Техническая эксплуатация судовых энергетических установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство аграрной политики Украины

Керченский государственный морской технологический университет

Кафедра «Судовые энергетические установки»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

для студентов 5-го курса дневной формы обучения и 6-го курса заочной формы обучения специальности 7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Керчь, 2010

Автор: Радченко О.П., к.т.н. доцент кафедры СЭУ КГМТУ.

Рецензент: Попов В.В., ст. преподаватель кафедры СЭУ КГМТУ.

Яковлев А.В., механик 1-го разряда по ДВС ГП «Керченская паромная переправа»

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры СЭУ КГМТУ, протокол №6 от 22.01.2010г.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к утверждению на заседании методической комиссии МФ КГМТУ, протокол №5 от 17.03.2010г.

Методические указания утверждены на заседании Методического совета КГМТУ, протокол № 3 от 30.06.2010г.

Керченский государственный морской технологический университет

Содержание

Список сокращений

Введение

1. Поле возможных и допустимых режимов работы дизеля

1.1 Поле возможных режимов работы судовых дизелей

1.2 Поле допустимых длительных по времени нагрузок двигателя

1.3 Скоростные и нагрузочные характеристики дизеля

Вопросы к разделу 1

2. Режимы работы пропульсивной установки судна СВФШ

2.1 Ходовая характеристика судна

2.2 Расчет и построение паспортной диаграммы судна

2.3. Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна

2.4 Построение номограммы для определения пропульсивного КПД и часового расхода топлива на главный двигатель

Вопросы к разделу 2

3. Режимы работы пропульсивной установки судна СВРШ

3.1 Некоторые особенности режимов работы главного двигателя с винтом регулируемого шага

3.2 Расчет и построение частной паспортной диаграммы судна с винтом регулируемого шага при постоянной частоте вращения гребного винта

3.3 Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна

3.4 Пример расчета и построение частной паспортной диаграммы судна с винтом регулируемого шага

Вопросы к разделу 3

4. Режимы работы пропульсивной установки судна при буксировке объектов

4.1 Условия работы пропульсивной установки судна при буксировке

4.2 Располагаемая полезная тяга гребного винта и тяговое усилие на гаке

4.3 Аналитическое определение полезной тяги гребного винта и тяги на гаке

4.4 Приведенное сопротивление и приведенная тяга на гаке

4.5 Пример расчета определения величин располагаемой полезной тяги гребного винта, тяги на гаке и приведенной тяги

Вопросы к разделу 4

5. Согласованность главного двигателя с гребным винтом

5.1 Выбор главного двигателя для прототипа судна

5.2 Оценка согласованности главного двигателя с гребным винтом

5.3 Отражение согласованности главного двигателя с гребным винтом на паспортной диаграмме судна

5.4 Корректировка элементов гребного винта для согласования его с главным двигателем

5.5 Примеры корректировки гребного винта для согласования его с главным двигателем

Вопросы к разделу 5

6. Пропульсивная установка судна с винторулевой колонкой

Вопросы к разделу 6

Список литературы

Приложение А. Основные параметры дизелей фирмы «MAN B&W»

Приложение Б. Основные параметры дизелей фирмы «Sulzer»

Приложение В. Основные параметры дизелей фирмы «Mitsubishi»

Приложение Г. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "MAN B&W

Приложение Д. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "Wartsila"

Приложение Е. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "Matsui"

Приложение 3. Основные параметры среднеоборотных дизелей фирмы "Yanmar"

Список сокращений

ВРК -- винторулевая колонка

ВРШ -- винт регулируемого шага

ВФШ -- винт фиксированного шага

ГВ -- гребной винт

ГД -- главный двигатель

КВ -- коленчатый вал двигателя

КПД -- коэффициент полезного действия

МДМ -- максимальная длительная мощность (номинальная мощность)

МО -- машинное отделение

МОД -- малооборотный двигатель

ПТЭ -- правила технической эксплуатации

ПУ -- пропульсивная установка

СДУ -- судовая дизельная установка

СОД -- среднеоборотный двигатель

СПУ -- судовая пропульсивная установка

СТС -- судовые технические средства

СЭУ -- судовая энергетическая установка

ЦПУ -- центральный пост управления

Введение

Одной из основных задач эксплуатации судовых двигателей предусматривается обеспечение режима длительной надежной его работы при различных нагрузках, зависящих от условий плавания. Как известно, главный двигатель (ГД), работающий на гребной винт (ГВ), может развивать только ту мощность, которая требуется для вращения ГВ.

