Техническая эксплуатация судовых энергетических установок

Напишите уравнение равновесия сил, действующих на корпус судна при установившемся режиме хода судна.

Как определяется величина полезной тяги гребного винта?

Что такое относительная поступь гребного винта?

Какие основные показатели пропульсивной установки можно определить, пользуясь паспортной диаграммой?

Какие показатели режима работы ГД можно определить по паспортной диаграмме судна?

На основании каких данных производится построение паспортной диаграммы судна?

Что такое коэффициент полноты корпуса судна?

Как определяются коэффициенты упора и момента?

Какие величины необходимы для определения полезной тяги?

Какие величины необходимы для определения момента на ГВ?

Как определяется величина мощности, потребляемая ГВ?

Чем отличается мощность на ГВ от мощности ГД?

Как рассчитывается и наносится на паспортную диаграмму ограничительная характеристика по механической напряженности?

Как на паспортной диаграмме определяется граница предельной (располагаемой) тяги ГВ?

Что такое тяга на гаке и как ее можно определить по паспортной диаграмме?

Укажите предельные значения мощности, частоты вращения и крутящего момента ГД при кратковременном режиме работы с перегрузкой.

В каких случаях допускается работа ГД с перегрузкой?

Что такое буксировочная мощность?

Как определяется пропульсивный КПД пропульсивной установки?

Как определяется эффективный КПД ГД по расходу топлива?

Что такое режимная карта СПУ?

Как определяется скорость судна по величине относительной поступи ГВ?

С какой целью рекомендуется устанавливать на судне облегченный гребной винт?

Какой резерв мощности ГД рекомендуется при установке облегченного ГВ?

Какая максимальная частота вращения ГД допускается при работе на облегченный ГВ?

Какой щадящий режим работы ГД рекомендуется в эксплуатации?

Определите на паспортной диаграмме режим работы ГД при различных скоростях хода судна.

Определите на паспортной диаграмме величину сопротивления корпуса судна при различных скоростях судна.

Определите тягу на гаке для различных скоростей судна по паспортной диаграмме.

Определите величину буксировочной мощности на режимной карте при различных скоростях судна.

3. Режимы работы пропульсивной установки судна с ВРШ

3.1 Некоторые особенности режимов работы главного двигателя с винтом регулируемого шага

При работе на гребной винт (ГВ) режим главного двигателя подчиняется прямому силовому действию ГВ, т.е. развиваемая мощность ГД на различных режимах работы соответствует мощности, потребляемой ГВ. В этом случае двигатель работает по так называемой винтовой характеристике.

В установках с гребным винтом фиксированного шага (ВФШ) изменение режима работы двигателя в обычных эксплуатационных условиях осуществляется непосредственно путем управления и регулирования двигателя за счет изменения подачи топлива. При этом жесткая связь работы ГД и ГВ их совместная согласованность, определяет режим работы ГД и ограничивает его возможности полного использования номинальной мощности в различных изменяющихся условиях плавания судна. Такая связь ГД с ВФШ в зависимости от эксплуатационных условий судна, когда существенно меняется сопротивление его движению (изменение осадки, мелководье, штормовые условия, обрастание корпуса и ГВ и др.), приводит к режимам работы ГД на гидродинамически «тяжелый» или «легкий» винт, а также значительно сужает маневренные качества судна.

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, N_e = 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 (N_e, 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 (N_e, 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 N_e 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 N_e, 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 n_сн, с^-1;

удельный расход топлива В_е, кг/кВт·ч;

эффективный КПД з_е..

Расчет паспортной диаграммы следует начинать с определения относительной поступи гребного винта л_Р, взяв за базовый известный режим работы судна в грузу, при этом из паспортных данных судна берем:

v_Г -- 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 л_Р, при этом одно значение л_Р берем больше определенного л_РР для расчетного режима, а два - три значения л_Р меньше его с учетом того, чтобы охватить весь возможный диапазон режимов работы пропульсивного комплекса. Ориентировочно можно рекомендовать диапазон изменения л_Р 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 л_Р 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 N_e = c₂ v³, где постоянную с₂ определяем из известных судовых паспортных данных N_ен = с₂х_Г³, откуда с_г = N_ен / х_Г³.

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 л_Р и шагового отношения H/D.

