Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

с уменьшением коэффициента избытка воздуха a = kpsi\a/(hai\n)f так как увеличение подачи h ar\n не сопровождается соответ­ ствующим увеличением заряда воздуха рвт|н. Следствием сниже­ ния коэффициента а является замедление скорости сгорания и уве­ личение потерь теплоты с газами qra3 (см. характерную зависимость

(а), рис. 1.6). В перегрузочной области (ре > 100 %) может наб­ людаться и дымление дизеля, что свидетельствует о неполноте сго­ рания топлива.

В области малых нагрузок, наоборот, избыток воздуха становится чрезмерным (а — 44-5), снижается температура цикла, стенок каме­ ры сгорания. Из-за малых подач топлива ухудшаются распыливание, смесеобразование. Совокупность тепловых и гидромеханиче­ ских факторов приводит к увеличению периода задержки воспламе­ нения и переносу сгорания на линию расширения (рис. 4.2). Относи­ тельные потери теплоты в стенки и с газами возрастают и т]* падает, достигая на режиме холостого хода значений, & я й з к и х к при полной нагрузке. Переносу сгорания на линию расширения и ухуд­ шению экономичности на малых нагрузках способствует регулиро­ вание ТНВД по началу подачи (см. линии НП на рис. 4.1, б). От­ сюда, как правило, на дизелях, работающих при п — const, преду­ сматривается установка насосов только с регулированием по концу подачи.

Располагая кривыми г\м и r\h не представляет труда объяснить и изменение эффективного КПД х\е = т)|Цм. Так, на режиме холосто­

несколько снижается вследствие индикаторного КПД.

141

Кривые удельных расходов топлива имеют вид, обратный кри­ вым соответствующих КПД: g t = ЗбОО/^фн); ge — 3600/(t]eQH).

Кривая ge является основополагающей в оценке экономичности дизеля, работающего по нагрузочной характеристике. Обычно об­ ращают внимание не только на уровень^ min, но и на вид этой кри­ вой. Эксплуатационная экономичность улучшается при плавном характере ее изменения. Обеспечению этих свойств способствует применение газотурбинного наддува: отпадает необходимость в при­ водном нагнетателе и снижается мощность механических потерь; расходная характеристика ps (Gs) следует за изменением нагрузки {давление ps и расход воздуха G8 повышаются в области полных на­ грузок и снижаются на малых нагрузках (см. гл* 3)1. Последнее способствует стабилизации теплового состояния дизеля, что наряду с качественным распыливанием и смесеобразованием ведет к стаби­ лизации процесса сгорания.

В дизелях с механическим наддувом плавность кривой ge до* стигается применением ступенчатого регулирования частоты враще­ ния в зависимости от нагрузки (рис. 4.3), например, на главных дизе­ лях судов с электродвижением на постоянном токе. Переход из точ­ ки а на характеристике п ном = const в точки b, с на новых характе­ ристиках пг — const и /г2 = const осуществляется автоматически и сопровождается улучшением экономичности дизеля в среднем на 6— 10 %. С увеличением числа ступеней режимы работы приближа­ ются к огибающей кривой ge min> и характеристика называется

экономической.

Нагрузочная характеристика является основой для определе­ ния рационального уровня форсирования дизеля по давлению ре или подаче топлива. Уровень реном устанавливается по показате­ лям тепломеханической напряженности дизеля.

Прежде всего это достижение максимальных (расчетных) зна­

на режиме номинальной мощности (рис. 4.4). Действительно, на всех режимах п = const инерционные нагрузки сохраняются неизмен­ ными (Pj max = kn2, = const), и при Ре = Реном детали камеры сго­ рания и механизма движения подвергаются максимальным динами­ ческим воздействиям от силы действия газов и наибольших ампли­ туд движущей АР и касательной А с и л , т. е. работают с мини­ мальными запасами длительной прочности по нормальным k0 и касательным kx напряжениям (см. гл. 1).

С уменьшением давления ре механическая напряженность сни­ жается особенно значительно в области малых нагрузок и холосто­ го хода в связи с переходом сгорания на линию расширения (см. рис. 4.4).

Что касается наложения дополнительных напряжений от кру­ тильных колебаний валопровода, то опасные резонансные зоны

142

обычно не должны совпадать с рабочей частотой вращения. Имею­ щиеся резонансные колебания ограничиваются силами внутренних сопротивлений или гасятся демпфером, антивибратором. Тем не менее периодический контроль состояния демпферов в эксплуата­ ции является обязательным. Известны случаи поломки коленчатых валов главных дизелей, длительно работающих при п = const с по­ врежденными демпферами.

