Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

ента а не произойдет и будет гарантировано достаточно полное его* рание топлива.

Зона между линиями 4 и 5 и расположенной над ними ломаной жирной пунктирной линией относится к зоне перегрузок, и время работы в ней ограничивается 1 ч каждые 12 ч. Максимально допу­ стимая мощность, которую двигатель кратковременно может раз» вивать, составляет 110% при п = 103,3 % (точка A f),

Гребной винт рекомендуется подбирать таким образом, чтобы его характеристика (кривая 6) была на 2—3 % легче винтовой харак­ теристики, проходящей через, точку спецификационного режима (линия /), Это означает, что эту же мощность двигатель будет по­ глощать при частоте вращения, на 2—3 % большей (сравните точ­ ки А и С"). Если за основной скоростной режим (режим полного хода) принять частоту вращения лспец (точка С), то при полной загрузке судна и спокойной погоде от двигателя потребуется мощ­ ность, на 7— 10 % меньшая Ne спец. Эта мощность получила наиме­ нование эксплуатационной мощности NeЭКСШ*

Запас по мощности необходим для того, чтобы сохранить часто­ ту вращения гребного винта я, а следовательно, и скорость судна vs при увеличении сопротивления его движению, не опасаясь пере­ грузить двигатель. Сопротивление увеличивается при обрастании или повреждении корпуса и гребного винта, усилении встречного ветра и волнения и пр. В этих условиях режим работы двигателя» соответствующий полному ходу, из точки С по регуляторной харак­ теристике (п ж const) будет подниматься, занимая в зависимости от нагрузки ряд положений на линии СА. Если же сопротивление на­

ки, подачу топлива не следует увеличивать, и тогда частоты враще­ ния двигателя и винта начнут снижаться.

Новый режим двигателя, принадлежащий тяжелой винтовой ха­ рактеристике, должен лежать в точке ее пересечения с ограничи­ тельной хар актеристикой 5— 4. Так, если предположить, что харак­ теристика 7 соответствует плаванию судна в ледовых условиях, ког­ да сопротивление движению судна резко возрастает, режим пол* ного хода должен лежать в точке пересечения характеристики 7 с ограничительной характеристикой 4 (точка D) либо ниже ее.

Работа двигателя с валогенератором. К мощности, потребляе­ мой при данной частоте вращения гребным винтом, добавляется мощность, отдаваемая генератору. Поэтому если положение режима двигателя при чистом корпусе и включенном валогенераторе опре­ делялось параметрами точки С (см. рис. 14.6, б), то с включением генератора точка режима переместится в точку С" (отрезок ССМ оп­ ределяет мощность генератора). В итоге запас мощности на воз­ можное увеличение сопротивления движению судна сокращается.

Повышение экономичности режима. В современных условиях в связи с ростом стоимости топлива составляющая затрат на него в

290

общем балансе эксплуатационных расходов судна увеличивается, Поэтому при назначении режима работы главного двигателя важно обеспечить максимально возможную его экономичность. Напомним, что экономичность рабочего цикла дизеля во многом зависит от давления рг: чем выше рг при тех же давлениях ре и р и т. е. чем выше отношение рг!ре, тем экономичнее цикл, тем меньше удель­ ный расход топлива ge и часовой расход G4 = geNe. Это обстоя­ тельство используют двигателестроители; они рекомендуют при длительной работе на режимах, для которых характерны меньшие значения частоты вращения п и нагрузки ре1 а следовательно* и

В этом случае рекомендуется снижать частоту вращения и перехо­ дить на режим экономической скорости.

Под экономической скоростью v3i{ понимается такая скорость, которая при наличии резерва ходового времени позволяет судну своевременно прибыть в порт назначения, обеспечивая максималь­ ную экономию горючесмазочных материалов. Однако должно соб­ людаться условие, что длительная работа на этом режиме не приве­ дет к снижению надежности главного двигателя. Здесь имеется в виду в первую очередь отсутствие интенсивного роста нагара и мас­ ляных отложений в продувочном и выпускном трактах, отсутствие опасных вибраций. За основной критерий экономичности при выборе ■оэк. принимается путевой расход топлива

Напомним, что для судов с винтом фиксированного шага Ne —

если в целях упрощения принять ge = const (где С, Сг — постоян­ ные).

