Характеристика судовых двигателей

Главные судовые двигатели, приводящие во вращение гребные винты (либо непосредственно, либо через промежуточную передачу — зубчатую, гидравлическую или электрическую), работают с переменным числом обо­ротов. Каждой скорости хода судна соответствует определенная мощность и число оборотов гребного винта, а следовательно, мощность и число обо­ротов вала двигателя.

Вспомогательные судовые двигатели, приводящие в действие электри­ческие генераторы судовой электростанции, работают с постоянным числом оборотов вала при всех переменных нагрузках.

Режимом работы двигателя называются условия, характеризующиеся совокупностью основных показателей работы двигателя. Для оценки пока­зателей двигателей при различных режимах их работы применяются так называемые характеристики двигателей, которые устанавливают зависимость между основными параметрами двигателей и факторами, влияющими на их работу. Различают скоростные и нагрузочные характеристики двига­телей. Если за независимое переменное принято число оборотов вала дви­гателя, то зависимость мощности, удельного расхода топлива и других параметров от числа оборотов вала двигателя называется скоростной харак­теристикой. Если же независимой переменной будет нагрузка двигателя, то зависимость мощности, удельного расхода топлива и других параметров от нагрузки двигателя называется нагрузочной характеристикой.

К скоростным характеристикам относятся: внешняя характеристика максимальных мощностей, внешняя характеристика эксплуатационных мощ­ностей, внешняя характеристика при максимальном значении крутящего момента и винтовая характеристика. Все эти характеристики, кроме вин­товой, являются собственно характеристиками двигателя, которые опреде­ляют все показатели его работы (мощность, удельный расход топлива и па­раметры цикла), как независимой от потребителя энергии (тепловая ма­шина).

Винтовая же характеристика — зависимость мощности, развиваемой двигателем и числом оборотов вала его, определяется особенностью потреб­ления энергии гребным винтом.

Внешней характеристикой двигателя называется зависимость мощно­сти от числа оборотов коленчатого вала его при данном неизменном положе­нии органа управления подачей топлива в цилиндры.

Внешние характеристики двигателей снимаются при стендовых испыта­ниях, когда при всех скоростных режимах работы двигателя (т. е. при раз­личных числах оборотов вала) орган управления подачей топлива в цилиндры остается в неизменном положении. Если орган управления подачей топлива находится в положении максимальной подачи топлива, то замеренная зави­симость между мощностью и числом оборотов вала двигателя будет являться внешней характеристикой двигателя максимальных мощностей. При уста­новке органа управления подачей топлива в положение, соответствующее подаче топлива в цилиндры двигателя при номинальной мощности или при долевых нагрузках, снятая зависимость мощности и числа оборотов для каждого режима нагрузки будет являться внешней характеристикой экс­плуатационных мощностей — номинальной и долевых мощностей.

При работе двигателя непосредственно на гребной винт мощность, по­требляемая гребным винтом, зависит от скорости хода судна, от сопротив­ления корпуса судна, от глубины фарватера, от скорости и направления воды и ветра. При неизменяющихся водоизмещении судна и условиях плавания его можно принять, что мощность, потребляемая гребным винтом, пропорциональна кубу его числа оборотов:

Изменение крутящего момента и среднего эффективного давления при работе двигателя на гребной винт пропорционально квадрату числа оборотов (следует из зависимости N_е = сn³):

Зависимость между мощностью и числом оборотов вала двигателя при работе его на гребной винт называется винтовой характеристикой. Харак­теристика, выражающая зависимость мощности двигателя пропорционально кубу числа оборотов вала его, снимаемая при стендовых испытаниях, назы­вается стендовой винтовой характеристикой двигателя.

На рис. 162 приведены кривые: 1 — внешняя характеристика макси­мальной мощности двигателя; 2 — внешняя характеристика номинальной мощности; 3 и 4 — то же, долевых нагрузок и 5 — винтовая характеристика. По оси абс­цисс отложены значения отношения числа оборотов вала на данном режиме п_экс к чис­лу оборотов вала на номинальном режиме ра­боты двигателя n_ном, а по оси ординат — зна­чения отношения мощности данного режима работы двигателя N_экc к номинальной мощ­ности двигателя N_ном.