Тепловая напряженность дизеля на режимах п = const главным

ют наибольшие значения при р еН ом- Совместно с механической на­ пряженностью это обстоятельство и определяет уровень номиналь­ ной мощности.

С другой стороны, в области холостого хода и малых нагрузок имеется значительное снижение температуры стенок камеры сгора­ ния. При длительной работе на малых нагрузках для поддержания теплового состояния дизеля предусматривается отключение воздухо­ охладителя и повышение температуры в системе охлаждения.

Эксплуатационный показатель теплового состояния — темпера­ тура выпускных газов — изменяется в полном соответствии с теп­ ловым состоянием дизеля. По допустимой температуре газов / гтах судят о предельной тепловой нагрузке дизеля и отдельных цилинд­ ров. Имеет значение и рациональный нижний уровень температуры газов. При t r <Z 300 °С длительная работа нежелательна из-за ин­ тенсивного отложения нагара в газораспределительных органах, выпускных трубопроводах, сопловых и рабочих каналах турби­

повреждением компенсаторов и может вызывать пожары в трактах и утилизационных котлах.

143

4.2. Режимы внешней характеристики. Тяговые свойства дизеля

При эксплуатации главных судовых дизелей скоростные режимы часто изменяются при неизменном положении органа управления подачей топлива (ha = const) вследствие изменения сопротивления движению судна под воздействием внешних факторов (плавание на мелководье, во льдах, в штормовую погоду, в узкостях.

Как отмечалось, совокупность скоростных режимов при h a ~ = const формирует зависимости показателей дизеля от частоты вра­ щения и называется внешней характеристикой. Если исходный ре­ жим назначается по задаваемой цикловой подаче, то условие На= = const определяется фиксированным положением топливной руко­

(рис. 4.5). Действие регулятора ограничивается упором, что и вызы­ вает снижение частоты вращения п и изменение величин ре или М ег

ре ~ М е ~ ЛаЛпЛе-

На режимах h a = const вид кривой реу М е (я) на рис. 4.5 зави­

новые равновесные режимы в точках с, d, е пересечения характери­ стик дизеля и внешнего сопротивления будут устанавливаться с превышением исходного момента М е > М еном» при равенстве мо­ ментов М е — Л4ен0м или при одновременном снижении момента дизеля и момента сопротивления. Именно по реакции дизеля на изменение внешней нагрузки выявляются свойства систем топливо­ подачи, воздухоснабжения обеспечивать при h a — const определен­

144

h a — 100 %. Установленные при этом закономерности распростра­ няются и на эксплуатационные характеристики h a = 80—90 %.

В оценке энергетических показателей прежде всего рассматрива­ ют изменение момента М е. По характеристике М е (п) судят о тяго­ вых свойствах дизеля, т. е. способности преодолевать возрастаю­ щий момент сопротивления без воздействия на органы управления подачей топлива. Чем выше развиваемый дизелем момент М е на пониженных скоростных режимах, тем лучше его тяговые свойства.

Таким образом, тяговая характеристика дизеля, т. е. зависи­

к изменению внешних нагрузок. Она оценивается коэффициентом приспособляемости, представляющим собой отношение максималь­

механизмов, так как при этом упрощается передача (уменьшается число ступеней скорости) и повышается производительность агрега­ та.

Поскольку рабочий процесс дизелей при снижении частоты вра­ щения в отличие от турбин, электродвигателей постоянного тока не обладает саморегулированием момента, то обеспечение повышен­ ных тяговых свойств требует специальной настройки систем пода­ чи топлива и воздуха. Для судовых дизелей тяговые свойства име­ ют значение при маневрировании судна, работе во льдах, с тралом, буксиром. Однако возможности практической их реализации огра­ ничены из-за механических и тепловых нагрузок.

Специальная настройка топливоподачи и воздухоснабжения предусматривается только в случае выбора режима пониженной частоты вращения (п ^ 80 %) как основного эксплуатационного режима полного хода.