Таким образом, путевой расход топлива gv пропорционален ква­ драту частоты вращения и графически может быть представлен квадратичной параболой (рис. 14.7). Кривая 1 представляет собой путевой расход условного топлива на главный и вспомогательный двигатели при осадке судна Гср = 9,5 м, кривая 2 — при Тср = = 4,2 м. Точки на кривых, обозначенные gDT и gv.d$ соответствуют значениям путевых расходов при заданных технической и эксплуа­ тационной скоростях. Со снижением скорости энергия выпускных газов падает и приходится переходить с утилизационного котла на вспомогательный, соответственно увеличивается расход топлива на установку. В рассматриваемом примере дополнительная затрата топ­ лива на вспомогательный котел представлена кривой 8f включение котла потребовалось на скорости менее 11 уз. Обычно режимы эко~

номического хода располагают­ ся в диапазоне (0,6-^-0,7) vT.

Если же исходить из задачи достижения оптимального режи­ ма работы не только по расходу топлива (его минимизации), а за критерий брать максимальнуюудельную провозную способ™ ность судна, представляющую собой его транспортную работу (пройденное расстояние) за час, отнесенную к путевому расходу топлива, то режим оптимально­ го топливоиспользования (на ри­ сунке заштрихована) будет рас­ полагаться в зоне (0,5—0,6) vT. Находят его по положению мак­ симума безразмерной величины

Режимы малых нагрузок, Переход главного двигателя на режим малого хода, как и переход вспомогательного на режим малых на­ грузок, связан со значительным сокращением подачи топлива в цилиндры и увеличением избытка воздуха. Одновременно снижают­ ся параметры воздуха в конце сжатия. Особенно заметно изменение величин рс и Гс в двигателе с газотурбинным наддувом, так как ГТК на малых нагрузках не работает и двигатель автоматически переходит на режим работы без наддува. Малые порции сгораю­ щего топлива и большой избыток воздуха снижают температуру в камере сгорания.

Из-за низких температур цикла процесс сгорания топлива про­ текает вяло, медленно, часть топлива не успевает сгореть и стекает по стенкам цилиндра в картер или уносится с отработавшими газа­ ми в выпускную систему. Ухудшению сгорания топлива способству­ ет также плохое смесеобразование топлива с воздухом, обусловлен­ ное снижением давления впрыска топлива при падении нагрузки и снижении частоты вращения. Неравномерное и нестабильное впрыс­ кивание топлива, а также низкие температуры в цилиндрах вызы­ вают неустойчивую работу двигателя, нередко сопровождающуюся пропусками вспышек и повышенным дымлением.

Нагарообразование протекает особенно интенсивно при исполь­ зовании в двигателе тяжелых топлив. При работе на малых нагруз­ ках из-за плохого распыливания и относительно низких температур в цилиндре капли тяжелого топлива полностью не выгорают. При на­ гревании легкие фракции постепенно испаряются и- сгорают, а в ядре капли остаются исключительно тяжелые высококипящие фрак-

292

ции, основу которых составляют ароматические углеводороды с на­ иболее прочной связью между атомами. Поэтому окисление их при­ водит к образованию промежуточных продуктов — асфальтенов и смол, обладающих высокой липкостью и способных прочно удер­ живаться на металлических поверхностях.

В силу изложенных обстоятельств при длительной рабо!е дви­ гателя на режимах малых частот вращения и нагрузок происходит интенсивное загрязнение цилиндров и особенно выпускного тракта продуктами неполного сгорания топлива и масла. Выпускные кана­ лы крышек цилиндров и выпускные патрубки покрываются плот­ ным слоем асфальтосмолистых веществ и кокса, до 50—70 % уменьшающих их.проходные сечения, В выпускной трубе толщина слоя нагара достигает 10—20 мм. Эти отложения при повышении нагрузки на двигатель периодически воспламеняются, вызывая в выпускной системе пожар. Все маслянистые отложения выгорают, а образующиеся присгорании сухие углекислые вещества выдува­ ются в атмосферу.

