Винтовые характеристики судовых двигателей

Ограничительные и винтовые характеристики дизелей

Режим работы двигателя определяется многими факторами, основными из которых являются гидродинамические характеристики гребного винта, состояние корпуса судна, степень изношенности деталей и узлов дизеля и метеорологические условия.

Гидродинамические характеристики гребного винта относятся к наиболее важному фактору. При винте фиксированного шага практически отсутствует возможность изменить рабочие характеристики главного двигателя, поэтому проектирование винта должно отвечать соответствующим требованиям, разработанным фирмой на основании многолетней практики для дизелей типа РД и РНД Зульцер (рис. 49). Основная винтовая характеристика двигателя соответствует стендовым данным и проходит через пересечение номинальной мощности и номинальной частоты вращения дизеля.

Стендовая винтовая характеристика показывает, какую мощность можно получить от двигателя в нормальных условиях эксплуатации при сохранении оптимальных пределов тепловой и механической напряженности.

В процессе эксплуатации винтовые характеристики утяжеляются согласно увеличению сопротивления из-за обрастания корпуса, т. е. зафиксированное среднее эффективное давление будет, достигаться при меньшей частоте вращения.

Учитывая это, следует проектировать гребной винт таким, чтобы винтовые характеристики двигателя располагались в области 1 при условии, что судно в полном грузу, корпус чистый, и метеорологические условия нормальные. Достигается это установкой гидродинамически облегченного винта, который при номинальном значении частоты вращения поглощает 85—90% мощности главного двигателя.

Для судов, совершающих рейсы в тропические зоны, значение 85% предпочтительней. На ходовых испытаниях, когда судно не загружено полностью, для получения 100%-ной мощности допускается повышение частоты вращения до 108% от номинальной.
Что касается обычной, длительной эксплуатации, то повышение частоты вращения возможно до 106%, при этом не должно превышаться номинальное значение среднего эффективного давления. Следует подчеркнуть, что номинальная частота вращения двигателя не является ограничением для нагрузки.

Возможное увеличение нагрузки определяет гидродинамические характеристики гребного винта. Если при полностью загруженном судне, имеющем чистый, свежеокрашенный корпус, и при нормальных погодных условиях, винтовые характеристики главного двигателя располагаются левее стендовой в зоне В, то гребной винт гидродинамически тяжелый. Этот наиболее неблагоприятный, но чаще всего встречающийся фактор приводит к двум серьезным последствиям.

1. Потери скорости от обрастания значительнее у судов с тяжелыми винтами, чем с легкими. Это объясняется тем, что ограничительных параметров быстрее достигнет двигатель, работающий на тяжелый гидродинамический винт. Если учесть разрешение фирмы эксплуатировать двигатели до 106%-ной номинальной частоты вращения, то ограничительным параметром явится значение номинальной мощности.

2. Состояние цилиндропоршневой группы двигателей судов, имеющих тяжелый гребной винт, хуже. Это подтверждается опытом эксплуатации судов польской постройки типа «Муром» и югославской постройки типа «Дубровник» с главными двигателями РД 76 цилиндровой мощностью 1500 л. с.
На судах типа «Муром» гребные, винты гидродинамически тяжелые, в результате чего винтовые характеристики находятся в зоне В, предназначенной только для кратковременной работы.

Рис. 49. График фирмы Зульцер для выбора гребного винта и назначения режима работы главного двигателя: А — диапазон длительной работы; В — то же, в ограниченное время; С — верхний диапазон частоты вращения во время испытаний в море; Д-нагрузка дизеля согласно теоретической винтовой характеристике на стенде; Е — то же, во время испытаний при хорошей погоде, полностью загруженном судне я чистой поверхности корпуса

Гребной винт судов типа «Дубровник» спроектирован в соответствии с рекомендацией фирмы Зульцер. Условия технической эксплуатации двигателей этих судов были такие же, как и у судов типа «Муром», и нагрузки почти одинаковые. Скорость износа цилиндровых втулок была в 8 раз меньше, чем у двигателей судов типа «Муром».
По опыту можно считать, что износы втулок двигателей, работающих на легкий винт, происходят не только реже, но и их абсолютная величина будет в 1,5-2 раза меньше. В режиме, соответствующем стендовой характеристике, двигатель будет работать весьма непродолжительное время. Поэтому пользоваться ею для назначения режима работы нельзя. Она может служить для контроля относительного изменения параметров.