Производим расчет определения мощности ГД N_е для всех принятых значений л_Р 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 л_Р и шагового отношения H/D.

Производим расчет определения полезной тяги винта Р_е для всех принятых значений л_Р и H/D по формуле, взятой из теории движителей,

Р_е =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 Р_е можно выделить постоянную с₄ = сn²D⁴(1-t), тогда Р_е = с₄ k₁.

Схема расчета Р_е 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 Р_е от скорости хода судна и шагового отношения Н/D в координатных осях «Р_е -- х» [3].

Для определения максимально достижимой полезной тяги Р_е при различных скоростях движения судна, когда ГД может работать с постоянными величинами номинальной мощности (N_eн=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. N_е = 2рk₂ сn³ D⁵ = const, то и k₂=const (см. рис. 3.1).

Определяем значения полезной тяги Р_е по формуле P_e=c₄k₁ для выше найденных величин k₁ и строим зависимость изменения достижимой величины Р_е в области режимов работы пропульсивной установки от расчетного (х = х_Г) до швартовного (х = 0). При скоростях v > v_Г (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:

N_eн=2рn_cнM_ен

Величина номинального крутящего момента М_ен 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 (N_eн = const) в области режимов работы ГД от расчетного номинального (х = х_Г) 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 N_ен.

Нанесение ограничительной характеристики на графике изменения полезной тяги при работе двигателя в режиме N_ен = const, H/D=var следует данные для построения этой границы взять из методики расчета предельно допустимой полезной тяги Р_е, приведенной в пп. 3.2.13, 3.2.14.

Можно также воспользоваться ограничительной характеристикой на паспортной диаграмме, соответствующей режиму работы ГД при N_ен = const. Для этого следует точки пересечения прямой N_ен = const с прямыми H/D=const перенести по вертикали на ходовую характеристику изменения Р_е 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 P_e=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.

Перенеся полученные точки пересечения кривых сопротивления и тяги при различных шаговых отношениях ГВ на диаграмму зависимости N_e =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 N_ен = const назначать нельзя.

Заводы-изготовители двигателей обычно предусматривают возможность кратковременного режима работы двигателя на максимальной мощности, превышающей на 10% номинальную мощность N_еmax =1,1 N_ен.

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_e = сп³, можно определить предельную частоту вращения вала n_max при максимальной мощности (перегрузочный режим работа главного двигателя) сп³_шах=1,1с п³_сн, откуда определяем величину п_тзх=1,03п_сн.

При этом перегрузочном режиме работы двигателя максимальный крутящий момент равен

Эти значения величин N_еmax и n_max 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 V_r= 30900 т;

скорость полного хода в грузу х_г = 18 узл.

¦ Гидродинамические характеристики гребного винта:

диаметр винта D= 6,05 м;

расчетный (конструктивный) шаг винта Н_р=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 N_ен=10200 кВт;

номинальная частота вращения и п_сн=107 мин^-1 =1,78 с^-1;

удельный расход топлива В_е=0,175 кг/кВт·ч;

эффективный КПД з_е=0,49.

Передача мощности от ГД к гребному винту -- прямая.

КПД линии валопровода принимаем равным з_вл=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 л_р 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 (N_ен=10200 кВт) и частота вращения (п_сн=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 = х_Г) 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 Р_е не только для преодоления сопротивления движению собственного корпуса судна R, но и для преодоления сопротивления буксируемого объекта Q, т.е. при установившемся режиме буксировки P_e=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 N_eн ГД. При других условиях работы судна мощность ГД ограничивается или максимальной частотой вращения вала, не превышающей номинальную величину N_eн (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 М_е<М_ен.

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 (N_e=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 M_eн=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 P_е^Р 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 P_е^Р подразумевается предельная величина полезной тяги Р_е, достижимая для данного гребного винта и ГД, работающего без перегрузки по ограничительной характеристике при M_ен=const, для соответствующей скорости движения судна. Т.е. располагаемая полезная тяга гребного винта P_е^Р -- это максимально возможное значение полезной тяги гребного винта Р_е для различных скоростей движения судна при условии работы двигателя с максимальной эффективной мощностью N_e без перегрузки.