Чтобы этого не случилось, необходимо по возможности избегать эксплуатации двигателя на малых нагрузках. Особенно это отно­ сится к дизель-генератору, режим работы которого можно регули­ ровать числом параллельно работающих двигателей и их нагрузкой или выборочным включением в судовую сеть приемников тока. Следует следить за чистотой выпускного тракта, не допуская скоп­ ления в нем асфальтосмолистых веществ, топлива и масла.

Проблема работы двигателей на малых нагрузках стала особен­ но острой при появлении на нефтяном рынке тяжелых промежуточ­ ных топлив. Следствием использования высокоар оматизированных топлив является существенное увеличение продолжительности периода задержки или даже отсутствие воспламенения (п ослам е возможно на малых нагрузках). В первом случае это может Pd :ы вать чрезмерный рост давления газов, жесткую работу и поврем де ние деталей двигателя» во втором — скапливание несгоревшего топ­ лива в выпускном тракте и далее взрыв его паров, Падение давле­ ния впрыскивания и ухудшение распыливания, снижение темпера­ тур в камере сгорания и сжимаемого заряда воздуха при уменьше­ нии частоты вращения и нагрузки двигателя способствуют появле­ нию отмеченных явлений, особенно в четырехтактных СОД,

Чтобы уменьшить влияние отмеченных факторов, в последних

нии частоты вращения давление-впрыскивания» подчиняющееся за­ кону рШ1р = Cnzf будет уменьшаться не до столь низких значений, как в том случае, когда на номинальном режиме ршр — 70 МПа, Кроме того, отключают воздухоохладитель и вводят подогрев над­ дувочного воздуха при переходе на частичные нагрузки. Для этого параллельно с охлаждением на двигатель устанавливают подог?к ватель, в котором температура воздуха повышается до 65—80 *

14.3. Режимы пуска и прогревания

Пуск двигателя с последующим выводом на полную нагрузку. Пуск, как и маневрирование, сопряженное с остановками, реверси­ рованием и сменой нагрузок, относится к неустановившимся и на» пряженным режимам, на которые приходится наибольшее число аварийных повреждений двигателей.

Напряженность переходных режимов определяется тем, что в процессе смены режима (нагрузки и частоты вращения) резко изме­ няется рабочий процесс, меняются условия нагрева и охлаждения цилиндров и поршней.

Напряжения в деталях ЦПГ и КШМ растут с увеличением ско­ рости смены режима и становятся наибольшими при пуске холодно­ го двигателя, резком выведении его на полную нагрузку и внезап­ ной остановке с полного хода. В этих условиях элементы конструк­ ции подвергаются деформации и интенсивному изнашиванию, ме­ няются зазоры и натяги в сопряжениях. В деталях, испытывающих действие высоких температур, развиваются термоусталостные яв­ ления, приводящие к образованию трещин.

При пуске холодного двигателя в цилиндрах создаются неблаго­ приятные условия для самовоспламенения топлива. Сгорание его сопровождается чрезмерно высоким давлением и большой скоро­ стью его нарастания. Это приводит к увеличению механических на­ пряжений в деталях ЦПГ и КШМ, возникают большие ударные на­ грузки в подшипниках.

Высокое давление сгорания рг возникает и при пуске прогрето­ го двигателя, если он недостаточно раскручивается на воздухе, и для создания необходимых ускорений даются большие подачи топ­ лива. Так, при автоматическом пуске двигателя Зульцер RD 76 по максимальной программе, предусматривающей вывод двигателя

чтобы обеспечить достаточно низкую скорость роста температур дета­ лей ЦПГ.

Жесткая работа двигателя при пуске возможна также при ис­ пользовании тяжелых топлив, для которых характерны худшие рас­ пыливание, испарение и замедленное сгорание. Поэтому при низ­ ких температурах рекомендуется запускать двигатель на дизельном топливе.

Надежное самовоспламенение топлива в цилиндре определяет­ ся температурой сжатого воздуха, которая зависит от температуры

294

окружающей среды, теплового состояния двигателя, состояния поршневых колец и пусковой частоты вращения (средней скорости поршня). Поэтому чтобы обеспечить легкий пуск, двигатель необ­ ходимо предварительно прогреть, прокачивая через него горячую воду,-отбираемую обычно от системы охлаждения вспомогательных дизелей. При прогреве снижается износ цилиндров в пусковой пе­ риод, уменьшается корродирующее действие кислот, образующихся при сгорании топлива.

Уменьшение потерь теплоты в стенки цилиндра способствует росту температур и давлений в конце сжатия и сокращению периода индукции, в связи с чем значительно снижается давление в цилинд­ ре при первой вспышке. Это снижает механическую напряженность деталей цилиндра и улучшает работу подшипников коленчатого вала.

При работе холодного двигателя смазка подшипников и других узлов трения недостаточна, поскольку масло не успевает прогре­ ваться и высокая вязкость затрудняет его движение. Большая вяз­ кость масла обусловливает также увеличение сопротивления про­ кручиванию двигателя в пусковой период. В связи с этим необходи­ мо перед пуском двигателя подогревать смазочное масло в циркуля­ ционной цистерне или картере до температуры 40—45 °С.

Переходные режимы разгона и прогревания. Детали ЦПГ (пор­ шень, крышка и втулка) при переходных режимах испытывают вы­ сокие тепловые нагрузки, под влиянием которых в них возникают термические напряжения, деформация, а иногда (при значительных перегрузках и частых сменах режимов) термоусталостные разру­ шения.

Температурные" условия переходных процессов, определяющие термические напряжения, характеризуются максимальным и мини­ мальным уровнями изменения температуры детали, перепадом тем­ ператур по толщине (температурного градиента), зависящим от тем­ па изменения температур на внутренней и наружной поверхно» стях.

При пуске и в следующий за ним период разгона и прогрева двигателя интенсивно повышается температура его деталей (в пер­ вую очередь деталей ЦПГ) и охлаждающей воды, снижается вяз­ кость смазочного масла и изменяются зазоры между сопрягаемыми поверхностями. Неравномерность прогрева деталей обусловливает появление в них высоких температурных градиентов, зависящих от скорости прогревания, которая определяется скоростью изменения температуры деталей по времени А//Ат. Наиболее интенсивный прогрев (максимум А//Ат) происходит в зонах тепловоспринимаю­ щих поверхностей камеры сгорания и в местах движения основного потока теплоты. В поршне в первую очередь прогревается головка, юбка же разогревается вяло, накапливая теплоту главным обра­ зом в процессе теплопроводности. Поэтому колебания температу­ ры юбки, как и нижней части втулки, с изменением режима работы

мало заметны. Независимо от размеров и мощности двигателя на­ иболее интенсивный рост температуры деталей отмечается в началь­ ный период их прогрева, особенно в течение 40—60 с после первой вспышки в цилиндре. В это время температурные градиенты (пере­ пады температур по толщине или в радиальном направлении) и термические напряжения достигают максимума. Затем температур­ ное поле выравнивается, что сопровождается снижением напря­ жений.

Дальнейшее развитие температурных градиентов и напряжений определяется временем прогревания и характером изменения на­ грузки: чем больше нагрузка, на которую выводится двигатель после пуска, тем интенсивнее он прогревается и тем больше рост температур.

При прогреве холодного двигателя после пуска меняются зазоры между деталями и происходит их деформация, особенно цилиндро­ вых втулок мощных дизелей. Внешне это проявляется в появлении воды в контрольных отверстиях, выводящих ее из зоны уплотне­ ния втулки.

