Нагружение судового дизеля по винтовой характеристике. Установившиеся режимы и переходные процессы. Предотвращение аварий при увеличении нагрузки

Ограничительные и винтовые характеристики дизелей

Режим работы двигателя определяется многими факторами, основными из которых являются гидродинамические характеристики гребного винта, состояние корпуса судна, степень изношенности деталей и узлов дизеля и метеорологические условия.

Гидродинамические характеристики гребного винта относятся к наиболее важному фактору. При винте фиксированного шага практически отсутствует возможность изменить рабочие характеристики главного двигателя, поэтому проектирование винта должно отвечать соответствующим требованиям, разработанным фирмой на основании многолетней практики для дизелей типа РД и РНД Зульцер (рис. 49). Основная винтовая характеристика двигателя соответствует стендовым данным и проходит через пересечение номинальной мощности и номинальной частоты вращения дизеля.

Стендовая винтовая характеристика показывает, какую мощность можно получить от двигателя в нормальных условиях эксплуатации при сохранении оптимальных пределов тепловой и механической напряженности.

В процессе эксплуатации винтовые характеристики утяжеляются согласно увеличению сопротивления из-за обрастания корпуса, т. е. зафиксированное среднее эффективное давление будет, достигаться при меньшей частоте вращения.

Учитывая это, следует проектировать гребной винт таким, чтобы винтовые характеристики двигателя располагались в области 1 при условии, что судно в полном грузу, корпус чистый, и метеорологические условия нормальные. Достигается это установкой гидродинамически облегченного винта, который при номинальном значении частоты вращения поглощает 85—90% мощности главного двигателя.

Для судов, совершающих рейсы в тропические зоны, значение 85% предпочтительней. На ходовых испытаниях, когда судно не загружено полностью, для получения 100%-ной мощности допускается повышение частоты вращения до 108% от номинальной.

Что касается обычной, длительной эксплуатации, то повышение частоты вращения возможно до 106%, при этом не должно превышаться номинальное значение среднего эффективного давления. Следует подчеркнуть, что номинальная частота вращения двигателя не является ограничением для нагрузки.

Возможное увеличение нагрузки определяет гидродинамические характеристики гребного винта. Если при полностью загруженном судне, имеющем чистый, свежеокрашенный корпус, и при нормальных погодных условиях, винтовые характеристики главного двигателя располагаются левее стендовой в зоне В, то гребной винт гидродинамически тяжелый. Этот наиболее неблагоприятный, но чаще всего встречающийся фактор приводит к двум серьезным последствиям.

1. Потери скорости от обрастания значительнее у судов с тяжелыми винтами, чем с легкими. Это объясняется тем, что ограничительных параметров быстрее достигнет двигатель, работающий на тяжелый гидродинамический винт. Если учесть разрешение фирмы эксплуатировать двигатели до 106%-ной номинальной частоты вращения, то ограничительным параметром явится значение номинальной мощности.

2. Состояние цилиндропоршневой группы двигателей судов, имеющих тяжелый гребной винт, хуже. Это подтверждается опытом эксплуатации судов польской постройки типа «Муром» и югославской постройки типа «Дубровник» с главными двигателями РД 76 цилиндровой мощностью 1500 л. с.

На судах типа «Муром» гребные, винты гидродинамически тяжелые, в результате чего винтовые характеристики находятся в зоне В, предназначенной только для кратковременной работы.

 

Рис. 49. График фирмы Зульцер для выбора гребного винта и назначения режима работы главного двигателя: А - диапазон длительной работы; В - то же, в ограниченное время; С - верхний диапазон частоты вращения во время испытаний в море; Д-нагрузка дизеля согласно теоретической винтовой характеристике на стенде; Е - то же, во время испытаний при хорошей погоде, полностью загруженном судне я чистой поверхности корпуса

 

 

Гребной винт судов типа «Дубровник» спроектирован в соответствии с рекомендацией фирмы Зульцер. Условия технической эксплуатации двигателей этих судов были такие же, как и у судов типа «Муром», и нагрузки почти одинаковые. Скорость износа цилиндровых втулок была в 8 раз меньше, чем у двигателей судов типа «Муром».

По опыту можно считать, что износы втулок двигателей, работающих на легкий винт, происходят не только реже, но и их абсолютная величина будет в 1,5-2 раза меньше. В режиме, соответствующем стендовой характеристике, двигатель будет работать весьма непродолжительное время. Поэтому пользоваться ею для назначения режима работы нельзя. Она может служить для контроля относительного изменения параметров.

