Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

= 0,3/1 ном среднее эффективное давление составляет лишь 0,09/?еНом> а мощность уменьшается до

0,027Л^НОМПри частоте вращения ниже ят1п нарушается проте­ кание процессов впрыскивания, смесеобразования и сгорания топ­ лива, вследствие чего возникают пропуски вспышек, самовыключе­ ние отдельных цилиндров, повышенная неравномерность вращения

топливная аппаратура. При малых нагрузках и частоте вращения работа ее всегда сопровождается повышенной нерегулярностью по­ дачи топлива по цилиндрам и на цикл, снижением давления распи­ ливания и неблагоприятным с точки зрения самовыравнивания про­ теканием характеристики подач т)п(п). Износ плунжерных пар, кла­ панов, регулировочных тяг вызывает ухудшение характеристик и повышение пт\п. Имеет значение изменение фаз топливоподачи. Раннее опережение подачи способствует стабилизации сгорания и уменьшению n min. Подача с нулевым опережением на линии рас­ ширения, наоборот, ведет к затягиванию и неустойчивости процес­ са сгорания и увеличению nmin. Наклон характеристики подачи Tin (п) согласно формуле ре ~ Ла'Пп'ПгЛм наряду со значениями r\t и т]м определяет вид кривой ре при работе дизеля по частичной харак­ теристике ftamin ~ const. С увеличением давления ре при сниже­ нии частоты вращения (кривая 1Урис. 5.4) улучшается самовырав­ нивание и, наоборот, с уменьшением ре (кривая 2) самовыравнива­ ние ухудшается и для обеспечения устойчивого малого хода может потребоваться установка регулятора.

На режиме малого хода сгорание затрудняется также из-за по­ нижения температуры стенок камеры сжатия. Для обеспечения ма­ лых значений nmltl следует стремиться к поддержанию теплового состояния дизеля путем отключения воздухоохладителя, повыше­ ния температуры воды и масла на входе в дизель. При длительной работе на режиме малого хода рекомендуется уменьшать подачу цилиндрового масла.

Для двухтактных дизелей с турбонаддувом частота вращения на малом ходе зависит от способности системы наддува поддержи­ вать давление воздуха перед окнами достаточным для продувки

171

цилиндров. Как отмечалось, для улучшения пусковых и маневрен­ ных качеств используют подпоршневые насосы и электропривод­ ные воздуходувки. На дизелях с импульсным наддувом поддержа­ ние режима /irain иногда затрудняется из-за самопроизвольной ос­ тановки ротора одного из турбокомпрессоров, что указывает на по­ вышенное трение в подшипниках, загрязнение защитных решеток, сопловых и рабочих лопаток. Для страгивания ротора приходится увеличивать подачу топлива и частоту вращения. Причина, вызы­ вающая остановку турбокомпрессора, должна быть устранена при первой возможности.

Неудовлетворительное обеспечение режима самого малого хода на дизелях с импульсным турбонаддувом наблюдается также при ра­ боте на гидродинамически легкий винт, когда недостаток энергии газов из-за малой подачи топлива восполняется увеличением часто­

в ресивер дизеля — наиболее простое решение, позволяющее сни­

зить /Xmin ДО 0,3/1 ном*

Переходные режимы при разгоне и торможении судна — типич­

ные неустановившиеся режимы работы, характеризующие динамику дизеля и судна. Возможность быстрого разгона судна определяет­ ся тяговыми свойствами и динамикой теплового состояния дизеля.

В отличие от стационарных режимов в условиях неустановивше­ гося движения подведенный к винту момент М в и мощность N B не следуют квадратичной М в = сгп2 и кубической N B — cnz зави­

симостям. Дополнительное воздействие на сопротивление оказыва­ ют инерционные составляющие вращающихся и поступательно дви­ жущихся масс.

Их влияние на момент М е и мощность дизеля N e зависит от ве­

личины и знака углового ускорения валопровода dco/dx и линей­ ного ускорения судна dv/dr:

ал

(5.4)

где М п — момент сопротивления передачи, Н- м; I — момент инерции, кг*м2; v — скорость судна, м/с; R — общее сопротивление движению судна, Н; D — водоизмещение судна, т; т|п = N j N e — КП Д передачи; г] — пропульсивный коэффициент.

