.

Характеристики двигателей в судовой промышленности

Характеристика двигателя судна включает в себя информацию о зависимостях основных показателей его работы. Их определяют эксплуатационные качества, техническое совершенство, корректность регулировок и прямое назначение.

В этом материале рассмотрены основные показатели работы СДВС, которые напрямую составляют характеристику судового дизеля.

Понятие режима работы и характеристики двигателя

При эксплуатации дизеля показатели его работы (мощность, КПД, температурный уровень деталей и т. д.) постоянно изменяется в зависимости от положения топливной рейки, технического состояния и регулировки двигателя, изменения внешних условий. Так, очевидно, что при ходе судна в полном грузу и прочих равных условиях мощность главного двигателя будет больше, чем при ходе в балласте и той же частоте вращения гребного винта. В таких случаях говорят, что режим работы двигателя при полной загрузке судна более тяжелый, чем при ходе в балласте.

Под режимом работы двигателя имеются в виду конкретные условия эксплуатации, характеризуемые комплексом технико-экономических показателей (частотой вращения коленчатого вала, мощностью, средним индикаторным давлением в цилиндре, тепловыми и механическими нагрузками и т. д.).

Для главных судовых двигателей условия эксплуатации задаются режимом работы судна: режимы полного, среднего, малого ходов, в грузу, в балласте, буксировочный, швартовный и т. д. Для вспомогательных дизель-генераторов условия эксплуатации задаются величиной нагрузки на генератор, в зависимости от которой можно выделить режимы холостого хода, номинальной нагрузки и т. д.

Судовый дизель
Судовой дизельный двигатель внутреннего сгорания

Если при заданных условиях эксплуатации параметры работы двигателя не изменяются во времени, то режим называется установившимся. Переход от одного установившегося режима к другому происходит через ряд неустановившихся режимов, когда параметры работы дизеля изменяются с течением времени.

Совокупность установившихся режимов и параметров, представленных в виде аналитических, табличных или графических зависимостей от основного, заранее выбранного параметра, называется характеристикой двигателя.

Каждая точка на характеристике представляет собой режим работы. Различают характеристики скоростные и нагрузочные.

Нагрузочные характеристики — это зависимости показателей работы дизеля от нагрузки (мощности или среднего эффективного давления) при постоянной частоте вращения коленчатого вала. Скоростные характеристики подразделяются на внешние, винтовые и ограничительные. Это есть зависимости показателей работы двигателя от его скоростного режима (частоты вращения коленчатого вала) при определенных условиях.

Характеристики дизеля снимаются при его испытаниях на стенде завода-строителя, а также при сдаточных испытанияхИспытания и сдача судов на судне. Результаты испытаний заносятся в паспорт или в формуляр двигателя. Наиболее полные данные могут быть получены в заводских условиях, где испытательные стенды оснащены измерительной аппаратурой, нагрузочными устройствами, позволяющими в широком диапазоне варьировать частотой вращения и нагрузкой двигателя.

Кроме того, характеристики могут быть сняты в процессе эксплуатации при специальных теплотехнических испытаниях силовой установки. Эти характеристики учитывают конкретное состояние двигателя, всей силовой установки, корпуса судна, внешние условия.

Судовой дизель
Разобранный судовой двигатель

Сопоставление паспортных характеристик с последующими эксплуатационными данными позволяет судить об изменении показателей работы двигателя в процессе эксплуатации, косвенно оценить состояние узлов двигателя и его регулировку. Знание закономерностей изменения показателей работы двигателя позволяет выбрать режим его работы (особенно в условиях плавания, отличных от нормальных — при волнении моря, буксировке, обрастании корпуса и т. д.).

Грамотное решение при оценке состояния двигателя и выборе режима его работы может быть принято путем анализа изменения отдельных групп показателей:

  1. Энергетических (индикаторная и эффективная мощность, среднее индикаторное и эффективное давление, индикаторный и эффективный КПД);
  2. Общих (коэффициент избытка воздуха на сгорание, коэффициент наполнения, механический КПД);
  3. Показателей механической напряженности (максимальное давление в цилиндре, степень повышения давления, скорость нарастания давления);
  4. Показателей тепловой напряженности (температура стенок цилиндра, тепловые напряжения, удельный тепловой поток).

Анализ изменения этих групп показателей при работе двигателя по различным характеристикам дан ниже.

Нагрузочные характеристики двигателей внутреннего сгорания

По нагрузочной характеристике работают вспомогательные двигатели, предназначенные для привода генераторов, компрессоров, насосов, а также главные двигатели на судах с электро-движением или главные двигатели, работающие на винт регулируемого шага. Определяющим условием нагрузочной характеристики является постоянство частоты вращения (n = const). Постоянство частоты вращения поддерживается автоматическим регулятором в пределах ±З-5 % путем изменения активного хода плунжеров топливных насосов высокого давления и соответствующего изменения цикловых подач топлива при изменении нагрузки двигателя.

В качестве показателя нагрузки двигателя может быть принята эффективная мощность Ne, момент на фланце отбора мощности Me, среднее эффективное давление pe. Эти параметры в равной степени определяют нагрузку. Чаще всего в качестве параметра нагрузки принимается среднее эффективное давление.

Изменение энерго-экономических показателей

Характерной особенностью нагрузочной характеристики является постоянство мощности механических потерь двигателя NM = const при n = const независимо от нагрузки (рис. 1). Это положение установлено многочисленными исследованиями и объясняется малой зависимостью сил зрения в трущихся деталях дизеля от нагрузки при постоянной частоте вращения.

Зависимость эффективной мощности от pe определяется равенством:

Ne = pe Vs n i/0,06 m, кВт.

Если обозначить: Vs i/(0,06 m) = k, то:

Ne = k n pe,          Форм. 1

где:

  • k — коэффициент пропорциональности.
Показатели работы СДВС
Рис. 1 Изменение показателей работы дизеля по нагрузочной характеристике

Как следует из этой формулы, при n = const характеристика Ne(pe) является прямой линией, выходящей из начала координат. Зависимость индикаторной мощностиИндикаторная и эффективная мощность двигателя от pe пройдет эквидистантно прямой Ne(pe), поскольку Ni = Ne + Nм.

Механический КПД дизеля определяется равенством (Формула Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя“Эффективный коэффициент полезного действия”):

ηм = 1  Nм/Ni.

На холостом ходу (при pe = 0) механический КПД равен 0, т. к. вся индикаторная мощность при этом идет на преодоление механических потерь двигателя: Ni = Nм. При возрастании нагрузки ηм возрастает, достигая максимума при 100 % pe.

При изменении pe от 100 % в сторону уменьшения нагрузки индикаторный КПД дизеля ηi сначала возрастает, достигая максимума у двигателей с наддувом при pe = (20-30) % от

 peмах

, а затем начинает уменьшаться. Такое изменение ηi обуславливается изменением 2-х факторов. С уменьшением нагрузки уменьшается цикловая подача топлива в цилиндр, возрастает коэффициент избытка воздуха на сгорание α.

