Дизели и их внешние характеристики

ТЕМА 4. ТЕПЛОВЫЕ (ПЕРВИЧНЫЕ) ДВИГАТЕЛИ ГЭУ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Гребные винты регулируемого шага

Изменение момента сопротивления гребного винта под влиянием качки судна

Качка влияет на гидродинамические характеристики судна, увеличивая общее сопротивление движению и вызывая периодические изменения момента сопротивления и силы упора гребного винта.

При качке изменяется направление потока воды по отношению к плоскости вращения гребного винта, и он начинает работать в периодически изменяющемся косом потоке.

Максимальный дополнительный момент сопротивления винта соответствует наибольшему углу φ, который при бортовой качке не превышает 45°.

Увеличение момента сопротивления происходит как при дифференте на корму, так и при дифференте на нос. Поэтому, частота изменения момента сопротивления равна двойной частоте качки.

При длине волны, намного больше длины судна, скос потока будет незначительным.

В этом случае момент сопротивления гребного винта изменяется в зависимости от положения корпуса судна.

На склоне волны момент сопротивления уменьшается, т.к. поток воды помогает вращать гребной винт, а при подъеме на волну момент сопротивления увеличивается.

Частота изменения момент сопротивления в этом случае равна частоте качки.

Согласно теоретическим расчетам, при волнении 6-7 баллов момент сопротивления увеличивается на (14-15 %), а при шторме момент изменяется на ± 40%, что приводит к значительным перегрузкам двигателя.

Если на самоходных судах вначале движителем было гребное колесо, то затем его заменами на гребной винт.

Со временем начали улучшать свойства и характеристики гребных винтов и появились винты регулируемого шага.

ВРШ – это винты с поворотными лопастями.

Сила упора гребного винта зависит от угла атаки – т.е. угла между плоскостью лопасти и направлением потока воды.

С изменением угла атаки сила упора меняется.

Лопасти ВРШ можно поворачивать при движении судна.

При нулевом шаге (α=0), мощность для вращения гребного винта обычно составляет (10-20%) от номинальной мощности. ВРШ дают возможность при одной и той же частоте вращения винта и при изменении условий плавания сохранять номинальную мощность двигателя, а также не перегружать его.

На ледоколах и ледокольных судах, которые плавают в акваториях с толщиной льда более 0,5 м, плавания в крупнобитом льду в арктических и антарктических морях ВРШ не применяются из-за их недостаточной прочности.

Для морских и речных судов чаще всего используют двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия – дизели, так как по сравнению с другими двигателями они имеют высокий к.п.д. при сравнительно дешевом и сравнительно безопасным топливом.

Мощность и частота вращения дизеля регулируется изменением количества подаваемого в цилиндры топлива, а у двигателей с наддувом, кроме того, и количеством поступающего воздуха.

Дозировка топлива производится автоматическим регулятором скорости или вручную. Зависимость момента вращения М_е двигателя и мощности Р_е от частоты вращения n_e для дизеля имеет вид, показаный на рисунке 4.1.

Рис.4.1. Зависимость момента вращения двигателя и мощности от частоты вращения для дизеля

Зависимости M_e= f (n_e) и P_e= f (n_e) при номинальном режиме работы называют внешними характеристиками (кривые 1 и 2). А при меньшей подаче топлива (кривые 3 и 4) – называют частичными характеристиками. Дизели допускают кратковременную перегрузку по мощности до 15% при увеличенной подаче топлива (кривая 5). При частотах вращения менее n _крит (минимальной устойчивой) дизель не может работать и нести нагрузку.

Момент вращения М_е дизеля почти постоянный в диапазоне частоты вращения от n _{крит .} до n _{ном .} при постоянной подаче топлива.

Судовые дизели используются в экономичном режиме (по мощности и частоте вращения) – 80% от максимально-допустимой. Скорость судна уменьшается незначительно, но срок службы дизеля значительно увеличивается.

Если дизель напрямую связан с гребным винтом, то изменение момента сопротивления приводит к изменению частоты вращения, что нарушает равновесие сил в регуляторе. Тогда управляющий орган – рейка – приходит в движение и соответственно увеличивает или уменьшает подачу топлива.

При уменьшении частоты вращения общий расход топлива уменьшается, но удельный расход увеличивается, - значит к.п.д. дизеля уменьшается.