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 Н (или шаговое отношение H/D), к числу гидродинамических — скольжение S и абсолютная hр или относительнаяλр = hр / D поступь винта. Связь этих параметров с частотой вращения и со скоростью движения судна устанавливается в виде зависимостей:

S = (Н ns — Vр) /H ns;
hр = Vр / ns;
λр — Vр / ns D,
(№1)

  • где Н — шаг винта, м;
  • ns — частота вращения, об/сек;
  • Vр — действительная осевая скорость винта, м/сек;
  • D — диаметр винта, м;
  • hр — путь винта, проходимый за 1 оборот, м/об;
  • Скольжение и поступь связаны соотношением:

λр = (Н / D) (1 — S). (№2)

Рис. 1 Кривые действия винта

При S = О,λр = Н / 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. №1).

Как известно, упор и момент винта определяются зависимостями:

Р = К1 р D4 ns2;
M = K2 p D5ns2;
(№3)

  • где K1 — коэффициент упора;
  • К2 — коэффициент момента;
  • р — плотность воды, кг сек24.

Кпд пропульсивного комплекса определяется соотношением:

ηр = (К1 / К2) λр/2π. (№4)

Точка В на кривой ηрр) (рис. №1) определяет номинальный режим работы винта, точка А — швартовый режим, точка С — режим нулевого упора. В точке С упор равен 0 (Р = 0), но момент не равен 0 — подводимый в этой точке момент расходуется на преодоление профильного сопротивления гребного винта.

Коэффициенты упора и момента K1 и К2 являются функцией скольжения и не зависят от частоты вращения ns. Поэтому при неизменных внешних условиях плавания можно на основании формул (№3) написать общие зависимости упора Р, момента М и мощности на винте N от частоты вращения в виде:

Р = C’ns2; М = C»ns2; N = C»’ns3; (№5)

где С’, С» и С»’ — 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 Ре, эффективного момента Ме и мощности Nе):

Ре =c1 п2;
Ме2 п2;
Nе = с п3.
(№6)

С изменением условий плавания и режима работы судна приведенные зависимости удовлетворяются при новых значениях коэффициентов пропорциональности С, С1 и С2, определяемых изменением поступи винта и его скольжения. На рис. №2 приведены 3 вида винтовых характеристик, соответствующих различным условиям плавания. Предельное положение винтовой характеристики (кривая 3 на рис. №2) соответствует λр = 0 (швартовый режим).

Рис. 2 Изменение энергетических показателей 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 А на рис. 11-11), то винтовая характеристика 1, проходящая через точку А, называется номинальной.

Влево от кривой 1 расположены характеристики “тяжелого винта”, справа — “легкого винта”. При работе на тяжелый винт 100% Ре достигается при n < nном . При работе на легкий винт 100% n достигается при Ре < Реном — 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 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: Ре = 85% Реном. 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 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% Nе без перегрузки по Ре. 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 = А nβ, β >1. При возрастании частоты вращения мощность механических потерь растет, однако этот рост менее интенсивен, чем возрастание Nе (рис. №3).

Рис. 3 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: Рi ≡ кin2.

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

ηм = 1 — Nм / Ni. При n > 0,7 nном рост ηм замедляется.

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 Рi). Количество свежего заряда в цилиндре у двигателей без наддува или с механическим наддувом практически не изменяется, у двигателей с ГТН — 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, Рe ≈ 0,5 Реном. 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 (п ≈ 0,3 nном) тех же значений, что и на режимах номинальной нагрузки.

При регулировке ТРВД 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 ВМТ, вынесения процесса сгорания на линию расширения). У двигателей с наддувом с изменением частоты вращения а 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.

Смотрите также:
б) Изменение механической напряженности
в) Изменение тепловой напряженности

Октябрь, 03, 2016 2578 0
Читайте также