закону р тиах= Сп, уменьшается не до столь низ­ ких значений, что позволяет обеспечить на малых оборотах достаточ­ но качественное распыливание и смесеобразование. Фирма «Катерпил­ лар» с этой же целью ввела гидравлический привод плунжера ТНВД, позволивший сохранять высокое давление впрыскивания на всем диа­ пазоне скоростных режимов.

Вторым фактором, определяющим неудовлетворительную работу на малых оборотах и нагрузках, является ухудшение воздухоснабжения. Для улучшения воздухоснабжения на двигатели устанавливают более эффективные ГТК, ориентированные на работу в зоне малых нагрузок с более высоким КПД. Уместно напомнить, что в современ­ ных двигателях с высоким наддувом запас энергии газов на полных нагрузках превышает потребности ГТК, и это позволяет на этих режи­ мах направлять газы в обход ГТК, открывая устанавливаемые на вых­ лопе байпасные клапаны. С переходом на малые нагрузки байпасный клапан закрывается, и весь поток газов направляется в ГТК, что суще­ ственно повышает его производительность.

В целях улучшения воспламенения топлива в цилиндрах двигате­ ля также прибегают к повышению температуры наддувочного воздуха путем отключения воздухоохладителя, а в отдельных конструкциях двигателей при переходе на частичные нагрузки вводится подогрев наддувочного воздуха с помощью специально устанавливаемого подо­ гревателя, в котором температура воздуха повышается до 65-80°С.

При переходе главного двигателя, работающего на ВФШ, на ре­ жимы малых оборотов цикловая подача топлива и нагрузка, характери­ зуемая р е, уменьшаются в квадрате от оборотов. Это влечет за собой рост степени неравномерности подачи топлива

средняя цикловые подачи топлива в рабочие цилиндры. Рост степени неравномерности подачи определяется возрастанием доли утечек че­ рез прецизионные элементы топливной аппаратуры по отношению к падающей со снижением нагрузки цикловой подаче ТНВД. В свою оче­ редь, чем больше степень неравномерности подачи, тем больше сте­ пень неравномерности вращения вала двигателя, тем больше вероят­ ность пропуска вспышек в цилиндрах и самопроизвольной остановки двигателя. Остановке двигателя способствует и тот факт, что с умень­

шением оборотов уменьшается кинетическая энергия его движущихся частей, и при низких оборотах с учетом ранее рассмотренных причин ее может оказаться недостаточно для преодоления сопротивления вра­ щению гребного винта.

§ 9.6. Режим пуска и переходный режим разгона и прогревания

Пуск двигателя с последующим выводом на полную нагрузку. Пуск судовых двигателей осуществляется сжатым воздухом, быс­

троходные двигатели обычно пускаются электростартером.

Процесс пуска условно можно представить в виде следующих последовательных стадий:

►интенсивное раскручивание вала двигателя под действием по­ даваемого в цилиндры сжатого воздуха до минимальных оборотов, при которых создаваемые в цилиндрах давления и температуры сжимаемо­ го воздуха будут достаточны для самовоспламенения и последующего сгорания впрыскиваемого топлива;

►впрыск топлива и его самовоспламенение в одном или более цилиндрах и продолжение раскручивание вала двигателя на продолжа­ ющем поступать воздухе и сгорающем топливе (смешанный пуск);

►переход двигателя на работу на топливе и выход на заданный режим.

Движущий момент, создаваемый пусковым воздухом Мдд, необхо­ дим для преодоления:

►момента инерции масс движущихся частей двигателя, валопровода и гребного винта и присоединенной массы воды, увлекаемой вра­

Мов= М ин + Мтр + Мв.

Кроме того, необходимо затратить работу на сжатие в цилиндрах воздуха для обеспечения последующего воспламенения топлива.

Пусковая система включает установленные на каждом цилиндре пусковые клапаны и воздухораспределительные золотники, приводи­ мые от кулачков распределительного вала. Задача золотников состоит в том, чтобы обеспечить открытие и закрытие пусковых клапанов в необходимые моменты времени. Пусковые клапаны открываются за 2-6° п.к.в. до прихода поршня в ВМТ и закрываются через 90-110°. Более подробно конструкция пусковой системы изложена в гл. 13, том I.

Судовые двигатели пуска­ ются при давлении пускового воздуха 30-10 бар. С падением давления воздуха в баллонах скорость раскручивания снижа­ ется, это наглядно показано на графике рис. 9.4.

Пуск, как и маневрирова­ ние, сопряженное с остановка­ ми, реверсированием и сменой нагрузок, относится к неустановившимся и напряженным ре­ жимам, на которые приходится наибольшее число аварийных повреждений двигателей.

Напряженность переход­ ных режимов определяется тем,

что в процессе смены режима (нагрузки и частоты вращения) резко изменяется рабочий процесс, меняются условия нагрева и охлаждения цилиндров и поршней. Напряжения в деталях ЦПГ и КШМ растут с увеличением скорости смены режима и становятся наибольшими при пуске холодного двигателя, резком выведении его на полную нагрузку

ивнезапной остановке с полного хода. В этих условиях элементы кон­ струкции подвергаются деформации и интенсивному изнашиванию, меняются зазоры и натяги в сопряжениях. В деталях, испытывающих действие высоких температур, развиваются термоусталостные явле­ ния, приводящие к образованию трещин. При пуске холодного двига­ теля в цилиндрах создаются неблагоприятные условия для самовосп­ ламенения топлива. Сгорание накапливающегося в цилиндрах топлива

идо этого не воспламенившегося сопровождается чрезмерно высоким давлением и большой скоростью его нарастания. Это приводит к уве­ личению механических напряжений в деталях ЦПГ и КШМ, возника­ ют большие ударные нагрузки в подшипниках.

