Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

Рис. 3.16 Определение минимальной температуры наддувочного воздуха/ 6min

при условии недопустимости конденсации водяного пара в воздухо­ охладителе ( ф — относительная влажность, %; d — влагосодержание, кг Н20 на 1 кг сухого воздуха)

пературе выпускных газов (повышение ts на 1 °С вызывает увеличе­ ние температуры газа на 1,5 °С).

Состояние воздухоохладителя со стороны водяного пространст­ ва контролируют по перепаду температур забортной воды на входе

клапанов и спецификационном давлении в системе забортной воды указывает на уменьшение расхода воды через воздухоохладитель и отложения в трубках.

Помпаж компрессора, промывка и наблюдение за состоянием турбокомпрессора. Особое место в работе системы наддува занимают неустойчивые (помпажные) режимы компрессора. Как отмечалось, при согласовании характеристик дизеля и турбокомпрессора такие режимы должны исключаться. Но в эксплуатации вследствие изме­ нения состояния трактов, турбокомпрессоров, дизеля, параметров внешней среды довольно часто происходит рассогласование напо­ ров и расходов, когда рабочая точка компрессора смещается в не­ устойчивую область характеристики (левее границы помпажа, см. рис. 3.7).

Неустойчивость работы компрессора вызывается срывами тече­ ния в каналах при обтекании лопаток потоком воздуха под нерас­ четным углом входа. Обычно это происходит при снижении расхода воздуха из-за повышенного сопротивления тракта.

Попадание компрессора в помпаж выражается в прерывистой подаче воздуха в ресивер дизеля и сопровождается колебаниями

частоты вращения ротора и колебаниями давления на всасывании и нагнетании компрессора, вызывающими сильный нерегулярный шум. Эксплуатация установки при помпаже компрессора не допу­ скается, так как нарушается нормальное воздухоснабжение дизеля, а колебания напора и частоты вращения могут вызывать опасные вибрации агрегата и повреждения лопаток, подшипников.

При возникновении помпажа прежде всего его следует ослабить уменьшением нагрузки дизеля или исключить, например, снижением давления за компрессором путем выпуска воздуха из напорной магистрали или ресивера.

Внезапный помпаж иногда связан с попаданием в сопловой аппарат турбины посторонних предметов, кусков нагара, уменьша­ ющих проходное сечение сопловых каналов. На дизелях с импульс­ ным турбонаддувом он часто возникает из-за большого разброса параметров по цилиндрам и нарушения работы отдельных ци­ линдров, например, при работе на тяжелом топливе и закоксовывании распылителей форсунок. В системах комбинированного наддува причиной внезапного помпажа могут быть колебания воздуха в ре­ сивере при разрушении пластин перепускных клапанов и клапанов подпоршневых насосов. Периодическая неустойчивая работа турбо­ компрессора иногда наблюдается в штормовых условиях из-за инерционных явлений в системе турбонаддува вследствие неустой­ чивой работы самого дизеля при больших колебаниях подачи топ­ лива или частоты вращения.

Однако, кроме случайных и режимных факторов (см. параграф 3.3), более частой причиной помпажа является постепенное увеличе­ ние гидравлических сопротивлений в системе при загрязнении га­ зовоздушных трактов от входа в турбокомпрессор до утилизацион­ ного котла. Отсюда и отмеченная необходимость эксплуатацион­ ного контроля за состоянием фильтров, воздухоохладителей, газо­ распределительных органов, утилизационного котла (по перепаду давления в элементах), турбокомпрессора (по давлению наддува, температуре газов, частоте вращения, расходу воздуха).

Наиболее подвержены загрязнению сопловой аппарат турбины и рабочие лопатки, особенно при работе на тяжелом топливе и не­ удовлетворительной смазке цилиндров. Отложения на сопловых и рабочих лопатках снижают КПД турбины, повышают сопротивле­ ние тракта и могут вызвать помпаж компрессора, нарушение балан­ сировки ротора и опасные вибрации агрегата.

