СЭУ, Модуль 6.2., Чистяков А.Ю., 13.03.11

Судовые энергетические установки

Модуль 6.2

6.2.1. Режимы работы главного двигателя судовой дизельной энергетической установки (продолжение).

Эксплуатационные характеристики двигателей.

Для оценки мощностных, экономических и экологических пока­зателей работы двигателя на различных режимах пользуются так называемыми эксплуатационными характеристиками двигате­ля. Следует различать характеристики собственно двигателя и ха­рактеристики потребителя энергии. Первые зависят от конструк­тивных особенностей самого двигателя, а вторые - от конструктив­ных особенностей потребителя энергии (корпуса, конструкции и технического состояния гребного винта) и режима плавания.

При проектировании дизельной установки необходимо доби­ваться правильного сочетания характеристик дизеля с характери­стиками потребителя энергии. Только при соблюдении этого усло­вия могут быть максимально использованы энергетические возможности дизелей.

Анализ эксплуатационных характеристик двигателя обычно за­ключается в оценке степени изменения его мощностных, экономи­ческих и экологических показателей, а также показателей механи­ческой и тепловой напряженности.

При построении эксплуатационных характеристик двигателя за независимую переменную принимается частота вращения колен­чатого вала (гребного вала) или нагрузка, создаваемая на двига­тель. В связи с этим харак­теристики двигателя разде­ляют на скоростные (внеш­ние, частичные, экономиче­ские, винтовые, регуляторные, универсальные) и на­грузочные.

Поле допустимых режи­мов работы дизеля (рис. 6.2.1.) определяется положением ограничительных характеристик - мак­симальной 1, минимальной 2 мощности, а также номинальной регуляторной характеристикой 3 и минимально устойчивой частотой вращения коленчатого вала 4. На рис. 6.2.1. также нанесены внешние характеристики двигателя, снятые при подаче топлива, соответст­вующей номинальной 5 и максимальной 6 мощностям двигателя, а также регуляторная характеристика предельных частот вращения коленчатого вала 7.

Рис. 6.2.1. Поле допустимых режимов работы дизеля

Главные судовые двигатели обычно нагружаются гребным вин­том. Если не предусматривается дополнительный отбор мощности, то для любого режима плавания мощность, развиваемая двигате­лем, будет определяться мощностью, потребляемой гребным вин­том, с учетом потерь в передаче и в валопроводе.

При рассмотрении паспортных диаграмм судна эффективная мощность двигателя, подводимая к гребному винту, выражалась в функции от скорости движения судна. Для удобства анализа целе­сообразно эту диаграмму строить в координатах «эффективная мощность двигателя (или эффективный крутящий момент дви­гателя ) - частота вращения гребного винта». Воспользуем­ся для этой цели уравнениями, применяемыми в теории движите­лей. Известно, что крутящий момент, потребляемый гребным вин­том,, выражается через частоту вращения гребного винта, коэффициент момента и диаметр винта следующим образом:

.

Тогда мощность, потребляемая гребным винтом, , будет равна

.

Коэффициент момента зависит от относительной поступи гребного винта , а она - от соотношения скорости движения судна и частоты вращения гребного винта. Скорость судна при оп­ределенных условиях плавания является функцией частоты вращения гребного винта . Отсюда следует, что мощность, потреб­ляемая гребным винтом, может быть выражена зависимостью

.

В случае если скорость судна изменяется пропорционально частоте вращения коленчатого вала двигателя, а коэффициенты и остаются постоянными и показатель степени (для водоизмещающих судов), то зависимость мощности, потребляемой гребным винтом , от частоты его вращения называется винтовой характеристикой

потребителя и превращается в кубическую параболу .

Однако такая зависимость будет справедлива только для водоизмещающих судов при относительно невысокой скорости движе­ния. Для судов такого типа показатель изменяется в пределах . Для полуглиссирующих судов показатель, а для глиссирующих судов .

Эффективная мощность двигателя, , передаваемая на при­вод гребного винта, определится из соотношения

,

где , - КПД главной передачи и линии вапопровода, соответственно.

Следовательно, винтовую характеристику потребителя можно представить как зависимость эффективной мощности двигателя от частоты вращения коленчатого вала, нагруженного гребным вин­том. Вид винтовой характеристики потребителя зависит от типа и конструктивных особенностей самого гребного винта, от обводов корпуса судна, гидродинамических условий работы винта (состоя­ния моря, осадки, глубины под килем, направления потока воды, обтекающего винт) и других факторов.

Для некоторых судов (траулеров, ледоколов, буксиров, кито­бойных судов и др.) характерно плавание в условиях значительных колебаний сопротивления воды движению судна, что резко изменяет крутизну винтовой характеристики.

Для определения диапазона частот вращения коленчатого вала и изменения эффективной мощности двигателя (если двигатель непосредственно связан с гребным винтом) внешнюю номиналь­ную и частичные характеристики двигателя совмещают с винтовой характеристикой потребителя. При этом винтовая характеристика потребителя снимается при прямом свободном (без буксира) ходе судна на спокойной воде, чистом корпусе, нормальной осадке и при работе всех гребных валов и двигателей.