инерция движущейся массы судна Ddv/dx<z0 способствует поддер-

172

разгона момент М е превышает значейия на стационарных режимах, а на участке замедления

быстро снижается (рис. 5.5). С уменьшением динамичности работы судна режимы дизеля сходятся к характеристике установившегося движения М ец п — М ь.

Следовательно, маневренные режимы дизеля при разгоне и тор­ можении судна характеризуются изменением моментов по значе­ нию и по времени, а динамика судна определяется способностью ди­ зеля развивать требуемые значения момента М е. Кроме отмеченных тяговых свойств, влияющих на момент М е в условиях саморегули­ рования при ha = const, изменение М е во времени зависит от пода­ чи топлива и теплового состояния дизеля — изменения во времени температур, температурных напряжений и деформаций деталей ЦПГ. При резких изменениях подачи топлива температурные напряжения в стенках деталей ЦПГ могут превышать их значения на установив­ шихся режимах полного хода. Характерно, что разрушейие дета­ лей ЦПГ (появление трещин) чаще всего и происходит на режимах маневрирования из-за неравномерного их прогревания или быстро­ го охлаждения. О температурных деформациях и изменениях фор­ мы деталей при резком нагружении дизеля иногда косвенно можно судить по выходу воды из контрольных отверстий уплотнений втулок. По мере прогревания дизеля и выравнивания темпера­ туры в поясе уплотнений пропуски воды прекращаются.

Отсюда общие требования к эксплуатации дизелей на маневрен­ ных режимах: задание переходных режимов малыми ступенями и плавное изменение подачи топлива и частоты вращения при ручном управлении. При автоматизированном управлении маневренные ре-

173

Рис. 5.6. Температурное состояние деталей ЦПГ дизеля Зульцер 6RD76 при остановке и нагружении по нормальной (сплошные линии) и аварий­ ной (штриховые линии) программам разгона системы ДАУ (п — поршень, в — втулка, к — крышка)

п, ой/мин

115

Маневры

Рис. 5.7. Программа вывода на режим полного хода дизеля Бурмейстер и Вайн ДКРН74/160

174

Рис. 5.8. Температурное состояние крышки дизеля Зульцер 6RD76 при выходе на номинальный режим с ВРШ

жимы часто выделяются в обособленную область, где подача топли­ ва и развиваемый дизелем момент ограничиваются 70—80 %.

В программах управления предусматривается также времен­ ное замедление исполнения команд в зависимости от диапазона и уровня задания частоты вращения. Так, при нагружений дизеля Зульцер 6RD76 по нормальной программе имеем: изменение часто­

вана максимальная (аварийная) программа нагружения — повыше­ ние частоты вращения от 45 до 119 об/мин за 10 с. На рис. 5.6, г показано, что в этом случае темп нарастания температуры деталей в среднем достигает 50 °С в минуту и практически вдвое превышает значения (А*/Дт)ср при нагружении дизеля по нормальной програм­ ме (я, в, к — места расположения точек на цилиндре). Правилами технической эксплуатации использование аварийных программ до­ пускается лишь в исключительных случаях (при угрозе безопас­ ности судну, выполнении спасательных работ).

Общее время выхода на режим полного хода, определяемое по стабилизации температур воды, масла, для малооборотных дизелей составляет 1—2 ч (рис. 5.7). С приближением к полной нагрузке темп нарастания частоты вращения уменьшается. Следует помнить

кубу частоты вращения.

Использование ВРШ улучшает маневренные режимы и вследст­ вие предварительного прогрева обеспечивает лучшую динамику теплового состояния дизеля при плавном перемещении рукоятки главного телеграфа Н ГЛ (рис. 5.8, а, б). Однако и в этих условиях

175

программным регулятором нагрузки предусматривается ограниче­ ние подачи топлива на время проведения маневренных режимов.

В заключение укажем на общее правило маневрирования, пред­ шествующее остановке дизеля: постепенное уменьшение подачи топ­ лива и частоты вращения до малого хода не позднее чем за 30 мин до начала маневров. После окончательной остановки дизеля плав­ ное снижение и выравнивание температур деталей требует прокачи­ вания охлаждающей воды и масла в течение не менее 30 мин. Преж­ девременная остановка насосов ведет к росту температуры стенок со стороны охлаждения и может служить причиной коксования масла в полостях охлаждения головок поршней и развития поверхност­ ных трещин в деталях ЦПГ под действием местных растягивающих температурных напряжений.