 
Увеличение α приводит к росту скорости и полноты сгорания топлива, сгорание смещается в сторону верхней мертвой точки, что способствует снижению тепловых потерь двигателя (в первую очередь потерь с уходящими газами). Однако по мере снижения цикловой подачи топлива избыток воздуха становится чрезмерным (α = 4-5 и более), уменьшается температура цикла и температура стенок.

Из-за малых цикловых подач ухудшается распыливание топлива, смесеобразование и сгорание. При этом возрастает период задержки самовоспламенения τi. Процесс сгорания переходит на линию расширения (рис. 2), растет доля тепла с уходящими газами (по сравнению с полезно используемым теплом). Индикаторный КПД уменьшается, достигая на режиме холостого хода величин, близких к значениям ηi на полной нагрузке. Более раннее и более интенсивное снижение ηi, наблюдается у двигателей с регулированием ТНВД по началу подачи, что связанно с худшим распыливанием топлива и уменьшением угла опережения подачи топлива (вплоть до смещения угла φнпн за ВМТ) при снижении нагрузки двигателя.

Диаграмма полной нагрузки ДВС
Рис. 2 Вид развернутой индикаторной диаграммы при полной нагрузке (Pe = 100 %) и на холостом ходу (Pe = 0)

У двигателей без наддува или с механическим нагнетателем расход воздуха на двигатель практически не зависит от нагрузки, что способствует более интенсивному возрастанию α при уменьшении pe, чем в двигателях с газотурбинным наддувом. Следовательно, у этих двигателей максимум ηi достигается при более высоких pe, а индикаторный КПД на холостом ходу у двигателей без наддува при прочих равных условиях меньше, чем ηi у двигателей с ГТН.

Эффективный КПД двигателя определяется совместным влиянием индикаторного и механического КПД: ηe = ηi ηм. При возрастании нагрузки от режима холостого хода ηe растет подобно росту механического КПД, достигая максимума вблизи номинальной нагрузки. Последующее снижение ηe является результатом ухудшения индикаторного процесса из-за снижения α и уменьшения индикаторного КПД. Обычно максимальное значение эффективного КПД достигается при pe ≈ 0,85 pe ном.

Удельные расходы топлива связаны с КПД зависимостями (Формула Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя“Тепловой баланс двигателя”):

gi = 3 600/ηi Qн = Kg 1/ηi;

ge = 3 600/ηe Qн = Kg 1/ηe;

Здесь обозначено: Kg = 3 600/Qн = const.

Как видно, удельные расходы топлива изменяются по зависимостям, обратнопропорциональным изменению соответствующих КПД.

Практически эффективные показатели работы двигателя могут быть определены в условиях испытательного стенда путем измерения эффективной мощности Ne (по показаниям нагрузочного устройства) и часового расхода топлива на установившихся режимах работы. Индикаторные показатели могут быть найдены по результатам индицирования или осциллографирования двигателя (определяется среднее индикаторное давление, индикаторная мощность и т. д.). Мощность механических потерь и механический КПД находятся из соотношения эффективных и индикаторных показателей.

В том случае, если индикаторные показатели работы двигателя прямо определить невозможно (к примеру, в судовых условиях, где дизель-генераторы обычно не имеют индикаторного приводаПроверка регулировки индикаторного привода для снятия индикаторных диаграмм), индикаторная мощность и прочие индикаторные показатели определяются ориентировочно через механический КПД:

Ni = Ne/ηм.

Механический КПД находится по соотношению расходов топлива на двигатель на холостом ходу и на режиме номинальной нагрузки. При этом делается допущение, что индикаторный КПД дизеля на холостом ходу такой же, как и на режиме номинальной нагрузки: ηix.x ≈ η. В этом случае можно написать:

ηм = 1  Nм/Ni = 1  Nм/Nмηiн/ηix.x = 1  Nм/Nigix.x/giн.

На холостом ходу мощность механических потерь равна индикаторной мощности: Nм = Ni, а часовой расход топлива равен Gx.x = Nм gix.x. Соответственно на режиме номинальной нагрузки часовой расход топлива составит: Gн = Ni g. Подставив полученные значения величин в приведенную выше зависимость для ηм, получим для режима номинальной нагрузки:

ηм  1  Gx.x/Gн.          Форм. 2

Погрешность определения индикаторных показателей с помощью этой зависимости оценивается погрешностью допущения равенства индикаторного КПД на холостом ходу и на номинальной нагрузке.

По нагрузочной характеристики ge = f(pe) в условиях стенда может быть в первом приближении установлена номинальная мощность двигателя. Для этого по результатам стендовых испытаний при расчетной частоте вращения из точки O (рис. 3) проводится касательная к кривой ge = f(pe).

Номинальная мощность ДВС
Рис. 3 Определение номинальной мощности дизеля

Вправо от точки касания расход топлива увеличивается более интенсивно, чем возрастает среднее эффективное давление, интенсивно растет температура цилиндро-поршневой группы. Как правило, точка E определяет предельно допустимые значения среднего эффективного давления, мощности, цикловой подачи топлива. Дальнейшее повышение цикловой подачи должно быть ограничено упором. Номинальное значение мощности целесообразно установить левее точки E, где pe меньше на 10 %. Окончательно режим номинальной мощности и численное значение номинальной нагрузки устанавливается в результате тщательного анализа всех энерго-экономических и других показателей работы дизеля (главным образом показателей тепловой напряженности).

Изменение механической напряженности

Механическая напряженность двигателя определяется величиной и характером изменения деформаций, напряжений и удельных давлений, возникающих в деталях двигателя под воздействием механических нагрузок. От уровня механической напряженности зависит работоспособность отдельных узлов, подшипников, условия смазки, возможности появления усталостных разрушений и т. д.

Однако, при эксплуатации абсолютные величины показателей механической напряженности не контролируются ввиду сложности их определения. Механическая напряженности оценивается по косвенным показателям. Как это указывалось в статье “Оценка механической напряженности в условиях эксплуатации”Динамика двигателя судна, условия и оценка работы, напряжения в деталях движения и в подшипниках определяются максимальной движущей силой
 PΣmax
, касательные напряжения — максимальной касательной силой
 TΣmax
, а также амплитудами изменения этих сил от их среднего значения ΔPΣ и ΔTΣ. Максимальное значение суммарной движущей силы в районе ВМТ как для 2-тактных, так и для 4-тактных двигателей может быть принято равным (Формула Динамика двигателя судна, условия и оценка работы“Определение максимальной движущей силы”):

 

PΣmax = Pz  kjn2.

В 2-тактных двигателях суммарная движущая сила изменяется от

 PΣmax

в районе ВМТ до

 PΣmin  0

в районе поворота коленчатого вала на угол φ ≈ 90° после ВМТ (рис. 4).

График движущей силы в СДВС
Рис. 4 Характер изменения суммарной движущей силы в 2-тактном (1) и 4-тактном (2) двигателе

Амплитуда изменения суммарной движущей силы определится равенством (Формула Динамика двигателя судна, условия и оценка работы“Амплитуда силы 2-тактных ДВС”):

 

PΣ = ½Pz  kjn2

В 4-х тактных двигателях детали движения подвергаются растягивающим усилиям под действием сил инерции в конце такта выталкивания. Амплитуда изменения суммарной движущей силы в 4-тактных двигателях определится зависимостью (Формула Динамика двигателя судна, условия и оценка работы“Амплитуда силы 4-тактных ДВС”):

PΣ = ½ Pz.