Существенно изменяются зазоры между поршнем и втулкой. Их неравномерное и неодновременное прогревание приводит к тому, что поршень расширяется быстрее втулки и при ускоренном про­ греве зазор между ними в начальный период может существенно сократиться. Уменьшение зазора, деформация зеркала цилиндра и недостаточное поступление масла на смазывание цилиндра вслед­ ствие высокой вязкости являются причинами интенсивного изна­ шивания трущихся поверхностей. По мере прогревания и расшире­ ния втулки и рубашки цилиндра зазор несколько увеличивается и стабилизируется.

Рекомендуется после длительной стоянки выводить двигатель на режим полного хода лишь после 2 ч работы на частичных нагруз­

длительной работы на холостом ходу, так как этот режим из-за низкого теплового состояния, плохого распыливания и сгорания топ­ лива характеризуется сильным нагарообразованием, способствую­ щим интенсивному изнашиванию цилиндров.

Разница между максимальными уровнями температуры дета­ лей ЦПГ, как и темп ее увеличения, во многом зависят от началь­ ного теплового состояния двигателя. Предварительный прогрев перед пуском обязателен для всех двигателей и в первую очередь для мощных МОД, которые из-за больших размеров и значитель­ ной тепловой инерции во время пуска-разгона испытывают высо­ кие тепловые нагрузки.

После длительной стоянки судна в порту или на рейде двига­ тель нагружают ступенями, т. е. после пуска он в течение некото­ рого времени работает на холостом ходу или на малой нагрузке, которую затем постепенно доводят до полной. Продолжительность

296

работы на отдельных ступенях нагрузки зависит от типа, разме­ ров, мощности и степени форсирования двигателя. Мощным МОД требуется для прогрева больше времени, чем меньшим среднеобо­ ротным. Для последних» согласно исследованиям фирмы SEMT, оптимальное время прогрева.30—40 мин, из которых 8 мин состав­ ляют прогрев на холостом ходу, 2 мин — с медленным повышением нагрузки до 30 % и 20—30 мин — с повышением нагрузки до полной.

При наличии систем дистанционного автоматического управле­ ния в них обычно заложены программы прогревания: экстренный вывод под нагрузку 60—90 с; ускоренный вывод под 100 %~ную нагрузку 12—20 мин; нормальный вывод под нагрузку 1,5—2 ч.

Остановка двигателя. Наряду с режимом прогрева не менее опасен и переходный режим резкого снижения нагрузки или вне­ запной остановки двигателя. При резком сбросе нагрузки и осо­ бенно при остановке двигателя, до этого работавшего в режиме пол­ ного хода, в нем, как и при прогреве, появляются высокие тепло­ вые напряжения вследствие неравномерного остывания деталей ЦПГ. Наибольшие напряжения наблюдаются в первый период оста­ новки двигателя, так как именно для этого периода характерна на­ ибольшая скорость падения температуры нагретых поверхностей.

Для уменьшения напряжений, возникающих при остывании го­ рячего двигателя, необходимо заблаговременно, до полной оста­ новки двигателя, снижать развиваемую им мощность. Мощные МОД рекомендуется переводить на режим среднего, затем малого хода за 30—60 мин до начала маневров.

14.4. Параллельная работа дизелей

Общие сведения. На современных судах широко применяют энергетические установки с параллельной работой нескольких ди­ зелей на общую нагрузку, а также установки с параллельной рабо­ той разнотипных двигателей (дизель-генератор и турбогенератор или валогенератор, дизель и газовая турбина). Для исключения перегрузки одних и недогрузки других дизелей и обеспечения экономичной работы всей установки нагрузка между параллельно работающими однотипными дизелями на всех режимах должна распределяться равномерно, т. е. средние дффективные давления ре, вращающие моменты М е или мощности Ne всех двигателей должны быть равны. В общем случае параллельно работающие дви­ гатели могут различаться по мощности и частоте вращения вала. Тогда нагрузка между ними на всех режимах должна распреде­ ляться пропорционально их мощности [см. формулы (1.11) и (1.16)], т. е. должны быть равны относительные средние эффективные дав­ ления ре/Реи или относительные вращающие моменты М е/ М е в .