Определив характеристику изменения P_е^Р = 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 = P_е^Р -- R (4.1)

Рис. 4.3. Определение полезной тяги на гаке:

P_е^Р -- 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 F_mах = P_eш (индекс «ш» относится к режиму на швартовах);

¦ когда P_е^Р = 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 P_е^Р 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 Р_е. На рис. 4.4 показано перенесение точек I и 2 с ограничительной характеристики ГД на соответствующие частоты вращения гребного винта графика изменения полезной тяги.

На рис. 4.4 изображены: I -- располагаемая полезная тяга P_е^Р; 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 = P_е^Р -- R [12].Т.к. ограничительная характеристика режимов работы ГД при постоянном номинальном крутящем моменте представляет линейную зависимость эффективной мощности N_е от скорости движения судна х, то и располагаемая полезная тяга P_е^Р подчиняется этому закону, что, в частности, показывает графическое решение определения P_е^Р, 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 P_е^Р аналитически, для этого необходимо найти величину P_е^Р 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 N_e1.

Используя эти данные, можно определить величину располагаемой полезной тяги P_е^Р₁ для этого режима (индекс 1), когда вся располагаемая полезная тяга гребного винта затрачивается на преодоление сопротивления движению корпуса судна, т.е. P_е^Р₁=R.

Для определения величины полезной тяги р_е 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 P_е^Р₁, используя выше приведенные выражения и формулы. В то же время эта величина равняется сопротивлению движения корпуса судна R₁ при данной скорости х₁, т.е. P_е^Р₁ = 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 P_е^Р₂ (вторая точка на графике) необходимо взять данные режима работы ГД на ограничительной характеристике -- его мощность N_е2 и частоту вращения n₂ при скорости движения судна х₂. Т.к. ограничительная характеристика режимов работы ГД предусматривает постоянство крутящего момента M_e1=const, то соответствующая мощность N_e2 при n₂ определяется из выражения N_e2 = N_e1 (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 P_е^Р₂ 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 -- P_е^Р-- располагаемая полезная тяга;

II -- сопротивление корпуса судна-буксировщика R;

P_еш^Р -- 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, P_е^Р, F, f от скорости хода судна v:

P_е^Р -- 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;

С_а -- адмиралтейский коэффициент (для большинства одновальных грузовых судов по опытным данным С_а = 390...425);

з_вл = 0,96...0,98 -- коэффициент полезного действия линии валопровода;

з_N = 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 N_e 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 N_eн при номинальной частоте вращения п_сн 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 (N_e2 и п₂) выбранной марки двигателя несколько отличаются от таких параметров двигателя прототипа судна (N_e1 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 N_e2 равна мощности ГД прототипа судна N_e1, но частота вращения его вала п₂ больше, чем у прототипа п₁, т.е. N_e2 = N_e1; 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 N_е3, 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 N_e1 = N_e2; 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 N_e2 равна мощности ГД прототипа судна N_e1, но частота вращения п₂ меньше, чем у прототипа судна п₁ т.е. N_e2=N_e1, 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 N_e3 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 N_е4 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 N_е4 (выше точки 4) не допускается из-за возможной механической перегрузки валопровода.

Рис. 5.2. Режим N_e1=N_e2, п₂<п₁

В результате двигатель при работе на данный ГВ не сможет развивать номинальную мощность N_e2, равную N_e1, 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 N_e2<N_e1 (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 N_e3. 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 N_e3 и меньшей частотой вращения п₃, следовательно, судно будет иметь пониженную скорость хода. Ясно, что выбранный двигатель явно не согласуется с ГВ.

Рис. 5.3. Режим N_e2<N_e1; п₁=п₂

Вариант 4.

У выбранного двигателя мощность N_e2 больше, чем у прототипа судна N_e1 т.е. N_e2>N_e1, а частоты вращения совпадают п₂=п₁ (рис. 5.4). На винтовой характеристике параметрам данного двигателя соответствует точка 2, которая расположена левее кривой I. Следовательно, ГВ для данного двигателя будет гидродинамически легким. Согласованность работы этого двигателя с ГВ характеризуется точкой 1, номинальная мощность двигателя при этом не используется полностью. В процессе естественного утяжеления ГВ двигатель при постоянной частоте вращения п₁ может перейти на работу по новой винтовой характеристике -- кривая II.