Как отмечалось в статье “Оценка механической напряженности в условиях эксплуатации”Динамика двигателя судна, условия и оценка работы, максимальное и среднее касательные усилия определяются средним индикаторным давлением pi и давлением сгорания Pz (зависимости Динамика двигателя судна, условия и оценка работы“Среднее индикаторное давление”, Динамика двигателя судна, условия и оценка работы“Амплитуда касательных усилий”):

TΣср  Кm pi;

TΣ  0,2 Pz.

Из приведенных формул видно, что при постоянной частоте вращения величины PΣмах, ΔPΣ, ΔTΣ полностью определяются величиной PΣ, а TΣмах — величиной Pz и Pi, силы инерции постоянны. Таким образом, основным показателем, косвенно характеризующем механическую напряженность двигателей, работающих по нагрузочной характеристике, является максимальное давление сгорания Pz. Характер действия сил может быть оценен другими динамическими показателями — степенью повышения давления λ = Pz/Pc и параметром жесткости индикаторного процесса ΔP/Δφ.

Изменение Pz, λ, ΔP/Δφ при работе по нагрузочной характеристике почти линейно следует за изменением нагрузки двигателя, однако в области малых Pc процесс сгорания выносится на линию расширения, что более интенсивно снижает механическую напряженность (рис. 5). На режиме 100 % Pc детали двигателя подвергаются воздействию максимальных сил PΣмах/TΣмах, запасы прочности — минимальные. При этом амплитуда изменения суммарной касательной силы ΔTΣ достигает наибольшего значения; следовательно, наблюдается максимальная неравномерность вращения и вибрация двигателя.

Показатели механической напряженности в СДВС
Рис. 5 Изменение показателей механической напряженности при работе по нагрузочной характеристике

У двигателей с газотурбинным наддувом с ростом нагрузки Pz растет более интенсивно, чем у двигателей без наддува, что связано с увеличением давления наддувочного воздуха и давления сжатия Pc. В районе 100 % Pc рост Pz замедляется, т. к. максимальное давление в цилиндре достигается до окончания подачи топлива (конец подачи значительно выносится на линию расширения).

Динамические показатели рабочего процесса — максимальное давление в цилиндре Pz и степень повышения давления λ — являются основными и вполне обоснованными параметрами, по которым в условиях эксплуатации оценивают механическую напряженность двигателя. Эти параметры несложно определить с помощью механических индикаторов.

Изменение тепловой напряженности

Тепловая напряженность двигателя определяется абсолютной температурой стенок цилиндра (втулки, крышки, поршня) и температурными перепадами в стенках. В большинстве двигателей эти параметры не замеряются в условиях эксплуатации, а тепловое состояние стенок оценивается по косвенным показателям — температуре охлаждающей среды, температуре выпускных газов, среднему индикаторному давлениюОпределение среднего индикаторного давления, положению топливной рейки, частоте вращения двигателя, а также путем “ощупывания” наружных поверхностей двигателя. Поддержание контролируемых параметров в определенных пределах обеспечивает такое тепловое состояние цилиндропоршневой группы, при котором завод-строитель гарантирует надежную работу двигателя.

В условиях эксплуатации всегда наблюдается отклонение внешних условий от тех, при которых устанавливались допустимые пределы контролируемых величин в условиях стенда, что может привести к увеличению уровня температур и температурных перепадов. Поэтому в последние годы на некоторые высокофорсированные главные двигатели устанавливается аппаратура непосредственного контроля температуры стенок.

Изменение уровня тепловой напряженности при работе по нагрузочной характеристике может быть проиллюстрировано с помощью эквивалентной стенки (рис. 6). При увеличении нагрузки в цилиндре растет цикловая подача топлива, возрастает средняя и результирующая Tрез температура газов. Следовательно, растут тепловые нагрузки, определяемые удельным тепловым потоком:

q = К Tрез  Tохл;

где:

  • K = 1/(1/αг + δ/λ + 1/αохл) = λ/(λ/αг + δ + λ/αохл) — коэффициент теплопередачи;
  • αг — коэффициент теплоотдачи от газов к стенке;
  • λ — коэффициент теплопроводности стенки;
  • αохл — коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей среде;
  • δ — толщина стенки;
  • Tрез — результирующая температура;
  • Tохл — температура охлаждающей среды.
График тепловой напряженности нагрузок в СДВС
Рис. 6 Изменение тепловой напряженности при изменении нагрузки двигателя

С ростом температуры газов в цилиндре увеличивается значение среднего показателя αг. Поэтому толщина первого слоя эквивалентной стенки, равная λ/αг, при увеличении нагрузки уменьшается, что совместно с ростом Tрез приводит к увеличению как абсолютных температур стенки T1 и T2, так и градиента температур ∂T/∂x (рис. 6) и соответственно тепловых напряжений в толще металла.

На малых нагрузках и на холостом ходу температура стенок цилиндра значительно снижается, что приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения, переносу сгорания на линию расширения, неполному сгоранию топлива, которое выбрасывается в выпускной коллектор. Кроме того, в выпускной коллектор выбрасывается и смазочное масло, не “срабатываемое” в цилиндре при малой нагрузке. Скопление нефтепродуктов в выпускном тракте приводит к загрязнению тракта из-за коксования топлива, может явиться причиной пожара в выпускном коллекторе.

Поэтому при работе по нагрузочной характеристике на малых нагрузках необходимо увеличивать температуру охлаждающей жидкости на входе в двигатель, отключать воздухоохладители системы наддува, снижать подачу цилиндрового масла, практиковать периодическое выжигание нефтепродуктов в выпускном коллекторе путем кратковременного увеличения нагрузки двигателя, не допуская большого скопления горючих веществ в коллекторе. Режимы работы на сниженных нагрузках и на холостом ходу должны быть возможно короче по времени. Эти замечания в большей степени касаются главных двигателей, работающих по нагрузочной характеристике.

На режимах нагрузочной характеристики наблюдается качественное совпадение характера изменения температуры стенок цилиндра и температуры отработавших газов. Поэтому в эксплуатации оценка теплового состояния отдельных цилиндров по температуре газов является вполне обоснованной и наиболее простой формой контроля.

Внешние характеристики дизеля

Внешней характеристикой дизеля называется зависимость показателей его работы от частоты вращения при неизменном положении топливной рейки TP = const (или неизменном активном ходе плунжера ТНВД ha = const). По внешней характеристике работают главные судовые и транспортные дизели, оснащенные предельными регуляторами частоты вращения, у которых изменяется нагрузка (к примеру, увеличивается сопротивление движению судна из-за шторма или встречного ветра). Как правило, современные главные двигатели с электронными регуляторами в режиме «ограничение по топливу» также работают по внешней характеристике. Дизель-генераторы могут работать по внешней характеристике, когда нагрузка превышает предел, при котором топливная рейка доходит до упора.

