Построение винтовой характеристики, Построение характеристик частичной эффективной мощности - Техническое описание системы автоматического регулирования частоты вращения вала дизельного двигателя

Построение винтовой характеристики

Зависимость мощности сопротивления винта от его угловой скорости вращения называется винтовой характеристикой.

Винтовая характеристика с достаточной точностью описывается зависимостью:

, (4)

где Nc(щ) — мощность сопротивления винта вращению, кВт;

KN — коэффициент нагрузки.

Для построения характеристики, соответствующей нормальному для данного дизеля винту, прежде всего, определяем коэффициент нагрузки нормального винта, приняв Nc = Nен, = н.

Построение винтовой характеристики, Построение характеристик частичной эффективной мощности - Техническое описание системы автоматического регулирования частоты вращения вала дизельного двигателя

Результаты вычислений заносятся в соответствующую графу таблицы 3.1, и затем строится график мощности сопротивления нормального винта, который совмещается с графиком номинальной характеристики эффективной мощности дизеля.

Точка D, в которой пересекаются характеристика эффективной мощности и винтовая характеристика, соответствует номинальному режиму работы дизеля при номинальном положении рейки топливного насоса h = hн.

Построение характеристик частичной эффективной мощности

Характеристики частичной эффективной мощности характеризуют работу дизеля при частичной топливоподаче. Для построения характеристик частичной эффективной мощности необходимо определить установившуюся частоту вращения вала дизеля при положении рейки топливного насоса 0,75hн, 0,5hн, 0,25hн.

Пересечение этих линий с винтовой характеристикой нормального винта определит установившейся режим работы с частичной мощностью дизеля при перемещениях рейки ТНВД 0,75hн, 0,5hн, 0,25hн соответственно.

Точки пересечения горизонтальных линий с винтовой характеристикой обозначаем как С, В и А соответственно. Для каждой точки по графику определяем угловую скорость вращения вала дизеля на данном режиме: щA=щ4=138,461 рад/c, щB=щ3=174,458 рад/с, щC=щ2=199,7 рад/с.

, (5)

где Nepi, pi — координаты рабочей точки i-го режима работы дизеля.

Для режима i=2 с номинальной эффективной мощностью 0,75Nен принимаем Nер2 = 0,75Nен = 82,717 кВт и щp2 = щC =199,7, рад/с, подставляем в формулу (5) и рассчитываем точки зависимости Nе2(w).

Результаты расчета заносятся в таблицу 3.1. По полученным данным строится график. Этот график будет проходить через точку C и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h = 0,75hн.

Для режима i = 3, с номинальной эффективной мощностью 0,5Nен,принимаем Nер3 = 0,5Nен = 55,145 кВт и щp3 = щB =174,458 , рад/с, подставляем в формулу (5) и рассчитываем точки зависимости Nе3(w).

Результаты расчета заносятся в таблицу 3.1. По полученным данным строится график. Этот график будет проходить через точку В и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h =0,5hн.

Для режима i = 4, с номинальной эффективной мощностью 0,25Nен, принимаем Nер4 = 0,25Nен = 27,572 кВт и щp4 = щA =138,461 , рад/с, подставляем в формулу (5) и рассчитываем точки зависимости Nе4(w).

Результаты расчета заносятся в таблицу 3.1. По полученным данным строится график. Этот график будет проходить через точку А и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h = 0,25hн.

Таблица 3.1 — статические характеристики двигателя

щ, рад/с	N_е(щ), кВт	N_с(щ), кВт
h_н	0,75h_н	0,5h_н	0,25h_н
40	14,85	12,597	10,006	6,77	0,665
50	19,807	16,835	13,399	9,073	1,298
60	25,137	21,383	17,024	11,497	2,243
70	30,779	26,18	20,818	13,978	3,562
80	36,669	31,162	24,72	16,454	5,318
90	42,745	36,269	28,667	18,863	7,571
100	48,946	41,436	32,597	21,142	10,386
110	55,208	46,603	36,447	23,23	13,824
120	61,469	51,706	40,155	25,064	17,947
130	67,668	56,684	43,659	26,581	22,818
140	73,741	61,474	46,897	27,72	28,499
150	79,627	66,014	49,806	28,418	35,053
160	85,263	70,241	52,323	28,612	42,541
170	90,586	74,094	54,387	28,24	51,026
180	95,535	77,509	55,936	27,241	60,571
190	100,047	80,425	56,906	25,551	71,238
200	104,061	82,779	57,236	23,109	83,088
210	107,512	84,509	56,863	19,851	96,185
220	110,34	85,552	55,725	15,717	110,59
230	112,482	85,847	53,76	10,642	126,366
240	113,875	85,331	50,905	4,566	142,576

Режимы работы главного двигателя судовой дизельной энергетической установки, страница 7

Режимы совместной работы главного двигателя с ВФШ на
прямой передаче. При наличии ВФШ мощность, поглощаемая гребным винтом,
будет определяться формулой . Эффективная мощность
двигателя и частота вращения его коленчатого вала зависят от типа передач.
Допустимые режимы работы двигателя, нагружаемого ВФШ при различных условиях
использования ГЭУ, определяются путем совместного рассмотрения собственных характеристик
двигателя (внешней номинальной и частичных) и характеристик потребителя энергии
(винтовых характеристик).

В том случае, когда в системе прямой передачи крутящего момента
отсутствуют соединительно-разобщительные муфты скольжения, частота вращения гребного
вала на всех режимах работы пропульсивного комплекса изменяется прямо
пропорционально частоте вращения коленчатого вала двигателя. Крутящий момент
гребного винта , в рассматриваемом случае,
связан с эффективным крутящим моментом двигателя следующим соотношением:

Режимы совместной работы дизеля с ВФШ при жесткой механической
передаче показаны на рис. 2.4. Кривая II представляет
собой номинальную винтовую характеристику, относящуюся к расчетным условиям
движения судна в полном грузу. Кривые 1 и 2 – соответственно внешняя
номинальная и частичная скоростные характеристики дизеля, кривые III и IV – «утяжеленные» винтовые характеристики, кривая I –
винтовая характеристика при плавании судна в балласте.

Пересечение номинальной винтовой характеристики потребителя
с номинальной внешней характеристикой дизеля (точка А) определяет допустимуюнагрузку на двигатель и частоту вращения коленчатого вала (или
гребного винта).

Видно, что при работе по номинальной винтовой характеристике
перегрузка дизеля может иметь место только в случае превышения частоты вращения
коленчатого вала сверх номинальной. При других частотах вращения дизель
остается недогруженным, если не предусмотрен отбор мощности на дополнительные
нужды.

При плавании судна в балласте изменяется крутизна винтовой
характеристики. Она становится «облегченной», что связано с уменьшением осадки
и, как следствие, со снижением сопротивления воды движению судна, а также с
изменением условий обтекания гребного винта набегающим потоком. Поэтому, при
той же частоте вращения гребного винта, скорость судна возрастает, а относительная
поступь винта увеличивается по сравнению с расчетной.

В условиях эксплуатации довольно часто наблюдается, так называемое,
«утяжеление» винтовой характеристики (кривые III
и IV). Это может быть вызвано увеличением осадки судна,
обрастанием его корпуса и повышением его шероховатости, влиянием мелководья,
буксировкой воза, тралением, работой на швартовых. При работе по «утяжеленной»
винтовой характеристике (см. рис.2.4, кривая III) допустимая нагрузка
определяется положением точки В при . Работе судна на
швартовых соответствует кривая IV; предельную нагрузку по ней определяет точка B’ при . Точка Б’ при , соответствует
нагрузке на частичной характеристике двигателя.

Рис. 2.4. Режимы совместной работы дизеля с ВФШ

Изменение буксировочной мощности при увеличении осадки
судна может быть оценено по данным модельных испытаний, а изменение пропульсивного
КПД – по значениям гребного винта.

