На рис. 4.4 изображены: I -- располагаемая полезная тяга PеР; II -- полезная тяга при расчетной винтовой характеристике главного двигателя; III -- ограничительная характеристика ГД; IV -- расчетная винтовая характеристика ГД. В таком случае построение графика тяговой характеристики F=f(v) осуществляется расчетом согласно выражению F = PеР -- R [12].Т.к. ограничительная характеристика режимов работы ГД при постоянном номинальном крутящем моменте представляет линейную зависимость эффективной мощности Nе от скорости движения судна х, то и располагаемая полезная тяга PеР подчиняется этому закону, что, в частности, показывает графическое решение определения PеР, изложенное выше и показанное на рис. 4.3.
Рис. 4.4. Графическое определение располагаемой полезной тяги гребного винта
4.3 Аналитическое определение полезной тяги гребного винта и тяги на гаке
Можно решить задачу определения располагаемой полезной тяги PеР аналитически, для этого необходимо найти величину PеР хотя бы при двух значениях скорости движения судна v.
В паспортных данных судна или в отчетах проведенных теплотехнических испытаний обычно указываются параметры эксплуатационного расчетного режима движения судна в полном грузу с определенной скоростью v1, частотой вращения гребного винта п1, развиваемой ГД мощностью Ne1.
Используя эти данные, можно определить величину располагаемой полезной тяги PеР1 для этого режима (индекс 1), когда вся располагаемая полезная тяга гребного винта затрачивается на преодоление сопротивления движению корпуса судна, т.е. PеР1=R.
Для определения величины полезной тяги ре воспользуемся формулой из теории движителей:
¦ t = 0,60(1 + 0,67щ) щ -- для одновинтовых судов;
¦ t = 0,80(1 + 0,25 щ) щ -- для двухвинтовых, судов.
Величину коэффициента попутного потока щ определяют по следующим выражениям:
щ = 0,5д - 0,05 -- для одновинтовых судов;
щ = 0,55д - 0,2 -- для двухвинтовых судов.
Здесь д -- коэффициент полноты корпуса
д = V/(LBT)
Взяв необходимые данные из паспорта судна или из результатов теплотехнических испытаний, определяем первое значение располагаемой полезной тяги PеР1, используя выше приведенные выражения и формулы. В то же время эта величина равняется сопротивлению движения корпуса судна R1 при данной скорости х1, т.е. PеР1 = R1. Учитывая известную квадратичную зависимость изменения сопротивления корпуса судна, от скорости R=av2, находим постоянную а для этой зависимости а= R1/ v12.
Теперь мы можем рассчитать и построить график изменения сопротивления корпуса судна в зависимости от скорости R=f(v) по формуле R = =v2.
Для нахождения второго значения PеР2 (вторая точка на графике) необходимо взять данные режима работы ГД на ограничительной характеристике -- его мощность Nе2 и частоту вращения n2 при скорости движения судна х2. Т.к. ограничительная характеристика режимов работы ГД предусматривает постоянство крутящего момента Me1=const, то соответствующая мощность Ne2 при n2 определяется из выражения Ne2 = Ne1 (n2 / n1 ). Для частоты вращения п2 на ограничительной характеристике по ходовой диаграмме находим скорость движения судна v2 (см. рис. 4.1).
Тогда расчет величины располагаемой полезной тяги PеР2 для этой скорости v2 производим аналогично вышеприведенному расчету для скорости v1. Графическое отображение этих расчетов показано на рис. 4.5 [4].
Рис. 4.5. К определению располагаемой тяги на гребном винте:
I -- PеР-- располагаемая полезная тяга;
II -- сопротивление корпуса судна-буксировщика R;
PешР -- располагаемая полезная тяга на швартовах
Обозначим отношение разностей известных величин полезной тяги к разности скоростей движения судна через b:
Рис. 4.7. Графики зависимостей величин Q, R, PеР, F, f от скорости хода судна v:
PеР -- располагаемая полезная тяга;
R -- сопротивление корпуса судна;
F -- тяга на гаке;
Q -- сопротивление буксируемого объекта;
f -- приведенная тяга на гаке;
q -- приведенное сопротивление
Вопросы к разделу 4
1. Чем отличается режим работы пропульсивной установки при буксировке объектов от работы ПУ при свободном плавании судна?