В разнообразных условиях плавания судна режим работы ГД может существенно изменяться в зависимости от сопротивления среды движению судна, вызванной изменением осадки, обрастанием корпуса и ГВ, мелководьем, погодными условиями, буксировкой и другими причинами.

Пропульсивная установка (ПУ) судна состоит из главного двигателя, передачи, валопровода и движителя (обычно гребного винта) и обеспечивает движение судна. Вместе с корпусом судна ПУ образует судовой пропульсивный комплекс.

Взаимодействие гребного винта, корпуса судна и главного двигателя в составе судового пропульсивного комплекса имеет определенные особенности в части нагружения ГД и назначения режима его работы в разнообразных условиях плавания. Учитывая эти особенности, в данном учебном пособии рассматриваются режимы работы элементов ПУ в целом - во взаимодействии их в составе пропульсивного комплекса.

Наиболее показательно степень взаимодействия (согласованности) работы ГД и ГВ может иллюстрироваться с помощью режимной карты ПУ судна, включающей в себя графики изменения эффективной мощности ГД и полезной тяги ГВ в зависимости от скорости судна, а также номограммы для определения пропульсивного КПД и расхода топлива на ГД. С помощью режимной карты ПУ можно решать ряд таких важных практических задач, возникающих в процессе эксплуатации судна, как определение или назначение режима ПУ, предотвращение перегрузки ГД, контроль технического состояния ГД и ГВ, подводной части корпуса судна.

Знание и понятие закономерностей изменения нагрузки ГД в разных условиях плавания судна позволяет судовым механикам компетентно решать вопросы поддержания высокого уровня надежности, работоспособности и экономичности судовой энергетической установки (СЭУ).

В пособии рассмотрен достаточно широкий круг вопросов, имеющих непосредственное отношение к обеспечению ходовых режимов СЭУ. Содержание некоторых разделов пособия позволяет рассмотреть эксплуатационные режимы работы судовых дизелей, которые недостаточно полно отражены в учебной и технической литературе по эксплуатации СЭУ. Это, в частности, режимы работы пропульсивной установки при буксировке объектов, работа ГД судна с винтом регулируемого шага (ВРШ), согласованность ГД с ГВ и др.

Данное учебное пособие написано для изучения части разделов учебных дисциплин «Техническая эксплуатация судовых энергетических установок» и «Оптимизация режимов работы СЭУ», которые соответствуют учебным планам и образовательной профессиональной программе подготовки специалистов и магистров судовой энергетики специальности 7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок», а также поможет судовым механикам в их практической деятельности по использованию СЭУ.

1. Поле возможных и допустимых режимов работы дизеля

1.1 Поле возможных режимов работы судовых дизелей

Изменение нагрузки двигателя обычно изображается в виде графика в координатных осях N_e и п, показывающего зависимость эффективной мощности двигателя N_e от частоты вращения коленчатого вала (KB) двигателя п.

Дизелестроительные заводы при испытании двигателей на стенде определяют основные показатели, характеризующие режим работы двигателя на различных нагрузках. Можно упрощенно представить себе испытания двигателя на стенде по следующей схеме нагружения (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Поле режимов работы дизеля

АВ -- холостой ход;

ВС -- регуляторная характеристиками при n_сн = const;

CD -- номинальная внешняя характеристика,

DA -- характеристика минимально устойчивой частоты вращения коленвала;

ОС -- ограничительная характеристика (М_ен = const);

EF -- ограничительная по теплонапряженности,

KL -- нижняя ограничительная характеристика (N_е = 0,5N_eн)

Сначала двигатель пусковым устройством раскручивается до минимально устойчивой частоты вращения KB п_min (на графике этот процесс изображается горизонталью ОА), когда он начинает устойчиво работать на топливе (точка А), при этом вал двигателя не нагружается тормозным устройством, т.е. осуществляется холостой ход N_e = 0. Постепенно увеличивая подачу топлива, не нагружая двигатель, на холостом ходу повышается частота вращения KB вплоть до номинальной величины п_н (холостой ход -- отрезок АВ).

При достижении номинальной частоты вращения KB n_сн, включается автоматический регулятор поддержания постоянной частота вращения KB n_сн=const и начинается постепенное нагружение вала двигателя тормозным устройством.

Нагружение тормозом осуществляется до тех пор, пока двигатель не разовьет величину номинальной мощности N_eн в точке С. На графике (см. рис. 1.1) этот процесс показан вертикальным отрезком ВС. Отрезок ВС, отражающий изменение мощности от N_e = 0 до N_eн при n_сн=const называется регуляторной характеристикой двигателя.

Как известно, эффективная мощность двигателя определяется по формуле:



где М_е -- тормозной момент па валу двигателя, кН·м;

п_с -- частота вращения коленчатого вала, с^-1.

