Мощность судового двигателя обычно измеряется в лошадиных силах или киловаттах и представляет собой количество работы, которое двигатель может выполнять за определенное время. Определение мощности двигателя измеряется на валу и может быть определена разными способами в зависимости от типа двигателя и стандартов измерения.
Для определения мощности судового двигателя необходимо измерить крутящий момент (вращающую силу), которую двигатель генерирует, и скорость вращения (обороты в минуту). Для этого обычно используются специализированные измерительные устройства, такие как динамометры и датчики оборотов.
Мощность судовых двигателей может быть разной в зависимости от их типа и назначения. Важно также учитывать рабочие условия, эффективность и другие параметры, которые могут влиять на реальную выходную мощность двигателя.
Измерение мощности дизеля
Индикаторная мощность. В результате сгорания топлива в цилиндрах дизель развивает мощность, которая передается на вал. Развиваемая в цилиндрах мощность частично используется для привода вращающихся масс дизеля. Эта мощность измеряется механическим индикатором и ее часто называют индикаторной мощностью. Полезную мощность дизеля называют тормозной, или эффективной. На небольших дизелях ее можно измерить посредством присоединения к валу обычного тормоза. Отсюда и такое название.
Типовые индикаторные диаграммы для двух- и четырехтактных дизелей показаны на рис. 1.
а – двухтактного; б – четырехтактного.
1 – сгорание топливной смеси; 2 – расширение газов; 3 – выпуск газов и продувка; 4 – сжатие воздуха; 5 – атмосферная линия; 6 – всасывание воздуха; 7 – выпуск газов
Площадь диаграммы представляет собой работу, выполненную за один цикл в цилиндре, с которого снималась диаграмма. Площадь диаграммы можно измерить планиметром или путем применения правила средних ординат. При этом площадь делят по длине диаграммы и для получения средних высот. Затем эти средние высоты вычисляют с учетом масштаба пружины индикатора и по ним определяют среднее индикаторное давление в цилиндре, которое можно использовать для определения работы, совершенной в цилиндре:
Чтобы измерить мощность, необходимо определить значение проделанной работы, т. е. вычислить число рабочих ходов за одну секунду. У четырехтактных дизелей за один оборот вала совершается 1/2 рабочих хода (m), а у двухтактных – один.
Мощность, развиваемая в одном цилиндре, будет равна:
Для многоцилиндрового дизеля это выражение еще нужно умножить на число цилиндров.
Пример. Индикаторная диаграмма, снятая с шестицилиндрового двухтактного дизеля, показана на рис. 2.
1 – средняя ордината
Масштаб пружины (константа) индикатора равна 65 кПа/мм. Ход поршня и диаметр соответственно равны 1 100 мм и 410 мм. Частота вращения вала дизеля 120 об/мин. Чему равна индикаторная мощность дизеля?
Делим диаграмму на 10 равных частей и внутри каждой части проводим по середине ординату.
Среднее индикаторное давление:
Индикаторная мощность дизеля:
Эффективная мощность. Для измерения крутящего момента на вале дизеля обычно пользуются торсиометром (см. статью Контрольно-измерительные приборы и регуляторы“Судовые регуляторы и измерительные приборы”). Зная крутящий момент и частоту вращения, можно определить мощность на валу дизеля, которая равна произведению крутящего момента вала на частоту его вращения.
Пример. Крутящий момент на валу дизеля составляет 320 кН · м при частоте вращения вала 110 об/мин. Определить мощность на валу дизеля. Мощность определяем по формуле:
Из-за потерь мощности вследствие трения между подвижными деталями дизеля эффективная мощность всегда меньше индикаторной.
