При длительном испытании двигателя на стенде на номинальном режиме работы определяются основные показатели, характеризующие этот режим работы: крутящий момент на валу двигателя Ме, частота вращения KB п, температуры и давления рабочих сред.
В эксплуатационных условиях режим работы двигателя, т.е. его нагрузка, устанавливается таким образом, чтобы ни один из этих показателей не превосходил своего номинального значения, иначе двигатель считается перегруженным.
Одним из надежных, легко регистрируемых показателей динамической (механической) напряженности, служит частота вращения КВ.
Таким образом, номинальное значение частоты вращения KB nсн определяет границу допустимого режима работы двигателя без перегрузки по механическим напряжениям (отрезок ВС на рис. 1.1).
Верхней границей допустимой максимальной мощности двигателя при работе без перегрузки является ограничение по тепловой и механической напряженности.
Дизелестроительные заводы рекомендуют, что в диапазоне частот вращения KB меньше номинальной nсн механическую напряженность следует оценивать по величине среднего индикаторного давления Рi или среднего эффективного давления Ре. Учитывая то, что среднее Ре пропорционально крутящему моменту на валу двигателя Ме можно назначать границу по механической напряженности, при которой развиваемый двигателем крутящий момент Ме не превосходит номинального значения Мeн.
Эта граница будет соответствовать величине эффективной мощности двигателя Ne при работе его с номинальным крутящим моментом Мeн = const.
Величина номинального крутящего момента определяется по формуле:
где Neн -- номинальная эффективная мощность двигателя, кВт;
nсн -- номинальная частота вращения КВ, с-1.
При постоянном номинальном крутящем моменте (Мен = const) значение величины эффективной мощности Ne при различных частотах вращения KB определяется по формуле:
Тогда ограничительная характеристика по механической напряженности, соответствующая работе двигателя с постоянным номинальным крутящим моментом, на рис. 1.1. изображается отрезком ОС, соединяющим начало координат с точкой номинального режима работы двигателя С (МДМ).
Однако ограничительная характеристика по механической напряженности при изменении эффективной мощности двигателя Ne при постоянном номинальном крутящем моменте на валу двигателя Мен = const не ограждает работу двигателя с перегрузкой по тепловой напряженности, т.е. не исключает превышения допустимых температурных напряжений в деталях цилиндропоршневой группы: втулки, поршня и цилиндровой крышки.
Дизелестроительные заводы в своих инструкциях по эксплуатации двигателей дают рекомендации по предотвращению недопустимых в тепловом отношении режимов работы двигателя. Считается, что в пределах частот вращения KB (0,9... 1,0) nн ограничительной характеристикой может служить номинальная величина среднего эффективного давления Рен = const, т.е. Меи = const [5].
Следовательно, в этом диапазоне частот вращения KB ограничительные характеристики по тепловой и механической напряженности совпадают (отрезок СЕ). Далее, для обеспечения надежной работы двигателя при понижении частоты вращения KB максимальное значение, как Ре, так и Ме должно быть снижено путем уменьшения подачи топлива.
Зависимость изменения максимальной эффективной мощности Ne при п<0,9псн изображается более крутым отрезком EF. В результате, ограничительная характеристика режима работы двигателя, ограждающая его от тепловой и механической перегрузки изображается ломаной линией СЕР.
Это так называемая верхняя ограничительная характеристика максимально допустимой величина эффективной мощности Ne при работе двигателя в тяжелых условиях нагружения его гребным винтом вследствие погодных условий, обрастания корпуса, коррозии и повреждения гребного винта, мелководья и других причин.
В практике эксплуатации судна иногда возникают условия, когда имеется определенный резерв времени рейса, т.е. судно, исходя из экономической целесообразности, может двигаться с пониженной скоростью, следовательно, и с пониженной мощностью главного двигателя. Это так называемый режим экономичного хода судна. При этом режиме работы достигается существенная рейсовая экономия топлива за счет того, что при значительном снижении мощности дизеля (до Ne = (0,50...0,70) Neн), а, значит и часового расхода топлива Вч [кг/ч], скорость хода v хотя и снижается, но не так существенно, как мощность, так как зависимость между этими двумя величинами кубическая -- Ne = kv3, где k -- постоянная. И хотя время перехода судна будет больше, но расход топлива на весь рейс окажется меньшим [5].