Назначая режим работы, следует руководствоваться ограничительными характеристиками. В графике по выбору гребного винта заложено ограничение-линия предельного момента. Увеличивать нагрузку двигателя выше этой кривой недопустимо из-за возникающих тепловых перегрузок, влекущих к повреждению цилиндропоршневой группы.

Следует отметить, что падение частоты вращения дизеля без изменения нагрузки (среднего эффективного давления) возможно только до 90% от номинальной. При дальнейшем снижении частоты вращения необходимо уменьшить нагрузку так, чтобы среднее эффективное давление не превосходило линию предельного момента.

Широкое распространение на судах получили ограничительные характеристики, разработанные ЦНИИМФом (рис. 50). Однако они занижают действительные возможности двигателя. Ограничительные характеристики двигателей, работающих в тропиках, проходят через пересечение значений номинального среднего индикаторного давления и номинальной частоты вращения дизеля.

Ограничительная характеристика для умеренного пояса располагается несколько выше. Во всех случаях соблюдается условие: величина среднего индикаторного давления должна уменьшаться на 3-8% при снижении частоты вращения на 10%.

Деление характеристик на тропические и умеренные только по условию температуры воздуха на всасывании перед ГТН представляется проблематичным. Тепловую напряженность двигателя определяет температура продувочного воздуха, зависящая от поверхности холодильника, его чистоты, температуры забортной воды.

Как правило, холодильники двигателей типа РД обеспечивают требуемое охлаждение продувочного воздуха. Ограничением степени охлаждения в тропиках, как в наиболее тяжелых условиях работы, являются не возможности воздушного холодильника, а температура «точки росы».

Кроме того, фирма указывает, что все двигатели типа РД и РНД могут работать с номинальным значением среднего индикаторного давления до 90%-ных значений частоты вращения от номинального.

С дальнейшим уменьшением частоты вращения должно снижаться и индикаторное давление, причем его падение происходит круче, чем у ограничительных характеристик ЦНИИМФа (15-30% р, на 10% частоты вращения).

Однако фирменная ограничительная кривая располагается значительно выше в рабочей зоне, чем предусмотренная для работы в умеренном поясе, и фирма считает необходимым, разделять работу двигателя в зависимости от параметров окружающей среды.

Поэтому целесообразно, назначая режимы работы двигателей, пользоваться только ограничением для умеренного пояса (рис..51). Ограничительные характеристики построены из условий не допустить во, всех случаях эксплуатации превышение определенных уровней тепловой и механической напряженностей, меняющихся в зависимости от работы двигателя.

 

Рис, 50. Ограничительные характеристики: 1 - фирменная; 2 - ЦНИИМФа

 

Рис. 51. Ограничительные характеристики дизелей: 1 - цилиндровая мощность 1500 л. с. (РД 76); 2-то же, 1600 л. с. (РД76); 3-то же 2200 л.с. (РД90)

 

 

В инструкции по эксплуатации двигателей типа РД оговаривается другой ограничивающий параметр - температура выпускных газов после турбо нагнетателя. При нормальных условиях отрегулированный двигатель работает без превышения заданной температуры выпуска. Возрастание температуры свидетельствует о загрязнении выпускной системы двигателя.

 

Подробнее на сайте Морская библиотека http://sea-library.ru/zulcer/402-harakterestiki-dizeley.html

§ 3.4. Нагрузочные и винтовые характеристики

17 Февраль, 2014

Нагрузочные характеристики. Для того чтобы проанализировать условия работы главных СЭУ в различных условиях плавания, необходимо знать нагрузочные характеристики главных ДВС Мвр(п) и Ne(n) и зависимости гидродинамического момента гребного винта Мв(п) и потребляемой им мощности NB(n) от частоты вращения. Различают внешние, ограничительные и частичные нагрузочные характеристики.

Под внешней (заградительной) характеристикой подразумевают зависимости вращающего момента и развиваемой мощности от частоты вращения ДВС при наибольшем полезном ходе плунжера топливного насоса и при регулировке угла опережения подачи топлива на наибольшую мощность. Заградительная характеристика отражает предельно допустимую в условиях эксплуатации цикловую подачу топлива в цилиндры ДВС, при которой возможна кратковременная 10 %-я перегрузка двигателя по мощности.

