Конспект лекции "Режим полного хода"

Режим полного хода

Режим полного хода для транспортных судов является основным. При назначении режима полного хода необходимо, чтобы тепловые и механические напряжения, возникающие в двигателе при длительной работе на этом режиме, не выходили за допустимые уровни, чтобы гарантировалась надежная работа двигателя и была обеспечена наиболее высокая экономичность его рабочего процесса. В практике двигателестроения при определении поля рабочих режимов обычно исходят из максимальной длительной номинальной мощности, которую двигатель может развивать лишь при определенных, оговариваемых заводом внешних условиях, но при отходе от них не исключена возможность нарушения нормального хода рабочего процесса. В то же время главные судовые двигатели эксплуатируются на разных широтах, в широком диапазоне изменения параметров внешней среды, на различных топливах и пр. Поэтому при назначении для них режима полного хода нужно по отношению к номинальному режиму располагать определенным запасом мощности.

Этими соображениями, а также стремлением обеспечить наиболее высокую экономичность рекомендуется для современных форсированных наддувом дизелей назначать режим полного хода исходя из максимальной длительной (спецификационной мощности), которая должна лежать в области, ограниченной линиями I, II, IIа, III (рис. 9.1). На режим максимальной спецификационной длительной мощности завод-строитель настраивает двигатель, подбирая оптимальные фазы газораспределения, топливоподачи, проходные сечения соплового аппарата газотурбокомпрессора и пр. В этом случае в качестве отправного предлагается принимать не номинальный режим, а спецификационный и развиваемые на этом режиме мощность и частоту вращения за 100%.

Особенность рисунка 9.1 заключается в том, что по координатным осям откладываются не N_e и п, а логарифмы их значений. Это позволяет кривые винтовых характеристик заменить отрезками прямых. Так, номинальная винтовая характеристика, ранее выглядевшая в виде кривой кубической параболы, на рис. 9.1 представлена прямой линией, проходящей через точку номинального режима (N_{е ном},п_ном).

Линия I соответствует номинальной частоте вращения вала двигателя п = const; линия II представляет собой прямую р_{е ном} = const (100% р_e ); линия IIа - р_e = 80% р _{е  ном}; линия III - n = 82% п_ном. Напомним, что под номинальной мощностью понимается длительная эффективная мощность, назначаемая двигателестроителем при заданной (номинальной) частоте вращения, гарантируемая при сохранении следующих условий:

-    барометрическое давление р_о= 100 кПа (750 мм рт.ст);

-    температура окружающего воздуха Т_о = 27° С;

-    относительная влажность (ϕ₀ = 60%, теплота сгорания топлива
42,7 мДж/кг.

Номинальную мощность можно рассматривать как синоним максимальной длительной мощности (MCR — Maximum Continious Rating).

Выбор положения точки спецификационного режима внутри области, ограниченной линиями I, II, IIа, III, определяется требованиями к мощности и частоте вращения со стороны приёмника энергии (гребного винта, электрогенератора). Немаловажное значение имеет и экономичность двигателя, характеризуемая удельным расходом топлива, который уменьшается в пределах рассматриваемой зоны при снижении, как нагрузки, так и частоты вращения.

Поэтому чем ближе будет располагаться зона рабочих режимов к точке L₄, тем более экономичной будет работа двигателя. В частности, в двигателях «МАН-Бурмейстер и Вайн МС» переход из точки номинального режима L₁ в точку L₄ дает экономию в 3-5 г/(кВтч). В рассматриваемом примере (рис. 9.1 построен в логарифмических координатах) в качестве максимальной длительной мощности принята мощность, составляющая 91% номинальной (точка А).

На приведенном в главе 8 рис. 8.4, иллюстрирующем зоны эксплуатационных ограничений, также построенном в логарифмических координатах, прямая 1 представляет расчетную винтовую характеристику (линию нагружения двигателя гребным винтом), проходящую через точку А спецификационного режима.

Параллельные ей линии представляют винтовые характеристики винта более легкого (справа от прямой 1) или более тяжелого (слева от прямой 1). Параллельные пунктирные линии 2 представляют постоянные значения средних эффективных давлений (р_е = const). В частности, линия, проходящая через точку А, соответствует р_е (спецификационное) ~ 100%. Линия 3 ограничивает максимально допустимую для длительной работы частоту вращения, составляющую 103,3% п_спец.