У Двухтактного дизеля (рис. 3.17, штриховые линии) этот про­ цесс сопровождается снижением параметров наддува, частоты вра­ щения и мощности турбокомпрессора, повышением температуры га­ зов, ухудшением газообмена и экономичности дизеля. На четырех­ тактном дизеле (см. рис. 3.17, сплошные линии) уменьшение сече­ ния при загрязнении сопловых и рабочих каналов благодаря вытес­ нительному ходу поршня вызывает повышение напора, мощности турбины и частоты вращения турбокомпрессора; давление над-

132

Время работы, ч

Рис. 3.17. Параметры двух- и четырехтактного дизелей при загрязнении и про­ мывке турбин

дува повышается при одновременном росте температуры газа, что свидетельствует об уменьшении расхода воздуха и ухудшении про­ дувки камеры сгорания. Несколько ухудшается и экономичность дизеля вследствие увеличения работы насосных ходов поршня.

Как видно из рис. 3.17, промывка турбины на ходу путем подачи воды в сопловой аппарат восстанавливает рабочие параметры до стандартных значений. Эффективна только регулярная промывка через 100—200 ч работы. Однако при использовании воды и других моющих жидкостей промывка возможна при снижении частоты вра­ щения турбокомпрессора до 3500—4000 об/мин, что не всегда при­ емлемо в эксплуатации. Очистка турбины влажным паром свобод­ на от этого недостатка. Влажный пар подается на вход турбины без снижения частоты вращения турбокомпрессора и в течение 10— 15 мин полностью очищает лопаточные каналы турбины.

В неменьшей мере подвергаются загрязнениям другие элементы турбокомпрессора и воздухоохладителя. В процессе эксплуатации на фильтре, входном устройстве и проточной части компрессора по­ степенно откладываются сажистые частицы, продукты конденсации паров топлива, масла, минеральные соединения, поступающие в виде пыли, аэрозолей. Часть их оседает далее по тракту в воздухо­ охладителе, на стенках ресивера, впускных патрубках цилиндров. В проточной части компрессора отложения на стенках вызывают по­ вышенные потери на трение и изменение формы. Наиболее сильно загрязняется лопаточный диффузор. Слой отложений на входных кромках лопаток (до 4 мм и более) изменяет угол их установки, что также служит причиной снижения КПД и помпажа компрессора.

Особенно в неблагоприятных условиях находятся турбокомп­ рессоры четырехтактных дизелей, расположенные со стороны отбо­ ра мощности, где воздух сильно загрязнен срывающимися с махови­

133

ка частицами масла и топлива. Даже при регулярной промывке ком­ прессора моющими жидкостями типа «Чистра» или водой через 30—50 ч не удается поддержать параметры наддува и требуется ме­ ханическая очистка компрессора и воздухоохладителей уже после 1000 ч работы, а иногда и ранее. Подвод воздуха с палубы позволя­ ет радикально улучшить его состав на всасывании компрессора и обе­ спечить нормальную эксплуатацию при наработке турбокомпрес­ сора до разборки 4000 — 5000 ч. Благоприятное влияние на пара­ метры двигателя оказывает и то обстоятельство, что температура наружного воздуха существенно ниже температуры воздуха в ма­ шинном отделении. Увеличение массового расхода воздуха и давле­ ния наддува при этом (см. рис. 3.3) способствует снижению темпера­ туры газов, выпускных клапанов, что особенно важно при плава­

имеются в современных судовых дизелях с высокоэффективными аг­

134

всей массы газа эффективность работы системы наддува повы­ шается по сравнению с неуправляемой системой наддува.

Следовательно, перепуск газа или его отвод на силовую турбину могут рассматриваться как элементы управления режимом турбо­ компрессора в эксплуатации. С ухудшением технического состоя­ ния дизеля и системы наддува или при работе в тропических районах прекращение перепуска или подачи газа на силовую турбину позво­ ляет повысить производительность турбокомпрессора и поддержать режим работы дизеля.

