Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

значений достигают при /?еном, поэтому и наиболее напряженным является режим полной нагрузки,

щения в силу неравномерности работы регулятора с увеличением нагрузки от ре = 0 (холостой ход) до Реном (полная нагрузка) не­ сколько уменьшается. Поэтому зависимость ре (п), называемая

регуляторной характеристикой, в координатах ре — п изобража­ ется не вертикалью па = const (рис. 14.2), а линией пъ угол на­ клона которой к оси абсцисс зависит от степени неравномерности регулятора (Последняя обычно не превышает 2—3 %).

На рис. 14.2 приведены типичные регуляторные характеристики, отражающие связь между ре и п для нескольких случаев настройкирегулятора на заданные значения скоростного режима двигателя п19 п 2, п3 и я4. Допустим, что двигатель работает в режиме, ха­ рактеризуемом точкой А , тогда при уменьшении нагрузки с ргл до рев регулятор автоматически уменьшит подачу топлива, и двигатель по регуляторной характеристике пг перейдет на новый режим, опреде­ ляемый точкой Б. При этом в силу неравномерности регулятора но­ вая частота вращения пв станет больше прежней па.

Внешняя характеристика. При эксплуатации часто измене­ ние нагрузки влечет за собой изменение частоты вращения, не­ смотря на неизменное положение органа управления топливны­ ми насосами. Подобным условиям отвечают внешняя или частич­ ные характеристики, под которыми понимается графическая или аналитическая зависимость показателей двигателя от частоты вра­

280

Рис. 14.3. Внешняя и частичные характеристики

топливными насосами (топливная рейка TP = const), что обеспе­

ная характеристика, соответствующая работе двигателя в усло­ виях изменяющихся нагрузки и частоты вращения при активном ходе плунжера Яаном или соответствующем ему положении топлив­ ной рейки ТРН0М, обеспечивающем номинальную мощность Neuom и среднее эффективное давление ренош при номинальном скорост­ ном режиме % ом.

Под номинальной максимальной длительной (MCR) мощностью

понимается наибольшая гарантируемая заводом-строителем эф­ фективная мощность, которую двигатель может развивать в тече­ ние длительного времени при номинальном скоростном режиме пнош

на впуске, противодавлении выпуску (возникших при стендовых испытаниях и оговоренных в инструкции), температуре и давле­ нии в системах смазочной и охлаждения, рекомендованных сортах топлив и масел' (QH — 42,7 МДж/кг). Условия работы в эксплуа­ тации обычно отличны от стендовых, поэтому на номинальной мощности из-за опасности перегрузки двигатель работает редко.

Внешняя максимальная, или заградительная, характеристика

по топливному насосу (кривая T P max = const, точка Г) соответ­ ствует предельной в условиях эксплуатации подаче топлива, огра­ ничиваемой обычно упором, устанавливаемым на топливном насо­ се и обеспечивающим кратковременную 10 %-ную перегрузку дви­

281

Частичные характеристики. Характеристики соответствуют ра­

ние составляют лишь часть их полного значения на номинальном

Характер зависимостей мощности и среднего эффективного дав­ ления от частоты вращения для внешней и частичных характерис­ тик следующий:

Pe = A 1 g n r\e ', N e ^ C 1 g 4 r{e n i .

Если заменить величину g n через показатель ТР, характеризу­ ющий положение топливной рейки насоса или указателя нагрузки, то

ре— л 2 (ТР) % % ; Ne**C2 (ТР) ц тце т.

Если предположить, что изменение скоростного режима п при ТР = const не влияет на величины цТ и це, внешняя характеристи­ ка в координатах ре — п (см. рис. 14.3, а, 6) будет представлять собой прямую, параллельную оси абсцисс (ре иот = const), а в ко­ ординатах Ne — п — прямую, идущую из начала координат в точ­ ку номинального режима (Л^ном, лном).

В действительности при изменении частоты вращения не сох­ раняются неизменными ни коэффициент подачи топливных насосов % , ни эффективный КПД це (см. рис. 14.3, а). Коэффициент подачи из-за сжимаемости топлива при уменьшении частоты вращения не­ много увеличивается или уменьшается. Определяющую роль играют конструкция топливного насоса, объем дросселирования топлива в периоды наполнения и отсечки, техническое состояние прецизион­ ных элементов.

Совместное влияние т|г и т]мех приводит к тому, что эффек­ тивный КПД большинства двигателей при уменьшении частоты вращения меняется в довольно узких пределах.

Соответственно невелико изменение и удельного эффективного расхода топлива ge = 3600/(QH%), определяющего экономичность работы двигателя.