Отношение эффективной мощности к индикаторной представляет собой механический КПД дизеля:
Передача мощности от вала дизеля к винту происходит лишь с небольшими потерями на линии валов, в подшипниках. При вращении винта возникает продольное усилие в вале, которое передается на упорный подшипник и называется упором винта. В результате этого судно передвигается с определенной скоростью. Коэффициент полезного действия винта характеризует эффективность преобразования мощности винта:
Одной из геометрических характеристик винта является его шаг. Шаг винта – это расстояние, которое лопасть будет проходить вперед за один оборот винта, если не будет скольжения лопасти относительнo воды. Влияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость суднаШаг винта иногда имеет разные значения в различных точках вдоль лопасти. Поэтому в расчетах пользуются средним значением шага. Скольжение винта представляет собой частное от деления разности между тeoретически пройденным расстоянием (теоретической скоростью судна) и фактически пройденным расстоянием (фактической скоростью судна) на теоретически пройденное расстояние (теоретическую скорость судна). Скольжение винта измеряется в процентах.
Читайте также: Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя
Теоретическая скорость представляет собой произведение шага винта на его число оборотов. Фактическая (действительная) скорость определяется по пути судна, пройденному в единицу времени. Возможно, что скольжение винта будет иметь отрицательное значение, например при сильном течении или ветре, которые помогают передвижению судна вперед.
Пример. Судно, следовавшее между двумя портами, прошло 2 400 морских миль за восемь дней. За рейс вал дизеля совершил 820 000 оборотов. Шаг винта – 6 м. Вычислить скольжение винта в процентах.
Определение мощности и расхода топлива дизелей
Определение мощности. Мощность, развиваемая дизелем, используется на преодоление сопротивления судна и на его передвижение с определенной скоростью. Мощность, потребляемую на перемещение судна, если известны водоизмещение и скорость, можно приближенно определить используя метод адмиралтейского коэффициента n.
Общее сопротивление судна Rt можно определить из выражения:
где:
- ρ – плотность воды, кг/м3;
- S – смоченная поверхность корпуса судна, м2;
- v – скорость уз.
Смоченная поверхность примерно равна длине судна в квадрате, а водоизмещение равно длине судна в кубе. Смоченная поверхность примерно равна водоизмещению (D2/3).
Для большинства грузовых судов с малооборотными и Суда и их энергетические установкисреднеоборотными двигателями коэффициент n можно принять равным двум. Плотность ρ принимают постоянного значения, так как почти все суда плавают в морской воде.Общее сопротивление:
Мощность винта:
Этот коэффициент имеет постоянное значение и называется адмиралтейским.
Пример. Судно водоизмещением 15 000 т имеет скорость 14 уз. Адмиралтейский коэффициент (C) равен 410. Вычислить мощность, развиваемую двигателем.
Имеем:
Определение расхода топлива. Расход топлива дизелем зависит от развиваемой им мощности. Описанный выше метод определения мощности можно использовать для определения расхода топлива. Расход топлива представляет собой количество топлива, израсходованного в единицу времени, например, тонн в сутки.
Удельный расход топлива представляет собой количество топлива, использованного в единицу времени для выработки единицы мощности, т. е. кг/кВт · ч. Расход топлива соответствует выработанной мощности; мощность:
поэтому расход топлива за сутки пропорционален:
или коэффициент расхода топлива (удельный расход) равен:
Коэффициент расхода топлива имеет постоянное значение для конкретного судна, подлежащего постройке, в зависимости от скорости, водоизмещения и других параметров, т. е. коэффициент расхода топлива равен:
Здесь индексы 1 и 2 соответствуют различным условиям, т. е.:
Применительно к условиям данного рейса или для конкретного расстояния расход топлива за сутки, умноженный на число суток рейса, равен расходу топлива за рейс или:
Если условия часто меняются в течение рейсов или на каком-либо участке пути, тогда:
и из ранее выведенного выражения:
получим:
Отсюда можно вывести основное выражение:
Пример. Судно водоизмещением 12 250 т сжигает 290 т топлива, скорость судна равна 15 уз, длина пути 2 850 морских миль.
Требуется определить количество расходуемого топлива (B1) за рейс (L = 1 800 морских миль) при скорости 13 уз и водоизмещении судна D1 = 14 200 т.
Решение:
