Конспект лекции "Неравномерность вращения вала"

§ 7.2. Неравномерность вращения вала

Крутящий момент двигателя, как и составляющие моменты отдельных цилиндров, непостоянен и представляет собой перио­дическую функцию с периодом изменения, равным углу заклини­вания кривошипов Δα (см. рис.7.5, а, б). Наряду с этим момент, поглощаемый гребным винтом или генератором М_п.эн , практи­чески постоянен и на установившемся режиме должен быть равен среднему крутящему моменту двигателя М_п.эн=М_ср. На диаграмме T_Σ(α) (см. рис.7.5, а) средняя величина момента М_ср представлена в виде прямой, проведен­ной параллельно оси абсцисс на расстоянии от нее, равном Т_cр.

Площадь прямоугольника ABCD, построенного на базе 0-360° п.к.в. с ординатой Т_ср, будет представлять собой сред­нюю работу А_ср крутящего момента. Если рассматривать измене­ние момента двигателя М(Т_Σ) относительно поглощаемого мо­мента М_ср (Т_ср), то (см. рис.7.5, а, б) в отдельные периоды разви­ваемый двигателем момент превышает момент, потребляемый гребным винтом или иным потребителем энергии (М>М_ср), или T_Σ>Т_ср> а в другие периоды момент двигателя меньше поглощае­мого момента.

В соответствии с этим и работа крутящего момента двига­теля то больше его среднего значения, то меньше. Так, на участ­ке 0-1 (см. рис. 7.5, б) работа отрицательная (А_нед). Недостаток работы восполняется путем использования части кинетической энергии вращающихся масс двигателя и гребного винта. При этом угловая скорость вала ω падает. На следующем участке 1-2 работа положительная; избыточная работа А_изб расходуется на увеличение кинетической энергии вращающихся масс, и угловая скорость повышается. На участке 2-3 снова недостаток энер­гии, и угловая скорость снижается.

Колебание частоты вращения вала типично для поршневых двигателей и, как это видно из сделанного анализа, заключается в непостоянстве крутящего момента. При этом, чем больше из­менения момента, тем больших изменений частоты вращения вала следует ожидать.

Для оценки неравномерности вращения вала вводится по­нятие степени неравномерности, под которой понимается от­ношение максимального приращения угловой скорости колен­чатого вала к его средней угловой скорости при установившемся режиме:

  (7.16)

где ω_тax и ω_min - максимальное и минимальное значения угловой скорости, а ω_ср = πn/30 - средняя угловая скорость.

Из определения степени неравномерности следует, что рав­номерность вращения вала тем больше, чем меньше δ. Реко­мендуемые значения δ лежат в пределах для двигателей:

главных, приводящих в движение гребной винт, δ - 1/20-1/40;

вспомогательных, приводящих в движение генераторы: постоянного тока δ = 1/100 – 1/150, переменного тока δ= 1/150- 1/300.

Вал двигателя, имеющего большее число цилиндров, враща­ется равномернее. Неравномерность вращения вала увеличивает­ся при выключении из работы одного или нескольких цилинд­ров, при увеличении неравномерности распределения мощности между цилиндрами и отклонений в значениях максимального давления цикла в цилиндрах. Для сохранения требуемой равно­мерности вращения вала необходимо, чтобы отклонения Р_i и P_z в отдельных цилиндрах были минимальны и не превышали со­ответственно ±2,5 и ±3,5 % от их среднего значения для всех ци­линдров.

С увеличением махового момента вращающихся масс (а это равносильно увеличению запаса кинетической энергии) степень неравномерности δ уменьшается. Поэтому для обеспечения более равномерного вращения вала маховой момент необходимо уве­личить; обычно для этого увеличивают маховой момент махо­вика G_мD², где G_м масса маховика, D его диаметр.

В судовых малооборотных двигателях в связи с большими вращающимися массами достаточно низкая степень неравно­мерности вращения обеспечивается самими вращающимися мас­сами, поэтому необходимость в маховике отпадает, а имею­щийся маховик в основном выполняет функцию зубчатого колеса валоповоротного механизма. При анализе причин, вызывающих неравномерное вращение вала, колебания угловой скорости, вызываемые неравномерностью регулятора частоты вращения и волнением моря, не учитывались, так как эти колебания по частоте несоизмеримы с рассмотренными, их период во много раз превышает время одного оборота вала.