Министерство аграрной политики Украины
Керченский государственный морской технологический университет
Кафедра «Судовые энергетические установки»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
для студентов 5-го курса дневной формы обучения и 6-го курса заочной формы обучения специальности 7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок»
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Керчь, 2010
Автор: Радченко О.П., к.т.н. доцент кафедры СЭУ КГМТУ.
Рецензент: Попов В.В., ст. преподаватель кафедры СЭУ КГМТУ.
Яковлев А.В., механик 1-го разряда по ДВС ГП «Керченская паромная переправа»
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры СЭУ КГМТУ, протокол №6 от 22.01.2010г.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к утверждению на заседании методической комиссии МФ КГМТУ, протокол №5 от 17.03.2010г.
Методические указания утверждены на заседании Методического совета КГМТУ, протокол № 3 от 30.06.2010г.
Керченский государственный морской технологический университет
Содержание
Список сокращений
Введение
1. Поле возможных и допустимых режимов работы дизеля
1.1 Поле возможных режимов работы судовых дизелей
1.2 Поле допустимых длительных по времени нагрузок двигателя
1.3 Скоростные и нагрузочные характеристики дизеля
Вопросы к разделу 1
2. Режимы работы пропульсивной установки судна СВФШ
2.1 Ходовая характеристика судна
2.2 Расчет и построение паспортной диаграммы судна
2.3. Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна
2.4 Построение номограммы для определения пропульсивного КПД и часового расхода топлива на главный двигатель
Вопросы к разделу 2
3. Режимы работы пропульсивной установки судна СВРШ
3.1 Некоторые особенности режимов работы главного двигателя с винтом регулируемого шага
3.2 Расчет и построение частной паспортной диаграммы судна с винтом регулируемого шага при постоянной частоте вращения гребного винта
3.3 Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна
3.4 Пример расчета и построение частной паспортной диаграммы судна с винтом регулируемого шага
Вопросы к разделу 3
4. Режимы работы пропульсивной установки судна при буксировке объектов
4.1 Условия работы пропульсивной установки судна при буксировке
4.2 Располагаемая полезная тяга гребного винта и тяговое усилие на гаке
4.3 Аналитическое определение полезной тяги гребного винта и тяги на гаке
4.4 Приведенное сопротивление и приведенная тяга на гаке
4.5 Пример расчета определения величин располагаемой полезной тяги гребного винта, тяги на гаке и приведенной тяги
Вопросы к разделу 4
5. Согласованность главного двигателя с гребным винтом
5.1 Выбор главного двигателя для прототипа судна
5.2 Оценка согласованности главного двигателя с гребным винтом
5.3 Отражение согласованности главного двигателя с гребным винтом на паспортной диаграмме судна
5.4 Корректировка элементов гребного винта для согласования его с главным двигателем
5.5 Примеры корректировки гребного винта для согласования его с главным двигателем
Вопросы к разделу 5
6. Пропульсивная установка судна с винторулевой колонкой
Вопросы к разделу 6
Список литературы
Приложение А. Основные параметры дизелей фирмы «MAN B&W»
Приложение Б. Основные параметры дизелей фирмы «Sulzer»
Приложение В. Основные параметры дизелей фирмы «Mitsubishi»
Приложение Г. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "MAN B&W
Приложение Д. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "Wartsila"
Приложение Е. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "Matsui"
Приложение 3. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "Yanmar"
Список сокращений
ВРК -- винторулевая колонка
ВРШ -- винт регулируемого шага
ВФШ -- винт фиксированного шага
ГВ -- гребной винт
ГД -- главный двигатель
КВ -- коленчатый вал двигателя
КПД -- коэффициент полезного действия
МДМ -- максимальная длительная мощность (номинальная мощность)
МО -- машинное отделение
МОД -- малооборотный двигатель
ПТЭ -- правила технической эксплуатации
ПУ -- пропульсивная установка
СДУ -- судовая дизельная установка
СОД -- среднеоборотный двигатель
СПУ -- судовая пропульсивная установка
СТС -- судовые технические средства
СЭУ -- судовая энергетическая установка
ЦПУ -- центральный пост управления
Введение
Одной из основных задач эксплуатации судовых двигателей предусматривается обеспечение режима длительной надежной его работы при различных нагрузках, зависящих от условий плавания. Как известно, главный двигатель (ГД), работающий на гребной винт (ГВ), может развивать только ту мощность, которая требуется для вращения ГВ.
