Курс лекций: Техническая эксплуатация судовых энергетических установок

25. Чем характеризуется наиболее легкий режим работы двигателя, какая при этом существует ограничительная, характеристика?

26. Чем отличается режимы работы двигателя, работающего на ВФШ, от режимов работы дизель-генератора?

27. Чем могут отличаться режимы работы двигателя работающего на ВФШ или на ВРШ?

28. Укажите границы допустимых режимов работы дизеля.

29. Изобразите поле допустимых режимов работы дизеля.

2. Режимы работы пропульсивной установки судна с ВФШ

2.1 Ходовая характеристика судна

Работа главных судовых двигателей осуществляется в различных условиях плавания судна и связана со значительными изменениями их показателей: мощности, экономичности, тепловой и механической напряженности и др. Совокупность значений этих показателей характеризует режим работы двигателя.

Главные судовые двигатели, предназначенные для вращения гребного винта, получают от него нагрузку. Если не предусмотрен дополнительный отбор мощности от главного двигателя (например, применение валогенератора), то для любого режима плавания судна мощность, отдаваемая двигателем, будет определяться мощностью, потребляемой гребным винтом, с учетом потерь в передаче и линии валопровода. Мощность, потребляемая гребным винтом, в свою очередь, зависит от скорости судна и сопротивления среды его движению, которое в зависимости от условий плавания судна может существенно изменяться (обрастание корпуса и гребного винта, изменение осадки, буксировка, влияние мелководья, штормовые условия плавания и др.).

Увязать взаимодействие пропульсивного комплекса (главного двигателя, гребного винта и корпуса судна) в разнообразных условиях плавания позволяет расчет и построение ходовой или паспортной диаграммы судна [2].

На паспортной диаграмме наносятся графические зависимости сопротивления воды движению судна R = f₁ (х₁, n₁) и полезной тяги Р_е = f₂ (х₂, n₂) от скорости судна х и частоты вращения гребного винта n₁.

При установившемся режиме хода судна уравнение равновесия сил, действующих на корпус судна, имеет следующий вид:

где R -- полное сопротивление воды движению судна, Н;

Q -- тяга на гаке, Н;

Р -- упор гребного винта, Н;

Z_B -- число работающих винтов;

t -- коэффициент засасывания;

Р_е -- полезная тяга винта, Н.

Для определения величины полезной тяги воспользуемся уравнением из теории движителей:

где k -- безразмерный коэффициент упора, определяемый по кривым действия гребного винта для данного значения относительной поступи винта л_р;

n_с -- частота вращения гребного винта, с^-1;

D_В -- диаметр винта, м;

с -- плотность забортной воды, кг/м³.

Относительная поступь гребного винта определяется по следующей формуле:

Где х_p -- расчетная скорость поступательного движения гребного винта, м/с.

Для определения расчетной скорости х_p служит формула:

где х -- скорость судна, м/с;

щ -- коэффициент попутного потока.

Путем наложения графиков R = f₁ (х₁, n_с) и Р_е = f₂ (х₁, n_с) получаются режимы совместного действия корпуса судна и гребного винта.

Пользуясь паспортной диаграммой, можно для каждых заданных значений скорости судна и частоты вращения гребного винта определить полезную тягу винта, тягу на гаке и оценить допустимость данного режима работы двигателя, не переходя за границы ограничительных характеристик двигателя по крутящему моменту М_е и частоте вращения вала п_с

Для определения (анализа) режима, совместной работы гребного винта с двигателем на паспортной диаграмме наносится графические зависимости изменения мощности главного двигателя от частоты вращения вала и скорости судна [2, 9].

Чтобы знать поле допустимых режимов работы главного двигателя совместно с гребным винтом, на паспортной диаграмме указываются границы этой области, для чего наносятся ограничительные характеристики по максимальным значениям величин крутящего момента и частоты вращения вала двигателя. Также на паспортной диаграмме могут быть показаны зависимости изменения и других величин, характеризующих режим работы главного двигателя (расход топлива, среднее эффективное давление, температура выпускных газов, пропульсивный КПД и др.).