На рис. 163 показано изменение мощности и параметров рабочего цикла четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом при работе его по внешней характеристике.

Как следует из приведенных результатов испытаний, мощность дизеля почти прямоли­нейно изменяется в зависимости от числа обо­ротов вала.

Среднее индикаторное давление несколько снижается при увеличении оборотов вала вследствие уменьшения цикловой подачи топлива g_ц. По этой причине коэффициент избытка воздуха ? и суммарный коэффициент избытка воздуха ?_? повышается с увеличением числа оборотов вала. При этом механический к. п. д. падает, так как механические потери возрастают. Вследствие этого удельный эффективный расход топлива не остается по­стоянным. Удельный индикаторный расход топлива при увеличении числа оборотов вала снижается, что объясняется возрастанием коэффициента из­бытка воздуха. Максимальное давление цикла p_z незначительно снижается по причине уменьшения угла опережения подачи топлива по времени, а сред­няя температура за цикл t_ц возрастает и повышается температура газов пе­ред турбиной t_г._к. При увеличении оборотов вала возрастают: число обо­ротов вала турбонагнетателя п_т._к, давление р_к и температура наддувочного воздуха t_к давление р_т._к и температура газов t_т._к перед турбиной и за турбиной t₀?.

Нагрузочная характеристика устанавливает зависимость различных показателей работы двигателя от нагрузки его при постоянном числе обо­ротов вала. Из выражения N_e = c₁p_en следует, что при работе двигателя по нагрузочной характеристике (п = const) мощность его изменяется только за счет изменения среднего эффективного давления и среднего индикаторного давления. При этом изменение среднего индикаторного и среднего эффектив­ного давлений происходит пропорционально изменению нагрузки двигателя.

Если по оси абсцисс отложить изменение нагрузки двигателя (рис. 164), а по оси ординат — значения различных показателей работы двигателя, то прямая линия, выражающая изменение среднего эффективного давления, пойдет из начала координат.

При отсутствии нагрузки (N_е ,= 0 и р_е = 0) двигатель работает на холостом ходу. Угол наклона этой прямой определяется величиной разви­ваемого среднего эффективного давления у данного двигателя при номи­нальной его нагрузке, следовательно, величина угла наклона этой прямой характеризует собой степень совершенства двигателя в целом.

При изменении нагрузки, сохраняя число оборотов вала постоянным, мощность механических потерь двигателя примерно остается постоянной.

Работа трения движущихся де­талей главным образом зависит от скорости взаимного переме­щения трущихся поверхностей и от величины давления газа за цикл, а потому при работе дви­гателя по нагрузочной характе­ристике работа трения мало из­меняется. Работа, затрачиваемая на преодоление насосных потерь при изменении нагрузки двига­теля, также мало изменяется, так как скорость поступающего воздуха в цилиндры двигателя остается неизменной, а скорость выпускных газов при увеличе­нии нагрузки двигателя (вслед­ствие увеличения температуры) возрастает незначительно. Мощность, за­трачиваемая на приведение в действие механизмов, навешенных на двига­теле, при работе его по нагрузочной характеристике остается почти без из­менений.

Таким образом, при работе двигателя по нагрузочной характеристике мощность механических потерь может быть принята постоянной и прямая линия, выражающая изменение среднего индикаторного давления, пойдет параллельно линии среднего эффективного давления (так как p_i =  p_e + p_mex).

На режиме работы двигателя холостого хода р_е = 0; р_i = р_мех, а по­тому линия среднего индикаторного давления (см. рис. 164) пересечет ось ординат на расстоянии от начала координат, равном р_мех.

