Режимы работы дизеля с винтом фиксированного шага при прямой передаче

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:

1. 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.

2. При работе двигателя с переменной частотой вращения вала (n = var) и изменяемым шаговым отношением (H/D = var).

3. 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].

24 вопрос

Удельным называют часовой расход топлива, отнесенный к эффективной мощности двигателя, т. е.

ge = G*N_e.

где ge — удельный расход топлива, кг/(кВт ч),

G — часовой расход топлива, кг/ч,

Ne -эффективная мощность, кВт

Фактические удельный расход за

1 ч работы и Ne находят измерениями во время работы двигателя. Расчетное значение ge для номинального режима

работы приведено в формуляре двигателя. Практически более удобно выражать удельный расход не в килограммах, а в граммах — г/(кВт-ч) Удельный расход топлива у высокооборотных дизелей, как правило, выше, чем у малооборотных, у дизелей с газотурбинным наддувом меньше, чем у дизелей без наддува. У лучших современных дизелей ge составляет 200 - 205 г/(кВт-ч).

Все паспортные значения удельного расхода топлива характерны для номинального режима работы двигателей При отклонении режима удельный расход изменяется. Как правило, минимальный удельный расход достигается при частоте вращения 80—90%

номинальной Для двигателей очень важно обеспечить низкий удельный расход топлива на вcех режимах работы. Достигают это грамотной эксплуатацией двигателя, тщательной регулировкой газообмена, наддува, подачи

топлива и обеспечением оптимизации процессов смесеобразования и сгорания.

Отложения в системах газообмена, наддува, износ трущихся деталей и другие отклонения от нормального технического состояния вызывают повышение удельного расхода топлива,

т. е. снижают экономичность его работы.

Согласно ГОСТ 10150-82 удельный расход топлива следует указывать приведенным к теплоте сгорания 42,6 МДж/кг. В случае применения топлива с другой теплотой сгорания

необходимо выполнить пересчет по формуле

g_еф=42,6*g e / Q_нф

где g_еф — фактический удельный расход топлива с теплотой сгорания Q_нф МДж/кг,

g _e — удельный расход топлива с теплотой сгорания 42,6 МДж/кг

 

Для всесторонней оценки экономичности двигателя определяют три к. п. д.: -индикаторный, механический и эффективный.

Индикаторным кпд называют отношение количества теплоты, эквивалентного работе цикла, к расчетной теплоте сгорания топлива,

затраченного на производство этой работы. Если индикаторная мощность

равна Ni кВт, то работа цикла втечений 1 ч можно выразить как 3600 Ni, кДж и она будет эквивалентна такому же количеству теплоты. Затраты теплоты за 1 ч при расходе топлива G, кг/ч, и его теплоте сгорания Q_H, кДж/кг, составят GQ_H, кДж. Следовательно,

n_i= 3600*Ni / (GQ_H)

Индикаторный к. п. д. двигателя зависит от целого ряда его конструктивных и эксплуатационных данных.

Например, с повышением степени сжатия n_i возрастает. У двигателей с вихрекамерным

и предкамерным способами смесеобразования индикаторный к.п.д. ниже, так как у них больше потери теплоты в охлаждающую воду. С ростом коэффициента избытка воздуха индикаторный к.п.д повышается, так как процесс сгорания протекает более интенсивно и меньше потери теплоты с выпускными газами. С увеличением частоты вращения n_iпонижается, так как растут продолжительность догорания топлива и потери теплоты с выпускными газами.

Индикаторный КПД двухтактных дизелей = 0,42-0,48

Индикаторный КПД четырехтактного дизелей = 0,45-0,53

Эффективным коэффициентом полезного действия называют отношение количества теплоты, эквивалентного полезной работе двигателя, к расчетной теплоте сгорания

топлива, затраченного на получение этой работы. Поскольку полезную работу характеризуют эффективной мощностью, то подобно индикаторному к: п. д. можно

записать в формулу

n_e = 3600*N е/(G*Q_H).

Повысить эффективный к. п. д. можно путем увеличения степени наддува, совершенствования процессов смесеобразования и сгорания, более полного использования энергии выпускных газов.

n_e = 3600*N е/(g_e*Q_H).

Эта формула позволяет определить n_e по удельному расходу топлива. Значения эффективного к. п. д. для судовых малооборотных дизелей n_e = 0,40ч- 0,42;

среднеоборотных n_e = 0,414 - 0,42;

высокооборотных n_e = 0,35 - 0,41.

у лучших современных дизелей оно приближается к 0,45.

Оценивая по эффективному к. п. д. экономичность дизеля как преобразователя тепловой энергии в механическую, следует иметь в виду, что у газовых турбин он составляет 0,26—0,3, у установок с* паровыми машинами менее 0,2, с паровыми турбинами большой мощности — 0*3 и выше. Таким образом, по удельной затрате теплоты дизель экономичнее всех тепловых двигателей. Однако в установках с паровыми турбинами расходуют дешевое топливо (мазут) и по затратам на него в денежном выражении паровые турбины большой мощности приближаются к дизелям. Чем больше

мощность турбины, тем меньше становится разность в этих затратах. Так как у турбин есть эксплуатационные преимущества по сравнению с дизелями, то в установках с большими мощностями используют паровые турбины.