5.4. Работа при реверсировании гребного винта

Главные судовые дизели, работающие на винт постоянного шага, выполняют реверсивными. Это значит, что в конструкции и систе­ ме управления предусматриваются их пуск и работа в обоих направ­ лениях, вращения вала —на ход «Вперед» и «Назад». Для обеспечения реверса (изменения направления вращения) дизели оборудуют ме­ ханизмом реверса (для осевого смещения или поворота распредели­ тельных валов привода клапанов газораспределения, ТНВД и воз­ духораспределителя) и дополнительными комплектами кулачко­ вых шайб (в случае осевого смещения валов). Их назначение в том, чтобы при работе в обоих направлениях иметь одинаковые (или поч­ ти одинаковые) фазы и моменты воздухо-газотопливораспределе- ния. Иногда при симметричном газо- и топливораспределении уда­ ется упростить систему реверса — механизм реверса воздействует только на вал воздухораспределителя (например, дизели типа Д Р 30/50 завода «Русский дизель»).

Реверсирование гребного винта является единственным средст­ вом торможения судна и движения задним ходом. Однако условия работы дизеля при реверсировании и эффективность торможения существенно зависят от начальной скорости. При выполнении обыч­ ных маневров на малом ходу работа дизеля в режиме реверсирова­ ния мало отличается от обычных пусков с последующим нагруже­ нием до заданной скорости судна.

Динамика работы, нагрузки на дизель и пропульсивный комп­ лекс существенно возрастают на среднем и особенно полном ходу в условиях так называемого экстренного реверса (при плавании в ту­ мане, в зоне интенсивного движения судов, когда экстренное тор­ можение является единственным безопасным маневром).

Необходимость экстренного торможения обусловливается инер­ ционными свойствами судна — выбег судна при естественном тор­ можении может составлять 10— 12 длин корпуса, а время полной ос­

176

тановки 8— 12 мин. На рис. 5.9, а, б, показаны характерные фазы изменения частоты вращения п (т) при естественном торможении судна.

На участке активного движения ab — от момента выключения подачи топлива до начала пассивного движения в точке Ь — за 3 —7 с почти при неизменной скорости судна частота вращения дизе­ ля снижается до (0,54-0,4) п н0м, а момент винта падает до нуля и в точке Ь становится отрицательным. Такие изменения обусловлены тем, что при нулевом индикаторном моменте дизеля (М* = 0 ) мо­

т ,мин

чНазад" Т-Мв,°/«

Рис. 5.9. Кривые частоты вращения и диаграмма реверсирования винта при пассивном торможении судна и подаче контрвоздуха

177

мент сил инерций вращающихся масс Idm/dx быстро поглощается моментами сопротивления винта М в, дизеля М м и передачи М п

Тогда Ida/di = М в + М м + М п.

Скорость судна поддерживается еще положительной тягой вин­ та (Р€ > 0) и, главным образом, инерционной составляющей дви­ жения: Ddv/dx + Ре ~ R- Отсюда на участке ab имеется значитель­ ное увеличение поступи винта hp^ v p/nc и переход в область отр и цательных скольжений через точку V (где скольжение S = 0, по* ступь равна гидродинамическому шагу ftp ~ Я, а сила упора винта Р — 0) и через точку Ъ" (где h p > Н , скольжение и упор винта от­ рицательны, а момент М в = 0). Начиная с точки Ь" винт работает в набегающем потоке в режиме гидротурбины, развивая отрица­ тельный момент М в. В точке b момент М в практически уравновеши­

пассивного движения системы (участок Ьс) в том смысле, что при Id(oldx « 0 параметры движения изменяются медленно вследствие естественного снижения скорости судна от воздействия сопротивле­ ния корпуса и небольшого отрицательного упора винта. Участок Ьс наиболее длительный (3— 10 мин в зависимости от начальной ско­

частота вращения быстро (за 2—3 с) падает до нуля. При этом еще сохраняется некоторое поступательное движение судна.

