Применение ВРШ во многом снимает вышеуказанные недостатки ВФШ за счет того, что изменение нагрузки двигателя в установках с ВРШ может осуществляться не только за счет изменения подачи топлива, а также путем воздействия на шаг винта. Это значительно расширяет область эксплуатационных режимов энергетической установки, увеличивает возможность полного использования номинальной мощности ГД, улучшает маневренное качества судна, компенсирует влияние внешних факторов на характеристику винта и исключает режимы работы в области «тяжелого» винта.
При использовании установки с ВРШ можно выделить три основные возможные сочетания режимов работы ГД и ГВ:
Режим работы ГД при постоянной частоте вращения вала (n = const) и переменном шаговом отношении ГВ (H/D = var) где Н -- шаг винта, D -- его диаметр.
При работе двигателя с переменной частотой вращения вала (n = var) и изменяемым шаговым отношением (H/D = var).
Режим работы установки в условиях фиксированного шага, т.е. когда не меняется шаговое отношение (H/D = const), а мощность двигателя и частота вращения изменяются в соответствии с законом винтовой характеристики (n = var, Ne = cn3, где с -- постоянная винтовой характеристики).
Первый вариант -- управление ВРШ при постоянной частоте вращения, применяется для транспортных судов, траулеров и других типов судов, где есть возможность использования валогенератора на различных нагрузочных режимах работы двигателя.
Второй способ -- управление путем изменения частоты вращения и шага винта, так называемое комбинаторное управление, применяется в основном для частичных нагрузок двигателя и маневренных режимов. Этот вариант, как показывает практика, позволяет снизить расход топлива по сравнению с другими способами управления.
Третий способ -- работа ВРШ по характеристике фиксированного шага используется, как правило, на режимах полного хода.
Следует отметить, что при работе на ВРШ условия для перегрузки ГД становятся более вероятными, чем при работе на ВФШ, так как управление может осуществляется одновременно изменением подачи топлива на ГД и изменением шага ГВ. Т.е. в отличие от работы ГД на ВФШ в пропулъсивной установке с ВРШ вместо одного управляемого воздействия вводятся два (топливо и шаг ГВ).
Эти обстоятельства выдвигают специфические требования к назначению режимов работы ГД, к системам управления и зашиты. В программах дистанционного управления главным двигателем с ВРШ обычно предусматривается регулятор нагрузки, который связывает положение рейки топливного насоса и разворот лопастей винта, не допуская возможности перегрузки двигателя путем воздействия на изменение шага винта [5].
Как было показано в разделе 2 данного конспекта и в методических указаниях для выполнения курсовой работы, для установок с ВФШ разрабатываются паспортные диаграммы пропульсивной установки, на которых строятся графики изменения мощности ГД, полезной тяги винта и других показателей работы СЭУ в зависимости от скорости движения судна и частоты вращения ГВ. Такие графики, показывая взаимодействие ГД и ГВ, позволяют назначать и контролировать режимы работы пропульсивной установки в различных эксплуатационных условиях плавания судна.
В отличие от установок с ВФШ такую паспортную диаграмму для установок с ВРШ практически рассчитать и построить очень сложно, т.к. требуется увязать (согласовать) между собой значительно большее число изменяющихся показателей (Ne, H/D, n, v) работы пропульсивной установки (ПУ). Следовательно, для этой цели нужно рассчитать и построить множество частных паспортных диаграмм для различных условий плавания судна с ВРШ [11].
3.2 Расчет и построение частной паспортной диаграммы судна с винтом регулируемого шага при постоянной частоте вращения гребного винта
Для построения паспортной диаграммы судна с ВРШ, работающего при переменой частоте вращения винта, в общем случае потребуется значительное количество показателей (Ne, H/D, n, v), характеризующих согласование между собой режимы работы ГД и ВРШ. Для этой цели обычно используют универсальную ходовую характеристику судна -- зависимость мощности ГД Ne от скорости судна v при различных частотах вращения винта п и его шагового отношения H/D выполненную для определенных условий плавания судна.
Построение такой универсальной ходовой характеристики может быть сделано на основании значительного количества испытаний для получения значений Ne, H/D, n, v в различных условиях работы судна. Трудоемкость выполнения таких испытаний весьма высока и не всегда имеются условия для их проведения.