Обрастание корпуса судна и гребных винтов водорослями и
животными организмами особенно интенсивно происходит при плавании судна в
тропических водах. Это приводит к увеличению сопротивления воды движению судна и
снижению КПД гребного винта. Аналогичное явление наблюдается при увеличении шероховатости
корпуса судна вследствие коррозии и износа обшивки. Обрастание и износ обшивки
корпуса судна приводят к повышению крутизны винтовой характеристики, а следовательно,
и к возможной перегрузке двигателя, если не предусмотреть снижения скорости судна.
Влияние обрастания и износа обшивки корпуса судна обычно оценивается по опытным
данным с учетом района плавания и срока последнего докования. При плавании на
мелководье и в узкостях возрастание сопротивления воды движению судна
вызывается повышением скорости потока воды, проходящей под судном и по его
бокам. Это возрастание может быть соизмеримо с величиной полного сопротивления движению
судна при плавании на неограниченной воде.

Режим работы двигателя – это совокупность состояния
систем двигателя и потребителя энергии, определяющих протекание рабочего
процесса, который оценивается показателями количественно характеризующими
работу в единицу времени. Показатели режима работы двигателя связаны с
параметрами его систем.

Режим работы системы двигателя – это совокупность состояния
входных и выходных параметров системы, количественно определяющих ее работу в
единицу времени.

Параметры систем – это показатели, количественно
определяющие физические свойства системы.

Отдельные элементы пропульсивного комплекса характеризуются
в работе следующими основными показателями:

главный двигатель – эффективным крутящим моментом
или эффективной мощностью при заданной частоте вращения коленчатого вала;

передача – крутящим моментом или мощностью при
заданной частоте вращения ведущего и ведомого валов;

гребной винт – упором винта, вращающим моментом и
его частотой вращения, скоростью воды, поступающей на лопасти;

корпус судна – сопротивлением воды и воздуха, скоростью
движения судна.

Взаимодействие элементов движительного комплекса изучается
путем совместного рассмотрения их характеристик. Решение этой задачи в общем
виде затруднительно, особенно для неустановившихся режимов, поэтому обычно
рассматриваются частные случаи, конкретные режимы.

Взаимодействие корпуса судна с гребным винтом. Уравнение
движения на установившемся режиме хода судна записывается так:

где – полное сопротивление
движению судна, Н; – сила тяги на гаке, Н; – упор гребного винта, Н; – число работающих гребных винтов; – коэффициент засасывания воды; – полезная тяга гребного винта, Н.

Полезная сила тяги гребного винта вычисляется по формуле:

где – коэффициент упора, определяемый
по кривым действия гребного винта для данного значения относительной поступи этого
винта

здесь – расчетная скорость поступательного
движения гребного винта, м/с,

( – скорость судна, м/с; – коэффициент попутного потока воды); – плотность воды, кг/м³; – диаметр винта, м; – частота вращения винта, об/мин.

Рис. 2.1. Паспортная диаграмма судна

Графические зависимости сопротивления воды движению судна , полезной силы тяги на гаке от скорости движения судна представляют
собой ходовые, или паспортные, диаграммы судна (рис. 2.1). Путем наложения
графиков и получают
режимы совместной работы корпуса судна и гребного винта (точки 1-15′). Кривые I÷IV показывают зависимость сопротивления воды R от скорости движения судна и при различных условиях
плавания (I – судно в балласте,
II – судно в полном грузу при
расчетных условиях движения, III (точки 3, 6, 9, 12,
15), IV (точки 3’, 6’, 9’, 12’, 15’) – при повышенных
сопротивлениях движения судна), а кривые V÷IX – зависимость полезной силы тяги
гребных винтов от скорости судна при различных,
но постоянных частотах вращения гребного вала. Линия KL является ограничительной
внешней номинальной скоростной характеристикой по величине эффективного
крутящего момента, которая определяет допустимую нагрузку на двигатель.

Пользуясь паспортной диаграммой, можно для каждого заданного
значения скорости судна и частоты вращения гребного винта определить силу тяги гребного
винта, силу тяги на гаке и оценить допустимость данного режима движения судна. Так
на рис. 2.1 показано, что при скорости судна и этих условиях
плавания, сопротивление движению судна будет определяться отрезком АВ. Если сила
тяги гребного винта, при заданной частоте его вращения, характеризуется кривой
VII, то сила тяги на гаке определяется отрезком ВС. При таком режиме плавания судна
нагрузка на двигатель не превысит допустимых значений. Если отпадает необходимость
создавать силу тяги на гаке (в случае свободного хода), то частота вращения
гребного винта должна быть снижена так, чтобы кривая проходила
через точку В.