В зависимости от величины активного хода плунжера различают следующие внешние характеристики: предельной мощности (активный ход — максимальный), номинальную (активный ход hа соответствует 100 %-ной цикловой подаче на номинальном режиме), эксплуатационную (ha = 85-95 % от номинального значения) и частичные внешние характеристики (ha менее 85-95 %). За 100 % ha принимается такой активный ход и такое положение топливной рейки, когда двигатель в нормальных условиях и при заводской регулировке развивает номинальную мощность при номинальной частоте вращения.

Закономерности изменения показателей дизеля на каждой из внешних характеристик примерно одинаковы. Поэтому для выяснения этих закономерностей достаточно рассмотреть номинальную внешнюю характеристику.

Изменение энерго-экономических показателей

Изменение энерго-экономических параметров, характеризующих работу дизеля на внешней характеристике, зависит главным образом от 2-х факторов: изменения цикловой подачи gц (или коэффициента подачи ηn) и коэффициента избытка воздуха на сгорание α при изменении частоты вращения и T.P. = const.

У большей части двигателей, работающих по внешней характеристике, цикловая подача топлива и коэффициент подачи возрастают при снижении частоты вращения. Это объясняется улучшением наполнения насоса и уменьшением потерь топлива при отсечке топливоподачиПроцесс топливоподачи в ТНВД. Лишь у двигателей, имеющих ТНВД с регулированием по началу подачи, следует ожидать уменьшение цикловой подачи при снижении оборотов. Подробно об этом будет сказано при рассмотрении характеристик топливоподачи.

Изменение α определяется зависимостью:

α = Vs ηн γs/fпл ha γт L0 = Kαηн γs/ha ηn,          Форм. 3

где:

  • Vs — рабочий объем цилиндра;
  • ηн — коэффициент наполнения;
  • γs — удельный вес воздуха;
  • fпл — площадь плунжера ТНВД;
  • ha — активный ход;
  • ηn — коэффициент подачи ТНВД;
  • γт — удельный вес топлива;
  • L0 — теоретически необходимое количество воздуха на сгорание 1 кг топлива;
  • Ka — коэффициент пропорциональности.

Для 4-тактных двигателей без наддува удельный вес воздуха не изменяется на всех режимах: γs = γ0 = const, величина α определяется соотношением: α = f(ηнn). Это соотношение незначительно уменьшается при снижении частоты вращения. Улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом из-за уменьшения гидравлического сопротивления клапанов компенсируется некоторым увеличением коэффициента подачи. Поэтому для 4-тактных двигателей без наддува может быть принято α ≈ const. Следовательно, может быть принят постоянным при работе по внешней характеристике и индикаторный КПД, который, прежде всего, определяется величиной α: ηi ≈ const.

Для двигателей с наддувом (как 2-х, так и 4-тактных) с уменьшением частоты вращения снижается давление наддува, следовательно, и плотность воздуха γs. Совместно с одновременным увеличением цикловой подачи это приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха на сгорание (рис. 7). При этом снижается индикаторный КПД двигателя (тем в большей степени, чем больше увеличивается коэффициент подачи и снижается плотность воздушного заряда).

Наиболее благоприятной характеристикой, обеспечивающей минимальное падение плотности воздушного заряда при механическом наддувеХарактеристики систем механического наддува, обладают поршневые компрессоры, затем следуют роторные и центробежные. В свою очередь, газотурбинный наддув при снижении оборотов обеспечивает более пологое изменение расхода воздуха, чем механический наддув, за счет ухудшения индикаторного процесса в цилиндре и некоторого увеличения при этом располагаемой работы газа перед турбиной. Поэтому при газотурбинном наддуве падение индикаторного КПД менее значительно, чем при механическом наддуве.

Зависимость среднего индикаторного давления от частоты вращения может быть установлена из выражения:

pi = Kpi ha ηn ηi,          Форм. 4

где:

  • Kpi — коэффициент пропорциональности;
  • ηi — индикаторный КПД.
Изменения энерго-экономических показателей дизеля
Рис. 7 Характер изменения энерго-экономических показателей дизеля при работе по внешней характеристике

Для 4-тактных двигателей без наддува, когда может быть принято равенство: ηi ≈ const, – pi определяется только изменением цикловой подачи топлива gц (или коэффициента подачи ηn). Для большинства дизелей коэффициент подачи растет при снижении оборотов. Следовательно, растет и среднее индикаторное давление.

Аналогично для двигателей с газотурбинным наддувом даже при некотором снижении экономичности индикаторного процесса при снижении оборотов по внешней характеристике среднее индикаторное давлениеОпределение среднего индикаторного давления растет, поскольку растет цикловая подача топлива. Падение среднего индикаторного давления при уменьшении оборотов по внешней характеристике возможно лишь для дизелей с высоким наддувом из-за значительного снижения ηi, которое не компенсируется увеличением цикловой подачи.

Зависимость индикаторной мощности Ni(n) может быть записана в виде:

Ni = KN pi n,          Форм. 5

где:

  • KN — коэффициент пропорциональности;
  • n — частота вращения.

Эта характеристика теоретически идет из начала координат. Мощность возрастает при увеличении частоты вращения, однако при приближении к номинальным оборотам рост Ni замедляется из-за снижения pi (см. рис. 7).

Зависимость эффективной мощности от частоты вращения может быть записана как:

Ne = KN pi n ηм,          Форм. 6

где:

  • ηм — механический КПД.

Кривая Nе(n) пойдет ниже кривой индикаторной мощности, поскольку механический КПД меньше 1. Механический КПД с уменьшением частоты вращения растет, так как мощность механических потерь Nм снижается более интенсивно, чем происходит уменьшение Ni. Изменение Nм подчиняется криволинейному закону:

Nм = A nβ,          Форм. 7

где:

  • A — коэффициент пропорциональности;
  • β — показатель степени (β > 1).

Если предположить, что при снижении частоты вращения pi остается неизменным, то индикаторная мощностьИндикаторная и эффективная мощность двигателя будет снижаться пропорционально частоте вращения, т. е. ее снижение будет менее интенсивным по сравнению с Nм. Возрастание pi при снижении оборотов дополнительно снижает интенсивность уменьшения Ni. Вот почему ηм растет при снижении оборотов.

Влияние характера изменения ηм проявляется и в характере кривых pe(n) и ηe(n) (см. рис. 7).

Изменение механической напряженности

При снижении частоты вращения коленчатого вала моменты топливоподачиПроцесс топливоподачи по насосу практически не изменяются. Однако угол опережения подачи топлива в цилиндр φнп возрастает, что определяется наличием форсуночного трубопровода определенной длины (время на прохождение волны давления от насоса к форсунке практически не меняется, однако за то же время коленчатый вид повернется на меньший угол при снижении частоты вращения, что и определит увеличение угла опережения подачи.