Однако при этом придется снизить частоту вращения до п₃, мощность двигателя уменьшится до величины N_e3, чтобы не перейти ограничительную характеристику по максимальному крутящему моменту для валопровода (линия III). Точка 3, лежащая на пересечении винтовой характеристики II с ограничительной характеристикой III, соответствует этому режиму работы двигателя.

Таким образом, избыточная мощность двигателя не может быть реализована. При таком режиме работы двигателя уменьшается скорость судна соответственно снижению частоты вращения гребного винта.

Рис. 5.4. Режим N_e2>N_e1; п₂=п₁

В практике судостроения выбираемые номинальные параметры N_eн и п_сн устанавливаемого на судно дизеля обычно согласуются с исходной характеристикой винта (рис. 5.5, кривая I) для чистого нового корпуса судна в полном грузу таким образом, чтобы при п₁= п_сн был обеспечен запас мощности 10... 15%.

Рис. 5.5. Облегченная и утяжеленная винтовые характеристики

Следовательно, в начальный период эксплуатации дизель работает по облегченной винтовой характеристике (кривая II), а запас мощности используется для поддержания скорости при обрастании корпуса, и винта (постепенный переход режима работы с винтовой характеристики II на винтовую характеристику I при постоянной частоте вращения п₁ от точки 2 до точки 1).

В дальнейшем при работе двигателя по более утяжеленной винтовой характеристике (кривая III) также придется снижать частоту и мощность двигателя (точка 3) во избежание перегрузки по максимальному крутящему моменту (линия IV).



Этому режиму работы соответствует точка 3, для которой мощность N_e3<N_e1 и скорость судна v₃< v₁.

В случае увеличения сопротивления судна при переходе с исходной винтовой характеристики (кривая I), на работу с более гидродинамически утяжеленной винтовой характеристикой (кривая II), двигатель может работать на номинальной частоте вращения n₂=n_cн=const до ограничительной характеристики по максимальному крутящему моменту для валопровода, (линия III, точка 4), используя резерв мощности до величины N_e4.

В отличие от диаграммы (рис. 5.2) ходовая характеристика судна (см. рис. 5.7) дает дополнительную информацию о том, что работа двигателя при постоянной частоте вращения п₂=const от точки 3 до точки 4 сопровождается снижением скорости от v₃ до v₄ вследствие уменьшения относительной поступи гребного винта л_р.

В варианте подбора двигателя при п₂ ?0,97 п₁ и резерве мощности N_e1--N_e3?0,1N_e1 винт практически можно считать согласованным с главным двигателем, т.к. режим работы его мало отличается от исходного (точка 1), а резерв мощности может быть использован при утяжелении винтовой характеристики.

Для варианта 3 (N_e2<N_e1; n₂<n₁) на паспортной диаграмме судна (рис. 5.8) видно, что при работе по винтовой характеристике, кривая I, использование номинальной мощности N_e2 невозможно из-за ограничения по номинальному моменту двигателя (линия II, точка 3). При повышении сопротивления судна (утяжелении винтовой характеристики) недоиспользование мощности увеличивается пропорционально снижению частоты вращения вала.



Рис. 5.8. Режим N_e2<N_e1; n₂<n₁

В случае варианта 4 (N_e2>N_e1; п₂=п₁) при работе по исходной винтовой характеристике (рис. 5.9, кривая I) без превышения номинальной частоты вращения вала п₃=п₁ двигатель не может развить номинальную мощность N_e2, и его режим будет соответствовать точке 1 с меньшей мощностью, равной N_е1. С увеличением сопротивления судна переход двигателя на работу с винтовой характеристики (кривая I) на более утяжеленную винтовую характеристику (кривая II) может осуществляться без перегрузки при постоянном крутящем моменте -- линия III от точки 1 до точки 3 при уменьшении частоты вращения от п₁ до п₃ и снижении мощности двигателя с N_e1 до N_e3. Соответственно произойдет и снижение скорости судна от v₁ до v₃.

Если устанавливаемый на судно двигатель при работе по облегченной винтовой характеристике -- кривая II имеет резерв мощности 10...15% при номинальной частоте вращения п₁ (рис. 5.10), его режим работы характеризуется точкой 2, мощность N_e2 ? 0,85 N_e1, то при увеличении сопротивления движению судна переход на режим работы с облегченной винтовой характеристики (кривая II) на расчетную винтовую характеристику