Таким образом, система наддува, настроенная на режим номи­ нальной мощности, в эксплуатационных условиях не всегда удовлет­ воряет требованиям оптимального воздухоснабжения дизеля в диа­ пазоне изменения рабочих режимов и параметров внешней среды.

Как отмечалось (см. параграф 3.3), особенно чувствительны к из­ менению режима четырехтактные дизели, работающие на ВРШ. В силу влияния эксплуатационных факторов и недостаточной на­ дежности главных дизелей длительные режимы полного хода обыч­ но назначают при мощности главных дизелей не более (0,7-т-0,75) х x N e ном* Работа на этой мощности и номинальной частоте враще­ ния сопровождается существенным снижением КПД турбокомпрес­ сора в связи с отклонением рабочей точки b компрессора от линии оптимального согласования турбокомпрессора (рис. 3.20). Сопутст­ вующие эксплуатационные факторы (загрязнения, параметры внеш­ ней среды) приводят к дополнительному снижению давления над­ дува и расхода воздуха. В результате на режиме длительной работы достигаются предельные температуры выпускных газов и снижает­ ся надежность работы дизеля.

Сдержать повышение теплонапряженности дизеля в какой-то мере помогают регулярные промывки турбокомпрессоров и воздухо­ охладителей фильтров. Однако более радикальные меры требуют оптимального согласования характеристики турбокомпрессора и ди-

135

На характеристике системы наддува вызванное такой коррекци­ ей изменение рабочих режимов турбокомпрессора показано стрел­ ками. Заметим, что при работе на винт регулируемого шага

спониженной частотой вращения дизеля рабочие точки ком­

прессора располагаются ближе к кривой оптимального КПД ЛкоптСледовательно, в условиях работы на ВРШ без валогенератора пере­ ход на пониженную частоту вращения путем увеличения шага винта также способствует лучшему воздухоснабжению дизеля на режиме длительной эксплуатационной мощности.

В судовой практике прц согласовании характеристик двухтакт­ ного дизеля и турбокомпрессора приходится сталкиваться и с про­ блемой воздухоснабжения на режимах малого хода. В системах им­ пульсного наддува требования Регистра СССР к минимально ус­ тойчивой частоте вращения n min < 0 , З я Ном иногда удается удовлет­ ворить уменьшением площади соплового аппарата, или для поддер­ жания продувки цилиндров и вращения турбокомпрессора на ре­ жимах малого хода предусматривается дополнительная подача воздуха от вентилятора. В системе изобарного наддува эта задача решается путем установки на дизеле штатных электровоздуходу­ вок, обеспечивающих дизель воздухом при пусках и режимах ма­ лого и среднего хода.

Коррекции турбокомпрессора уделяется большое внимание в связи с оптимизацией расхода топлиеа на рабочих режимах полного хода. В зависимости от выбранных параметров винта и дизеля из­

136

менение пропускной способности турбины может составлять до 15 %. В отдельных случаях может потребоваться и переход на другой тип турбокомпрессора.

На основании изложенного сформулируем основные положения по обеспечению процессов газообмена и наддува судовых дизелей в эксплуатации.

1.Изменение основных параметров давления наддува и расхода воздуха, определяющих качество очистки и заряд воздуха, обус­ ловливается влиянием режимных факторов, параметров внешней среды, состоянием дизеля, газовоздушных трактов и элементов си­ стем воздухоснабжения.

2.Для главных судовых дизелей, работающих на ВФШ, режим­ ные факторы сказываются на ухудшении газообмена и наддува в связи с увеличением сопротивления движению судна, когда рабочие точки турбокомпрессора смещаются в область пониженных значе­ ний ps и Gs. Аналогичное влияние оказывают повышенные темпера­ туры наружного воздуха и забортной воды при работе в тропиках вследствие роста температуры выпускных газов и снижения массо­

вого расхода воздуха.

3. Загрязнение газораспределительных органов, трактов и элементов системы наддува ведет к повышению гидравлических со­ противлений, снижению КПД и производительности турбокомпрес­ сора, росту температуры выпускных газов. В этих условиях нормаль­ ное воздухоснабжение затрудняется, усиливается вероятность пом­ пажа компрессора, снижается мощность дизеля.