2.2 Расчет и построение паспортной диаграммы судна

Расчет и построение паспортной диаграммы связано с использованием значительного количества показателей и зависимостей, данные о которых могут быть получены опытным путем по результатам натурных испытаний судна и его энергетической установки или же с помощью расчетов на основании имеющихся величин, характеризующих элементы гребного винта, корпуса судна и главного двигателя. Построение паспортной диаграммы по результатам натурных испытаний практически не осуществимо, т. к. требует значительного количества опытов для различных условий плавания судна (при разных осадках, скоростях судна, частотах вращения гребного винта и т.п.). Это задача чрезвычайно трудоемкая. С другой стороны, построение паспортной диаграммы только на результатах теоретических расчетов, может привести к существенным неточностям. Поэтому наиболее целесообразно строить паспортную диаграмму по данным расчета, в котором используются и имевшиеся материалы испытаний судна [2, 9].

Исходными данными для расчета и построения паспортной диаграммы служат:

¦ размерения корпуса судна:

длина судна между перпендикулярами L, м;

ширина судна по миделю В, м,

осадка по грузовую марку Т_Г, м;

осадка судна в балласте T_б, м;

объемное водоизмещение в грузу V, м³;

¦ коэффициент полноты корпуса судна д, который определяется по формуле:

¦ гидродинамические характеристики гребного винта:

диаметр винта D_в, м;

шаг винта Н, м;

число лопастей Z;

шаговое отношение H/D_в;

дисковое отношение и;

¦ КПД передачи (редуктора) з_п;

¦ КПД линии валопровода з_вл

Расчет паспортной диаграммы следует начинать с определения относительной поступи гребного винта л_р (по формуле 2.3), взяв за базовый известный по паспортным данным режим работы судна:

v_Г -- скорость судна в грузу, узл;

n_с -- частота вращения гребного винта, с^-1.

При этом величину коэффициента попутного потока можно определить по формуле:

где показатель степени х учитывает количество винтов.

Или же можно применить следующие расчетные формулы:

щ = 0,5 д - 0,05 -- для одновинтовых судов;

щ = 0,55 д -- 0,20 -- для двухвинтовых судов,

где д -- коэффициент полноты корпуса судна.

Затем выбираем несколько значений л_р, при этом одно значение л_р берем больше выше определенного, а два-три значения л_р меньше его, с рас четом того, чтобы охватить весь возможный диапазон режимов работы пропульсивного комплекса.

После этого определяем коэффициенты упора k₁, и момента k₂ по кривым действия гребного винта для каждого из выбранных значений относительной поступи л_р.

Далее задаемся рядом значений (не менее четырех) частоты вращения гребного винта (вала двигателя) n_с, начиная с величины n_с = (0,7... 0,8) n_сн до полного хода n_спх = n_сн с учетом охвата всего поля возможных нагруженных режимов работы главного двигателя, где n_сн -- частота вращения гребного винта на номинальном режиме работы главного двигателя.

Для всех выбранных значений относительной поступи и частоты вращения гребного винта/главного двигателя рассчитываем скорость судна х в узлах по формуле:

Учитывая, что величины D_в -- диаметр гребного винта и щ -- коэффициент попутного потока не меняются, можно формулу (2.5) записать в виде:

где постоянная с₁ равна:

В формуле (2.2) такие величины как с -- плотность забортной воды, D_B -- диаметр гребного винта и t -- коэффициент засасывания можно считать для данных условий постоянными. Поэтому эту формулу можно представить в виде:

где постоянная с₂ = с D_в⁴ (1-t) · 10 ^-3.

Используя формулу (2.2), рассчитываем величину полезной тяги Р_е для всех выбранных значений л_р. и п_с.

Коэффициент засасывания t можно подсчитать по следующим формулам:

для одновинтовых судов t = 0,60 (1 + 0,67 щ) щ, где щ -- коэффициент попутного потока.

для двухвинтовых судов t = 0,80 (1 + 0,25 щ) щ.

Плотность забортной морской воды обычно принимают равной с=1025 кг/м³.

