Тема 4. Характеристики, регулировка и техническое использование СДВС.

Лекция 16.   Эксплуатационные характеристики судовых дизелей: скоростные характеристики (предельная, максимальная, внешняя, номинальная, частичные), нагрузочные, регуляторные и комбинированные характеристики. Выбор ограничительных параметров и характеристик.

 

1. Эксплуатационные характеристики

Характеристикой двигателя называется графическая или аналитическая зависимость момента, индикат. или эфф. Мощности и других параметров рабочего процесса от частоты вращения или нагрузки дизеля.

Скоростные характеристики:

g_r=

Скоростные бывают внешние, винтовые, ограничительные.

 

Нагрузочные характеристики: (n = const)

N_e = (P_z); N_i = f (P_z)

g_e=f(P_z); g_i=f(P_z)

=f(P_z)

2. Внешние характеристики.

Определения и характерные мощности.

Это характеристики, снятые при неизменном положении рейки ТНВД и при соблюдении определенных требований, оговоренных в ТУ (температура, давление, влажность воздуха; противодавление на выпуске, температура охл. воды; наивыгоднейший угол опережения; температура и давление наддув воздуха)

 

Номинальная мощность дизеля, это по ГОСТ 10150-82 как длительная эффективная мощность, назначаемая и гарантируемая изготовителем при заданной частоте вращения и заданных окружающих условиях. Стандартные условия по ГОСТ 4393-82 Международному стандарту ISO следующие: барометрическое давление р ₀ = 100 кПа, температура окружающего воздуха Т ₀ = 300К, теплота сгорания топлива Q _H = 42707 кДж/кг.

 

По ISO 3046/1-1986 эталонные внешние условия: р _а = 1000 мбар; t _a = 25^oC;

Q _H = 42707 ;

Используются и другие характерные значения мощностей:

 - Спецификационная максимальная длительная мощность N  - это максимальная мощность, требуемая верфьюили судовладельцем для длительной эксплуатации; в данном проекте N  = 0,964 N ;

 - Длительная эксплуатационная мощность N - это мощность, по которой предусматривается нормальное использование двигателя; согласно [1] N  = 0,9 N ;

 - Контрактная мощность – мощность обеспечивающая движение судна с контрактной скоростью при осадке, чистым горючем, нормальных внешних условиях (ветер, волны не более 2-3 баллов, глубина под килем не менее 7 осадок).

 - Мощность в точке оптимизации N  - это мощность, при которой определяются тип и соответствующие параметры турбокомпрессора, регулируются газораспределение и степень сжатия двигателя. В данном проекте принято N  = 0,886 N .

На рис. 186 изображены внешние характеристики двигателя

Рис. 186.

 

При анализе внешних характеристик удобно пользоваться формулой N_e = cp_en

Наибольшее влияние на p_z оказывает p_s, коэф. наполнения  и отношение / .

p = 0,12

Линии на рис. 186 соответствуют следующим характеристикам:

1. Внешняя предельная (max цикловая подача)

Работа на этой характеристике сопровождается перегревом и повышенными параметрами p_z, t_вг, g_z.

2. Внешняя максимальная мощность

110% N_e не более 2х часов; общее время работы не более 10-15%.

3. Номинальная внешняя. (паспортная, расчетная, построенная).

Гарантируется заводом при эксплуатации без ограничений во времени при определенных условиях эксплуатации (рекоменд. Сорта топлива и масел, нормальные гидрометеоусловия, корпус судна чист, нет повреждений винта)

4. Эксплуатационная.

Обеспечивает длительную надежную работу при высокой экономичности, устанавливается пароходством.

N_{z экс} = (0,75-0,95) * N_{z ном}

В процессе эксплуатации она корректируется.

5. Внешние частичные. Сняты при уменьшенных подачах ТНВД.

 

2.2 Изменение параметров двигателя при работе по внешней характеристике(рис. 10.3, рис. 4.8)

 

При работе на частичных нагрузках снижаются t вып. газов, их скорость и давление, следовательно меньше Nz Турб,  и . Снижается качество распыла из-за падения ск-ти набег. кулака и давления впрыска.

След.  уменьшается,  увеличивается, увеличивается.

При малых цикловых подачах с уменьшением n наблюдается резкое падение p_i.

 

3. Режимы винтовой характеристики.

Закономерности показателей ГД, непосредственно работающего на гребной винт фиксированного шага зависят от характеристик этого винта, который выступает в качестве нагрузочного устройства ГД.

Известно, что для обычных водоизмещающих транспортных судов поглощаемые винтом моменты M_z и мощность N_z изменяются по зависимостям очень близким к квадратической и кубической параболам.

M_z = C_1*n²

N_z = C*n²

P_z = c₂*n²

    На рис. 190 изображены винтовые характеристики 1-5 и внешняя 7. Линия 1 соответствует расчетной винтовой характеристике.

 

    При увеличении сопротивления движению судна вследствие обрастания корпуса, увеличения осадки, волнения моря, при буксировке другого судна винтовые характеристики более крутые – 2,3.

    Эти характеристики называют «утяжеленными». При работе на «тяжелый» винт номинальная частота вращения достигается за счет значительной перегрузки или не достигается вовсе.

    Кривая 4 соответствует швартовой наиболее тяжелой характеристике ( 0, судно неподвижно, полное проскальзывание винта)

    При работе на «жесткий» винт (линия 5), например, при движении судна с массой осадкой, ГД недогружается по мощности хотя и может перегрузиться по оборотам.

 

    Полное соответствие дизеля, судна и винта достигается в точке А. Иначе или недоиспользованные мощности при «мягком» винте или перегрузка и перерасход топлива при «тяжелом» винте.