Назначая режим работы, следует руководствоваться ограничительными характеристиками. В графике по выбору гребного винта заложено ограничение-линия предельного момента. Увеличивать нагрузку двигателя выше этой кривой недопустимо из-за возникающих тепловых перегрузок, влекущих к повреждению цилиндропоршневой группы.
Следует отметить, что падение частоты вращения дизеля без изменения нагрузки (среднего эффективного давления) возможно только до 90% от номинальной. При дальнейшем снижении частоты вращения необходимо уменьшить нагрузку так, чтобы среднее эффективное давление не превосходило линию предельного момента.
Широкое распространение на судах получили ограничительные характеристики, разработанные ЦНИИМФом (рис. 50). Однако они занижают действительные возможности двигателя. Ограничительные характеристики двигателей, работающих в тропиках, проходят через пересечение значений номинального среднего индикаторного давления и номинальной частоты вращения дизеля.
Ограничительная характеристика для умеренного пояса располагается несколько выше. Во всех случаях соблюдается условие: величина среднего индикаторного давления должна уменьшаться на 3-8% при снижении частоты вращения на 10%.

Деление характеристик на тропические и умеренные только по условию температуры воздуха на всасывании перед ГТН представляется проблематичным. Тепловую напряженность двигателя определяет температура продувочного воздуха, зависящая от поверхности холодильника, его чистоты, температуры забортной воды.
Как правило, холодильники двигателей типа РД обеспечивают требуемое охлаждение продувочного воздуха. Ограничением степени охлаждения в тропиках, как в наиболее тяжелых условиях работы, являются не возможности воздушного холодильника, а температура «точки росы».

Кроме того, фирма указывает, что все двигатели типа РД и РНД могут работать с номинальным значением среднего индикаторного давления до 90%-ных значений частоты вращения от номинального.
С дальнейшим уменьшением частоты вращения должно снижаться и индикаторное давление, причем его падение происходит круче, чем у ограничительных характеристик ЦНИИМФа (15-30% р, на 10% частоты вращения).
Однако фирменная ограничительная кривая располагается значительно выше в рабочей зоне, чем предусмотренная для работы в умеренном поясе, и фирма считает необходимым, разделять работу двигателя в зависимости от параметров окружающей среды.
Поэтому целесообразно, назначая режимы работы двигателей, пользоваться только ограничением для умеренного пояса (рис. .51). Ограничительные характеристики построены из условий не допустить во, всех случаях эксплуатации превышение определенных уровней тепловой и механической напряженностей, меняющихся в зависимости от работы двигателя.

Рис, 50. Ограничительные характеристики: 1 — фирменная; 2 — ЦНИИМФа

Рис. 51. Ограничительные характеристики дизелей: 1 — цилиндровая мощность 1500 л. с. (РД 76); 2-то же, 1600 л. с. (РД76); 3-то же 2200 л.с. (РД90)

В инструкции по эксплуатации двигателей типа РД оговаривается другой ограничивающий параметр — температура выпускных газов после турбо нагнетателя. При нормальных условиях отрегулированный двигатель работает без превышения заданной температуры выпуска. Возрастание температуры свидетельствует о загрязнении выпускной системы двигателя.

1.3. Скоростные и нагрузочные характеристики дизеля

В судовой энергетической установке режимы работы двигателей имеют свои специфические особенности, зависящие от назначения и типа двигателя. Судовые двигатели подразделяют на главные и вспомогательные. В свою очередь, главные двигатели могут приводить во вращение винт фиксированного шага или винт регулированного шага. Вспомогательные двигатели обычно обеспечивают работу судовой электростанции в качестве привода генераторов.