Линии 4 и 5 накладывают ограничение на развиваемое двигателем среднее эффективное давление исходя из обеспеченности его воздухом, необходимым для полного сгорания топлива. Эти линии представляют собой ограничительную характеристику, в задачу которой входит также защита двигателя при назначении эксплуатационных режимов от недопустимых тепловых и механических нагрузок (см. § 8.4).

Частота n_min представляет собой минимально устойчивые обороты, при которых двигатель продолжает устойчиво работать. Она по Правилам Российского Морского Регистра судоходства должна быть не менее ~ 30% п_ном. При ее снижении из-за роста неравномерности подачи топлива по цилиндрам и снижения давления сжатия двигатель может заглохнуть.

Согласно рис. 8.4 в области частот вращения (97-100%) п_спец допускается работа при давлении р_е = р_{е спец} = 100% (линия 5), но если режим переходит в область меньшей частоты вращения, то работа с р_е ⁼ р_{е спец} уже недопустима. Нужно снижать давление р_е руководствуясь положением ограничительной характеристики (линия 4), что означает необходимость уменьшения цикловой подачи топлива. Это требование вызывается ухудшением снабжения двигателя воздухом при снижении скоростного режима, что, в свою очередь, вызывает снижение коэффициента избытка воздуха, а также ухудшение сгорания топлива и возможный рост тепловых напряжений в деталях ЦПГ. Если же при снижении частоты вращения уменьшать подачу топлива в цилиндры и соответственно давление р_е, как это диктует ограничительная характеристика 4, то существенного падения коэффициента α не произойдет и будет гарантировано достаточно полное сгорание топлива.

Зона между линиями 4-5 и ломаной жирной пунктирной линией относится к зоне перегрузок, время работы в которой ограничивается 1 часом на протяжении каждых 12 часов.

Максимально допустимая мощность составляет 110% при п = 103,3% (точка А’).

Гребной винт рекомендуется подбирать таким образом, чтобы его характеристика (рис. 8.4, кривая 6) была на 2-3% легче винтовой характеристики, проходящей через точку спецификационного режима (линия 1). Это означает, что эту же мощность двигатель будет поглощать при частоте вращения, на 2-3% большей (сравните точки АиС’). Если за основной скоростной режим (режим полного хода) принять частоту вращения п_спец (точка С), то при полной загрузке судна и спокойной погоде от двигателя потребуется мощность, на 10-15% меньшая N_{е спец} (номинальная). Эта мощность получила наименование эксплуатационной мощности N_{e эксп} (в последние годы эксплуатационная мощность назначается с запасом 10-15%).

На эту мощность и следует проектировать гребной винт, его винтовая характеристика будет проходить левее номинальной (теоретической) характеристики через точки С и С’. Это обеспечит необходимый 10-15% запас мощности при сохранении частоты вращения гребного винта п = 100%. Сохранение оборотов позволит при увеличении сопротивления движению судна скорость судна V_s поддерживать неизменной, не опасаясь перегрузить двигатель. Сопротивление увеличивается при обрастании или повреждении корпуса и гребного винта, усилении встречного ветра и волнения и пр. В этих условиях режим работы двигателя, соответствующий полному ходу, из точки С по регуляторной характеристике (n = const) будет подниматься, занимая в зависимости от нагрузки ряд положений на линии СА. Если же сопротивление настолько возрастает, что мощность, развиваемая двигателем в точке А, окажется недостаточной, то для того, чтобы избежать перегрузки, подачу топлива не следует увеличивать, так как двигатель может перейти в зону перегрузок.

Режим двигателя, принадлежащий тяжелой винтовой характеристике, должен лежать в точке ее пересечения с ограничительной характеристикой 5-4.

Так, если предположить, что характеристика 7 соответствует плаванию судна в ледовых условиях, когда сопротивление движению судна резко возрастает, режим полного хода должен лежать в точке пересечения характеристики 7 с ограничительной характеристикой 4 (точка D) либо ниже.

При наличии валогенератора необходимо учитывать, что к мощности, потребляемой при данной частоте вращения гребным винтом, добавляется мощность, отдаваемая генератору. Поэтому если положение точки режима работы двигателя при чистом корпусе и выключенном валогенераторе или его отсутствии определяется параметрами точки С (см. рис. 8.4), то с включением валогенератора точка режима переместится в точку С" (отрезок СС" определяет мощность генератора). В итоге запас мощности на возможное увеличение сопротивления движению судна сокращается.