Для транспортных морских судов в силу специфики их работы можно ограничиться рассмотрением совместного управления ГД и ВРШ при постоянной частоте вращения винта. Это намного упрощает задачу построения паспортной диаграммы судна. В таком варианте работы ГД с ВРШ при n=const назначение режима пропульсивной установки осуществляется путем изменения шагового отношения H/D, т.е. разворотом лопастей винта. Для эксплуатационных условий работы транспортного судна в этом случае можно с достаточной точностью принять зависимость изменения скорости движения судна v прямо пропорциональной величине шага винта Н или шаговому отношению H/D, т.е. v/Н= const.
Практика и данные испытаний установок с ВРШ подтверждают справедливость такого допущения в диапазоне эксплуатационных скоростей движения судна.
Для расчета необходимых величин для построения паспортной диаграммы судна с ВРШ исходными данными служат:
номинальная частота вращения nсн, с-1;
удельный расход топлива Ве, кг/кВт·ч;
эффективный КПД зе..
Расчет паспортной диаграммы следует начинать с определения относительной поступи гребного винта лР, взяв за базовый известный режим работы судна в грузу, при этом из паспортных данных судна берем:
vГ -- скорость судна в грузу, узл;
п -- частота вращения ГВ на номинальном режиме работы ГД, с-1. Относительную поступь ГВ определяем по формуле:
где щ -- коэффициент попутного потока определяется из выражений:
щ = 0,5 д - 0,05 -- для одновинтовых судов;
щ = 0,55 д -- 0,20 -- для двухвинтовых судов,
Здесь д -- коэффициент полноты корпуса судна.
Затем задаемся несколькими значениями лР, при этом одно значение лР берем больше определенного лРР для расчетного режима, а два - три значения лР меньше его с учетом того, чтобы охватить весь возможный диапазон режимов работы пропульсивного комплекса. Ориентировочно можно рекомендовать диапазон изменения лР от 0,75 до 1,15 от расчетного значения лРР.
Далее задаемся рядом значений (не менее четырех) шагового отношения H/D меньше величины расчетного шагового отношения H/D < (H/D)Р, с учетом охвата всего поля возможных нагрузочных режимов работы ГД. Ориентировочно можно рекомендовать задаваться величинами H/D в пределах 0,7...1,0 расчетного шагового отношения (H/D)Р.
Для всех выбранных значений относительной поступи лР и шагового отношения винта H/D, учитывая соотношение v/H = const при n=const, рассчитываем скорость судна v в узлах по формуле:
где постоянную с1 находим из выражения для известной из паспортных данных скорости судна в грузу
Здесь индексы «р» у всех величин соответствует расчетному режиму при движении судна в грузу.
Выполняем расчет мощности ГД по закону винтовой характеристики при движении судна в грузу (расчетная номинальная винтовая характеристика), используя кубическую зависимость изменения мощности от скорости движения судна Ne = c2 v3, где постоянную с2 определяем из известных судовых паспортных данных Nен = с2хГ3, откуда сг = Nен / хГ3.
Для выполнения дальнейших расчетов, необходимых при построении паспортной диаграммы пропульсивной установки, находим по кривым действия гребного винта (по Z и и) безразмерное коэффициенты момента k2 для всех принятых значений относительной поступи лР и шагового отношения H/D.
Производим расчет определения мощности ГД Nе для всех принятых значений лР и H/D по формуле, взятой из теории гребных винтов:
Схема вышеприведенных расчетов Ne сведена в табл. 3.1.
По результатам расчетов строим графики изменения эффективной мощности ГД в зависимости от скорости движения судна v и шагового отношения винта H/D при постоянных лР (винтовые характеристики) и постоянных H/D (нагрузочные характеристики).
Для проведения расчетов и построения ходовой характеристики судна, показывающей зависимость изменения полезной тяги винта Ре от скорости судна v и величины шагового отношения винта H/D, находим по кривым действия ГВ (по Z и и) безразмерные коэффициенты упора k1 для всех принятых значений относительной поступи лР и шагового отношения H/D.