Механический к. п. д. двигателя при работе его по нагрузочной харак­теристике изменяется, увеличиваясь по мере возрастания нагрузки двига­теля вначале быстро, а затем медленнее (см. рис. 164). Такая зависимость механического к. п. д. от нагрузки двигателя объясняется тем, что относи­тельное значение мощности механических потерь N_мех/N_e по мере возрастания нагрузки на двигатель уменьшается при постоянном абсолютном значении ее.

Если обозначим N_мех/N_e = ?_мех, то механический к. п. д. будет равен

При увеличении нагрузки двигателя подача топлива в цилиндр дизеля за цикл возрастает, а потому коэффициент избытка воздуха при сгорании уменьшается. Вследствие этого условия для сгорания топлива ухудшаются и потому по мере возрастания нагрузки двигателя догорание топлива на линии расширения возрастает, температура отработавших газов увеличи­вается и индикаторный к. п. д. падает.

Средняя температура за цикл при этом повышается. Температура стенок цилиндра также повышается; температура и давление воздуха в конце сжа­тия несколько возрастают.

Вследствие сокращения продолжительности периода задержки самовос­пламенения топлива (по причине возрастания температуры и давления в конце сжатия) скорость нарастания давления при горении топлива в ци­линдре дизеля с увеличением нагрузки его снижается, а максимальное дав­ление цикла при этом несколько повышается. Минимально допустимое зна­чение коэффициента избытка воздуха обусловливает максимальную нагруз­ку двигателя. При работе двигателя с коэффициентом избытка воздуха мень­шем, чем минимально допустимый, показатели рабочего цикла (удельный расход топлива, температура выпускных газов, дымность выпуска и др.) резко ухудшаются, двигатель переходит в так называемый режим работы с перегрузкой. При повышении нагрузки двигателя в пределах до нормальной удельный эффективный расход топлива уменьшается и соответственно эффективный к. п. д. возрастает (рис. 164).

Объясняется это тем, что повышение механического к. п. д. происхо­дит более значительно, чем уменьшение индикаторного к. п. д. При нагруз­ках двигателя выше нормальной эффективный к. п. д. будет понижаться вследствие более значительного снижения индикаторного к. п. д., чем уве­личения механического к. п. д. Таким образом, при нагрузке двигателя, соответствующей нормальной мощности его, удельный эффективный расход топлива становится минимальным и эффективный к. п. д. достигает наиболь­шего значения. Отсюда следует сделать вывод, что мощность и число элект­рогенераторов судовой электростанции должны устанавливаться из расчета нормальной нагрузки дизеля при всех режимах работы судна и электро­станции.

Нагрузочные характеристики снимаются не только у вспомогательных двигателей, но и у главных двигателей при различных числах оборотов вала. Снятые нагрузочные характеристики при различных оборотах вала, т. е. при различных скоростных режимах двигателя, позволяют выявить наивыгоднейший эксплуатационный режим работы двигателя.

Для этой цели при стендовых испытаниях двигателя для каждого вы­бранного скоростного режима устанавливается зависимость g_e = f(N_e), показанная на рис. 165. Имея такую зависимость, можно построить и зависимость мощности от числа оборотов двигателя при минимальных зна­чениях удельного эффективного расхода топлива (рис. 166).

Если бы среднее индикаторное и среднее эффективное давления оста­вались постоянными при изменении числа оборотов вала двигателя, то ин­дикаторная и эффективная мощности его прямолинейно зависели бы от числа оборотов вала. В действительности

а потому р_i и р_е при изменении числа оборотов и постоянной подаче топлива за цикл не остаются постоянными.

На величину р_i и р_е главным образом влияют, вследствие изменения числа оборотов, коэффициент наполнения ?_н и механический к. п. д. ?_m. Коэффициент избытка воздуха при сгорании ? изменяется от числа оборотов вала и одновременно при этом зависит от коэффициентов наполнения рабо­чего цилиндра к топливного насоса. При уменьшении весового заряда возду­ха теплоиспользование ухудшается, т. е. уменьшается индикаторный к. п. д. и соответственно снижается среднее индикаторное давление.