Как известно, увеличение угла φнп приводит к увеличению максимального давления цикла Pz, степени повышения давления λ, скорости нарастания давления ΔP/Δφ (рис. 8). Увеличение Pz происходит даже, несмотря на некоторое снижение давления сжатия Pc, которое наблюдается из-за уменьшения давления наддува в двигателях с ТК. При снижении оборотов максимальная суммарная движущая сила возрастает (из-за роста Pz и снижения амплитуды сил инерции Pjmax при уменьшении n); возрастает и суммарная касательная сила

 TΣmax.

 

Показатели механической напряженности дизеля
Рис. 8 Изменение показателей механической напряженности двигателя 9ДКРН 74/160-2 при работе по внешней характеристике

Перечисленные факторы приводят при снижении оборотов по внешней характеристике к увеличению нагрузки на детали механизма движения и остова, вызывают повышенную вибрацию двигателя и корпуса судна. Эти факторы могут вызвать и крутильные колебания, когда двигатель попадает в область критических оборотов; при этом значительно возрастают напряжения коленчатого вала.

Для обеспечения неизменности механической напряженности при увеличении нагрузки и снижении оборотов по внешней характеристике необходимо снижать нагрузку цилиндров, уменьшая цикловые подачи топлива (переставляя топливную рейку на меньшую подачу).

Изменение тепловой напряженности

В первом приближении оценка изменения тепловой напряженности при работе по внешней характеристике может быть сделана с помощью формулы А. К. Костина:

q = Bn·ha·ηn·TsPs,          Форм. 8

где:

  • q — удельный тепловой поток;
  • B — постоянная, не зависящая от режима;
  • n — частота вращения;
  • ha — активный ход плунжера;
  • ηn — коэффициент подачи;
  • Ts, Ps — давление и температура продувочного воздуха.

Как видно, тепловая нагрузка цилиндра увеличивается при увеличении коэффициента подачи ηn, и температуры продувочного воздуха Ts и при снижении давления наддува Ps. При увеличении ηn и изменении плотности воздушного заряда (при изменении Ps и Ts) снижается α, что вызывает рост средней температуры газов за цикл. В то же время, при снижении частоты вращения по внешней характеристике увеличивается время контакта горячих газов со стенками цилиндра, что действует в сторону увеличения тепловой напряженности. С другой стороны, при снижении оборотов увеличивается время на продувку цилиндра, повышается коэффициент избытка воздуха на продувку (что, собственно, и снижает давление наддува); улучшение продувки цилиндра приводит к снижению температуры некоторых деталей цилиндра, охлаждаемых продувочным воздухом.

Суммарное влияние всех факторов приводит в конечном итоге к возрастанию тепловой напряженности двигателя при снижении оборотов по внешней характеристике. Тепловая напряженность определяется тепловым состоянием наиболее нагретой детали. Как видно из рис. 3, при испытании двигателя ДКРН 74/160 такой деталью оказался поршень рабочего цилиндра, у которого температура возрастает при снижении оборотов. В то же время, температура газов на выходе из цилиндра и максимальная температура крышки уменьшаются.

Достигаемые температуры в двигателе 9ДКРН 74/160-2
Рис. 9 Изменение максимальной температуры поршня, крышки и температуры газов двигателя 9ДКРН 74/160-2 на режимах внешней характеристики

Снижение температуры уходящих газов по показаниям штатного термометра можно объяснить 2-мя причинами: перераспределением долей тепла в охлаждающую среду через стенки цилиндров и с уходящими газами (за счет увеличения времени контакта газов со стенками), а также увеличением времени “обдувания” термометра продувочным воздухом (термометр показывает среднюю температуру газов на выходе из цилиндра по времени). Следовательно, по показаниям термометра в выпускном трубопроводе цилиндра при работе дизеля по внешней характеристике нельзя судить об изменении тепловой напряженности.

Наиболее достоверные данные о тепловом состоянии цилиндра могут быть получены путем замера температуры в характерных точках поршня. Однако замер температуры поршня связан с известными трудностями, определяемыми возвратно-поступательном движением поршня.

Длительная работа двигателя на внешней характеристике номинальной мощности при снижении частоты вращения нежелательна из-за роста тепловой напряженности. Необходимо переходить на частичные внешние характеристики или изменять характеристику гребного винта (в случае работы на ВРШВлияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна).

Винтовые характеристики

Винтовой характеристикой называется зависимость какого-либо показателя работы дизеля, непосредственно работающего на винт фиксированного шага, от частоты вращения.

При этих условиях энергетические показатели работы двигателя (эффективная мощность, момент на фланце отбора мощности, среднее эффективное давление) не зависят от свойств самого дизеля, а всецело определяются параметрами гребного винта и сопротивлением корпуса судна — характеристики дизеля определяются характеристиками винта.

Изменение энерго-экономических показателей

Момент и мощность, потребляемые винтом, зависят от его геометрических и гидродинамических параметров. К числу геометрических параметров относится шаг винта H (или шаговое отношение H/D), к числу гидродинамических — скольжение S и абсолютная hp или относительная λp = hp/D поступь винта. Связь этих параметров с частотой вращения и со скоростью движения судна устанавливается в виде зависимостей:

S = H ns  νs/H ns;

hp = νs/ns λp = νs/ns D,          Форм. 9

где:

  • H — шаг винта, м;
  • ns — частота вращения, об/сек;
  • νs — действительная осевая скорость винта, м/сек;
  • D — диаметр винта, м;
  • hp — путь винта, проходимый за 1 оборот, м/об;

Скольжение и поступь связаны соотношением:

λp = H/D1  S.          Форм. 10

График показателей работы вина в ДВС
Рис. 10 Кривые действия винта

При S = О, λp = H/D — винт проходит за 1 оборот путь, равный геометрическому шагу. При этом упор равен 0. Таким образом, скольжение винта является необходимым условием его работы — без скольжения нет упора. Максимальный упор — при швартовом режиме, когда судно не движется. При этом скольжение равно: S = 1 (рис. 10).

Внешние условия эксплуатации судна ежедневно контролируются судовыми экипажами и передаются в сводке береговому оператору в виде среднесуточного значения параметра скольжения гребного винта (“Slip”), определяемого как:

S = Lг  LL·100%,

где:

  • L – расстояние, проходимое судном за сутки по карте, миль;
  • Lг = H·nΣ·60·241 852

    – геометрическое расстояние, “проходимое” винтом за сутки, миль;

  • nΣ – суммарное количество оборотов винта за сутки;
  • H – шаг винта, м;
  • 1 852 м/милю – переводной коэффициент.

Обычно в спокойную погоду значение этого параметра находится в пределах 3-5%, при попутном течении и ветре S может оставлять (-12)-(-15) %, в жестокий шторм – S = 65-70 %.

Как известно, упор P и момент M винта определяются зависимостями:

P = К1 ρ D4 ns2;

M = К2 ρ D5 ns2,          Форм. 11

где:

  • К1 — коэффициент упора;
  • К2 — коэффициент момента;
  • ρ — плотность воды, кг сек24.

Пропульсивный коэффициент ηp определяется соотношением:

ηp = К1/К2 λp/2π.          Форм. 12

Точка В на кривой ηpp) (рис. 1) определяет номинальный режим работы винта, точка A — швартовый режим, точка C — режим нулевого упора. В точке С упор равен 0 (P = 0), но момент не равен 0 — подводимый в этой точке момент расходуется на преодоление профильного сопротивления гребного винта.