На распределение нагрузки большое влияние оказывают ста­ тические характеристики систем автом атического регулирования

297

частоты вращения параллельно работающих дизелей, а также не­

ляется результирующей статических характеристик ее элементов: регулятора, дизеля» связи регулятора с топливной рейкой.

Статическая характеристика регулятора представляет собой симость положения выходного звена регулятора'г, управляю» щего топливной рейкой, от частоты вращения вала дизеля п при

неизменной настройке регулятора (кривая 1 на рис. 14.8).

Статическая характеристика дизеля как объекта 'регулирова­ ния — это зависимость нагрузки (ре, М е или Nе) от положения топ­ ливной рейки (ТР) при постоянной частоте вращения (линия 2).

Статическая характеристика связи выходного звена регуля­ тора с топливной рейкой определяется главным образом кинема­ тической и силовой схемой этой связи (линия 3).

По статическим характеристикам элементов можно построить результирующую статическую характеристику R системы, кото­ рую принято называть регуляторной характеристикой дизеля —

это зависимость нагрузки дизеля (ре, М е или N е) от частоты вра­ щения вала п во время действия регулятора при данной его наст­ ройке.

При наличии всережимного регулятора регуляторную характе­

соответственно при холостом ходе, номинальной нагрузке, сред­ няя; на рис. 14.9 номинальная частота вращения обозначена ян).

С уменьшением начальной частоты вращения (при изменении настройки регулятора) наклон регуляторной характеристики воз-

ГР

298

Наклон характеристики является неотъемлемым свойством ста­ тического регулятора. В некоторых случаях применяются астати­ ческие регуляторы, которые обеспечивают постоянство частоты вращения при любой нагрузке; их характеристика имеет нулевой наклон (статическая ошибка равна нулю) и изображается верти­ калью к оси п.

Для обеспечения параллельной работы дизелей их регулятор­ ные характеристики согласовывают (совмещают). Совместить пря­ молинейные характеристики просто, согласование же криволиней­ ных характеристик возможно только при их одинаковой форме. Поэтому стремятся получить линейные (или близкие к ним) регу­ ляторные характеристики путем придания линейности статиче­ ским характеристикам всех элементов системы регулирования.

Неточность настройки регуляторов параллельно работающих дизелей вызывается погрешностями систем дистанционного управ­ ления, частотой вращения и различной жесткостью измерительных пружин даже однотипных регуляторов. Это приводит к смещению регуляторных характеристик вдоль оси п и изменению их на­ клона.

Синхронная параллельная работа. В установках с синхрон­ ной параллельной работой имеется жесткая механическая или элект­ рическая связь между дизелями и общим приемником. При этом

работы обычно используют однотипные дизели. При нормальном техническом состоянии и качественном регулировании можно счи­ тать, что они обладают практически одинаковыми внешними х а ­ рактеристиками.

Рассмотрим параллельную работу двух дизелей через жесткие соединительные муфты и зубчатый редуктор на один гребной винт,

(рис. 14.10, а). Предположим, что регуляторные характеристики дизелей линейны, имеют одинаковый наклон (неравномерность ре­ гулирования), но не совмещены (рис. 14.10, б).

При синхронной параллельной работе частота вращения дизе­ лей одинакова (% = п2 =■ in, где i — передаточное отношение), поэтому нагрузка каждого дизеля (Ме, pet N e) определится точкой пересечения его регуляторной характеристики с вертикалью, со­ ответствующей общей частоте вращения. Тогда при номинальной частоте вращения винта пшм рабочие режимы дизелей I и II будут соответствовать точкам 1 и 2. При этом нагрузка дизеля II (Ме2)

Н~Ме2* При изменении условий плавания (ветер, волнение, осадка)

переход с одного режима на другой происходит по заданной регу-

299