 

25 вопрос

Статические характеристики Статический режим любого механизма определяется равенством подводимой и отводимой энергии, а у ГД – равенством крутящего момента двигателя МД и момента сопротивления воды на гребном винте МС.

Установившийся режим движения судна определяется равенством сопротивления воды корпусу судна и упора на гребном винте Характеристика подвода МД представляет собой совокупность установившихся режимов двигателя при постоянной топливоподаче, hРТН = const в различных условиях плавания. Здесь hРТН – положение рейки топливных насосов, которое обуславливает количество подаваемого в двигатель топлива.

Характеристика отвода МС (винтовая) представляет совокупность установившихся режимов двигателя (от самого малого до полного хода) при неизменных условиях плавания.

Характеристики главного дизельного двигателя – нелинейные. Нелинейность характеристик является показателем того, что качество рабочего процесса двигателя и свойства пропульсивного комплекса различны на разных режимах, в частности, по такому показателю, как КПД. С максимальным КПД установка обычно работает на основном номинальном режиме. Для транспортного судна это режим полного хода в полном грузу, которому соответствует верхняя точка расчетной винтовой характеристики, представляющей совокупность установившихся режимов главного двигателя при движении судна в полном грузу по глубокой, спокойной, чистой ото льда воде. Как правило, эксплуатационный полный ход принимается по нагрузке на 10 – 15 % меньше расчетного. Однако малая нелинейность верхнего участка винтовой характеристики свидетельствует о том, что качество рабочего процесса двигателя и свойства пропульсивного комплекса изменяются незначительно. При этом частота вращения вала двигателя – гребного винта, и, следовательно, скорость судна уменьшаются незначительно, а снижение нагрузки двигателя на основном режиме на 10 – 15 % существенно увеличивает его моторесурс.

 

2.2.3 Свойство саморегулирования Главный судовой двигатель является объектом, обладающим свойством саморегулирования. Так, при нарушении равенства подвода и отвода энергии начинается переходный процесс, в результате которого вновь наступает равенство подвода и отвода энергии, т.е. объект самостоятельно, без применения регулятора, приходит к установившемуся режиму.

Для движущихся объектов свойство саморегулирования определяется взаимной зависимостью между скоростью движения и величиной сопротивления движению внешней среды, т.е. взаимосвязью между величиной отвода энергии и параметром, характеризующим режим работы установки.

При движении судна сопротивление воды корпусу судна и вращению гребного винта зависит от скорости судна и частоты вращения винта. В переходном процессе у объекта, обладающего свойством саморегулирования, нагрузка (отвод энергии) всегда изменяется в сторону сближения по величине с подводом энергии. В результате вновь наступает установившийся режим, при котором отвод уравнивается с подводом.

 

 

32 Классификация по объему автоматизации" используются следующие термины:

Автоматизированный двигатель – двигатель, оборудованный средствами автоматизации, обеспечивающими выполнение операций, предусмотренных одной из степеней автоматизации.

Время необслуживаемой работы двигателя – время (календарное) между обслуживаниями или наблюдениями, требующими присутствия у эксплуатирующегося двигателя обслуживающего персонала.

Для 1 и 2-й степеней автоматизации время необслуживаемой работы двигателя может обеспечиваться при неавтоматизированном пополнении расходных емкостей.

Местное управление двигателем – управление отдельными операциями или режимами работы двигателя, при котором исполнение задаваемых команд осуществляется путем воздействия оператора непосредственно на местные (штатные) управляющие органы двигателя.

Дистанционное управление двигателем – управление отдельными операциями или режимами работы двигателя, при котором исполнение задаваемых команд осуществляется путем воздействия оператора на отдельные органы управления, расположенные на некотором расстоянии от двигателя.

Дистанционное автоматизированное управление двигателем – управление с автоматическим выполнением функционально связанных операций и режимов работы двигателя по заданному алгоритму, осуществляемое путем одноразового воздействия оператора на задающие органы управления, расположенные на некотором расстоянии от двигателя.

Автоматическое управление двигателем – управление с автоматическим выполнением функционально связанных операций или режимов работы двигателя по заданному алгоритму, осуществляемое по сигналам от внешних систем автоматики без участия оператора.

Централизованное управление двигателем – управление двигателем, осуществляемое оператором или автоматизированными системами управления из единого центра управления.

Централизованный автоматический контроль – контроль состояния и режимов работы двигателя, осуществляемый автоматическими средствами контроля и измерения из единого центра управления.

Индикация значений контролируемых параметров двигателя – отображение информации о значениях контролируемых параметров двигателя посредством контрольно-измерительных приборов.

Автоматизированное (автоматическое) техническое диагностирование двигателя – процесс определения технического состояния двигателя с определенной точностью посредством автоматических устройств с учетом (без участия) оператора.

Автоматизированный экстренный пуск или останов двигателя – пуск или останов двигателя, осуществляемый по командам оператора, путем дистанционного управления исполнительными органами и параллельной отработкой операций, предусмотренных алгоритмом управления.

При экстренном останове не обеспечивается готовность очередного рабочего или экстренного пуска Состояние готовности к быстрому приему нагрузки – состояние двигателя, при котором обеспечивается прием нагрузки за минимальное время, установленное в стандартах или соответствующих технических условиях.