2. Как изменяется винтовая характеристика ГД при буксировке?
3. Каким образом следует назначать режим работы ГД при буксировке, чтобы избежать его перегрузки?
4. Какие данные нужны, чтобы определить скорость буксировки?
5. Что такое располагаемая полезная тяга ГВ?
6. Как можно определить величину тяги на гаке?
7. Как изменяется величина тяги на гаке в зависимости от скорости хода судна?
8. Какая существует зависимость сопротивления корпуса от скорости судна?
9. Определите граничную линию располагаемой полезной тяги на паспортной диаграмме.
10. Покажите алгоритм расчета величины сопротивления корпуса судна при различных скоростях хода.
11. Какие параметры характеризуют швартовный режим судовой ПУ?
12. Что такое приведенное сопротивление воза и приведенная тяга на гаке?
дизель двигатель пропульсивный судно
5. Согласованность главного двигателя с гребным винтом
5.1 Выбор главного двигателя для прототипа судна
При выполнении курсовых работ и дипломных проектов по дисциплине «Техническая эксплуатация судовых энергетических установок» производится расчет и построение паспортной диаграммы для выбранного прототипа судна.
В начале обосновывается тип судовой энергетической установки и главного двигателя, и определяется его мощность, необходимая для обеспечения движения судна с заданной скоростью.
Обычно для определения мощности ГД рекомендуется использовать эмпирические формулы, из которых наиболее приемлемой служит формула с так называемыми адмиралтейскими коэффициентами:
где V -- объемное водоизмещение судна, м3;
v -- скорость хода судна в узлах;
Са -- адмиралтейский коэффициент (для большинства одновальных грузовых судов по опытным данным Са = 390...425);
звл = 0,96...0,98 -- коэффициент полезного действия линии валопровода;
зN = 0,97...0,98 -- коэффициент полезного действия передачи (при наличии редуктора).
Подставляя в формулу (5.1) значения V и v, соответствующие данному прототипу судна, находим величину Ne главного двигателя.
Определив величину мощности ГД, можно по каталогам для выпускаемых дизелестроительными заводами марок и модификаций дизелей (см. Приложения) подобрать соответствующий данной мощности двигатель.
Следует учесть при этом, что в судовых условиях мощность, развиваемая ГД, соединенным прямой передачей с винтом фиксированного шага, находится в тесной зависимости от мощности, затрачиваемой на вращение ГВ.
В этих условиях режим работы двигателя полностью определяется режимом работы и гидродинамическими характеристиками ГВ, т.е. мощность, развиваемая двигателем, полностью подчиняется закону потребления мощности на вращение ГВ -- закону винтовой характеристики.
Учитывая это, следует проверить согласованность (соответствие) выбранного ГД с характеристиками ГВ прототипа судна.
Согласованным с ГВ, очевидно, будет такой двигатель, при работе с которым он может развивать номинальную мощность Neн при номинальной частоте вращения псн в определенных эксплуатационных условиях, когда судно в полном грузу при чистом корпусе движется в штилевую погоду [2].
5.2 Оценка согласованности главного двигателя с гребным винтом
Если при подборе ГД по каталогам окажется, что номинальные параметры (Ne2 и п2) выбранной марки двигателя несколько отличаются от таких параметров двигателя прототипа судна (Ne1 и п1), то при оценке согласованности нового ГД с установленном на прототипе судна ГВ возможны нижеследующие основные варианты несоответствия этих параметров [5].
При этом будем считать, что на прототипе судна ГД согласован с ГВ, и на последующих рисунках его винтовая характеристика изображается кривой I, а согласованному режиму работы ГД с ГВ соответствует точка 1.
Вариант 1.
Номинальная мощность выбранного двигателя Ne2 равна мощности ГД прототипа судна Ne1, но частота вращения его вала п2 больше, чем у прототипа п1, т.е. Ne2 = Ne1; n2 > п1 (рис. 5.1).