Производим расчет определения полезной тяги винта Ре для всех принятых значений лР и H/D по формуле, взятой из теории движителей,
Ре =k1сn2D4(1-t)·10-3 кH,
гдеk1 -- безразмерный коэффициент упора ГВ;
t-- коэффициент засасывания, который можно определить по следующему выражению:
t = 0,60 (1 + 0,67 щ) щ -- для одновинтовых судов,
t = 0,80 (1 + 0,25 щ) щ -- для двухвинтовых.
Здесь щ -- коэффициент попутного потока.
При постоянных величинах частоты вращения ГВ и коэффициента засасывания (n = const, t = const) в формуле для определения Ре можно выделить постоянную с4 = сn2D4(1-t), тогда Ре = с4 k1.
Схема расчета Ре приведена в табл. 3.1.
Таблица 3.1. - Расчет паспортной диаграммы судна с ВРШ
По результатам расчетов строим ходовую характеристику судна, т.е. зависимость изменения Ре от скорости хода судна и шагового отношения Н/D в координатных осях «Ре -- х» [3].
Для определения максимально достижимой полезной тяги Ре при различных скоростях движения судна, когда ГД может работать с постоянными величинами номинальной мощности (Neн=const) и частоты вращения (n=const), но с переменном шаговым отношением (H/D=var) находим по кривым действия винта значения безразмерных коэффициентов упора k1 из условия, что при постоянной мощности ГД соответствует постоянный безразмерный коэффициент момента k2, т.к. Nе = 2рk2 сn3 D5 = const, то и k2=const (см. рис. 3.1).
Определяем значения полезной тяги Ре по формуле Pe=c4k1 для выше найденных величин k1 и строим зависимость изменения достижимой величины Ре в области режимов работы пропульсивной установки от расчетного (х = хГ) до швартовного (х = 0). При скоростях v > vГ (малые осадки, ход в балласте) предельно достижимой тягой можно считать ее равной при работе ВРШ с расчетным шаговым отношением (H/D)Р = const.
Рис. 3.1. Определение k1 при k2 = const
3.3 Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна
Для выделения области допустимых режимов работы ГД и пропульсивного комплекса в целом на паспортной диаграмме наносятся ограничительные (заградительные) характеристики, чтобы не допустить перегрузки СЭУ по механической напряженности.
Как уже было сказано, двигатель считается механически перегруженным, если он работает в режиме, превышающем номинальные показатели мощности, крутящего момента, частоты вращения вала.
Эффективная мощность двигателя на номинальном режиме работы равняется:
Neн=2рncнMен
Величина номинального крутящего момента Мен служит ограничителем допускаемой мощности. Если же двигатель на ВРШ работает с постоянной частотой вращения (n=const), то в этом случае ограничительной характеристикой будет служить величина номинальной эффективной мощности (Neн = const) в области режимов работы ГД от расчетного номинального (х = хГ) до швартовного (v = 0).
При движении судна в балласте и при осадках меньше грузовой марки следует, очевидно, принимать в качестве ограничительной характеристики режим работы ГД при постоянном расчетном шаговом отношении винта (H/D)p =const). Для этого режима работы при п = const эффективная мощность ГД будет меньше номинального значения Nен.
Нанесение ограничительной характеристики на графике изменения полезной тяги при работе двигателя в режиме Nен = const, H/D=var следует данные для построения этой границы взять из методики расчета предельно допустимой полезной тяги Ре, приведенной в пп. 3.2.13, 3.2.14.
Можно также воспользоваться ограничительной характеристикой на паспортной диаграмме, соответствующей режиму работы ГД при Nен = const. Для этого следует точки пересечения прямой Nен = const с прямыми H/D=const перенести по вертикали на ходовую характеристику изменения Ре в зависимости от H/D и определить точки пересечения на соответствующих прямых H/D. Проводя прямую через эти точки, получаем границу предельной тяги, достижимой при данных ГД и ГВ, для соответствующей скорости движения судна.
Если на диаграмму Pe=f2 (v, H/D), нанести кривую сопротивления судна R=f1(v), то можно определить нужное шаговое отношение ГВ и соответствующую скорость хода судна. При пересечении графика с границей предельной тяги определяется скорость полного хода и соответствующее ей шаговое отношение гребного винта.