Перенеся полученные точки пересечения кривых сопротивления и тяги при различных шаговых отношениях ГВ на диаграмму зависимости Ne =f3(v, H/D), получаем значения требуемой мощности ГД для достижения соответствующей скорости судна и полезной тяги.
Зная границу предельной тяги и кривую сопротивления судна, можно определить буксировочные возможности судна. Тяга на гаке, которая может быть использована для буксировки объектов, равняется разности между максимальной полезной тягой и величиной сопротивления судна при данной скорости судна. Предельная тяга, равная сумме сопротивления судна и буксируемых объектов, позволяет определить достижимую скорость буксировки и соответствующие им мощность двигателя и нужное для этого шаговое отношение ГВ.
Режим работы ГД выше ограничительной характеристики по Nен = const назначать нельзя.
Заводы-изготовители двигателей обычно предусматривают возможность кратковременного режима работы двигателя на максимальной мощности, превышающей на 10% номинальную мощность Nеmax =1,1 Nен.
На режиме максимальной мощности, как правило, разрешается непрерывно работать не более одного - двух часов. Исходя из кубической зависимости изменения эффективной мощности двигателя Ne от частоты вращения вала при работе по винтовой характеристике» т.е. Ne = сп3, можно определить предельную частоту вращения вала nmax при максимальной мощности (перегрузочный режим работа главного двигателя) сп3шах=1,1с п3сн, откуда определяем величину птзх=1,03псн.
При этом перегрузочном режиме работы двигателя максимальный крутящий момент равен
Эти значения величин Nеmax и nmax можно нанести на паспортную диаграмму в качестве предельных ограничительных характеристик. При назначении этого режима работы всегда следует помнить, что, как и в случае ПУ с ВФШ, ПТЭ судовых дизелей предусматривают работу дизеля с перегрузкой только в исключительных случаях, также должны быть соблюдены требования заводов-изготовителей при работе на этом режиме.
При работе с перегрузкой должны быть соблюдены все требования заводской инструкции по эксплуатации в части допускаемых величин превышения мощности и частоты вращения, а также в части продолжительности работы дизеля в режиме перегрузки.
3.4 Пример расчета и построение частной паспортной диаграммы судна с винтом регулируемого шага
Исходные данные взяты из паспортных характеристик того же судна, использовавшегося в раннее приведенных примерах:
¦ Размерения корпуса судна:
длина судна между перпендикулярами L=172,86 м;
ширина судна по миделю В=22,87 м;
осадка но грузовую марку Т=9,54 м;
водоизмещение судна в грузу Vr= 30900 т;
скорость полного хода в грузу хг = 18 узл.
¦ Гидродинамические характеристики гребного винта:
диаметр винта D= 6,05 м;
расчетный (конструктивный) шаг винта Нр=5,75 м;
число лопастей Z=4;
дисковое отношение и=0,45;
расчетное (конструктивное) шаговое отношение (Н/D)р=0,95;
¦ Данные по главному двигателю
номинальная эффективная мощность Nен=10200 кВт;
номинальная частота вращения и псн=107 мин-1 =1,78 с-1;
удельный расход топлива Ве=0,175 кг/кВт·ч;
эффективный КПД зе=0,49.
Передача мощности от ГД к гребному винту -- прямая.
КПД линии валопровода принимаем равным звл=0,98
Коэффициент полноты корпуса судна определяем по формуле:
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=c2v3.
По кривым действия гребного винта (по Z и и) находим безразмерные коэффициенты момента k2 для всех принятых значений относительной поступи лр и шагового отношения H/D.
Согласно расчетам проводим построение ходовой характеристики судна, т.е. зависимости изменения Ре от скорости хода судна и шагового отношения в координатных осях «Ре - х».
Для определения максимально достижимой полезной тяги Ре при различных скоростях движения судна, когда ГД может работать с постоянными величинами номинальной мощности (Nен=10200 кВт) и частота вращения (псн=1,78 с-1), но с переменным шаговым отношением (H/D=var), находим по кривым действия винта значения безразмерных коэффициентов упора k1 из условия, что при постоянной мощности ГД будет соответственно постоянный коэффициент момента k2=const.
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).