Для большинства судовых дизелей отмечается лишь незначитель­

клоняется от линейной зависимости Ne ~ п , характерной для слу­ чая Ме = const (на рис. 4.6 показаны штриховыми линиями). Влия­ ние частоты вращения на мощность механических потерь по степен­ ному закону N м = Ап$ при р > 1 (где А — постоянная) обуслов­ ливает больший темп увеличения мощности N Mпо сравнению с -Ne. В результате на режимах внешней характеристики отмечается спе­

145

цифичное изменение механического КПД, а именно снижение коэф­ фициента механических потерь tim с увеличением частоты враще­ ния. Отсюда имеем соответствующее изменение индикаторной мощ­ ности Ni = Ne + N м и близкие к постоянным значения и p t.

В оценке экономических показателей (рис. 4.6, б) характерна ма­ лая зависимость величин *г\е и ge от скоростного режима. Стабиль­ ная экономичность работы дизеля обусловливается малым измене­ нием величин г]*, g i, несмотря на изменение коэффициента избытка воздуха а. На пониженных скоростных режимах при h a = const коэффициент избытка воздуха а падает в основном из-за уменьше­ ния заряда pst]H(снижаются подача воздуха компрессором, давление наддува ps и расход воздуха Gst см. гл. 3).

Стабилизирующим фактором является уменьшение потерь тепло­ ты с выпускными газами вследствие смещения сгорания на линию сжатия (рис. 4.7), что характерно для рабочего процесса дизеля при h a = const и л < л ном вследствие сокращения фазы задержки воспламенения в градусах поворота вала <рг= 6 пт* (где тг « const— период задержки воспламенения, с).

Пропорционально уменьшению частоты вращения сокращает­ ся период задержки воспламенения, и момент воспламенения топли­ ва наступает раньше. Это обстоятельство имеет значение не только в оценке индикаторного КПД, но и при анализе механической и теп­ ловой напряженности дизеля. Преждевременное воспламенение топлива может быть причиной ограничения снижения частоты вра­ щения из-за повышенной вибрации дизеля.

Рассмотренному изменению энергетических и экономических по­ казателей весьма близко следуют зависимости внешней характери­ стики дизеля 9ДКРН 74/160-2 (рис. 4.8). Рабочий процесс протека­ ет с переменными значениями коэффициента а, но его влияние на

100 /?,%

Рис. 4.6. Внешняя характеристика

146

147

Однако на реальные значения коэффициента kx большое влияние могут оказать крутильные колебания валопровода. С изменением частоты вращения возможно смещение режима в зону опасных кру­ тильных колебаний, когда амплитуда А7^ существенно возраста­ ет, а коэффициент kx снижается. Длительная работа в зонах крити­ ческих частот вращения (указаны на тахометре) не допускается. Пе­ реход через запретные зоны частот вращения должен быть кратко­ временным.

Тепловая напряженность на режимах внешней характеристики отличается своеобразным изменением теплового состояния деталей камеры сгорания. Казалось бы, при h a = const в соответствии с уменьшением частоты вращения следует ожидать снижения тепло­

В диапазоне же эксплуатационных значений (п = 80^-90 %) тем­ пературы деталей сохраняются постоянными или даже возрастают.

Сохранение теплового состояния или повышение температуры при h a = const возможно, если с уменьшением частоты вращения возрастают цикловая подача топлива q^ ~ (Нац п) ~ (p€ge) и от­ носительный теплоотвод в стенки q oxл. Последнее обычно и наб­ людается в действительности. Некоторое увеличение показателя /i„T|n вследствие роста г]п и существенное снижение заряда воздуха PsTjn вызывают уменьшение коэффициента а и рост температуры цик­

148

п < Яном* Кривые температур газа перед турбиной tr и за цилиндрами t r указывают на качественное различие изменения тем­ ператур газа с температурой поршня. Это, как отмечалось, и яв­ ляется недостатком оценки теплонапряженности дизеля по темпе­ ратуре выпускных газов на режимах внешней характеристики.

Таким образом, при h a=- 80-=-100 % = const и снижении частоты вращения возможное повышение тепломеханических нагрузок огра­ ничивает длительность работы дизеля в условиях повышенного со­ противления движению судна. В эксплуатации такие режимы ис­ ключают уменьшением подачи топлива в соответствии с ограничи­ тельной характеристикой дизеля.

4.3.Режимы ограничительных характеристик

Втяжелых условиях плавания, вызывающих повышенное сопро­ тивление движению судна и снижение частоты вращения, длитель­ ные режимы следует назначать таким образом, чтобы исключалась перегрузка дизеля в тепловом и механическом отношениях. Как от­

149