Различают режимы работы двигателя как скоростные когда, эффективная мощность двигателя зависит от частоты вращения KB — N_e = f(n), так и нагрузочные, когда нагрузка двигателя может изменяться при неизменной частоте вращения коленвала (N_e = var, n = const).

Тормозная нагрузка главного двигателя обеспечивается гребным винтом, т.е. режим работы главного двигателя полностью подчиняется закону потребляемой мощности гребным винтом.

Зависимость изменения эффективной мощности главного двигателя N_e от частоты вращения гребного винта называется винтовой характеристикой. Для транспортных судов винтовая характеристика практически с достаточной точностью описывается выражением кубической параболы зависимости мощности от частоты вращения гребного винта:

где с — постоянная для комплекса «главный двигатель — гребной винт».

Для построения поля возможных винтовых характеристик можно рассмотреть изменение нагрузки главного двигателя, работающего на винт фиксированного шага, от самых тяжелых условий до самых легких (рис. 1.2) [2, 9].

Рис. 1.2. Винтовые и ограничительные характеристики

ТС — номинальная (расчетная) винтовая характеристика;

RSG — швартовная;

PQHZ — в балласте;

СЕ — ограничительная характеристика при М_ен = const,

EK — ограничительная характеристика по теплонапряженности;

CL — ограничительная регуляторная характеристика при п_сн = const;

KL — нижняя ограничительная характеристика при N_е = 0,5N_ен

Самый тяжелый режим работы главного двигателя осуществляется при работе судна на швартовах, когда поступь гребного винта равна нулю, а постоянная с — максимальна. На рис. 1.2 показана швартовная винтовая характеристика — кривая RSG. Такой режим воспроизводится при швартовных испытаниях судна. Буксировка плавучих объектов с большим сопротивлением движению, плавание судна при сильном штормовом встречном ветре и т.п. близки к этому режиму.

Для транспортных судов при швартовном режиме главный двигатель может работать в диапазоне (0,65. 0,80) n_сн частот вращения KB, не переходя верхнюю ограничительную характеристику по тепломеханической напряженности ЕК.

На рис. 1.2 показана одна из «тяжелых» винтовых характеристик — кривая RSG. Самый тяжелый режим работы ГД на швартовах не относится к длительным режимам, и его винтовая характеристика N_e = cn 3 (самая крутая при максимальной постоянной с) может выйти за пределы длительных допустимых нагрузок двигателя и окажется левее ограничительной характеристики по тепловой напряженности — линия КЕ.

В этом случае работа на швартовах относится к перегрузочному режиму работы ГД, при котором судовым механикам необходимо проявить повышенное внимание за контролем основных показателей работы двигателя, чтобы не допустить превышений, указанных в заводской инструкции для режима работы с перегрузкой.

Наиболее легкий режим работы ГД, очевидно, будет происходить при движении судна порожнем (в балласте) с попутным ветром. Винтовая характеристика — более пологая с наименьшей постоянной величиной с (на рис. 1.2 — это кривая PQHZ).

Обычно также изображается расчетная номинальная винтовая характеристика, проходящая через точку С максимальной длительной мощности и соответствующая номинальному режиму работы ГД при N_ен и п_сн

Таким образом, поле допустимых нагрузок ГД, работающего на винт фиксированного шага, еще более сужается до заштрихованной площади CEGSQHC. Слева она ограничивается самой «тяжелой» винтовой характеристикой ГД при работе на швартовах (кривая SG), верху — ограничительной характеристикой по тепломеханической напряженности (линии СЕ и EG), справа — регуляторной характеристикой (отрезок СН) при п_сн = const и винтовой характеристикой хода судна в балласте (кривая QH), снизу — ограничивается минимально допускаемой длительной мощностью (отрезок SQ),

При чистом корпусе судна длительная работа ГД в балластном переходе по рекомендации дизелестроительного завода может быть допущена с превышением номинальной частоты вращения KB до 1,04п_сн, не переходя границы номинальной мощности двигателя N_eн (точка Z).