Взаимодействие гребного винта с двигателем.
Для анализа режима совместной работы гребного винта с двигателем на паспортных
диаграммах судна приведены зависимости мощности, поглощаемые гребным винтом, от
скорости движения судна при плавании в различных условиях (рис. 2.2). Кривые I÷IV
(точки 1÷12) показывают зависимость мощности, потребляемой гребным винтом при
свободном ходе судна, а кривые V÷VII характеризуют изменение потребляемой
мощности в функции скорости судна при различной частоте вращения гребного
винта. Здесь же нанесена ограничительная внешняя номинальная скоростная характеристика
по эффективной мощности двигателя (линия KL).

Рис. 2.2. Зависимость мощности, потребляемой гребным винтом, от скорости
движения судна

Для построения кривых, представленных на рис. 2.2, используются
следующие уравнения.

Мощность буксировки судна с заданной скоростью на свободном
ходу, кВт,

Мощность, потребляемая гребным винтом, кВт,

где – крутящий момент,
потребляемый гребным винтом, Н×м; – угловая скорость вращения гребного винта,
1/с.

Отношение буксировочной мощности к мощности, подводимой к гребному
винту (с учетом числа работающих гребных винтов ), представляет собой пропульсивный
коэффициент .

Таким образом, мощность, потребляемая гребным винтом,
равна:

Из рис. 2.2 видно, что при частоте вращения гребного винта
режим работы, характеризуемый точкой 3, является перегрузочным, и поэтому
возникает необходимость снизить его частоту вращения.

Так как главные судовые двигатели работают в широком диапазоне
изменения нагрузок и частот вращения коленчатого вала, для оценки степени
загрузки двигателя и определения допустимой продолжительности его работы, при
данной нагрузке, вводят следующие градации эффективных мощностей, которые приняты
при условии полной нагрузки судна.

Максимальная эффективная мощность двигателя –
кратковременная мощность, которая может быть получена от двигателя. На режиме
максимальной эффективной мощности, как правило, разрешается непрерывно работать
не более 1÷2 ч. Общее число часов работы на режиме максимальной эффективной мощности
не должно превышать 10÷15% от всего ресурса двигателя.

Номинальная эффективная мощность двигателя соответствует
номинальной частоте вращения коленчатого вала, гарантируется заводом –
изготовителем. Суммарное количество часов работы на номинальной эффективной
мощности не должно превышать 20÷25% от всего ресурса двигателя. Для дизелей, работающих
в системе электродвижения, а также для тепловозных двигателей, номинальная эффективная
мощность определяется, как правило, из условий недопустимости ее превышения.

Эксплуатационная эффективная мощность двигателя представляет собой мощность,
длительность работы на которой в пределах ресурса двигателя не ограничивается.
Эксплуатационная эффективная мощность составляет 75÷85% от номинальной эффективной
мощности двигателя. Эту мощность главные дизели развивают обычно на режиме полного
хода судна.

Для судов транспортного флота режимы полного хода являются
наиболее продолжительными, а для рыбопромысловых судов они не превышают 20÷60% от
общего количества часов, вырабатываемых за год эксплуатации судна.

Выбор нагрузки и частоты вращения коленчатого вала на режиме
полного хода судна определяет надежность, экономичность и экологические характеристики
работы двигателя, т. е. технико-эксплуатационные показатели энергетической
установки и судна в целом.

Обычно частота вращения гребного винта на рассматриваемом
режиме устанавливается из условия обеспечения заданной скорости полного хода
судна. Однако в зависимости от условий плавания (волнение, ветер, осадка,
состояние корпуса, техническое состояние двигателя и др.) эта скорость может
изменяться даже в течение одного рейса. Отсюда следует, что на режиме полного
хода судна частота вращения коленчатого вала и нагрузка на двигатель не
остаются постоянными. Неизбежны колебания , , в ту и
в другую стороны относительно средних значений. Поэтому вводится понятие
эксплуатационной мощности двигателя при полном ходе судна , которая представляет собой среднее
значение эффективной мощности двигателя, при которой в течение рейса
выдерживается заданная скорость хода судна.