Методика назначения эксплутационных режимов работы главного судового дизеля

ХАРАКТЕРИСТИКИ  РАБОТЫ  ГД. 

    Для современных судовых двигателей  характерен высокий уровень напряженности  рабочего процесса. Элементы  конструкции,  и в первую очередь детали  цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей, испытывают действие больших  тепловых и механических нагрузок. Дизелестроительные заводы и фирмы, назначая номинальную мощность, как правило, оставляют очень небольшие резервы на случай возможного ее превышения в эксплуатации, или изменения технического состояния двигателя и параметров окружающей среды, что обуславливает наличие незначительного разрыва между рабочими уровнями тепловой и механической напряженности двигателей на номинальном режиме и их предельными значениями. Об этом свидетельствуют  участившиеся  в последние годы случаи выхода из строя головок поршней, втулок и крышек рабочих цилиндров, появление интенсивных износов цилиндров, возникновение трещин и выкрашивания антифрикционного сплава подшипников и пр. Поэтому большое значение имеет правильный выбор режима работы. Это особенно важно при назначении режимов работы в условиях повышенного сопротивления движению судна, обусловливающих уменьшение числа оборотов.

   Назначать режимы двигателя необходимо  исходя из присущей ему ограничительной характеристики, под которой понимается

аналитическая или графическая зависимость энергетических показателей двигателя, определяющая верхнюю границу области допустимых в эксплуатации режимов, от числа его оборотов.

   Эта характеристика может ограждать  двигатель от чрезмерных перегрузок, недопустимых даже при кратковременной работе     (заградительная характеристика по топливному насосу), или от перегрузок, недопустимых лишь при длительной работе ограничительная характеристика по тепловой и механической напряженности см. рис.1)

Рис.1

 

    Заградительная характеристика по топливному насосу соответствует работе двигателя с максимально допустимыми подачами топлива, величина которых определяется положением рейки топливного насоса у упора. В процессе эксплуатации двигатель может выходить на эту характеристику лишь в точке перегрузочного режима, которой соответствуют N_e = 110%,

Ne _ном и n= 103% n_ном. Продолжительность работы на этом режиме не должна превышать 1час.

   Ограничительная  характеристика по  тепловой и механической  напряженности соответствует  работе двигателя с такими нагрузками, которые обеспечивают сохранение его тепловой и механической напряженности на уровне номинального или эксплуатационного режима.

Необходимо  следить за тем, чтобы режим работы двигателя находился в пределах этой характеристики. Все режимы, лежащие выше ограничительной характеристики по тепловой и механической напряженности, являются перегрузочными, и эксплуатировать двигатели на этих режимах не рекомендуется.

Как исключение, допускается  лишь кратковременная  работа при выполнении судном маневров.

Ограничительная характеристика является чисто условной и переход двигателя за ее пределы - на внешнюю номинальную характеристику или заградительную характеристику по топливному насосу - конструктивно ничем не ограничен.

   Для всех двигателей без наддува, исключая малооборотные, ограничительной характеристикой может служить характеристика М_кр = const или р_е = const (см. линию 2 рис.1) В этом случае при любой частоте вращения среднее эффективное или среднее индикаторное давление рабочего цикла не должно выходить за пределы значений, установленных для номинального режима.

   Об уровне тепловой и механической  напряженности в первом приближении,  при отсутствии индикаторного  привода, можно судить по температурам  выпускных газов и максимальным давлениям сгорания p_z. Последние также должны укладываться в пределы номинального режима.

  Для  современных форсированных двигателей  с газотурбинным наддувом выбирать  режим работы сложнее, так как  характеристика р_е = const, особенно при оборотах, меньших 90%

n_ном, не гарантирует работу двигателя без перегрузок, и поэтому при снижении скоростного режима требуется уменьшать подачу топлива и переходить на режимы более низких р_е (см. линию 3 рис.1).

При назначении режимов работы мощных малооборотных  судовых дизелей с газотурбинным наддувом моделей RD и RND   фирмы” Зульцер” рекомендует пользоваться графиком ограничительной характеристики, предоставленным на рис.2.

 Здесь  ограничительная характеристика  выходит  из точки номинального  режима (точка 1) и при снижении оборотов до 90%  n_ном  допускается кратковременная работа при p_e = const, а при более низких оборотах значение p_e ограничивается линией    2-3. Номинальный режим,  или соответствующий ему по принятой фирмой градации режим максимальной длительной мощности не рекомендуется для длительной работы, как и вся зона В, лежащая за пределами стендовой винтовой характеристики.

    Чтобы иметь достаточный запас  мощности и этим  обеспечить  работу двигателя в реальных  условиях эксплуатации без тепловых  и механических перегрузок, большинство фирм предлагают проектировать гребные винты таким образом, чтобы при полной  осадке и номинальном числе оборотов двигатель загружался на 85 - 90 % от номинальной мощности. Тогда эксплуатационный режим  полного хода, в зависимости от состояния корпуса ( степень его обрастания), погодных условий и загрузки судна, будет автоматически укладываться в зону А. 

   Если назначаемую фирмой “  Бурмейстер и Вайн “ максимальную  длительную мощность (рис.3)  принять  за номинальную, то при чистом корпусе и полной осадке, при номинальном числе оборотов двигатель должен загружаться ориентировочно на 93% N_{е ном} ( точка Б ). При этом рекомендуемая область эксплуатационных режимов полного хода располагается ниже стендовой винтовой характеристики и характеристики р_{е ном} = const.

   В случае чрезмерного обрастания  корпуса, повреждения гребного  винта, при работе во льдах,  снятия с мели, следует уменьшить  число оборотов, поддерживая среднее  индикаторное или среднее эффективное  давление на уровне, соответствующем режиму эксплуатационной длительной мощности. 

