7.4. Согласование режимов работы двигателя па и потребителей энергии

Потребителями энергии могут быть генераторы электрического тока, лебедки, компрессоры, приводы механизмов пожарных автолестниц и автоколенчатых подъемников, а также пожарные насосы на автоцистернах и автонасосах.

Мощность потребителей энергии на пожарных машинах сравнительно небольшая, да и эксплуатируются они в основном (кроме пожарных насосов) при постоянных скоростных режимах. Поэтому согласование режимов их эксплуатации и двигателя в основном осуществляется по скоростным параметрам. Рассмотрим это на следующем примере (рис. 7.17).

На этом рисунке кривая 2 является частичной скоростной характеристикой, ограничивающей мощность двигателя при его работе в стационарном режиме. Кривая 3 характеризует крутящий момент, соответствующий частичной скоростной характеристике (кривая 2). Прямая 4 характеризует максимальную мощность потребителя. Диапазон скоростных его режимов от n_м до n_к может быть рекомендован для привода потребителя. Зная обороты вала потребителя n_п и выбранные обороты двигателя n_дв, определяют передаточное отношение привода:

. (7.1)

Более сложным является согласование режимов эксплуатации пожарных насосов и двигателей. Пожарные насосы эксплуатируются в широком интервале величин развиваемых ими напоров и подач воды. Изменение от максимальных до минимальных значений величин напоров и подач воды образуют поле эксплуатации насосов. Естественно, что каждой точке этого поля будет соответствовать величина потребляемой мощности. Вот эти мощности и необходимо согласовать с полем мощности, отдаваемой двигателем в стационарном режиме работы двигателя.

Для осуществления процедуры согласования необходимо знать зависимости напоров Н, м, развиваемых насосами, от величин подачи Q, л/с. Такие зависимости H = f(Q) при заданной величине высоты всасывания h_вс = 3,5 м и постоянных оборотах вала насоса получают экспериментально. При этом, естественно, определяют мощность N = f(Q) и значение коэффициента полезного действия.

Было установлено, что изменение Н, N и η в зависимости от величины Q можно выразить аналитически:

у_і = A_i + B_iQ - C_iQ² , (7.2)

где i = 1 – величина напора, м вод.ст.; i = 2 – величина потребляемой мощности, кВт; i = 3 – значение коэффициента полезного действия; Q – подача насоса, л/с.

Значения постоянных А, В и С приводятся в табл. 7.1.

При определении мощности N, потребляемой пожарным насосом, необходимо учитывать ее потери в трансмиссии. При этом будет определена мощность, отдаваемая двигателем. Потери мощности учитываются коэффициентом полезного действия трансмиссии:

, (7.3)

где = 0,97 – КПД зубчатой передачи; = 0,99 – КПД карданного вала; η_п.о= 0,99 – КПД промежуточной опоры; к – количество зацеплений зубчатых колес или опор карданного вала.

Таблица 7.1

№ п/п	Насосы и показатели	Размер-ность	Константы
			А	В	С
1 2 3	ПН-40УВ Напор Н Мощность N КПД	м кВт -	110,11 22,78 0	0,49 1,33 0,031	0,02 8,85·10-3 3,77·10-4
1 2 3	ПН-60 Напор Н Мощность N КПД	м кВт -	104 48 0	0,38 0,42 0,013	1,74·10-3 5,54·10-3 7,94·10-5
1 2 3	ПН-110 Напор Н Мощность N КПД	м кВт -	111,7 87,75 0	0,23 0,67 0,0098	29,23·10-4 1,99·10-4 3,9·10-5

С учетом КПД трансмиссии насоса потребляемая им мощность N_н равна

, (7.4)

где N'_н – мощность, вычисленная по формуле (7.2).

Значения Н, N и η, вычисленные по формулам (7.2) и (7.4), характерны только при одной скорости n_н вала насоса. Они изображены кривыми ав и a'в' на рис. 7.18.

Для того чтобы определить поле мощности, потребляемой насосом, необходимо построить зависимости Н = f(Q) и N = f(Q) при частотах вращения вала n_н2 и n_н3. Предположив, что подача воды насосом возможна при 0,5 Н_ном, выбирают величину n_н3. Это соответствует n_н3  0,65 n_н1. Величину n_н2 выбирают в интервале от n_н1 до n_н3.

Обозначим выбираемую скорость n_нх, тогда соответствующие ей значения Q, Н и N определим на основании формулы теории подобия:

. (7.5)

Вычисленные значения Н_х и N_х при различных скоростях n_N изображают, как показано на рис. 7.18. Поле а'b'dc' характеризует потребляемую насосом мощность.

Для сопоставления отбираемой от двигателя мощности и мощности, потребляемой насосом, необходимо согласовать частоты вращения вала двигателя n_дв с частотами вращения n_н вала насоса. Это согласование осуществляется передаточным отношением коробки отбора мощности по формуле

(7.6)

где n_N – частота вращения вала двигателя при максимальной мощности, об/ мин; n_н1 – номинальная частота вращения вала насоса, об/мин.

Рис. 7.18. Согласование режимов работы двигателя и пожарного насоса

Используя передаточное отношение, легко находим частоты вращения вала двигателя, соответствующие скоростям вала насоса n₁= i n_н1, n₂ = in_н2 и т.д. Полученные значения частот вращения вала двигателя устанавливаем на оси частот вращения двигателя в третьем квадранте графической схемы расчета. Затем в этом квадранте строим внешнюю скоростную характеристику двигателя и, как указывалось выше, определяем точку К. Из точек n₁, n₂ и n₃ на оси абсцисс опускаем перпендикулярные прямые. На них с помощью горизонтальных прямых c'...c'', d'...d'' и т.д. находим точки a''e"c"d"f"в". Соединяя эти точки отрезками прямых и кривых линий, определяем поле мощности, потребляемой насосом. Если имеется требуемый запас мощности в точке К, то двигатель будет эксплуатироваться в стационарных условиях работы без перегрева.

Совмещение полей мощности двигателя и насоса позволяет определять и наиболее экономичные по расходу топлива режимы. Для такой оценки на поле мощностей двигателя наносят изолинии удельных расходов топлива g_e г/(кВт·ч). Для двигателя дизель ЗИЛ 645 изолинии удельных расходов топлива g_e г/(кВт·ч) представлены на рис. 7.19. На нем поз. 3 означает поле d"в"а"с" мощности, потребляемой пожарным насосом ПН-40УВ. Тонкими кривыми линями типа 2 обозначены удельные расходы топлива.

У каждой из них указаны величины удельных расходов. Из анализа результатов сравнения границ поля мощности, потребляемой насосом, и удельных расходов топлива следует ряд выводов. Во-первых, в области малых и больших расходов воды повышение напора, соответственно, от с к а и от d к в (см. рис. 7.18) сопровождается, как показано на рис. 7.19 (соответственно от с" к а" и от d" к в"), уменьшением удельных расходов топлива. Во-вторых, аналогично уменьшаются удельные расходы топлива при увеличении подач воды насосом (от с" до d" и от а" до в"). Таким образом, наиболее экономичным по удельному расходу двигателя являются режимы работы насоса, близкие к номинальным величинам подачи насоса и развиваемым им напора.