Главный двигатель, работающий на винт регулируемого шага, может практически реализовать всю площадь допустимых нагрузок, используя преимущество изменения шага винта. В этом случае двигатель может работать как по скоростной характеристике, так и нагрузочной.

Вспомогательные двигатели, обеспечивающие работу судовой электростанции, должны выдерживать нагрузку при постоянной частоте вращения KB (n=const), т.е. работать при любой нагрузке по нагрузочной характеристике (отрезок CL).

Винтовые характеристики судовых двигателей

4.7.2. Характеристики судовых двигателей

Характеристики двигателей необходимы для диагностики их технического состояния, предотвращения перегрузки, а также для установления оптимальных режимов работы и программ совместного управления двигателем и ВРШ (на судах, работающих с переменной частотой вращения винта).

Для судов с ВФШ достаточно иметь две винтовые характеристики: для свободного хода и для траления. В качестве независимой переменной следует принимать мощность, а не частоту вращения, поскольку в основном она определяет удельный расход топлива ge, температуру отработавших газов to r, частоту вращения турбокомпрессоров птк и др.

На рис. 4.22, а представлены винтовые характеристики двигателя без наддува. Из приведенного рисунка видно, что удельные расходы топлива ge даже для различных режимов работы (свободный ход и траление) при одинаковых мощностях отличаются не более чем на 5 %, в то же время различие в частоте вращения п достигает 12 %. Аналогичная картина наблюдается для винтовых характеристик двигателя с газотурбинным наддувом (рис. 4.22, б). На судах с ВРШ, работающих при постоянной частоте вращения винта, устанавливаются дизель-редукторные агрегаты (ДРА) или дизель-генераторы (на судах с электродвижением).

Двигатели таких судов работают по нагрузочным характеристикам при номинальной частоте вращения, одна из которых представлена на рис. 4.23. Из рис. 4.22 и 4.23 следует, что в логарифмических шкалах зависимости многих рабочих параметров (частоты вращения двигателя n и турбокомпрессора итк, максимального давления сгорания р2, давления наддувочного воздуха Рк, температуры отработавших газов fo r) от мощности изображаются прямыми, т. е. описываются степенными функциями. Указанные координаты и следует использовать для обработки опытных данных, что позволит сократить объем испытаний и исключить сомнительные результаты. Указанные зависимости справедливы в пределах измерения Л^, = (0,4 . 1,1)ЛН. Зависимость между удельным расходом топлива ge и мощностью не является прямолинейной в логарифмических шкалах, а представляет собой более сложную показательную функцию.

Двигатели судов с ВРШ, работающих с переменной частотой вращения, имеют широкий диапазон эксплуатационных режимов. Поэтому для них необходимо иметь универсальные (многопараметровые) характеристики, наиболее важной из которых является зависимость мощности (или среднего эффективного давления) от частоты вращения при различном расходе топлива (часовом G или удельном ge ). Одна из таких характеристик приведена на рис. 4.24. Заштрихованная зона соответствует экономичным режимам работы двигателя.

Для предотвращения недопустимых в эксплуатации режимов работы двигателей используются ограничительные характеристики, наиболее важной из которых является верхняя ограничительная (заградительная) характеристика. Для большинства двигателей без наддува или с умеренным наддувом в качестве заградительной принимается характеристика, получаемая при постоянной номинальной цикловой подаче топлива gn (см. рис. 4.24) или при неизменном положении рейки топливных насосов, которая близка к линии номинального крутящего момента на выходном фланце в ал а двигателя Мт.

Главные двигатели судов с ВФШ испытываются при свободном ходе с частотой вращения 63, 80, 91, 100 и 103 % номинальной, что примерно соответствует мощности 25, 50, 75, 100 и 110% номинальной. Двигатели промысловых судов, кроме свободного хода,испытываются на 4-5 режимах при тралении, причем максимальная частота вращения не должна превышать 80 % номинальной. Испытания двигателей судов с ВРШ, работающих с постоянной частотой вращения, производится на 4-5 режимах при различных шаговых отношениях винта Н/D (показаниях ВУШ или <р), обеспечивающих примерную загрузку 25, 50, 75, 100 и 110 % номинальной.

