Измерение эффективной мощности двигателя
Важнейшим объектом измерения при испытании двигателя является его эффективная мощность.
Для измерения крутящего момента, а следовательно, и эффективной мощности двигателя при стендовых испытаниях применяют тормозные динамометры или просто тормозы. С помощью тормозов осуществляется поглощение работы, совершаемой двигателем, и одновременное измерение среднего значения крутящего момента.
Таким образом, тормозы могут быть применимы при установившемся режиме работы двигателя. Работа двигателя, при осуществлении нагрузки его тормозом, тратится на преодоление гидравлического сопротивления в гидравлических тормозах и сил электромагнитного взаимодействия в электрических тормозах. Наибольшее применение в стендовых испытаниях двигателей имеют гидравлические тормозы.

На рис. 181 показана принципиальная схема гидравлического тормоза. На валу тормоза 2, который соединяется с валом двигателя, имеются диски 1, вращающиеся вместе с ним. Корпус тормоза 3, опираясь на подшипники 5, может поворачиваться относительно оси вала тормоза. Полость корпуса тормоза заполняется водой. При вращении вала тормоза 2 вода, увлекаемая дисками 1, стремится повернуть корпус тормоза в том же направлении, а момент РL, создаваемый грузом Р, подвешенным на рычаге 4, противодействует этому.
Таким образом, при установившемся режиме работы двигателя тормозной момент, направленный против вращения ротора тормоза, уравновешивает равный ему, но противоположно направленный крутящий момент, приложенный к валу тормоза. Совершаемая при этом работа превращается в теплоту, которая нагревает воду, протекающую через тормоз. Груз 6 уравновешивает вес рычага 4.
На рис. 182 приведена конструкция гидравлического тормоза с регулированием величины тормозного момента величиной наполнения корпуса его водой. Вода подводится в этом тормозе по трубе 2 и гибкому шлангу 5,а отводится по трубе 3. Груз подвешивается к рычагу 6 на тарелку 1, вес рычага уравновешивается грузом 4. Наряду с указанным рычажным измерением тормозного момента применяется измерение и с помощью маятниковых весов.
Как известно, эффективная мощность двигателя выражается через крутящий момент М и число оборотов вала его n следующей формулой:

Если градуировка шкалы (весом) тормоза отнесена к плечу, равному 716,2 мм, то формула для подсчета эффективной мощности двигателя принимает вид

где Р — показание тормоза в кГ.
Каждый тормоз имеет свою характеристику — зависимость между мощностью, поглощаемой тормозом, и числом оборотов ротора. Начальный _ участок этой характеристики при максимальном заполнении тормоза приближается к кубической параболе. Верхняя точка участка характеристики соответствует максимальному значению крутящего момента. Кроме того, на характеристике указываются точки, соответствующие максимальной мощности, поглощаемой тормозом, и максимально допустимому числу оборотов ротора его.
Тормозы с регулируемым слоем воды более просты по конструкции, но имеют непостоянство величины тормозного момента, возникающее в результате самопроизвольных колебаний толщины слоя воды. Поэтому за показания такого тормоза надо принимать среднее значение из нескольких следующих один за другим отсчетов. Гидравлические тормозы, правильно подобранные и находящиеся в хорошем состоянии, позволяют производить измерение крутящего момента вала двигателя с относительной ошибкой, не превышающей 1—2%.
Для измерения эффективной мощности двигателя, установленного на судне, применяются торсионные динамометры (торсиометры), с помощью которых производится измерение угла закручивания вала, передающего крутящий момент двигателя. Зависимость между углом закручивания вала, т. е. угла относительного поворота двух сечений вала, взятых на расстоянии l между ними, и крутящим моментом, приложенным к этому валу, выражается формулой:

Величина относительного смещения фланцев муфт торсиометра в зависимости от типа его измеряется механическим, оптическим или электрическим путем. Существует большое разнообразие конструкций торсиометров, но все они обладают громоздкостью и малой точностью измерения, а потому в практике все они нашли весьма малое применение. Наиболее перcпективными являются торсиометры, основанные на применении электрических методов измерения угла закручивания вала. Из их числа следует назвать электротензометрический торсиометр и фотоэлектронный торсиометр. Электротензометрический торсиометр основан на измерении мгновенных значений крутящего момента и числе оборотов вала с помощью метода проволочной тензометрии. Тензомост составляется из четырех датчиков, наклеиваемых на поверхность вала под углом 45° к образующей. Деформация поверхностных волокон вала при его скручивании, а следовательно, и деформация проволоки датчиков вызывает разбаланс моста. Напряжение с измерительной диагонали моста подается на усилитель и регистрируется после усиления с помощью осциллографа или самописца. В результате измерения определяются касательные напряжения на поверхности вала по формуле

Схемы наклейки проволочных датчиков на вал и включения их в цепь усилителя показаны на рис. 183, а и б.

Фотоэлектронный торсиометр основан на измерении сдвига фаз между сигналами двух датчиков, закрепленных в двух сечениях вала. Специальная электронная схема позволяет преобразовать сигналы от датчиков в прямоугольные импульсы. Средняя величина тока в цепи регистрирующего прибора пропорциональна сдвигу фаз токов датчиков, а следовательно, пропорциональна углу закручивания вала.

Рассмотрим схему установки торсиометра ЛИВТа. На вал 3 с помощью стяжных болтов устанавливаются растры 1 (рис. 184). Они выполняются разъемными, что позволяет монтировать их на валу без разборки валопровода. К поверхности вала растры прижимаются базовыми ножами 2.
Малая поверхность опоры уменьшает погрешность определения базы прибора до ± 0,5 мм. Края растров имеют прямоугольные радиальные прорези шириной 1 мм, через которые луч света от осветителя 4 проходит к фотосопротивлению 5.
При вращении вала прорези растра через определенные промежутки времени пропускают луч света на фотосопротивление, которое в эти моменты генерирует фототок. Таким образом возникают импульсы тока. Нетрудно видеть, что ширина прорезей и расстояние между ними являются основными параметрами прибора, влияющими на точность измерения. Действительно, с уменьшением расстояния между прорезями возрастает число импульсов, что обеспечивает более точное определение угла сдвига фаз.
Кроме того, на точность измерения влияет скорость кромки прорези. Чем больше скорость, тем быстрее будет открываться источник света и тем быстрее во времени возрастает фототок от нуля до своего максимума, иначе, получаем более крутой фронт импульса. Последнее необходимо потому, что триггер, входящий в электрическую схему, срабатывает при достаточной крутизне переднего фронта импульса.
Высота прорезей принимается примерно в 2 раза больше высоты рабочего поля фотосопротивления, что исключает влияние радиальных колебаний вала на работу прибора. В корпусе осветителя помещена лампочка мощностью 15 вт. Объектив от микроскопа служит для получения отчетливого изображения нити накаливания на поле фотосопротивления. Возникающие импульсы тока не являются строго прямоугольными и не имеют достаточно большую амплитуду для работы измерительного прибора. Поэтому предварительно эти импульсы усиливаются и преобразуются в прямоугольные импульсы с достаточной крутизной переднего фронта. Эту функцию выполняет усилительно-формирующий блок на полупроводниках. Для нормальной работы триггера сформированные импульсы дифференцируются, в результате чего получаем импульсы с малой длительностью. Эти импульсы поступают на вход триггера. Триггер — это импульсное устройство, имеющее два устойчивых состояния равновесия, которое может переходить от одного состояния равновесия в другое с помощью внешнего воздействия (импульса). Причем при переходе триггера (срабатывании) из одного состояния в другое изменяется величина напряжения на коллекторах полупроводников. При подаче импульсов от двух датчиков в общей цепи триггера в зависимости от фазового сдвига между импульсами течет различный ток, который воздействует на измерительный прибор, вызывая отклонение стрелки последнего. По отклонению стрелки определяют угол закручивания вала.
Этот тип торсиометра позволяет измерить в широком диапазоне скоростей крутящий момент с допустимой погрешностью.
Вследствие того что в эксплуатации судовых дизелей до сих пор еще не получил широкого применения прибор для замера крутящего момента гребного вала, определение эффективной мощности производится по косвенным
показателям. В качестве косвенных показателей мощности, развиваемой двигателем, приняты его часовой расход топлива и температура отработавших газов. Основано это на том, что эффективная мощность и крутящий момент двигателя являются функцией расхода топлива, количественная оценка которой определяется следующими выражениями:

На основании стендовых испытаний головного двигателя указанные зависимости при различных числах оборотов вала представляются графически, как это показано на рис. 185 и 186.