Итак, в точке С двигатель работает в номинальном режиме, развивая номинальную мощность N_eн при номинальной частоте вращения KB n_сн. Этот режим соответствует максимальной длительной мощности (МДМ) двигателя, при котором продолжительность работы двигателя по времени не ограничивается (Maximum Continuous Rating -- MCR, т.е. Nominal Power at Nominal Engine Speed).

Затем выключается из работы регулятор поддержания постоянной частоты вращения KB, а нагружение вала двигателя тормозным устройством увеличивается, т.е. тормозной момент М_е возрастает. При этом двигатель работает с выключенным регулятором с постоянной цикловой подачей топлива, т.е. рейка топливного насоса, установленная для номинального режима N_eн и n_сн, остается все время в этом положении, не меняя величину подачи топлива.

Скоростной режим работы двигателя, показывающий зависимость изменения мощности двигателя N_e от частоты вращения KB n при неизменной цикловой подаче топлива, называется внешней характеристикой двигателя. В данном случае двигатель работает в режиме номинальной внешней характеристики. При меньших, чем для номинального режима, постоянных цикловых подачах топлива будут осуществляться частичные (долевые) внешние характеристики.

Работа двигателя по внешней характеристике вследствие увеличения тормозного момента будет характеризоваться соответствующим уменьшением частоты вращения KB и мощности. Если двигатель продолжать загружать тормозом, то, перейдя рубеж минимально устойчивой частоты вращения ко-ленвала n_min, двигатель заглохнет -- остановится. Во избежание этого в точке D, соответствующей минимально устойчивой частоте вращения KB, включается регулятор поддержания минимальной частоты вращения KB, a нагружение двигателя тормозом постепенно уменьшается до М_е = 0, N_e = 0, т.е. двигатель в дальнейшем переходит в режим работы холостого хода при N_e = 0.

Этот процесс (отрезок DA) определяет режим работы с минимально устойчивой частотой вращения коленвала n_min.

В результате, в координатах «N_e - п» изображается поле возможных нагрузок двигателя, ограниченное снизу линией холостого хода АВ при N_e = 0, справа -- регуляторной характеристикой ВС при n_сн = const, сверху -- внешней номинальной характеристикой CD, слева -- режимом минимально устойчивой частоты вращения коленвала n_min -- отрезок DA.

1.2 Поле допустимых длительных по времени нагрузок двигателя

Определение границ поля возможных режимов работы двигателя не означает, что в его пределах можно длительно нагружать двигатель, обеспечивая его надежную работу.

Конструктивные особенности двигателя, прочность его деталей, процессы газообмена и теплообмена накладывают определенные ограничения на обеспечение длительного по времени режима его работы. Эти ограничения определяются показателями его механической и тепловой напряженности, а также возможностями эффективной работоспособности газовыпускного тракта, за пределами которых не обеспечивается надежная продолжительная работа двигателя.

При длительном испытании двигателя на стенде на номинальном режиме работы определяются основные показатели, характеризующие этот режим работы: крутящий момент на валу двигателя М_е, 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 n_сн 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 n_сн механическую напряженность следует оценивать по величине среднего индикаторного давления Р_i или среднего эффективного давления Р_е. Учитывая то, что среднее Р_е пропорционально крутящему моменту на валу двигателя М_е можно назначать границу по механической напряженности, при которой развиваемый двигателем крутящий момент М_е не превосходит номинального значения М_eн.

Эта граница будет соответствовать величине эффективной мощности двигателя N_e при работе его с номинальным крутящим моментом М_eн = const.

Величина номинального крутящего момента определяется по формуле:

где N_eн -- номинальная эффективная мощность двигателя, кВт;

n_сн -- номинальная частота вращения КВ, с^-1.

При постоянном номинальном крутящем моменте (М_ен = const) значение величины эффективной мощности N_e 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 N_e при постоянном номинальном крутящем моменте на валу двигателя М_ен = 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) n_н ограничительной характеристикой может служить номинальная величина среднего эффективного давления Р_ен = const, т.е. М_еи = 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 Р_е, так и М_е должно быть снижено путем уменьшения подачи топлива.