Из теории движителей известно, что момент М_в, потребляемый гребным винтом, выражается через частоту вращения вала п_с, коэффициент момента k_г и диаметр гребного винта D_B следующим образом:

Тогда мощность, потребляемая винтом, будет равна N_в = M_в щ, где щ=2рп_е -- угловая скорость вала, следовательно:

N_в = 2рk₂ сn_с³ D_в⁵ ·10 ^-3 , кВт (2.7)

Отсюда находим эффективную мощность главного двигателя N_e, кВт, учитывая потери мощности в передаче и валопроводе через КПД з_п и з_вл, которые можно принять равными з_п = 0,97...0,99, а з_вл = 0,96...0,98:

По формулам (2.8) и (2.8,а) проводим расчеты N_e для всех значений k₂ и п_с.

Схема расчета для построения паспортной диаграммы приведена в таблице 2.1.

По результатам расчета строим графики изменения эффективной мощности главного двигателя N_e = f₃ (х, n_с) и полезной тяги гребного винта P_е=f₂(х, n_c) в зависимости от скорости судна х при выбранных постоянных частотах вращения гребного винта n_c = const.

Выберем оси координат. На оси абсцисс откладываем скорость судна v в узлах, начиная с первого меньшего значения, определенной расчетом, скорости до скорости полного хода в балласте. На оси ординат выше оси абсцисс откладываем величины эффективной мощности N_e, начиная с меньшего расчетного значения N_e до N_e = 1,1 N_ен, где N_ен -- мощность ГД на номинальном режиме работы. Ниже оси абсцисс откладываем на оси ординат величины полезной тяги Р_е от минимального значения до максимального расчетного.

Графики изменения N_e = f₃(v,n_с) и Р_е = f₂(.v, n_с) строим для принятых постоянных значениях n_с = const и для постоянных значений относительной поступи л_р.= const.

Для чего при принятых постоянных значениях n_с = const на оси абсцисс откладываем величину скорости v для каждой заданной относительной поступи л_р, а на оси ординат соответствующую величину мощности N_е. По точкам пересечения ординат N_e и абсцисс v строим кривые изменения мощности N_e и абсцисс при n_с = const для разных принятых значениях л_р. Соединяя точки, соответствующие значениям мощности для постоянных величин относительной поступи л_р = const, получаем зависимости изменения мощности по винтовым характеристикам.

Методика для построения кривых Р_е = f₂ (v, n_с) при п_с = const аналогична методике, приведенной выше для N_e. В результате получается сетка кривых, охватывающая основной диапазон нагруженных режимов работы главного двигателя.

Таблица 2.1 - Расчет паспортной диаграммы

2.3 Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна

Для выделения области допустимых режимов работы главного двигателя и пропульсивного комплекса в целом на паспортную диаграмму наносится ограничительные (заградительные) характеристики по крутящему моменту главного двигателя М_е и частоте вращения гребного винта (главного двигателя) п_с.

Прочность вала (в том числе KB ГД и валопровода) определяется исходя из допускаемых касательных напряжений [ф] величина которых определяется по формуле:

при диаметре вала d, м.

Отсюда следует, чтобы выполнить условие прочности вала, нельзя превышать расчетный крутящий момент М_е.

Для двигателей и валопроводов такой момент соответствует номинальному режиму работы двигателя при N_ен = 2рп_снМ_ен, откуда:

Двигатель считается перегруженным, если он работает на режиме, превышающем номинальную эффективную мощность N_eн, когда крутящий момент М_е или частота вращения вала п_с превышают номинальные величины (с индексом «н»).

Для нанесения на паспортную диаграмму ограничительной характеристики для N_e при М_ен = const исходя из линейной зависимости изменения мощности N_e = М_ен 2рп_сн, нужно определить две точки на диаграмме. Одна точка соответствует номинальному режиму N_eн и п_сн, а вторая точка может быть определена для любой частоты вращения п_с1 по формуле:

Проводя через эти две точки прямую линию, получаем границу изменения величины эффективной мощности N_e при М_ен = const.

Для нанесения ограничительной характеристики по М_ен на графике изменения полезной тяги Р_е при М_ен = const следует полученные расчетные точки ограничительной характеристики для мощности N_e и частоты вращения п_с соответственно перенести по вертикали на кривые изменения Р_е. Это точки пересечения прямой N_e при М_ен = const с линиями п_сн = const и п_с1 = const.

Проводя прямую через эти точки на графике изменения Р_е = f₂(.v, n_с), получаем границу предельной располагаемой тяги, достижимой при данных гребного винта и ГД, для соответствующей скорости движения судна.