Как следует из предыдущего, температура отработавших газов (за выпускным коллектором) зависит от мощности двигателя, количественную оценку которой, также по данным стендовых испытаний, представляют графически (рис. 187).

При испытании судна и его силовой установки данные графические зависимости используются как паспортные характеристики, по которым и определяют мощность, развиваемую двигателем. Для этого в испытываемый период работы судна измеряют часовой расход топлива и число оборотов коленчатого вала двигателя, работающего на гребной винт. Откладывая по оси ординат значения Gт на графике (см. рис. 185) или Gт/n на графике (см. рис. 186), на оси абсцисс найдем искомыe Ne или Ме. В качестве дополнения и проверки эффективную мощность двигателя определяют и по замеренной температуре отработавших газов tг, для чего пользуются графиком, приведенным на рис. 187.
Если испытываемый двигатель на судне по своему техническому состоянию не отличается от двигателя, испытанного на стенде завода, то неточность определения эффективной мощности его будет определяться относительными погрешностями при измерении расхода топлива и числа оборотов вала. Таким образом, при определении мощности двигателя на судне по косвенным показателям, если метеорологические условия мало отличны от условий на стенде завода, относительная ошибка составляет 2—5%. При значительных неблагоприятных отклонениях метеорологических условий на судне от стендовых (низкое давление воздуха во впускном коллекторе р0 и высокая температура воздуха Т0) и повышенном сопротивлении выпускного тракта двигателя (повышенное давление в выпускном коллекторе рг) относительная ошибка в определении эффективной мощности двигателя может достигать 10—12%. В случае же сниженных показателей технического состояния двигателя, что может иметь место после продолжительного периода эксплуатации его, ошибка в определении эффективной мощности рассматриваемым методом может достичь более значительной величины, т. е. является недопустимой.
Вследствие износа рабочей втулки цилиндра, поршневых колец, деталей форсунки и топливного насоса продолжительность процесса сгорания топлива в цилиндре дизеля возрастает, что приводит к повышенным тепловым потерям, а следовательно, к снижению индикаторного к. п. д. Для развития необходимой мощности при этих условиях двигатель потребляет больше топлива, т. е. работаете большим удельным расходом топлива. Имея в виду, что целью контрольных теплотехнических испытаний силовой установки теплохода является определение показателей технического состояния главного двигателя (в том числе определение и удельного расхода топлива), можно сделать вывод, что рассматриваемый метод определения эффективной мощности двигателя по расходу топлива и по температуре отработавших газов, при таких испытаниях является неприемлемым. Необходима поправка замеренной мощности. Ниже излагается метод, предложенный нами, исправления значения замеренной мощности двигателя по расходу топлива.
Указанный метод основан на взаимосвязи коэффициента избытка воздуха при горении топлива в цилиндре двигателя ? (суммарного коэффициента, определяемого по составу отработавших газов), среднего эффективного давления ре и удельного эффективного расхода топлива ge.
Как было установлено ранее, эта взаимосвязь выражается

Обозначения в этой формуле были введены ранее.
Для всех дизельных сортов топлива значение L0 мало изменяется и может быть принято равным L0 = 0,49 моль/кг.
Подставляя значение L0, будем иметь

При изменении технического состояния двигателя (износ цилиндра, поршневых колец, деталей топливной системы) зависимость, выраженная приведенной выше формулой, сохраняется, только значения величин, входящих в это выражение, будут другими.
Допустим, что для какого-либо рассматриваемого режима работы двигателя на заводском стенде (мощность Nе и число оборотов вала n об/мин) были замерены величины ?, рe, ge, ?н, р0 и Т0, а при работе этого же двигателя на судне непосредственно на гребной винт эти величины равны ?', рe', ge', ?н', р0' и Т0. Тогда можно написать