   Поскольку ограничительная характеристика  по тепловой и механической  напряженности является чисто  условной и выход двигателя  за ее пределы ничем не ограничен,  то при работе двигателя на  режимах полного хода необходимо периодически проверять значения р _i , (р_е), а также вести контроль за максимальными давлениями сжатия и сгорания р_с и р_z, давлением и температурой  продувочного воздуха, температурой выпускных газов t_z и их окраской, температурами охлаждающей воды и масла на входе и выходе и пр. Неравномерность распределения мощности и других параметров по отдельным цилиндрам должна соответствовать ПТЭ.

   Согласно ПТЭ необходимо осуществлять  непрерывное наблюдение за работой  механизмов силовой установки. 
 
 

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

1. Режим работы дизеля определяется крутящим моментом, который он развивает, частотой вращения вала и условиями эксплуатации. Возможность  работы дизеля на том или ином режиме зависит от его характеристик  и характеристики потребителя мощности - гребного винта.
2. Область  режимов совместной работы главного судового дизеля и винта фиксированного шага иллюстрируется на рис.1

 

      2

М_д                                                                                      1

      4

 
 

                                                                    3

                                                                     N

Рис.1 
 

1. Характеристики  дизеля на рис.1 представлены линиями:

    линия 1-2 - частичная внешняя характеристика - определяет крутящий момент М_д,, который дизель может развивать при постоянном положении топливо регулирующего органа, (индекс ТНВД), в зависимости от частоты вращения вала ;

    линия 1-3 - регуляторная характеристика - определяет изменение крутящего момента в зависимости от частоты вращения, когда в действие вступает регулятор, воздействующий на рейки топливных насосов. Наклон этой характеристики зависит от свойства регулятора;

   линия 1- 4 -скоростная ограничительная характеристика - определяет верхнюю границу допустимых в эксплуатации режимов работы дизеля. Необходимо иметь в виду, что ограничительная характеристика не присуща органически самому дизелю, а является лишь инструментом для контроля нагрузки. В случае выхода нагрузки за пределы ограничительной характеристики следует предпринимать действия, направленные на изменение цикловой подачи топлива или характеристики потребителя энергии, чтобы ввести в область допустимых режимов работы.

2. Характеристика гребного винта, под которой в данной статье  понимается зависимость потребляемого винтом крутящего момента М_в от частоты вращения, определяется конструктивными элементами винта и эксплуатационными факторами: осадкой судна, глубиной под килем, степенью обрастания судна и винта, метеорологическими условиями и др. На рис.1 показан возможный диапазон изменения характеристики винта в эксплуатации: левая кривая соответствует нулевой скорости судна (на швартовых), правая кривая - плавание судна в балласте с чистым корпусом и при попутном ветре.
3. Область режимов работы дизеля в эксплуатации очерчивается характеристиками дизеля и диапазоном изменения характеристик гребного винта. С учетом налагаемых ограничений на нагрузку дизеля область допустимых режимов работы соответствует заштрихованной на рис.1
3. Современные форсированные дизели с наддувом имеют то свойство, что работа на пониженной частоте вращения частичной внешней характеристики сопровождается уменьшением давления наддува. Это приводит к снижению весового заряда воздуха в цилиндре, уменьшению коэффициента избытка  воздуха  для сгорания и, следовательно, к увеличению средней температуры  газов во время рабочего хода  и свободного выпуска. В результате увеличивается тепловая нагрузка на газо-выпускные органы, а в некоторых случаях наблюдается повышение температуры поршня.

      При низкой степени наддува  работа дизеля на пониженной  частоте вращения частичной внешней  характеристики сопровождается  ростом максимального давления  газов в цилиндре вследствие  увеличения  времени для подготовки  топлива и его сгорания на участке до верхней мертвой точки. Это приводит к увеличению механических нагрузок на детали дизеля. Поэтому, хотя дизель и способен воспринять нагрузку, соответствующую любой точке внешней характеристики, скоростные ограничительные характеристики устанавливаются всегда ниже внешней характеристики.

4. При построении скоростных характеристик в качестве параметра нагрузки используются мощность дизеля или развиваемый им крутящий момент. Для практического применения скоростных характеристик  удобнее использовать и другие параметры, связанные с мощностью или крутящим моментом определенными соотношениями и в то же время контролируемые в процессе эксплуатации.

   Для судовых дизелей в качестве  параметра нагрузки могут применяться:

1. Среднее индикаторное давление, которое прямо пропорционально внутреннему крутящему моменту, развиваемому двигателем. Оно в наибольшей  степени характеризует механические и тепловые нагрузки в правильно отрегулированном  дизеле, так как непосредственно связано с рабочим процессом в цилиндрах. Однако процедура определения р.  трудоемка и не всегда обеспечена аппаратурными средствами.
2. Цикловая подача топлива b_ц или пропорциональное ей отношение расхода топлива к частоте вращения  дизеля G/ n.    Cвязь этих параметров со средним индикаторным давлением определяется соотношением:

              b_ц  = c x G/ n = c₁ p_ig_i / Q_н 

где с, с₁   -  постоянные коэффициенты;

          g_i    - удельный индикаторный расход топлива;

          Q_н   - теплота сгорания топлива.

 Следовательно,  если имеется скоростная ограничительная характеристика в координатах p_i - n, то для перехода к ограничительной характеристике в координатах b_ц - n достаточно учесть изменение g_i по результатам стендовых испытаний, а также возможное в условиях эксплуатации изменение теплоты сгорания топлива. Обычно при перестроении характеристики в указанные координаты изменением g_i пренебрегают.