Коэффициенты упора и момента K1 и K2 являются функцией скольжения и не зависят от частоты вращения ns. Поэтому при неизменных внешних условиях плавания можно на основании формул (Формула 3) написать общие зависимости упора P, момента M и мощности на винте N от частоты вращения в виде:

P = Cns2;

M = Cns2;

N = C″′ns3;          Форм. 13

где:

  • C′, C″ и C′″ — коэффициенты пропорциональности.

Поскольку работа двигателя полностью определяется характеристиками гребного винта, то приведенные зависимости являются также математическим выражением винтовых характеристик двигателя — его эффективных энергетических показателей (среднего эффективного давления pe, эффективного момента Me и мощности Ne):

pe = c1n2;

Me = c2n2;

Ne = c n3.          Форм. 14

С изменением условий плавания и режима работы судна приведенные зависимости удовлетворяются при новых значениях коэффициентов пропорциональности c, c1 и c2, определяемых изменением поступи винта и его скольжения. На рис. 11 приведены 3 вида винтовых характеристик, соответствующих различным условиям плавания. Предельное положение винтовой характеристики (кривая 3 на рис. 11) соответствует λp = 0 (швартовый режим).

Работа дизеля при работе на винт
Рис. 11 Винтовые характеристики дизеля при работе на винт фиксированного шага

Кривая 2 соответствует ходу в балласте. Если предположить, что при номинальных оборотах и определенной относительной поступи винта двигатель развивает номинальную мощность (точка A на рис. 11), то винтовая характеристика 1, проходящая через точку A, называется номинальной.

Влево от кривой 1 расположены характеристики “тяжелого винта”, справа — “легкого винта”. При работе на тяжелый винтРабота при тяжелом и легком винте судна 100 % pe достигается при n < nном. При работе на легкий винт 100 % n достигается при pe < peном. В первом случае наблюдается недоиспользование мощности двигателя из-за снижения частоты вращения, во втором — из-за снижения среднего эффективного давления.

В процессе эксплуатации судна постоянно наблюдается несовпадение “номинальной” винтовой характеристики и действительной характеристики винта из-за различной загрузки судна, изменения внешних условий, обрастания корпуса и т. д. Следовательно, двигатель будет недогружен при использовании винта фиксированного шага.

Практика эксплуатации морского флота показана, что главные дизели никогда не работают на номинальном режиме. Номинальная мощность при номинальной частоте вращения установлена скорее для продажи двигателя, но не для длительной эксплуатации, поскольку все ограничительные параметры при этом находятся на предельно допустимом уровне при хорошем техническом состоянии, заводской регулировке дизеля и при стандартных внешних условиях. При эксплуатации дизеля эти условия нарушаются, что неминуемо приводит к перегрузке отдельных элементом, снижает надежность эксплуатации. Поэтому практика выдвинула рекомендацию установки на новые суда гидродинамически легких винтов.

Так, фирма Зульцер рекомендует устанавливать такой винт, чтобы при сдаче судна в эксплуатацию, чистом корпусе и его полной загрузке при номинальной частоте вращения гребного винта среднее эффективное давление составляло около 85 % от номинального: pe = 85 % peном. Аналогично фирма MAN-B&W дает рекомендацию к установке гребного винта, который обеспечивает контрактную скорость движения судна с чистым корпусом в полном грузу при мощности главного дизеля 75 % от проектной. Такой подход обеспечивает резерв мощности при обрастании корпуса или изменении внешних условий, обеспечивает более высокий процент загрузки двигателя за период между докованиями судна.

Параметры работы двигателя могут быть принципиально приведены к номинальным при наличии винта регулируемого шага. Изменяя шаг винта, можно облегчить или утяжелить винт и при изменении загрузки судна или внешних условий вернутся в точку 100 % Ne без перегрузки по pe. Это — достоинство ВРШ; с его помощью удается увеличить скорость хода судна при “утяжелении” винтовой характеристики, а также поднять упор винта на ~30 % при работе на швартовой характеристике.

Изменение мощности механических потерь при работе на винт незначительно зависит от нагрузки при заданной частоте вращения. Как и при работе по внешней характеристике, справедлива зависимость: Nм = A nβ, β > 1. При возрастании частоты вращения мощность механических потерь растет, однако этот рост менее интенсивен, чем возрастание Ne (рис. 12).

Энерго-экономические показатели дизеля
Рис. 12 Изменение энерго-экономических показателей дизеля при работе по винтовой характеристике

Индикаторная мощность определяется суммой: NI = Ne + Nм. Характер изменения Ni  тот же, что и Ne. Аналитически изменение индикаторной мощности может быть описано приближенной зависимостью: Ni ≅ kn3. Аналогично среднее индикаторное давление при работе двигателя на винт описывается формулой: pi ≡ kin2.

Суммарное влияние мощностей Ni и Nм определяет возрастание механического КПД при увеличении частоты вращения:

ηм = 1 Nм/Ni.

Изменение индикаторного КПД определяется главным образом изменением коэффициента избытка воздуха на сгорание α. При снижении оборотов от номинальной нагрузки цикловая подача топлива уменьшается примерно пропорционально квадрату частоты вращения (как и pi). Количество свежего заряда в цилиндре у двигателей без наддува или с механическим наддувомХарактеристики систем механического наддува практически не изменяется, у двигателей с ТК — снижается, но в меньшей степени, чем изменяется цикловая подача. Таким образом, во всех двигателях при снижении оборотов возрастает α. При этом при росте α до ~3-4 увеличивается индикаторный КПД за счет лучшего сгорания и смещения процесса сгорания ближе к ВМТ. Максимальное значение индикаторного КПД достигается при n ≈ 0,7 nном, pe ≈ 0,5 peном. При дальнейшем снижении частоты вращения и увеличении α сверх 3-4 начинают преобладать факторы — увеличение доли тепла с уходящими газами, ухудшение распыливания топлива и смесеобразования. Индикаторный КПД начинает падать, достигая на режимах малых ходов (n ≈ 0,3 nном) тех же значений, что и на режимах номинальной нагрузки.

При регулировке ТНВД по началу подачи снижение ηi на малых ходах более значительное, чем при регулировке ТНВД по концу подачи (из-за смещения всей фазы впрыска топлива за счет ВМТ, вынесения процесса сгорания на линию расширения). У двигателей с наддувом с изменением частоты вращения α изменяется в меньшей степени, чем у двигателей без наддува или с механическим наддувом. Поэтому в случае ГТН кривая ηi(n) — более пологая, как и зависимость для удельного индикаторного расхода топлива gi(n).

Изменение эффективного КПД и удельного эффективного расхода топлива более значительно, чем изменение ηi и gi, из-за влияния механического КПД. Уменьшение ηм на малых ходах является основной причиной снижения ηe и повышения ge при снижении оборотов ниже n < (0,8-0,9) nном.