4. Регулярная промывка турбокомпрессоров и газовоздушных трактов является обязательным и эффективным мероприятием под­ держания рабочих параметров наддува в периоды между регламент­ ными вскрытиями и осмотрами агрегатов наддува.

Контрольные вопросы

1. Объясните связь массы зарядного воздуха с давлением, температурой наддувочного воздуха, коэффициентом а и режимными параметрами.

2. Почему при эксплуатации дизелей важно следить за давлением над­ дува p s и соотношением воздух — топливо (коэффициентом а), за изменени­ ем расхода воздуха Gs? Какими параметрами контролируется изменение Gs?

4.Если известно и зм е н е н и е ^ , то как можно представить изменение рас­ хода воздуха, например, при работе по винтовой характеристике?

5.Почему мы интересуемся расходной характеристикой дизеля? Чем обу­ словлено различие характеристик четырех- и двухтактных ДВС? Как пони­

137

Глава 4

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЯI

4.1.Режимы нагрузочной характеристики

Впрактике эксплуатации дизелей на теплоходах значительное место отводится техническому использованию вспомогательных ди­ зелей судовой электростанции, а также главных в установках с электродвижением или с ВРШ. Особенность работы дизеля состоит

всохранении неизменной частоты вращения во всем диапазоне эксплуатационных режимов, что отвечает требованиям обеспече­ ния постоянства напряжения и частоты тока. Условие n —const является также признаком нагрузочной характеристики, когда из­ менение основных показателей дизеля зависит только от измене­

ра скорости, воздействующего на тягу управления подачей топли­ ва, и характеристика п ном ^ const называется также регуляторной Характерными режимами нагрузочной характеристики явля­ ются: режим длительной эксплуатационной работы при ре = (0,7-f- 4-0,75) ре ном, близкий к точкеge mln (рис. 4.1, а, б), режим номиналь­ ной мощности при ре = 100 % (обычно при испытаниях на стенде) и режим холостого хода при р€ = 0, например, в период прогрева

дизеля.

Закономерности изменения параметров на установившихся ре­ жимах нагрузочной характеристики прежде всего обусловлены по­ стоянством частоты вращения. Отсюда, в частности, имеем пропор­ циональность энергетических показателей ре ~ М е и Ne ~ М еп и возможность представить их на рис. 4.1, а одной прямой Ne, про­ ходящей через начало координат. Обращаясь далее к эмпириче­ ской формуле (1.11) мощности механических потерь, видим, что при п = const мощность N M не зависит от нагрузки и изображается прямой Д'м — const, параллельной оси абсцисс. Тогда, очевидно, индикаторная мощность = Ne + N M также будет представлена

ления механического КПД цы ~ Ne/Ni = 1 — N M/Ni на режиме холостого хода имеем т]м = 0.

139

С увеличением индикаторной мощности относительные механи­

растает по кривой t]M. Характерное значение ч)м = 0,5 достигает­ ся в точке пересечения прямых N e и N M, т. е. при равенстве мощно­ стей Ne = N M и N t - 2N*.

Заметим, что условие АГК = const используют для приближенных оценок механического КПД в эксплуатации по измерениям расхода топлива и построению кривой расхода топлива GT. Экстраполируя кривую Gt b область отрицательных нагрузок, в точке пересечения ее с осью абсцисс находим значение N Mна режиме холостого хода. По­ скольку полагаем N M= const, то для других режимов механический КПД вычисляют по соотношению rjM= Ne/(Ne Н~ N M). Такой спо­ соб определения ц м удобен при испытаниях дизеля на стенде, когда замеряется эффективная мощность. В случае измерения индикатор­

— ё ххНа этом же режиме по величине г)м находят эффективную мощность N e = и мощность механических потерь N M = —

— N e. Используя условие JVM= const, определение х\м распростра­ няют на всю область нагрузочных режимов.

Рассмотрим показатели экономичности: КПД tjj, г\е и удельные

Рис. 4.1. Нагрузочная характеристика

140