Высокое давление сгорания pz возникает и при пуске прогретого двигателя, если он недостаточно раскручивается на воздухе, и для со­ здания необходимых ускорений даются большие подачи топлива. Так, при автоматическом пуске двигателя «Зульцер» RD 76 по максималь­ ной программе, предусматривающей вывод двигателя сразу же после пуска на режим полного хода, давление в цилиндре достигает 8 МПа, а скорость нарастания давления при сгорании до 2 МПа на град, п.к.в.

Столь жесткие условия пуска и разгона двигателя до полной частоты вращения можно допускать лишь в исключительных (аварийных) си­ туациях. В нормальных условиях пуска топливная рейка должна быть установлена в положение малых подач (h< 0,5hanoJ и разгон двигателя следует осуществлять постепенно. Темп увеличения цикловой подачи топлива выбирать таким, чтобы обеспечить достаточно низкую ско­ рость роста температур деталей ЦПГ.

Жесткая работа двигателей при пуске (особенно среднеоборот­ ных) возможна также при использовании тяжелых топлив, для кото­ рых характерны худшие распыливание, испарение и замедленное сго­ рание. Поэтому при низких температурах рекомендуется запускать та­ кие двигатели на дизельном топливе.

Надежное самовоспламенение топлива в цилиндре определяет­ ся температурой сжатого воздуха, которая зависит от температуры окружающей среды, теплового состояния двигателя, состояния пор­ шневых колец и пусковой частоты вращения (средней скорости пор­ шня). Поэтому чтобы обеспечить легкий пуск, двигатель необходимо предварительно прогреть, прокачивая через него горячую воду, от­ бираемую обычно от системы охлаждения вспомогательных дизелей. При прогреве снижается износ цилиндров в пусковой период, умень­ шается коррозирующее действие кислот, образующихся при сгора­ нии топлива.

Уменьшение потерь теплоты в стенки цилиндра способствует ро­ сту температур и давлений в конце сжатия и сокращению периода за­ держки самовоспламенения, в связи с чем значительно снижается дав­ ление в цилиндре при первой вспышке. Это снижает механическую напряженность деталей цилиндра и улучшает работу подшипников коленчатого вала.

При работе холодного двигателя смазка подшипников и других узлов трения недостаточна, поскольку масло не успевает прогреваться, и высокая вязкость затрудняет его движение. Большая вязкость масла обусловливает также увеличение сопротивления прокручиванию дви­ гателя в пусковой период. В связи с этим необходимо перед пуском двигателя подогревать смазочное масло в циркуляционной цистерне или картере до температуры 40-45° С.

Переходные режимы разгона и прогревания.

Детали ЦПГ (поршень, крышка и втулка) при переходных режи­ мах испытывают высокие тепловые нагрузки, под влиянием которых в них возникают термические напряжения, деформации, а иногда (при

значительных перегрузках и частых сменах режимов) термоусталост­ ные разрушения.

При пуске и в следующий за ним период разгона и прогрева дви­ гателя интенсивно повышается температура его деталей (в первую оче­ редь деталей ЦПГ) и охлаждающей воды, снижается вязкость смазоч­ ного масла и изменяются зазоры между сопрягаемыми поверхностя­ ми. Неравномерность прогрева деталей вызывает появление в них вы­ соких температурных градиентов, зависящих от скорости прогрева­ ния, которая определяется скоростью изменения температуры деталей по времени St/St. Наиболее интенсивный прогрев (максимум St/Sz) про­ исходит в зонах тепловоспринимающих поверхностей камеры сгора­ ния и в местах движения основного потока теплоты. В поршне в пер­ вую очередь прогревается головка, юбка же разогревается вяло, накап­ ливая теплоту главным образом в процессе теплопроводности. Поэто­ му колебания температуры юбки, как и нижней части втулки, с измене­ нием режима работы мало заметны. Независимо от размеров и мощно­ сти двигателя наиболее интенсивный рост температуры деталей отме­ чается в начальный период их прогрева, особенно в течение 40-60 с после первой вспышки в цилиндре. В это время температурные гради­ енты (перепады температур по толщине или в радиальном направле­ нии) и термические напряжения достигают максимума. Затем темпе­ ратурное поле выравнивается, что сопровождается снижением нап­ ряжений. Дальнейшее развитие температурных градиентов и напря­ жений определяется временем прогревания и характером изменения нагрузки - чем больше нагрузка, на которую выводится двигатель пос­ ле пуска, тем интенсивнее он прогревается и тем больше рост тем­ ператур.

При прогреве холодного двигателя после пуска меняются зазоры между деталями и происходит их деформация, особенно цилиндровых втулок мощных дизелей. Внешне это проявляется в появлении воды в контрольных отверстиях, выводящих ее из зоны уплотнения втулки. Существенно изменяются зазоры между поршнем и втулкой. Их не­ равномерное и неодновременное прогревание приводит к тому, что поршень расширяется быстрее втулки и при ускоренном прогреве за­ зор между ними в начальный период может существенно сократиться. Уменьшение зазора, деформация зеркала цилиндра и недостаточное поступление масла на смазывание цилиндра вследствие высокой вяз­ кости являются причинами интенсивного изнашивания трущихся по­ верхностей. По мере прогревания и расширения втулки и рубашки цилиндра зазор несколько увеличивается и стабилизируется.