В разнообразных условиях плавания судна режим работы ГД может существенно изменяться в зависимости от сопротивления среды движению судна, вызванной изменением осадки, обрастанием корпуса и ГВ, мелководьем, погодными условиями, буксировкой и другими причинами.
Пропульсивная установка (ПУ) судна состоит из главного двигателя, передачи, валопровода и движителя (обычно гребного винта) и обеспечивает движение судна. Вместе с корпусом судна ПУ образует судовой пропульсивный комплекс.
Взаимодействие гребного винта, корпуса судна и главного двигателя в составе судового пропульсивного комплекса имеет определенные особенности в части нагружения ГД и назначения режима его работы в разнообразных условиях плавания. Учитывая эти особенности, в данном учебном пособии рассматриваются режимы работы элементов ПУ в целом - во взаимодействии их в составе пропульсивного комплекса.
Наиболее показательно степень взаимодействия (согласованности) работы ГД и ГВ может иллюстрироваться с помощью режимной карты ПУ судна, включающей в себя графики изменения эффективной мощности ГД и полезной тяги ГВ в зависимости от скорости судна, а также номограммы для определения пропульсивного КПД и расхода топлива на ГД. С помощью режимной карты ПУ можно решать ряд таких важных практических задач, возникающих в процессе эксплуатации судна, как определение или назначение режима ПУ, предотвращение перегрузки ГД, контроль технического состояния ГД и ГВ, подводной части корпуса судна.
Знание и понятие закономерностей изменения нагрузки ГД в разных условиях плавания судна позволяет судовым механикам компетентно решать вопросы поддержания высокого уровня надежности, работоспособности и экономичности судовой энергетической установки (СЭУ).
В пособии рассмотрен достаточно широкий круг вопросов, имеющих непосредственное отношение к обеспечению ходовых режимов СЭУ. Содержание некоторых разделов пособия позволяет рассмотреть эксплуатационные режимы работы судовых дизелей, которые недостаточно полно отражены в учебной и технической литературе по эксплуатации СЭУ. Это, в частности, режимы работы пропульсивной установки при буксировке объектов, работа ГД судна с винтом регулируемого шага (ВРШ), согласованность ГД с ГВ и др.
Данное учебное пособие написано для изучения части разделов учебных дисциплин «Техническая эксплуатация судовых энергетических установок» и «Оптимизация режимов работы СЭУ», которые соответствуют учебным планам и образовательной профессиональной программе подготовки специалистов и магистров судовой энергетики специальности 7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок», а также поможет судовым механикам в их практической деятельности по использованию СЭУ.
1. Поле возможных и допустимых режимов работы дизеля
1.1 Поле возможных режимов работы судовых дизелей
Изменение нагрузки двигателя обычно изображается в виде графика в координатных осях Ne и п, показывающего зависимость эффективной мощности двигателя Ne от частоты вращения коленчатого вала (KB) двигателя п.
Дизелестроительные заводы при испытании двигателей на стенде определяют основные показатели, характеризующие режим работы двигателя на различных нагрузках. Можно упрощенно представить себе испытания двигателя на стенде по следующей схеме нагружения (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Поле режимов работы дизеля
АВ -- холостой ход;
ВС -- регуляторная характеристиками при nсн = const;
CD -- номинальная внешняя характеристика,
DA -- характеристика минимально устойчивой частоты вращения коленвала;
ОС -- ограничительная характеристика (Мен = const);
EF -- ограничительная по теплонапряженности,
KL -- нижняя ограничительная характеристика (Nе = 0,5Neн)
Сначала двигатель пусковым устройством раскручивается до минимально устойчивой частоты вращения KB пmin (на графике этот процесс изображается горизонталью ОА), когда он начинает устойчиво работать на топливе (точка А), при этом вал двигателя не нагружается тормозным устройством, т.е. осуществляется холостой ход Ne = 0. Постепенно увеличивая подачу топлива, не нагружая двигатель, на холостом ходу повышается частота вращения KB вплоть до номинальной величины пн (холостой ход -- отрезок АВ).