Для одного и того же двигателя при различном его техническом состоянии с одинаковой нагрузкой и при одинаковом числе оборотов вала коэффициенты наполнения могут быть приняты равными, если, конечно, фазы распределения не изменены, а потому

Если испытания судна происходят в нормальных условиях плавания (наличие необходимого запаса воды под килем судна при отсутствии сильного встречного ветра и т. п.) и элементы гребного винта соответствуют мощности и числу оборотов, замеренных на стенде завода, то можно принять, что pе' = рe, и соответственно находим

Полученное выражение позволяет произвести корректировку удельного эффективного расхода топлива с учетом изменения технического состояния двигателя и метеорологических условий. Здесь коэффициент избытка воздуха при горении ? и ?’ определяется при одном и том же режиме работы двигателя как на стенде завода, так и на судне по анализу отработавших газов. Ошибка при определении а может быть допущена порядка 1,5—3% и соответственно неточность корректировки удельного расхода топлива будет в допустимых пределах.
В качестве проверки правильности определения ge' может быть произведен подсчет мощности двигателя Nе' как по расходу топлива, так и по значению среднего эффективного давления ре' = ре при данном числе оборотов двигателя n:

Здесь С — постоянная двигателя.
В том случае, когда испытываемое судно имеет гребной винт, не соответствующий стендовым характеристикам двигателя, или же имеется повышенное сопротивление движению судна, будем иметь неравенство ре' ? ре.
Для корректировки мощности в этом случае, замеренной по расходу топлива, допустим в первом приближении, что ge' = ge. При этом условии находим

Соответственно искомая эффективная мощность двигателя при работе на гребной винт с числом оборотов вала n будет равна

В качестве проверки ранее принятого допущения ge' = ge удельный расход топлива может быть определен по часовому расходу топлива:

В случае несовпадения значений удельных расходов топлива (найденного по часовому расходу топлива на судне ge' и ge) следует задаться новой величиной ge' между значениями ge и ранее найденным.
При новом ge' вновь определяется pe' и соответственно мощность Nе'. Такой перерасчет производится до тех пор, пока величина удельного эффективного расхода топлива, принимаемого для определения ре', не совпадет с величиной ge', определяемой по часовому расходу топлива на судне. В качестве примера определим удельный эффективный расход топлива ge' и эффективную мощность Nе' двигателя 6ЧР 27,5/36 (6С275Л), установленного на буксире, с учетом технического состояния двигателя и метеорологических условий.
При испытании двигателя на судне были замерены:
часовой расход топлива Gт = 77 кг;
число оборотов вала двигателя n = 550 об/мин;
температура воздуха, поступающего во впускной коллектор двигателя,
T0' = 310° К;
давление наружного воздуха — 755 мм. рт. ст.;
коэффициент избытка воздуха при горении ?' = 1,95.
Согласно стендовым испытаниям номинальная мощность двигателя при n = 550 об/мин равна Nе = 400 л. с. На эту мощность и рассчитан гребной винт. При режиме работы двигателя на испытательном стенде было установлено:
Удельный расход топлива ge = 0,177 кг/э. л. с.ч.
Коэффициент избытка воздуха при горении ? = 2,2.
Температура воздуха Т0 = 298°К.
Давление воздуха р0 = 755 мм рт. ст.
Эффективная мощность двигателя без корректировки удельного расхода топлива согласно замеренному часовому расходу топлива будет равна

Действительный удельный расход топлива при работе двигателя на судне в период испытаний

Действительная эффективная мощность, развиваемая двигателем на судне,

что совпадает со стендовыми данными.
Предлагаемый метод исправления (корректировки) замеряемой эффективной мощности двигателя на судне по расходу топлива позволяет значительно расширить область определения мощности по косвенным показателям.
Метод определения эффективной мощности по косвенным показателям, с корректировкой соответственно изменению коэффициента избытка воздуха при сгорании топлива в цилиндре испытываемого двигателя, может быть вполне применим и при теплодинамометрических испытаниях судна, проводимых с целью определения технического состояния двигателя.
Очень важно, что этим методом можно пользоваться в повседневной работе теплопартий пароходств.
|