Для получения универсальной характеристики двигателя, работающего на ВРШ с переменной частотой вращения, необходимо провести его испытания не менее чем на 16 режимах (по 4 режима на каждой из четырех нагрузочных характеристик). Если учесть, что на каждом режиме определяемый параметр замеряют 3-4 раза, то становится очевидным, какой большой объем работы требуется осуществить для получения универсальной характеристики.

Взаимодействие главного дизеля с гребным винтом и корпусом судна

Номинальная мощность — это наибольшая гарантируемая заводом-изготовителем эффективная мощность, которую двигатель может развивать длительное время при номинальной частоте вращения nном, температуре наружного воздуха to =200 С, давлении, равном 760 мм рт. ст., и относительной влажности φ =60%. Максимальная мощность дизеля — это эффективная наибольшая мощность, составляющая 110% номинальной и развиваемая в течение 1 ч с сохранением среднего индикаторного давления р, на уровне номинального и с превышением частоты вращения не более чем на 6% при тех же атмосферных условиях, которые заданы для номинальной мощности. В настоящее время в терминологии многих дизелестроительных заводов, в том числе и БМЗ, используют различные понятия мощности. Длительная максимальная мощность соответствует номинальной мощности дизеля при сохранении его допустимой напряженности (для выполнения нормативного времени рейса). Перегрузочная мощность соответствует максимальной. Длительная эксплуатационная мощность устанавливается с учетом эксплуатационных условий в пределах, обеспечивающих сохранение приемлемой тепловой и механической напряженности двигателя. Работа на этой мощности предотвращает перегрузку двигателя, обеспечивает минимальный износ и долговечность его деталей. Винтовые характеристики показывают зависимость между различными показателями двигателя и частотой вращения при положениях дозирующих органов, обеспечивающих равенство эффективной мощности двигателя и мощности, потребляемой винтом. Винтовые характеристики, кроме того, показывают зависимость между требуемой мощностью (крутящим моментом) для вращения гребного винта и частотой вращения. Винтовые характеристики могут быть построены на стенде при изменении мощности и крутящего момента по винтовому закону Ne = cn3; Мкр =
с1 n2, где с, с1 — постоянные коэффициенты; n —частота вращения двигателя, об/мин.

Результаты стендовых испытаний судового дизеля по винтовой, характеристике нельзя применять в эксплуатационных условиях, так как приведенная закономерность несколько нарушается из-за особенностей взаимосвязи элементов пропульсивного комплекса.
Более точно зависимость эффективной мощности двигателя и других его показателей от частоты вращения винта устанавливают на ходовых испытаниях для различных эксплуатационных условий. При этом снимают несколько винтовых характеристик для различных метеорологических, навигационных и производственных условий эксплуатации судна. В этих условиях номинальная мощность дизеля может быть достигнута при скоростном режиме и величине среднего индикаторного давления, отличающихся от номинальных значений, полученных на стенде. Сопоставляя винтовые а, Ь, с, d и внешние Nе ном , Ne max характеристики (рис. 3), можно убедиться в том, что при номинальной частоте вращения (N e ном =100%) номинальная мощность двигателя (Nном = 100%) достигается только при работе по номинальной характеристике винта с. При «утяжелении» гребного винта (характеристика а) достижение номинальной мощности (точка 2) происходит при более низкой частоте вращения п2. Но при этом дизель должен перейти через внешнюю характеристику номинальной мощности, из-за чего происходит его перегрузка по среднему индикаторному давлению pi. Для предупреждения такой перегрузки необходимо понизить частоту вращения (до значения п), что вызовет понижение мощности до величины Ne, (точка /). При «облегчении» гребного винта (характеристика d) достижение номинальной мощности (точка 4) происходит при перегрузке двигателя (п4 >nном). Во избежание перегрузки требуется снижение его частоты вращения до номинального значения, при котором мощность снизится до величины Ne (точка 5).