Зависимость изменения максимальной эффективной мощности N_e при п<0,9п_сн 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 N_e 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 N_e = (0,50...0,70) N_eн), а, значит и часового расхода топлива В_ч [кг/ч], скорость хода v хотя и снижается, но не так существенно, как мощность, так как зависимость между этими двумя величинами кубическая -- N_e = 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 N_eн. 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 п_ся=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 -- N_e = f(n), так и нагрузочные, когда нагрузка двигателя может изменяться при неизменной частоте вращения коленвала (N_e = 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 N_e 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 М_ен = const,

EK -- ограничительная характеристика по теплонапряженности;

CL -- ограничительная регуляторная характеристика при п_сн = const;

KL -- нижняя ограничительная характеристика при N_е = 0,5N_ен

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) n_сн 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 N_e = 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 N_ен и п_сн

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 п_сн = 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 1,04п_сн, не переходя границы номинальной мощности двигателя N_eн (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?

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.

Если на диаграмму Р_е = f₂(.v, n_с) нанести кривую сопротивления судна R = f₁ (х), то можно определить частоту вращения гребного винта и соответствующую ей скорость хода судна. При пересечении графика R = f₁ (х) с границей предельной тяги определяется скорость полного хода и соответствующая ей частота вращения гребного винта.

Перенеся полученные точки пересечения кривых сопротивления и тяги при различных частотах вращения гребного винта на диаграмму зависимости N_e = = f₃(v, n_с), получаем значения требуемой мощности главного двигателя 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 и частоту вращения вала ГД.

Назначать режим работы главного двигателя выше ограничительной характеристики по Мен = const не допускается.

В случае работы двигателя с так называемым легким винтом, например, при ходе судна в балласте, двигатель обычно не развивает номинальной мощности, и режим его работы находится в области ниже ограничительной характеристики по М_е. В этом случае режим нагрузки двигателя ограничивается величиной частоты вращения вала, которая не должна выходить за пределы номинального значения псн.

Заводы-изготовители двигателей обычно предусматривают возможность кратковременного режима работы, двигателей на максимальной мощности, превышающей на 10% номинальную мощность N_emаx = 1,1 N_eн [5]. На режиме максимальной мощности, как правило, разрешается непрерывно работать не более одного - двух часов. Исходя из кубической зависимости изменения эффективной мощности двигателя N_e от частоты вращения вала при работе по винтовой характеристике, т.е. N_е = сп³ можно определить предельную частоту вращения вала п_{с тах} при максимальной мощности дизеля (перегрузочный режим работы ГД).

При этом перегрузочном режиме работы двигателя максимальный крутящий момент равен:

Эти значения величин N_{e maх} и п_{с тгх} можно нанести на паспортную диаграмму в качестве предельных ограничительных характеристик. Методика расчета и построения этих линий на диаграмме N_e = f₃(v,n_с) и Р_е = f₂(.v, n_с) аналогична ранее приведенной для номинального крутящего момента M_eн = const и номинальной частоты вращения п_сн = const.

При назначении данного режима работы всегда следует помнить, что Правила технической эксплуатации судовых дизелей [9] требуют следующее: «Работа дизеля с перегрузкой допускается в исключительных случаях, связанных с угрозой человеческой жизни или безопасности судна, только по распоряжению капитана».

При работе дизеля с перегрузкой должны быть соблюдены все указания заводской инструкции по эксплуатации в части допускаемых величин превышения мощности и частоты вращения, а также в части продолжительности работы дизеля в этом режиме.

2.4 Построение номограммы для определения пропульсивного КПД и часового расхода топлива на главный двигатель

Для оценки некоторых экономических показателей судовой пропуль-сивной установки (СПУ) можно на паспортной диаграмме судна построить расчетным способом номограммы определения величин пропульсивного КПД з и часового расхода топлива В_ч на главный двигатель для различных режимов работы судна.

Пропульсивный КПД з, который характеризует степень совершенства взаимодействия элементов СПУ и зависит от их технического состояния, находим по формуле:

где р_е -- полезная тяга, кН;

х -- скорость судна, узл.

Построение номограммы для определения значения пропульсивного КПД з проводим в левой части паспортной диаграммы, где на оси абсцисс откладываем величины буксировочной мощности N_б в пределах возможной работы СПУ -- от N_б^min до N_б^max.



Рис. 2.1. График зависимости N_б = f (Р_е) при х = const.

Затем строим график изменения N_б в зависимости от Р_е при разных значениях v, представляющий, согласно формуле (2.11) прямую зависимость. Взяв два разных значения p_e1 и р_е2 для данной скорости v рассчитываем величину N_б1 = P_e1 v и N₆₂ = P_e2 v, находим точки 1 и 2, через которые проводим линию N_б = f (P_e) при данной скорости v (рис. 2.1). Аналогично построение для других значений v. Расчеты сводим в табл. 2.2.

Так как величина пропульсивного КПД з для различных условий нагружения и совершенства СПУ лежит в пределах з = 0,5...0,8, то для номограммы строим график изменения N_б в зависимости от N_e при разных (в пределах вышеуказанных) значениях з. Этот график согласно формуле (2.10) отображает прямую зависимость.