Малое влияние скоростного режима на эффективный КПД при­ водит к тому, что характер зависимости среднего эффективного дав­ ления от частоты вращения при работе двигателя по внешней ха­ рактеристике в основном определяется характером изменения цик­ ловой подачи топлива (коэффициента подачи %). В большинстве случаев при снижении п увеличивается т|т, поэтому растет ре (см, рис. 14.3, а).

Снижение давления ре обычно наблюдается в области малых частот вращения, здесь определяющую роль начинает играть умень-

282

тление коэффициента це из-за ухудшения снабжения двигателя воз­ духом, падения а и ухудшения смесеобразования.

Так как среднее эффективное давление при изменении скорост­ ного режима и ТР = const не остается постоянным, то отклоняет­ ся от линейной зависимости и Ne = Среп (см. рис. 14.3, б).

Положение частичных характеристик отвечает условию ТР2 < < ТРХ< ТРН0М, что соответствует следующим соотношениям ак­ тивного хода плунжера топливного насоса: /га2 < hal < haном.

Тепловая и механическая напряженность. Характерное для внешней характеристики сокращение коэффициента избытка воз­ духа, особенно четко проявляющееся в двигателе с турбонадду­ вом, вызывает рост температуры газов в цилиндре (см. рис. 14.3). Поэтому при уменьшении частоты вращения в условиях внешней характеристику не исключена возможность повышения темпер атуры деталей ЦПГ и роста в них температурных напряжений.

О механической напряженности двигателя можно судить по максимальному давлению цикла рх и максимальному суммарному давлению ртах = рг — р}.

р г, что обусловливается смещением начала видимого сгорания в сто­ рону опережения. В двигателях с наддувом в связи с падением дав­ ления наддува давление рг убывает, но ртах увеличивается, так как с уменьшением частоты вращения существенно убывает сила инер­ ции Pj.

Рост /?тах обусловливает повышение механических напряжений в деталях КШМ.

Таким образом, работа двигателя по внешней характеристике опасна, так как при уменьшении частоты вращения увеличивается механическая напряженность и не исключена возможность роста тепловой напряженности. Это обстоятельство необходимо учиты­ вать при выборе режима работы главного двигателя, особенно при плавании в штормовую погоду, во льдах и при буксировках, т. е. именно в этих условиях двигатель выходит на режимы внешней ха­ рактеристики —- подача топлива остается постоянной, а частота вращения может снижаться при увеличении сопротивления движе­ нию судна.

Винтовые характеристики. Характеристики определяются за­ висимостями, представляющими собой квадратичную (рис. 14.4,а) или кубическую (рис. 14.4, б) параболы. Зависимость момента со­ противления (Н-м) гребного винта имеет вид квадратичной пара­ болы и подчиняется выражению

283

Рис. 14.4, Винтовые характеристики

Поглощаемая винтом мощность при тех же условиях должна под» чиниться закону кубической параболы

Если же принимать во внимание сравнительно небольшие поте­ ри мощности в промежуточной передаче от двигателя к гребному

и между поглощаемой винтом мощностью и мощностью двигателя

Таким образом, при непосредственной передаче мощности (пря­ мое соединение двигателя с гребным винтом) нагрузка двигателя по мощности и моменту однозначно определяется его частотой вра­ щения п или скоростью v судна, поскольку при неизменных усло­ виях плавания v j v %ж n j n 2. Отсюда, если необходимо увеличить скорость судна в х раз, во столько же раз должна быть повышена частота вращения гребного винта и двигателя, а это в свою очередь может быть достигнуто путем увеличения крутящего момента дви­ гателя в х2 раз или мощности в х3 раз.

284

В практике использования винтовых характеристик часто бы­ вает удобно заменить крутящий момент М е на пропорциональное ему среднее эффективное давление ре. Правомерность такой замены вытекает из следующего:

Me~9550Ne/n, но Ne= Cpe ni,

тогда

9550Сре ni

Винтовая характеристика, проходящая через точку номиналь­ ного режима (/), пересекающаяся в этой точке с внешней номиналь­ ной хар актеристикой, когда орган управления подачей топлива находится в положении ТРН0М, называется теоретической или

номинальной винтовой характеристикой (поступь винта XPi, см. рис. 14.4). Тогда согласно формуле (14.8)

При изменении поступи винта [путь, проходимый винтом за один оборот Хр = vp/(nsD)], а это возможно при изменении сопротивления движению судна, винтовая характеристика меняет свое положение и вид, меняется значение коэффициента С" в уравнении (14.9). Так, при увеличении сопротивления вследствие увеличения осадки судна, усиления встречного ветра или волнения, буксиров­ ки, обрастания корпуса скорость судна и поступь винта падают, поэтому гребной винт при той же частоте вращения поглощает боль­ ший крутящий момент. Винтовая характеристика, соответствующая новому значению поступи XPz = const, на графике располагает­ ся левее характеристики XPl. К подобному изменению приводит так­

При работе двигателя в условиях неподвижного судна (на швар­ товах) Хрт = vp/(nsD) = 0. В этих условиях гребной винт погло­ щает наибольший момент, и соответствующая винтовая характе­ ристика Хрт в семействе представленных на рис. 14.4 характерис­ тик занимает крайнее левое положение.