Для построения номограмм для определения пропульсивного КПД и расхода топлива на ГД воспользуемся данными расчетов, приведенными в методических указаниях для выполнения курсовой работы.
По результатам вышеприведенных расчетов на рис. 3.2 представлена режимная карта пропульсивной установки судна с ВРШ.
Вопросы к разделу 3
1. В каком случае ГД работает по винтовой характеристике?
2. Чем отличаются управления главным двигателем судна с ВРШ и с ВФШ?
3. Какие основные возможные режимы работа ГД и ГВ можно осуществить в установке с ВРШ?
4. Почему при работе на ВРШ условия работы для перегрузки ГД становятся более вероятными?
5. Что такое регулятор нагрузки и для каких целей он предназначен?
6. В чем заключается сложность расчета и построения паспортной диаграммы для пропульсивной установки с ВРШ?
7. Почему значительно упрощается расчет и построение паспортной диаграммы судна с ВРШ при постоянной частоте вращения ГВ?
8. Какие необходимо иметь данные для расчета паспортной диаграммы установки с ВРШ?
9. Какая зависимость существует между скоростью судна и шагом ВРШ?
10. Какие режимы работы ПУ с ВРШ характеризуются постоянной величиной безразмерного коэффициента момента k2.
11. Какие ограничительные характеристики режимов работы ГД существуют при работе на ВРШ?
12. Определите на паспортной диаграмме величину располагаемой полезной тяги при различных скоростях хода?
13. Определите на паспортной диаграмме величину тяги на гаке при различных скоростях хода судна.
14. Определите на паспортной диаграмме величину сопротивления корпуса судна при различных скоростях хода.
15. Пользуясь режимной картой ПУ, определите пропульсивный КПД установки при различных скоростях хода судна.
16. Пользуясь режимной картой ПУ, определите часовой расход топлива ГД при различных режимах его работы.
17. Пользуясь кривыми действия ГВ, определите коэффициенты упора k1 и момента k2 для разных значений H/D.
Рис. 3.2. Режимная карта пропульсивной установки судна с ВРШ
4. Режимы работы пропульсивной установки судна при буксировке объектов
4.1 Условия работы пропульсивной установки судна при буксировке
В практике эксплуатации флота иногда приходится встречаться с неординарными задачами по выполнению буксировки объектов (плавкраны, плавучие доки, несамоходные суда и др.) транспортными судами, не предназначенными для использования их по такому назначению. При буксировке про-пульсивная установка судна должна обеспечить величину полезной тяги гребного винта Ре не только для преодоления сопротивления движению собственного корпуса судна R, но и для преодоления сопротивления буксируемого объекта Q, т.е. при установившемся режиме буксировки Pe=R + Q.
Гребной винт у транспортного судна обычно согласуется с главным двигателем для работы в режиме движения в полном грузу, т.е. при этом может использоваться номинальная мощность Neн ГД. При других условиях работы судна мощность ГД ограничивается или максимальной частотой вращения вала, не превышающей номинальную величину Neн (например, в балластном переходе или при малых осадках), или режим устанавливается без превышения механической и тепловой напряженности, обычно с соблюдением условия, чтобы крутящий момент на валу двигателя не превышал номинальное значение Ме<Мен.
Гребной винт в новых условиях работы в режиме буксировки становится гидродинамически более тяжелым, чем при обычной транспортной работе судна. При этом работа ГД, обеспечивающего вращение гребного винта и подчиняющегося закону потребляемой им мощности, будет происходить в режиме более крутой винтовой характеристики (Ne=cn3), расположенной левее спецификационной или эксплуатационной, что может привести к перегрузке главного двигателя.
Чтобы исключить перегрузку ГД, режим его работы следует назначать не переходя пределы ограничительной характеристики, указанные на паспортной диаграмме судне, соблюдая при этом все допускаемые величина параметров работы ГД (давления, температуры), характеризующие его нормальней режим без превышения тепловой и механической напряженности.
Используя паспортную диаграмму (ходовую характеристику) судна, увязывающую режимы работа ГД (его основные параметры) в зависимости от скорости движения судна, можно, определив величину скорости при буксировке объекта х2, назначать эксплуатационный режим работы ГД (точка 2 на рис. 4.1)
Знание величины скорости буксировки также необходимо для планирования ходового времени буксировки. Поэтому первоочередной задачей является определение скорости судна при буксировке объекта [1].