Таблица 2.2. - Определение N₆ = f (P_e) при v = const



Рис. 2.2. График зависимости N_б = f (N_е) при з = const.

Взяв два разных значения N_e1 и N_e2 для данного КПД з, рассчитываем величину N_б1 = N_е1 · з_вл · з_n · з и N_б2 = N_е2 · з_вл · з_n · з и по полученным значениям через точки 1 и 2 проводим линию при данном КПД (рис. 2.2). Аналогично построение для других значений КПД з. Расчеты сводим в табл. 2.3

Определив режим работы СПУ на ходовой характеристике по параметрам N_e, n, х, Р_е с помощью номограммы (см. подраздел 2.7, рис. 2.5), находим величину пропульсивного КПД з, который используется для анализа экономических показателей работы судна.

Таблица 2.3. - Определение N_б = f (N_е) при n_сн = const.

При оценке экономических показателей работы дизеля, следует указать на то, что для ГД характерна незначительная зависимость величины эффективного КПД ГД з_е и удельного расхода топлива В_е, [кг/кВт·ч] от скоростного режима, по закону которого обычно работает ГД.

Используя эту стабильную экономичность работы дизеля на разных режимах, определим часовой расход топлива на ГД, кг/ч, по формуле:

Значения з_е и В_е, следует взять из паспортных данных двигателя или определить по результатам ходовых (теплотехнических) испытаний судна.

В процессе эксплуатации двигателя его экономические показатели такие, как В_е и, соответственно з_е вследствие целого ряда причин могут изменяться.

Чтобы отобразить возможные отклонения этих показателей от нормальных (паспортных) значений в левой части паспортной диаграммы строим зависимость изменения часового расхода топлива на главный двигатель В_ч от величины эффективной мощности N_e для различных возможных значений эффективного КПД з_е (у малооборотных двигателей (МОД) з_е = 0,40..0,55).

Как уже было сказано, по паспортным данным двигателя или по результатам ходовых теплотехнических испытаний берем величину удельного расхода топлива В_е и определяем значение эффективного КПД двигателя по формуле:



Рис. 2.3. График зависимости В = f (N_е) при з_е = const.

На диаграмме (рис. 2.3) через полученные точки 1 и 2 с координатами «N_e1 -- В₁» и «N_e2 -- В₂» проводим линию. Аналогично построение графика для других принятых значений эффективного КПД з_е. Расчеты сводим в табл. 2.4.

Величину низшей теплоты сгорания топлива Q_н^р можно взять из данных паспорта (сертификата) используемого топлива, которая для различных марок топлива разная (Q_н^р = 40000... 44000 кДж/кг).

Обычно расчет часового расхода топлива В_ч обычно проводят для теплоты сгорания Q_н^р_y = 42000 кДж/кг.

Таблица 2.4 -- Часовой расход топлива в зависимости от N_e и з_е

зе	Nе1 =	Nе2 =
	3600 Nе1 / зе Qнр= В1	3600 Nе2 / зе Qнр= В2
зе1
зе2

Если фактическая теплота сгорания Q_н^р_ф, взятая из данных паспорта (сертификата) используемого топлива, отличается от заданной теплоты сгорания Q_н^р_y , то необходимо провести перерасчет часового расхода топлива по формуле



где с₁₅ -- плотность топлива при 15 °С кг/м³;

х, у, S -- массовые содержания воды, золы и серы, % [5].

В сущности, сочетание паспортной диаграммы судна с номограммой для определения пропульсивного КПД и шкалой часового расхода топлива на ГД представляет собой режимную карту пропульсивной установки судна.

Режимная карта пропульсивной установки, рассчитанная на основании паспортных характеристик судна и его энергетической установки, позволит обслуживающему персоналу осуществлять оценку изменения технико-экономических показателей в процессе эксплуатации судна. Сопоставление текущих значений основных контролируемых теплоэнергетических параметров с паспортными данными на режимной карте, позволяет судить о качестве рабочих процессов и техническом состоянии энергетического оборудования СПУ. Выявленные отклонения параметров от паспортных данных служат основой для анализа и принятия соответствующих организационно-технических решений.

Вопросы к разделу 2

Что такое ходовая характеристика или паспортная диаграмма судна?

Какие данные требуются для расчета паспортной диаграммы судна?

Как условия плавания судна влияют на нагрузку главного двигателя?

Какие факторы влияют на мощность, потребляемую гребным винтом?

Какие графические зависимости наносятся на паспортную диаграмму?