При уменьшении сопротивления движению судна, что возмож­ но при попутном ветре или уменьшении осадки (плавание в бал­ ласте), скорость судна и поступь винта возрастают, и винтовая ха­ рактеристика, соответствующая новому значению поступи ХРз = = const, располагается правее и ниже характеристикй свободного хода в грузу Хр4 = const. Характеристика ХРз = const может быть получена и при установке винта с малым шаговым отношением или с обрезанными по диаметру лопастями, поэтому она называется

характеристикой «легкого» винта. Аналогичное положение может занимать характеристика при плавании судна в балласте.

285

При работе двигателя в условиях «легкой» характеристики за­ грузка его оказывается значительно меньшей, чем в предыдущих случаях. В частности, для поддержания номинальной частоты вра­ щения (точка 2 на рис. 14.4) от двигателя потребуются значительно меньшая мощность и среднее эффективное давление. Линией R по­ казана регуляторная характеристика по предельной частоте вра­ щения.

Изменение параметров двигателя при работе по винтовой харак­ теристике показано на рис. 14.5, а.

Переход с режима полной нагрузки к малой осуществляется пу­ тем сокращения цикловой подачи топлива. Подача воздуха тур­ бокомпрессорами с уменьшением нагрузки и частоты* также умень­ шается, но в меньшей степени. Поэтому коэффициент избытка воз­ духа увеличивается (на рисунке показан а СУМ). Это влечет за собой рост индикаторного КПД и снижение расхода топлива g t. Удель­ ный эффективный расход топлива ge в связи с уменьшением т)мех

Уменьшение нагрузки и сокращение расхода g n приводит к па­ дению температуры выпускных газов и максимального давления

286

цикла. Тепловая и механическая напряженность двигателя в об­ ласти малых нагрузок и скоростей меньше» чем при полной частоте вращения. Об этом можно судить по изменению температур в порш­ не двигателя RND 68М (рис. 14.5, б, в).

14.2. Режимы полного хода и малых Нагрузок

Режим полного хода. При назначении режима полного хода, основного для транспортных судов, необходимо, чтобы тепловые и механические напряжения, возникающие в двигателе на этом ре­ жиме, не выходили за допустимые для длительной работы уровни, чтобы гарантировалась надежная работа двигателя и была обеспе­ чена наиболее высокая экономичность его рабочего процесса; В прак­ тике двигателестроения при определении поля рабочих режимов обычно исходят из максимальной длительной номинальной мощно­ сти, которую двигатель может развивать лишь при определенных, оговариваемых заводом внешних условиях, а при отходе от них не исключена возможность нарушения нормального хода рабочего про­ цесса. В то же время главные судовые двигатели эксплуатируются на разных широтах, в широком диапазоне изменения параметров внешней среды, на различных топливах и пр. Поэтому при назначе­ нии для них режима полного хода нужно по отношению к номи­ нальному режиму располагать определенным запасом мощности.

Этими соображениями, а также стремлением обеспечить наибо­ лее высокую экономичность, руководствуются заводы, рекомендуя для современных форсированных наддувом дизелей назначать ре­ жим полного хода исходя из максимальной длительной спецификационной мощности, которая должна лежать в области, ограничен­

товых характеристик заменить отрезками прямых. Так, номиналь­ ная винтовая характеристика, ранее выглядевшая в виде кривой кубической параболы, на рис. 14.6, а представлена прямой линией, проходящей через точку номинального режима (Neti0Mf пном).

Линия I соответствует номинальной частоте вращения вала

Выбор положения точки спецификационного режима внутри ог­ раниченной этими линиями области определяется требованиями к мощности и частоте вращения со стороны приемника энергии (греб­ ного винта, электрогенератора). Немаловажное значение имеет и экономичность двигателя, характеризуемая удельным расходом: топлива, который уменьшается в пределах рассматриваемой зоны при снижении как нагрузки, так и частоты вращения. Поэтому чем ближе будет располагаться зона рабочих режимов к точке L4, тем

287

подпер

100 /Уеспец

^еэкспл

90

80

70

Рис. 14.6. Графики для выбора спецификационной мощности и режима полного хода (ограничительные характеристики) двигателя

288