Если известна характеристика изменения сопротивления движению буксируемого объекта в зависимости от скорости движения Q=f(v), а также имеется тяговая характеристика судна-буксировщика, т.е. зависимость изменения полезной тяги на гаке (тяговое усилие) от скорости буксировки F=f(v), то эта задача решается путем наложения этих двух графиков, точка пересечения которых покажет величину скорости буксировки данного объекта (рис. 4.2: точка 1, скорость v1) при Q=F.
Рис. 4.1. Режим работы ГД при буксировке: I -- ограничительная характеристика ГД Meн=const; II -- расчетная винтовая характеристика ГД
Рис. 4.2. Определение скорости буксировки F -- полезная тяга на гаке буксировщика Q -- сопротивление буксируемого объекта
Обычно тяговые характеристики F=f(v) определяются при натурных испытаниях специальных буксирных судов или буксиров-толкачей, а для транспортных судов, как правило, построение этих характеристик не предусматривается.
4.2 Располагаемая полезная тяга гребного винта и тяговое усилие на гаке
Чтобы построить зависимость изменения тягового усилил F (полезная тяга на гаке) от скорости буксировка для транспортного судна-буксировщика, необходимо знать закон изменения располагаемой полезной тяги гребного винта PеР от скорости движения судна, а также характеристику изменения сопротивления движению корпуса судна в зависимости от скорости R=f(v).
При этом под термином «располагаемая полезная тяга гребного винта PеР подразумевается предельная величина полезной тяги Ре, достижимая для данного гребного винта и ГД, работающего без перегрузки по ограничительной характеристике при Mен=const, для соответствующей скорости движения судна. Т.е. располагаемая полезная тяга гребного винта PеР -- это максимально возможное значение полезной тяги гребного винта Ре для различных скоростей движения судна при условии работы двигателя с максимальной эффективной мощностью Ne без перегрузки.
Определив характеристику изменения PеР = f(х) и зная закон изменения сопротивления корпуса судна-буксировщика R=f(v), можно вычислить величину полезного тягового усилия судна-буксировщика при различных скоростях движения как разность между располагаемой полезной тягой и сопротивлением корпуса судна (рис. 4.3):
F = PеР -- R (4.1)
Рис. 4.3. Определение полезной тяги на гаке:
PеР -- располагаемая полезная тяга гребного винта;
R -- сопротивление корпуса судна-буксировщика;
F -- полезная тяга на гаке буксировщика
Конечные точки кривой F=f(v) соответствуют условиям:
¦ работа судна на швартовах, когда скорость движения равна нулю и соответственно, сопротивление корпуса также равно нулю; эта точка характеризует максимальную величину тяги на гаке, равную Fmах = Peш (индекс «ш» относится к режиму на швартовах);
¦ когда PеР = R, т.е. располагаемая полезная тяга используется только для преодоления сопротивления корпуса судна-буксировщика R (для буксирных судов для этого режима -- работа буксира без воза -- применятся термин «легкачем»).
При этом достигается максимальная скорость хода буксира при тяге на гаке, равной нулю -- F=0 (на рис. 4.3 -- это точка 1).
Изменение величины сопротивления корпуса транспортах судов /?, как известно, приближенно подчиняется закону квадратичной параболы в зависимости от скорости движения судна R = ах2, где а -- постоянная для данной характеристики корпуса судна.
На паспортной диаграмме судна (ходовой характеристике) обычно наносятся графики изменения сопротивления R в зависимости от скорости и для различных условий работы судна в режимах гидродинамически легких гребных винтов, согласованных (расчетных) и тяжелых.
На паспортной ходовой диаграмме судна может быть также показано изменение располагаемой полезной тяги PеР в зависимости от скорости движения судна, полученное графическим путем, совмещая точки ограничительной характеристики режимов работы главного двигателя при различных скоростях и частотах вращения вала с таковыми на графике изменения полезной тяги Ре. На рис. 4.4 показано перенесение точек I и 2 с ограничительной характеристики ГД на соответствующие частоты вращения гребного винта графика изменения полезной тяги.