Таким образом, в эксплуатации работа двигателя на номинальной мощности может привести к его перегрузке по тепловым и механическим показателям. Для обеспечения надежной работы двигателя в любых эксплуатационных условиях устанавливают допустимые границы нагрузок для всего диапазона изменений частоты вращения. Наиболее целесообразным методом установления таких границ является использование ограничительных характеристик, отражающих зависимость показателей двигателя от частоты
вращения при сохранении его тепловой и механической напряженности в допустимых пределах. Скоростная ограничительная характеристика может быть представлена в виде зависимости наибольшей допускаемой для длительной работы двигателя мощности Nе огр от его частоты вращения. Имея для данных условий эксплуатации винтовую характеристику Ь, можно определить предельные значения частоты вращения n3 и мощности Ne (точка 3, см. рис. 3) при допустимом значении всех параметров, характеризующих напряженность двигателя.

При эксплуатации вследствие изменения условий плавания при работе двигателя в длительном режиме и постоянном положении топливной рукоятки частота вращения может изменяться, вызывая изменение мощности. Чтобы удостовериться, что ее значение не вышло за ограничительную характеристику, требуется определить среднее индикаторное давление и рассчитать развиваемую двигателем мощность. Для упрощения контроля за нагрузкой двигателя целесообразно использовать ограничительные характеристики по среднему индикаторному давлению (рис. 4).

Ограничительная характеристика является линией, ограничивающей значение pi во всем диапазоне рабочей частоты вращения. Точки ограничительной характеристики, т. е. предельные значения pi для различной частоты вращения, рассчитывают из условия сохранения в допустимых пределах параметров тепловой и механической напряженности двигателя. В связи с тем что допустимое значение pi, а следовательно, и допустимая мощность меняются в зависимости от температуры воздуха на всасывании, для каждого двигателя существует серия скоростных ограничительных характеристик по pi. Положение топливной рукоятки определяет цикловую подачу топлива, среднее индикаторное давление и, следовательно, нагрузку. Так как при неизменном положении топливной рукоятки pi можно считать независимым от частоты вращения, то при ее понижении двигатель может оказаться перегруженным. Имея ограничительную характеристику pi=f(n), эту перегрузку можно сразу установить и, изменив положением топливной рукоятки цикловую подачу, а следовательно и pi, понизить нагрузку. Допустим, двигатель работает в режиме, соответствующем точке 3 винтовой характеристики с. Изменение метеорологических условий привело к «утяжелению» винта, и при том же положении топливной рукоятки двигатель перешел в режим, соответствующий точке 3’ винтовой характеристики Ь в результате понижения частоты вращения до значения nз’. Так как точка 3′ лежит выше ограничительной характеристики, то для устранения перегрузки необходимо снизить частоту вращения до значения n2, уменьшая подачу топлива (точка 2). При дальнейшем «утяжелении» винта необходимо снова уменьшить подачу топлива. Имея для данного судна наиболее «тяжелую» винтовую характеристику, можно заранее
установить значение pi, при котором двигатель не будет перегружен в любых эксплуатационных условиях. На рисунке такое значение рi соответствует точке 1 и может быть принято за эксплуатационное значение, так как обеспечивает запас по тепловой и механической напряженности двигателя. Развиваемая при этом мощность может быть названа эксплуатационной и определена как мощность, развиваемая в конкретных условиях плавания при постоянном значении pi, величина которого определяется для работы двигателя без перегрузки при наиболее тяжелых условиях плавания. Величина эксплуатационной мощности не должна регламентироваться, поскольку она не постоянна, а определяется принятым средним индикаторным (или эффективным) давлением и скоростным режимом винта с определенной характеристикой, которая меняется в зависимости от конкретных условий эксплуатации [8]. Таким образом, эксплуатационная мощность обычно меньше номинальной и лежит в пределах 0,85—0,95 Nном. Имеющийся запас мощности повышает надежность двигателя, предотвращая повышение его напряженности до предельных значений при резком изменении внешних условий. Однако низкая мощность двигателя нежелательна, как и его перегрузка, так как ведет к снижению технико-эксплуатационных показателей энергетической установки и уменьшению скорости, а следовательно, производственных показателей работы судна.