Изменение механической напряженности

С ростом частоты вращения коленчатого вала при работе по винтовой характеристике цикловая подача возрастает примерно пропорционально квадрату частоты вращения. При этом значительно увеличивается механическая нагрузка, интенсивно растут Pz, ΔP/Δφ, λ (рис. 13). Более интенсивное увеличение показателей механической напряженности у двигателей, имеющих топливный насос с регулированием по началу подачи. При частоте вращения n = (0,6-0,9) nном рост λ и ΔP/Δφ прекращается, т. к. наряду с увеличением цикловой подачи увеличивается давление сжатия Pc, а также начинает сказываться фактор времени (за то же время коленчатый вал поворачивается на больший угол, что при той же интенсивности горения по времени приводит к снижению интенсивности горения по углу поворота коленчатого вала).

Одновременно с ростом Pz при увеличении частоты вращения растут силы инерции, снижающие максимальную движущую силу:

Pjmax = Kj n2.

Совместное влияние

 Pjmax

и Pz в конечном итоге приводит к росту показателей механической напряженности

 PΣmax

и ΔPΣ:

 

PΣ = 1/2 Pz при m = 2;

PΣ = 1/2 Pz  Kj n2 при m = 1.

Показатели напряженности двигателя 6RND-76
Рис. 13 Изменение показателей механической напряженности двигателя 6RND-76 при работе на винт

С увеличением оборотов

 PΣmax

растет в меньшей степени, чем Pz из-за влияния

 Pjmax.

У 4-тактных двигателей рост ΔPΣ больше, чем у 2-тактных; следовательно, при прочих равных условиях запас прочности у них меньше.

 

Показатель

 TΣmax = TΣср + TΣ

— также возрастает с ростом n. Среднее значение касательного усилия может быть найдено из выражения:

 

Me = c2 n2 = TΣср R.

Откуда:

TΣср = C2/Rn2 = Кm n2.

Как указывалось ранее, изменение амплитуды ΔTΣ определяется равенством: ΔTΣ ≈ 0,2 Pz. По общему виду закономерностей изменения TΣ и ΔTΣ можно сделать вывод, что абсолютная величина

 TΣср

при возрастании оборотов растет более интенсивно, чем ΔTΣ.

 
С увеличением амплитуды колебания суммарного касательного усилия ΔTΣ возрастает амплитуда колебания крутящего и опрокидывающего моментов. Однако степень неравномерности вращения снижается. Степень неравномерности вращения определяется равенством Динамика двигателя судна, условия и оценка работы“Изменение кинетической энергии”, на основании которого можно написать:

δ = A/Iω2  к TΣ/n2  КδPz/n2.          Форм. 15

Знаменатель в этом равенстве растет более интенсивно, чем числитель (Pz возрастает при увеличении частоты: вращения не пропорционально n2). При снижении оборотов двигателя δ возрастает в большей степени, чем изменяется отношение Pz/n2) из-за увеличения неравномерности цикловых подач топлива от цикла к циклу и неравномерности цикловых подач по цилиндрам. Эти факторы приводят к увеличению неравномерности распределения мощности по цилиндрам и соответствующему увеличению δ на малых оборотах.

При работе винтовой характеристике механическая напряженность может значительно увеличиться при попадании в зону резонансных (критических) оборотов. Эту зону следует проходить без задержки.

Из приведенных в настоящем разделе зависимостей видно, что при работе по винтовой характеристике основным эксплуатационным показателем механической напряженности является максимальное давление сгорания Pz, достигающее максимальных значений на режимах полных ходов и при заданной частоте вращения определяющее

 PΣmax, PΣ, TΣ.

 

Изменение тепловой напряженности

При работе по винтовой характеристике цикловая подача топлива в цилиндр возрастает примерно пропорционально квадрату частоты вращения. При этом показатели тепловой напряженности Tст1,2 и ΔT/Δx резко растут, так как растет результирующая температура газов Tрез и соответственно удельный тепловой поток;

q = К Tрез  Tохл.

Качественно теплонапряженность характеризуется рис. 14. На полном ходу (100 % n) — максимальная температура стенки цилиндра, максимальные температурные перепады ΔT/Δx и соответственно температурные напряжения. Учитывая высокий уровень тепловой напряженности на полном ходу, на режимах полного хода необходимо интенсивное охлаждение деталей цилиндропоршневой группы и наддувочного воздуха.

Показатели тепловой напряженности в СДВС
Рис. 14 Характер изменения показателей тепловой напряженности при работе дизеля на винт

На режимах малых ходов необходимо стремиться держать повышенную температуру в системах охлаждения (желательно поддерживать постоянную температуру не на входе, а на выходе из двигателя), поскольку слишком низкая температура зеркала цилиндра, распылителя, крышки может привести к кислотной коррозии при работе на сернистом топливе.

Температура газов на выходе из цилиндра показывает лишь относительное изменение тепловой напряженности, но не абсолютный уровень температур и температурных напряжений деталей ЦПГ. При неизменных показаниях термометра на выпускном патрубке цилиндра температура деталей ЦПГ может быть повышена при:

  • Недостаточной приработке деталей ЦПГ;
  • Потере подвижности (“загорании”) верхних поршневых колец;
  • Совпадении на одной вертикали замков 1, 2, 3… поршневых колец (что приводит к прорыву газов и местному перегреву втулки, поршня);
  • Заниженных расходах цилиндровой смазки;
  • Несоответствии сорта цилиндрового масла сорту применяемого топлива;
  • Резком повышении нагрузки двигателя или его резкой остановке с полного хода;
  • Нарушении режима охлаждения;
  • Ухудшении распиливания топлива, увеличении дальнобойности факела и т. д.

В эксплуатационных условиях температура деталей ЦПГ обычно выше, чем при стендовых испытаниях двигателя. Особенно возрастают температуры при плавании в тропиках из-за ухудшения воздухоснабжения.

Косвенно теплонапряженность можно оценить по параметрам pi, Pz, Tгаз, Tохл и наощупь. Однако при этом можно упустить момент повышения теплонапряженности, что в худшем случае приводит к “задирам” ЦПГ и выходу цилиндра из строя. Для обеспечения надежной работы двигателя на режимах полных ходов в условиях эксплуатации мощность обычно не превышает 85-95 % от номинальной. Как правило, при выборе режима работы механик ориентируется на максимальную температуру выпускных газов по цилиндрам. Эта температура лимитируется инструкцией по эксплуатации двигателя, однако реально величина предельно допустимой в нормальных условиях температуры выпускных газов принимается на основе опыта эксплуатации того или иного типа дизеля. Наиболее объективные данные о тепловой напряженности деталей ЦПГ могут быть получены лишь с помощью непосредственных замеров температуры деталей (поршня, втулки, крышки цилиндра).

Ограничительные характеристики

Под ограничительной (или заградительной) характеристикой понимают зависимость показателей работы двигателя от частоты вращения при верхних значениях показателей тепловой и механической напряженности, допустимых в эксплуатации.