При работе двигателя на гребной винт, т. е. по винтовой характеристи­ке, подача топлива за цикл не остается постоянной, так как при работе по этой характеристике изменение среднего эффективного давления пропорционально квадрату числа оборотов. Работа двигателя на гребной винт с числом оборотов меньшим номинального происходит при долевых подачах топлива от номинальной. Максимальная мощность двигателя при работе на гребной винт, равная 110%, развивается при числе оборотов вала 103%, так как

Изменение различных показателей работы дизеля по винтовой характерис­тике показано на рис. 167.

Механический к. п. д. увеличивается с повышением числа оборотов вследствие уменьшения относительной мощности механических потерь, что видно из следующих соотношений:

Согласно опытным данным, показатель m изменяется для многоцилиндровых двигате­лей от 1,0 до 2,0. Таким образом, полученное выражение механического к. п. д. при работе двигателя по винтовой характеристике пока­зывает, что с увеличением числа оборотов вала его механический к. п.д. возрастает.

Коэффициент избытка воздуха при горе­нии, вследствие увеличения подачи топлива за цикл и уменьшения коэффициента напол­нения, при увеличении числа оборотов вала двигателя значительно уменьшается. Вслед­ствие этого индикаторный к. п. д. с повышением оборотов вала при работе двигателя по винтовой характеристике уменьшается, а температура отрабо­тавших газов и средняя температура цикла возрастают. Максимальное давле­ние цикла при этом также возрастает. Изменение эффективного к. п. д. определяется характером изменения зависимостей ?_i = f(n) и ?_т = f(n) и обычно достигает своего максимального значения при числе оборотов вала двигателя около (0,8?0,9) n_ном. Удельные расходы топлива g_i и g_e изме­няются по закону, обратному изменению ?_i и ?_е. Таким образом, следует сделать вывод, что работа двигателя по винтовой характеристике на долевых нагрузках (на долевых ходах), так же как и по нагрузочной характеристике, протекает при повышенных значениях удельного эффективного расхода топлива. Наиболее экономичным является режим работы, близкий к номи­нальному.

Взаимное расположение внешней и винтовой характеристик показано на рис. 168. На этом рисунке кривая 1 является внешней характеристикой двигателя, а кривая 2 — винтовой характеристикой. Точка пересечения этих кривых соответствует-номииальному числу оборотов вала двигателя и номинальной его мощности. При этом числе оборотов вала двигателя и греб­ного винта мощность, развиваемая двигателем, равна мощности, поглощае­мой гребным винтом. При меньших числах оборотов двигатель будет недо­гружен, а при больших числах оборотов — перегружен. Режим перегрузки допускается кратковременно и не должен превосходить номинальный ре­жим более чем на 10%.

Таким образом, основному эксплуатационному режиму работы судна должен соответствовать номинальный режим нагрузки двигателя. На всех других долевых режимах работы судна двигатель работает с недогрузкой, а следовательно, с не использованной полностью мощностью и с более низ­кими показателями работы.

На рис. 168 кривая 3 показывает избыточную мощность двигателя в за­висимости от числа оборотов вала.

На рис. 169 приведены результа­ты испытаний судового двухтактного дизеля с прямоточной продувкой с га­зотурбинным наддувом фирмы «Ми­цубиси» по винтовой характеристике.

Основные данные дизеля: марка 9 ИЕТ52/65; число цилиндров 9; диа­метр цилиндра 520 мм; ход поршня 650 мм; номинальная мощность 8000 л. с; среднее эффективное давле­ние 8,78 кГ/см².

Как видно из приведенных результатов испытаний, удельный эффектив­ный расход топлива при номинальной мощности равен 0,165 кг/э. л. с. ч и наименьший по винтовой характеристике 0,160 кг/э. л. с. ч при мощности дизеля 5500 л. с. и при 300 об/мин. В данном дизеле применена им­пульсная система над­дува. Число оборотов турбонагнетателя на всем диапазоне измене­ния мощности меняется от 10 000 до 5000 об/мин.