В каких же пределах можно допустить снижение мощности главного двигателя без ущерба эффективности его работы в режиме работы экономичного хода судна? Практикой установлено, что работа двигателя на пониженной мощности сопровождается усиленным нагарообразованием в цилиндрах и особенно в газовыпускном тракте. Кроме того, на частичных режимах работы ГД установки ухудшаются показатели работы утилизационного котла, а на режимах малых нагрузок ПТЭ морских и речных судов требуют производить обвод выпускных газов дизеля для предотвращения интенсивного отложения сажи [10].
В связи с этим возникает необходимость установить нижнюю границу допустимой длительной минимальной мощности ГД при работе судна в режиме экономичного хода.
Практика эксплуатации дизелей показывает, что такой границей служит величина снижения мощности не ниже 50 % номинальной мощности 0,5 Neн. На графике (рис. 1.1) эта нижняя ограничительная характеристика представлена отрезком KL [6].
Таким образом, область длительных допустимых нагрузок двигателя ограничивается: справа -- регуляторной характеристикой LC при пся=const; слева -- верхней ограничительной характеристикой максимальной длительной мощности без тепломеханических перегрузок, линия СЕК; снизу -- нижней ограничительной характеристикой минимально допустимой мощности на режиме экономичного хода, отрезок KL.
По сравнению с площадью возможных режимов работы двигателя поле допустимых длительных нагрузок двигателя значительно сузилось в рамках площади CEKLC (заштрихованная область).
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 -- Ne = f(n), так и нагрузочные, когда нагрузка двигателя может изменяться при неизменной частоте вращения коленвала (Ne = 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 Ne 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 Мен = const,
EK -- ограничительная характеристика по теплонапряженности;
CL -- ограничительная регуляторная характеристика при псн = const;
KL -- нижняя ограничительная характеристика при Nе = 0,5Nен
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) nсн 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 Ne = cn3 (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 Nен и псн
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 псн = 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 1,04псн, не переходя границы номинальной мощности двигателя Neн (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).
Вопросы к разделу 1
1. Что такое холостой ход двигателя?
2. Укажите зависимость эффективной мощности от крутящего момента и частоты вращения двигателя.
3. Что такое регуляторная характеристика двигателя?
4. Что такое номинальный режим работы двигателя?
5. Что такое внешняя характеристика двигателя?
6. Что такое минимальная устойчивая частота вращения двигателя?
7. Укажите границы поля возможных нагрузок дизеля.
8. Изобразите поле возможных режимов работы дизеля.
9. Какие основные параметры (показатели) характеризуют режим работы двигателя?
10. Укажите цели проведения стендовых испытаний двигателя.
11. С какой целью устанавливаются ограничительные характеристики для режимов работы двигателя?
12. Какие основные показатели двигателя определяются при стендовых испытаниях?
13. В каком случае двигатель считается перегруженным?
14. Какие параметры характеризуют механическую напряженность дизеля?
15. Как определяется величина номинального крутящего момента дизеля?
16. Какие показатели характеризуют тепловую напряженность дизеля?
17. Как отличаются ограничительные характеристики по механической и тепловой напряженности?
18. Какие условия работы судна могут вызвать перегрузку двигателя?
19. Что такое режим экономичного хода, каковы его цели?
20. В каких пределах можно допустить снижение мощности дизеля без ущерба эффективности его длительной работы?
21. На чем может отразиться длительная работа двигателя на малых нагрузках?
22. Что такое скоростные и нагрузочные режимы работы двигателя?
23. Что такое винтовая характеристика двигателя?
24. При каких условиях может возникнуть наиболее тяжелый режим работы ГД, чем он характеризуется?