Гарантией сохранения длительного моторесурса и надежной работы двигателя является эксплуатация его на таких режимах, при которых показатели тепловой и механической напряженности поддерживаются не выше уровня номинального режима. Наиболее обоснованно характеристику ограничения нагрузки можно установить в условиях стенда, когда имеется возможность определить параметры механических и тепловых нагрузок при снижении частоты вращения на режимах полных подач топлива. В эксплуатации эту характеристику следует корректировать в зависимости от внешних условий (состояния окружающей среды, сорта топлива и масла, состояния корпуса судна и винта и т. д.).

Как известно (см. пункт “Внешние характеристики дизеля”), при неизменном положении топливной рейки (T.P = const) и снижении частоты вращения уровень механической и тепловой напряженности двигателя растет (из-за увеличения цикловых подач, снижения α, увеличения угла опережения подачи топлива в цилиндр φн.п.>, ухудшения распыливания топлива). Поэтому внешняя характеристика номинальной мощности (кривая 1 рис. 15) не может быть принята в качестве ограничительной.

Эффективное давление в дизеле
Рис. 15 Изменение среднего эффективного давления и мощности дизеля при различных условиях:
1 – ha = const; 2 – pе = const; 3 – Рz = const; 4 -— Тст = const; 5 – α = const; 6 – n = const

Для 4-тактных дизелей без наддува в качестве ограничительной обычно принимают зависимость pe = const (прямая 2). Зависимость среднего эффективного давления от цикловой подачи можно представить в виде: pe = кp gц ηi ηм. При условии ηe = ηiηм = const, зависимость pe = const обеспечивается при постоянной цикловой подаче топлива: gц = const, что требует перестановки топливной рейки на меньшую подачу при снижении частоты вращения. В таком двигателе при снижении оборотов воздухоснабжение улучшается за счет повышения коэффициента наполнения, коэффициент α не уменьшается. Поэтому тепловая напряженность двигателя остается на том же уровне (практически не увеличивается). Если при этом Pz остается на том же уровне, то характеристика pe = const может обеспечить и неизменность механической напряженности. Обычно имеющее место незначительное увеличение Pz находится в допустимых пределах, что позволяет принять характеристику pe = const в качестве ограничительной для 4-тактных двигателей без наддува.

В случаях, если при снижении оборотов и pe = const увеличиваются сверх допустимого показатели Pz, ΔP/Δφ, λ (из-за увеличения φн.п.), то в качестве ограничительной для 4-тактных двигателей без наддува принимается характеристика Pz = const (кривая 3). Для обеспечения Pz = const требуется дополнительно уменьшить gц и pe путем перестановки топливной рейки на меньшую подачу.

Для двигателей с механическим наддувом при уменьшении оборотов снижается давление наддува Ps. Следовательно, уменьшается весовой заряд воздуха в цилиндре, что при pe = const (gц = const) приведет к снижению коэффициента избытка воздуха на сгорание α. Тепловая напряженность при этом возрастет. Поэтому для двигателей с механическим наддувомХарактеристики систем механического наддува при падении оборотов необходимо снижать цикловую подачу и pe, чтобы обеспечить ту же тепловую напряженность (кривая 4). Снижение pe тем значительнее, чем больше падение давления наддува Ps при уменьшении частоты вращения.

В двигателях с газотурбинным наддувом ограничение по pe (кривая 5) еще более значительное, так как Ps падает в большей степени. Падение Ps происходит из-за снижения расхода газа, уменьшения КПД газотурбонагнетателя при работе на нерасчетном режиме, увеличения коэффициента продувки при увеличении времени на продувку цилиндра. Для сохранения той же тепловой напряженности (α ≈ const) требуется значительно уменьшать цикловую подачу топлива. При этом тяговые свойства дизеля ухудшаются.

При работе по ограничительной характеристике с уменьшением частоты вращения уменьшаются значения Ps, Pc, Tгаз, увеличивается коэффициент пролувки, сохраняется α ≈ const, предотвращается перегрев отдельных деталей. Ограничение нагрузки справа от точки A определяется регуляторной характеристикой 6 (см. рис. 15). Регуляторная характеристика предотвращает повышение частоты вращения и таким образом не допускает превышения сил инерции.

Для главных судовых двигателей, работающих на винт, дизелестроительные фирмы стремятся обеспечить некоторый запас производительности ГТН с тем, чтобы не ухудшать тяговые свойства двигателя в тропиках и при утяжелении винта. Примером может служить ограничительная характеристика двигателей типа RND фирмы Зульцер (рис. 16).

Нагрузки двигателя RND-76
Рис. 16 Ограничение нагрузки двигателя RND-76 фирмы Зульцер

При снижении частоты вращения от 100 до 90 % фирма разрешает работать при pe = const (участок AB ограничительной характеристики). При дальнейшем снижении оборотов топливоподачаПроцесс топливоподачи и соответственно pe ограничивается кривой CB, построенной по данным всесторонних стендовых испытаний двигателя и обеспечивающей допустимую тепловую и механическую напряженность двигателя. При утяжелении винта (кривая 2 рис. 16) режим работы определится точкой D — при сниженном значении указателя нагрузки У.Н., pe и n.

Диаграмма нагрузки двигателей MAN-B&W типа MC, приведенная на рис. 17, дается в осях “частота вращения” n% – “мощность” Ne%. На диаграмме даны номинальная 1 и легкая 6 винтовые характеристики, ограничиельная характеристика 3 по предельной частоте рващения, ограничительная характеристика 4-5-7 по нагрузке без ограничения по времени и предельная ограничительная характеристика 8, предусматривающая кратковременную перегрузку дизеля на 110 % при номинальной частоте вращения. Поскольку диаграмма нагрузки дана в безразмерном виде одна на все типоразмеры главных судовых дизелей тима MC, то для практического использования для конкретного дизеля диаграмма должна быть перестроена в абсолютной размерности координатных осей. Вид характеристик дан на рис. 18. Предусмотрены ограничения для длительной и кратковременной работы. Особенностью их является использование в качестве ограничивающего параметра среднего индикаторного давления (что удобно для судового механика). Поскольку координатные оси – относительны, для конкретного судна характеристики должны быть перестроены в абсолютных осях.

В повседневной практике эксплуатации судовой механик ограничивает нагрузку с учетом предельных параметров, заданных производителем. В качестве ограничительных параметров инструкциями по эксплуатации двигателей обычно предусматриваются частота вращения n, максимальное давление сгорания Pz и предельно допустимая температура газов по цилиндрам Tгаз. По первым 2-ум параметрам оценивается механическая напряженность, по последнему — тепловая напряженность двигателя.

Для главных двигателей, работающих на винт, частота вращения косвенно определяет среднее индикаторное давление, следовательно, и суммарное касательное усилие TΣ. Таким образом, показатели n и Pz в достаточно полной мере оценивают весь комплекс факторов, определяющих механическую напряженность двигателя. Оценка же тепловой напряженности по температуре газов может привести к самым неблагоприятным последствиям. основной причиной является завышенное, как правило, значение предельно допустимой температуры уходящих газов по цилиндрам, указанной в инструкции по эксплуатации. По указанной причине в последние годы дизелестроительные фирмы переходят на использование в качестве ограничительных параметров данных непосредственных замеров температуры деталей цилиндропоршневой группы.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 23, 2016 4927 0
Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...