По данным фирмы, в од­ноступенчатой газовой турбине турбонагнетате­ля используется приб­лизительно 6% тепла, выделенного в цилиндре дизеля.

Давление наддувоч­но-продувочного возду­ха (обозначено через р_s) при работе дизеля по винтовой характеристи­ке изменяется довольно значительно — от 1,8 до 1,15 кГ/см².

С внешней характе­ристикой двигателя тес­но связана регуляторная характеристика его; последняя определяется типом регулятора числа оборо­тов, установленного на двигателе. Для судовых двигателей применяются центробежные регуляторы числа оборотов следующих типов: скоростные (всережимные), двухрежимные и однорежимные (предельные).

Роль однорежимного регулятора сводится к ограничению максималь­ного числа оборотов двигателя, а потому такой регулятор и называется пре­дельным. Установка регулятора вызывается необходимостью предохранить двигатель от разноса, который может быть при поломке гребного винта или при оголении его лопастей при сильной качке судна. Устойчивость работы судового двигателя на минимальном числе оборотов весьма существенна при эксплуатации. При работе дизеля на холостом ходу или с малой нагруз­кой незначительное изменение давления p_mех (изменение внутренних сопротивлений двигателя) при постоянной подаче топлива за цикл приводит к изменению числа оборотов вала двигателя, т. е. к резкому повышению, или к остановке двигателя. Таким образом, для получения устойчивой работы дизеля при минимальном чис­ле оборотов необходимо иметь регулятор минимального чис­ла оборотов. Регулирование двух скоростных режимов — максимального и минималь­ного числа оборотов осущест­вляется применением так на­зываемых двух режимных ре­гуляторов числа оборотов.

Действие такого регуля­тора на минимальном скоро­стном режиме вызывает возра­стание мощности, развиваемой двигателем при уменьшении числа оборотов его. При ра­боте двигателя на максималь­ном скоростном режиме дей­ствие регулятора при возра­стании числа оборотов вызы­вает быстрое падение мощ­ности.

На рис. 170 приведены внешняя 1 и частичные ха­рактеристики 2, 3, 4 двигате­ля, имеющего двухрежимный регулятор числа оборотов.

Регулятор, имеющий возможность воздействовать на все скоростные режимы двигателя, называется всережимным регулятором. В таком регу­ляторе его муфта находится под воздействием инерционных сил грузов и. усилия пружины. На установившемся режиме силы, воздействующие на муфту регулятора, взаимно уравновешиваются. Изменение натяжения пружины приводит к изменению числа оборотов вала двигателя, при кото­ром муфта будет находиться в равновесном положении. Таким образом, путем изменения натяжения пружины регулятора можно получить требуе­мый скоростной режим работы двигателя.

На рис. 171 приведены внешняя характеристика двигателя 1 и ряд час­тичных характеристик 2, 3,4, 5,6 и 7 двигателя с всережимным регулятором.

Указанные частичные характеристики соответствуют различным за­тяжкам пружины регулятора.

Для установления влияния различных факторов на среднее эффектив­ное давление или на удельный расход топлива в период стендовых регулиро­вочных испытаний двигателя снимают регулировочные характеристики. С помощью регулировочных характеристик определяются оптимальные значения различных параметров двигателя, как, например, угол опережения подачи топлива, фазы распределения, давление открытия иглы форсунки и др.

Характеристики, которые устанавливают функциональную зависимость нескольких исследуемых параметров двигателя, называются универсаль­ными. Так, на рис. 172 приведена универсальная характеристика дизеля 6 ЧРН 27.5/36(6S 275), представляющая собой сетку кривых постоянных удель­ных эффективных расходов топлива в систехме координат р_е или зависимости от мощности двигателя и от температуры выпускных газов перед турбиной, приводящей в действие наддувочный агрегат.