Внешняя номинальная характеристика представляет собой зависимости Мвр(п) и N(n) (рис. 3.13) при зафиксированном положении рейки топливного насоса, обеспечивающем номинальное значение среднеэффективного давления и мощности. Из рис. 3.13 видно, что при работе по внешним характеристикам вращающий момент по мере снижения частоты вращения поначалу возрастает, а затем, достигнув максимума, вновь уменьшается. Экстремальный характер зависимости связан с тем, что при снижении частоты вращения увеличивается коэффициент подачи топливного насоса, а следовательно, и цикловая подача топлива. При дальнейшем снижении часто- ‘ ты вращения резко ухудшаются воздухоснабжение и условия смесеобразования, вызывающие снижение эффективного КПД и величины вращающего момента.

При работе по внешним характеристикам возрастает тепловая и механическая напряженность ДВС, что неблагоприятно отражается на их надежности. Поэтому заводы — изготовители судовых ДВС с высокими

 

давлениями наддува не допускают работы по внешним характеристикам, а если и допускают, то только в очень узком диапазоне частот вращения, близких к номинальным, либо ограничивают продолжительность работы ДВС. Предельные нагрузки при длительной работе ДВС, допускаемые заводами-изготовителями, находят отражение в ограничительных характеристиках.

В качестве ограничительных характеристик принимают зависимости вида Мвр = const или Мвр(л) и Ne(n) при а2 = const. Иногда используют их сочетания: в-зоне частот вращения, близких к номинальным, ограничивающим фактором назначают номинальный вращающий момент, а на пониженных частотах вращения — коэффициент избытка воздуха.

Наиболее широкое распространение получили ограничительные характеристики по номинальному вращающему моменту (прямая 3 на рис. 3.13). При постоянном среднеэффективном

давлении ре будет неизменным и значение вращающего момента Мвр = const. В этом случае зависимость Мвр(п) отражается прямой, параллельной оси абсцисс, a Ne(n) — прямой, исходящей’ из начала координат. В действительности при фиксированном положении рейки топливного насоса изменение частоты вращения вызывает определенное изменение и ре. Поэтому работа ДВС по характеристике Мвр = const оказывается возможной лишь при специальной регулировке ДВС, по крайней мере в диапазоне частот вращения, в котором вращающий момент по внешней характеристике превышает свое номинальное значение. Нагрузочные характеристики Мвр = const и Ne(n) называют ограничительными по номинальному вращающему моменту.

 

Отработавшие газы судовых дизелей. Нормирование вредных выбросов дизелей. 17. Основные пути снижения выбросов вредных веществ в отработавших газах судовых дизелей и оценка их эффективности.

. Измерение состава ОГ должны выполняться Речным Регистром или организацией, имеющей Свидетельство о признании, выданное Речным Регистром. В настоящее время выбросы вредных веществ (окиси углерода и окиси азота) для дизелей в РФ нормируются в соответствии с ГОСТ Р51249.К вредным выбросам двигателей внутреннего сгорания относятся:- оксиды азота, NOx % 0.02 - 0.5.- углеводороды, НnСm % 0.009 - 0.05. диоксиды углерода, СО2 % 2 – 14. оксид углерода, СО % 0.01 - 0.5.твердые (сажистые) частицы (S), мг/м3 10 – 1100. 3,4-бенз(a)пирен, мг/м3 0 - 0.01. Известно, что оксиды азота являются одними из главных вредных выбросов дизелей, по массе выброса уступая только (сравнительно безвредной) двуокиси углерода СО2, а по показателю опасности - бенз(a)пирену, который практически не содержится в выбросе дизельного двигателя.Допустимое количество NOx для малооборотных дизелей выше, чем для среднеоборотных. Применение 10% рециркуляции выпускного газа может снизить NОх приблизительно на 30% без существенного изменения расхода топлива,хотядымность несколько возрастает. Нормируемым параметром является удельный средневзвешенный выброс -го вредного вещества с ОГ двигателя , выражающий количество этого вредного вещества в граммах, приходящееся на 1 кВт·ч эффективной работы двигателя, совершенной им при выполнении полного испытательного цикла, имитирующего типовые условия эксплуатации. Нейтрализация газов путем удаления токсичных составляющих NO_x, CO₂ и углеводородов с помощью химических реакций в нейтрализаторе является эффективным способом решения проблемы комплексной очистки отработавших газов. Известны различные типы нейтрализаторов, использующих в качестве реагентов аммиак и мочевину, а также драгоценные металлы – серебро и платину. Применение 10% рециркуляции выпускного газа может снизить NО_х приблизительно на 30% без существенного изменения расхода топлива, хотя дымность несколько возрастает.Известно, что все технологии сокращения выхода NOx связаны с удорожанием стоимости дизелей в изготовлении и некоторым ростом расходов на обслуживание в эксплуатации.