Таким образом, длительность естественного торможения судна обусловливается наличием участка пассивного движения. Для его сокращения требуется приложение дополнительного тормозного момента Мт (см. рис. 5.9, б). В судовых дизелях такой момент созда­ ется контрвоздухом (участок be), т. е. впуском сжатого воздуха в цилиндры при восходящем ходе поршня. Такая операция произво­ дится автоматически при перестановке механизма реверса в поло­ жение «Назад», фазы воздухораспределения меняются на противо­ положные (рис. 5.10). Эффективность же остановки дизеля контр­ воздухом зарисит от конструкции пусковых клапанов и степени сни­ жения частоты вращения дизеля к моменту подачи контрвоздуха.

Рис. 5.10. Фазы воздухоподачи по кулачку воздухораспределителя при пуске дизеля «Вперед» (а), «Назад» (6), контрвоздухом (в)

178

ной остановки дизеля с такими клапанами требуется снижение час­ тоты вращения до п < 30 %.

Надежность остановки дизеля контрвоздухом повышается при использовании пусковых клапанов с развитой площадью управля­

Такие клапаны остаются открытыми при восходящем ходе поршня, что обеспечивает остановку дизеля без превышения максимального давления рг и подрыва предохранительных клапанов.

Торможение дизеля контрвоздухом и остановка возможны толь­

щим воздухом осуществляется пуск дизеля на ход «Назад» и перевод его на топливо.

В условиях неустановившегося движения при работе «Назад» дизель нагружается моментом сопротивления по линии efg. Под действием отрицательного упора винт? судно останавливается и в районе точки / начинается его движение назад. В связи с измене­ нием знака скорости в диске винта и углов входа потока на лопасти быстрое нагружение дизеля может привести к срыву потока, пони­ жению упора и уменьшению момента винта (линия /). По этой при­

179

чине, а также из-за вибрации корпуса такие форсированные режимы нагружения винта при работе на задний ход не допускаются. На ав­ томатизированных судах темп нагружения задается программой пуска и работы на задний ход, а при ручном управлении контроли­ руется по тахометру и положению органа управления подачей топ­ лива.

В заключение отметим, что работа дизеля при реверсировании гребного винта на повышенной скорости судна сопряжена с боль­ шими динамическими нагрузками на дизель, валопровод, винт. При ручном управлении в связи с необходимостью снижения часто­ ты вращения до реверсивного уровня (п = 20ч-40 %) эта операция требует от обслуживающего персонала выдержки и самообладания.

Эффективность торможения судна и отработка заднего хода су­ щественно упрощаются в установках с ВРШ. Применение ВРШ на теплоходе «Новомиргород» с дизелем 6RD76 при экстренном тормо­ жении с полного хода «Вперед» дает сокращение выбега судна н 1,5—2 раза, и переходный режим протекает без превышения номи­ нального крутящего момента и давления рг (рис. 5.11).

5.5. Назначение и обеспечение режимов полного хода

По окончании маневров главный дизель выводят на установив­ шийся режим полного хода, составляющий 90—95 % общего хо­ дового времени (см. рис. 5.7). Мощность и частота вращения на ре­ жиме полного хода назначают из условий обеспечения рейсового за­ дания. Отсюда определяющее значение имеет выбор параметров ре­ жима полного хода с точки зрения надежности, ресурса дизелей и экономических показателей работы судна.

Основой задания режимных параметров полного хода — пода­ чи топлива и частоты вращения — являются нормируемые значе­ ния скорости, мощности, расхода топлива. Исходные данные для нормирования определяют на основании паспортных характери­ стик судна: v n — построечной (сдаточной) 100%-ной скорости суд­ на; N e ном — построечной (номинальной) 100%-ной мощности главных дизелей.

Построечную (контрактную) скорость судна рассчитывают по данным модельных опытов и уточняют на ходовых сдаточных испы­ таниях. Она соответствует паспортной скорости судна в полном гру­ зу при новом чистом состоянии корпуса, винта в условиях сдаточ­

X N e max, где в качестве максимальной длительной мощности N e max

МОЖеТ ВЫСТУПИТЬ н о м и н а л ь н а я МОЩНОСТЬ ( A ^ m a x = N e дом ) и л и

180