Для удобства анализа режимов работы двигателя по винтовой характеристике ее представляют обычно в виде кубической пара­болы . Это справедливо для большинства судов объ­емного водоизмещения. Коэффициентопределяется, как пра­вило, по данным испытаний судна на режиме полного хода. Для конкретного судна при неизменных гидродинамических условиях работы гребного винта коэффициент сохраняется постоянным.

Внешняя номинальная характеристика двигателя (кривая 6 на рис. 6.2.2.) и винтовая ха­рактеристика потребителя (кривая 3) пересекаются при номинальной частоте вращения коленчатого вала, и двигатель по эффективной мощно­сти и по эффективному крутящему моменту нагружен до номинальных значений. При изменении гидродинамических условий ра­боты гребного винта значение коэффициента будет изменять­ся. В связи с этим изменится мощность, поглощаемая гребным винтом при данной частоте его вращения.Новая винто­вая характеристика потребителя может пересекаться с внешней номинальной характеристикой двигателя при другой частоте, несколько большей частоты вращения коленчатого вала. В таком случае происходит уменьшение коэффициента , т.е. «облегчение» винтовых характеристик потребителя. Этот режим работы характерен для плавания в балласте (кривая 1 на рис. 6.2.2.) или с несколько уменьшенной осадкой (например, вследствие недогруза судна объемными, но легкими грузами), при этом на номинальной частоте вращения потребная для обеспечения заданной скорости мощность будет меньше номинальной, а так как специфика ДВС не позволяет превысить номинальную частоты вращения более, чем на 3-5% и тем самым увеличить скорость судна – главные двигатели будут недогружены. В случае, если винтовая характеристика пересечется с внешней номинальной характеристикой на частоте, меньшей номинальной частоты вращения коленчатого вала, то коэффициент увеличен, т.е. происходит так называемое «утя­желение» винтовых характеристик потребителя. В этом случае воз­никнет ограничение по частоте вращения коленчатого вала, так как номинальную эффективную мощность двигатель будет развивать при пониженной частоте вращения коленчатого вала (т.е. мощность, потребляемая гребным винтом на номинальной частоте вращения двигателя окажется выше номинальной мощности двигателя на этой частоте вращения, и, учитывая низкую перегрузочную способность ДВС номинальная частота вращения двигателя, а, следовательно и скорость судна не могут быть достигнуты). При этом следует учитывать, что современный дизель с наддувом не может длительное время работать по внешней номинальной характеристике на пониженных частотах вращения (ограничения по тепловой напряженности, дымности и т.д.), т.е. режим работы двигателя, а, следовательно и частоту вращения двигателя и скорость судна придется дополнительно уменьшить так, чтобы пересечение частичной скоростной характеристики двигателя и новой «утяжеленной» винтовой характеристики происходило ниже ограничительной характеристики (кривая 5 на рис. 6.2.2.) в поле допустимых режимов работы двигателя. Такие режимы работы характерны при дополнительной буксировке, сильном обрастании корпуса, перегрузке судна, работе во льдах, при снятии с мели, при работе на швартовах (кривая 4 на рис. 6.2.2.) При проекти­ровании ГЭУ необходимо знать максимально допустимые частоты вращения коленчатого вала, чтобы избежать перегрузки дизеля и вместе с тем обеспечить более полное использование его по мощ­ности.

Рис. 6.2.2. Винтовые характеристики для различных условий работы судна

1 – «облегченная» винтовая характеристика при ходе порожнем в балласте; 2 – семейство нагрузочных характеристик, получаемых при переходе от одной винтовой характеристики к другой; 3 – расчетная винтовая характеристика; 4 – «утяжеленная» швартовная винтовая характеристика; 5 – ограничительная характеристика; 6 – внешняя номинальная характеристика.

Из анализа винтовых характеристик потребителя видно, что эффективные показатели работы двигателя, в том числе эффек­тивная мощность и топливная экономичность, изменяются в очень широких пределах. В области малой частоты вращения коленчато­го вала дизель в значительной степени недогружается, а эконо­мичность резко ухудшается. Поэтому длительное использование дизеля на таких режимах нецелесообразно.

Минимальный эффективный удельный расход топлива дости­гается при частоте вращения коленчатого вала двигателя, состав­ляющей .

В системе электропередачи, при работе дизеля на гребной ВРШ, а также на гребной винт ВФШ через гидростатическую и гид­ротрансформаторную передачи, главные дизели могут использо­ваться на различных нагрузочных режимах при постоянной частоте вращения коленчатого вала. В этом случае двигатель будет рабо­тать по нагрузочной характеристике, которая позволяет в про­цессе проектирования установок выбирать наиболее экономичные режимы использования дизелей при заданной частоте вращения коленчатого вала.