На графике винтовой характеристики ГД прототипа судна (кривая I) номинальный режим нового ГД обозначится точкой 2, правее кривой I. Это свидетельствует о том, что для данного двигателя ГВ будет гидродинамически тяжелым. Чтобы не допустить перегрузки ГД придется работать на пониженной частоте вращения n3 и уменьшенной мощности Nе3, чему на рис. 5.1 соответствует точка 3, которая находится на пересечении винтовой характеристики (кривая I) с ограничительной характеристикой двигателя по максимальному допустимому крутящему моменту (линия II).
Рис. 5.1. Режим Ne1 = Ne2; n2 > п1
При этом режиме работы скорость движения судна v снизится на величину Дх:
где х1 -- скорость движения судна при частоте вращения п1 (точка 1);
х3 -- скорость хода судна при частоте вращения n3 (точка 3).
При повышении сопротивления корпуса судна вследствие естественных факторов (обрастание, штормовые условия и др.) во избежание перегрузки двигателя придется в дальнейшем соответственно понижать частоту вращения и мощность двигателя. И, следовательно, снижать скорость хода судна. Очевидно, выбор такого двигателя не эффективен и нежелателен.
Вариант 2.
Номинальная мощность выбранного двигателя Ne2 равна мощности ГД прототипа судна Ne1, но частота вращения п2 меньше, чем у прототипа судна п1 т.е. Ne2=Ne1, п2<п1 (рис. 5.2). На винтовой характеристике номинальный режим нового ГД соответствует точке 2, левее кривой I. Для данного двигателя ГВ будет гидродинамически легким. Режим его работы на винтовой характеристике будет соответствовать точке 3, на пониженной мощности Ne3 при номинальной частоте вращения п2.
Чтобы избежать перегрузку двигателя превышать номинальную частоту вращения, как известно, не допускается, так как частота вращения п2<п1 следовательно, судно будет иметь пониженную скорость х3. Снижение скорости Дх, как и в варианте 1, будет равняться:
При повышении сопротивления корпуса судна винт становится более тяжелым (винтовая характеристика -- кривая II). В этом случае использование мощности двигателя можно увеличить до Nе4 при постоянной частоте вращения п2, что соответствует точке 4, лежащей на ограничительной характеристике по максимальному крутящему моменту для валопровода -- линия III. Увеличение мощности более величины Nе4 (выше точки 4) не допускается из-за возможной механической перегрузки валопровода.
Рис. 5.2. Режим Ne1=Ne2, п2<п1
В результате двигатель при работе на данный ГВ не сможет развивать номинальную мощность Ne2, равную Ne1, при номинальной частоте вращения п2.
Таким образом, выбор такого двигателя не эффективен и нежелателен. Однако, здесь следует рассмотреть вариант, когда частота вращения у выбранного двигателя отличается от прототипа менее, чем на 3%, т.е.
Как известно из раздела 2, в этом случае при работе на ГВ двигатель будет иметь до 10% резерва мощности, большую часть которой затем можно будет реализовать при естественном гидродинамическом утяжелении ГВ. Следовательно, такой двигатель можно считать практически согласованным с ГВ. Потеря скорости при этом будет незначительна.
Вариант 3.
Частоты вращения вала у выбранного двигателя п2 и ГД прототипа судна п1\ совпадают, т.е. п2=п1, но мощность двигателя Ne2<Ne1 (рис. 5.3). На винтовой характеристике с такими параметрами показана точка 2, находящаяся правее кривой I. Это значит, что для данного двигателя винт гидродинамически тяжелый. При работе на ГВ, чтобы не допустить перегрузки, двигатель должен работать на режиме пониженной частоты вращения п3 и, соответственно, на меньшей мощности Ne3. Точка 3 лежит на пересечении винтовой характеристики I и ограничительной по максимальному крутящему моменту для выбранного двигателя -- линии II.
Такой двигатель всегда должен будет работать в режиме с пониженной мощностью Ne3 и меньшей частотой вращения п3, следовательно, судно будет иметь пониженную скорость хода. Ясно, что выбранный двигатель явно не согласуется с ГВ.