При достижении номинальной частоты вращения KB nсн, включается автоматический регулятор поддержания постоянной частота вращения KB nсн=const и начинается постепенное нагружение вала двигателя тормозным устройством.
Нагружение тормозом осуществляется до тех пор, пока двигатель не разовьет величину номинальной мощности Neн в точке С. На графике (см. рис. 1.1) этот процесс показан вертикальным отрезком ВС. Отрезок ВС, отражающий изменение мощности от Ne = 0 до Neн при nсн=const называется регуляторной характеристикой двигателя.
Как известно, эффективная мощность двигателя определяется по формуле:
где Ме -- тормозной момент па валу двигателя, кН·м;
пс -- частота вращения коленчатого вала, с-1.
Итак, в точке С двигатель работает в номинальном режиме, развивая номинальную мощность Neн при номинальной частоте вращения KB nсн. Этот режим соответствует максимальной длительной мощности (МДМ) двигателя, при котором продолжительность работы двигателя по времени не ограничивается (Maximum Continuous Rating -- MCR, т.е. Nominal Power at Nominal Engine Speed).
Затем выключается из работы регулятор поддержания постоянной частоты вращения KB, а нагружение вала двигателя тормозным устройством увеличивается, т.е. тормозной момент Ме возрастает. При этом двигатель работает с выключенным регулятором с постоянной цикловой подачей топлива, т.е. рейка топливного насоса, установленная для номинального режима Neн и nсн, остается все время в этом положении, не меняя величину подачи топлива.
Скоростной режим работы двигателя, показывающий зависимость изменения мощности двигателя Ne от частоты вращения KB n при неизменной цикловой подаче топлива, называется внешней характеристикой двигателя. В данном случае двигатель работает в режиме номинальной внешней характеристики. При меньших, чем для номинального режима, постоянных цикловых подачах топлива будут осуществляться частичные (долевые) внешние характеристики.
Работа двигателя по внешней характеристике вследствие увеличения тормозного момента будет характеризоваться соответствующим уменьшением частоты вращения KB и мощности. Если двигатель продолжать загружать тормозом, то, перейдя рубеж минимально устойчивой частоты вращения ко-ленвала nmin, двигатель заглохнет -- остановится. Во избежание этого в точке D, соответствующей минимально устойчивой частоте вращения KB, включается регулятор поддержания минимальной частоты вращения KB, a нагружение двигателя тормозом постепенно уменьшается до Ме = 0, Ne = 0, т.е. двигатель в дальнейшем переходит в режим работы холостого хода при Ne = 0.
Этот процесс (отрезок DA) определяет режим работы с минимально устойчивой частотой вращения коленвала nmin.
В результате, в координатах «Ne - п» изображается поле возможных нагрузок двигателя, ограниченное снизу линией холостого хода АВ при Ne = 0, справа -- регуляторной характеристикой ВС при nсн = const, сверху -- внешней номинальной характеристикой CD, слева -- режимом минимально устойчивой частоты вращения коленвала nmin -- отрезок DA.
1.2 Поле допустимых длительных по времени нагрузок двигателя
Определение границ поля возможных режимов работы двигателя не означает, что в его пределах можно длительно нагружать двигатель, обеспечивая его надежную работу.
Конструктивные особенности двигателя, прочность его деталей, процессы газообмена и теплообмена накладывают определенные ограничения на обеспечение длительного по времени режима его работы. Эти ограничения определяются показателями его механической и тепловой напряженности, а также возможностями эффективной работоспособности газовыпускного тракта, за пределами которых не обеспечивается надежная продолжительная работа двигателя.