    Необходимо учитывать изменение винтовой характеристики за счет обрастания корпуса, поэтому при n=n _ном  в начальный период эксплуатации дизель работает на «облегченный винт» (запас по мощности составляет 10-15%)

    ВРШ позволяет изменять характеристику за счет изменения шагового отношения H/D винта.

    Таким образом при уменьшенных n (например при тралении) можно обеспечить большую нагрузку и следовательно оптимальный расход топлива.

 

ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Эксплуатация главных двигателей на частотах вращения ни­же номинальных («тяжелый» винт, обрастание корпуса судна, буксировка воза, мелководье, волнение моря и т.д.) и особенно на пониженных, близких к n_min, требует ограничений в выборе до­пустимых нагрузок.

Критериями для установления режимов, допускаемых в эксп­луатации, являются основные параметры рабочего процесса, вли­яющие на механическую и тепловую напряженность главных де­талей, определяющих надежность работы двигателя в целом.

Пределы изменения величин основных параметров работы двигателя на разных частотах вращения вала, гарантирующие на­дежность его работы, представленные в виде графических зависи­мостей, называются ограничительными (заградительными) харак­теристиками двигателя. Следовательно, под ограничительными характеристиками понимают графические зависимости величин M_е, N_е, р_е и других энергетических показателей от частоты вра­щения, которые устанавливают верхнюю и нижнюю границы до­пустимых в эксплуатации их значений из условия обеспечения

надежной работы двигателя.

Ограничительные характери­стики устанавливаются при испытаниях двигателя на стенде завода-строителя, где имеется возможность выявить пределы допустимых механических и теп­ловых нагрузок деталей на режи­мах полной подачи топлива при сниженных частотах вращения. В эксплуатационных условиях ограничительные характери­стики корректируются в зависи­мости от гидродинамических свойств винта, сортов применяемых топлив и масел, условий £ внешней среды, технического со­стояния двигателя и пр.

 

 На рис. 191 приведены некоторые ограничительные характе­ристики. Как известно, механическая напряженность двигателя оценивается значениями крутящего момента, максимального дав­ления сгорания р_г, скоростью нарастания давления в цилинд­ре (жесткостью рабочего процесса) , отношением р_г/р_i

Мощность двигателя, при которой напряжение вала не превы­шает номинальных значений во всем диапазоне частоты враще­ния, составляет N_e = , или N_e=cn³ , т.е

зависи-

мость N_e = f(n) при М_е = const является линейной (кривая 1 на рис. 191), соединяющей начало координат и точку А с коор­динатами N_еном—n_ном- Эта зависимость называется ограничитель­ной характеристикой по мом енту.

В эксплуатации судовых дизелей предусматриваются ограни­чения и минимальной частоты вращения n_min из условия ограни­чения Nemin. Под n_min понимают устойчивую частоту вращения, при которой не произойдет непредусмотренной остановки двига­теля из-за неблагоприятных условий протекания рабочего про­цесса и условий возможности управления движением судна при помощи руля на малых скоростях хода судна (прямая 5).

Для оценки относительного размещения ограничительных характеристик на рис. 191 приведена винтовая характеристика 6 ограничительной характеристикой по моменту 1.

Справа она ограничивается характеристикой 7 (номинальной частотой вращения) или регуляторной характеристикой 4, снизу – характеристикой 9 (минимальными мощностями) и слева она ограничена минимальной устойчивой частотой вращения 5 и частотой вращения соответствующей минимальной длительной эксплуатационной мощности 8.

Рис. 190. Винтовые характеристики дизеля с ВФШ при плавании судна в разных условиях.

Рис. 186. Внешняя характеристика двигателя.

Рис. 131. Кривые мощностей при разных H/D и n/n_ном у ВРШ

 

Линия 3 соответствует заградительной характеристике по топливному насосу. Левая граница поля представляет собой швартовую характеристику 11, которая соответствует тяжелым условиям работы (во льдах, на швартовых испытаниях, при снятии с мели) Постоянные С, С ₁ , С ₂ принимают небольшие значения.

    В случае работы с повышенным сопротивлением движению судна или поврежденным гребным винтом подачу топлива следует более существенно уменьшать в соответствии со скоростной ограничительной характеристикой h_доп (n) (Линия АЕ)

Ориентировочно предельные допустимые значения в зависимости от снижения относительных оборотов  можно определить по формуле

Во всех случаях давление pi не должно превышать допустимое предельное соответствующее внешней характеристике 2.

 

 

Рис. 191. Ограничительные характеристики судовых дизелей.

 

Заштрихованная зона – область допускаемых в эксплуатации длительных режимов работы дизеля.

    Ограничения P_R в ЭВС с ГТН бывает недостаточно, чтобы сохранить тепловую и механическую напряженность на уровне, который имел место при номинальной нагрузке. Это происходит из-за уменьшения коэффициента избытка воздуха.

    Поэтому и надо снижать цикл. Подачу, что вызывает снижение P_R

Рис. 16-5. Нагрузочная характеристика дизеля с газотурбинным надувом.

Нагрузочные характеристики

    Это зависимости параметров n=const.

На рис. 16-5 изображены эти характеристики. Регулятор поддерживает n=const (приблизительно). Нагрузка меняется за счет цикловой подачи g_ц. С увеличением g_ц температура выпускных газов t_В.Г. растет.

    Повышаются так же давления p_c и p_z.

    Коэффициент избытка воздуха снижается, так как расход топлива повышается в большей степени, чем расход воздуха.

    Мех. к.п.д  равный нулю на холостом ходу, с ростом нагрузки увеличивается.

Увеличение удельных расходов топлива be при малых нагрузках происходит из-за снижения мех. к.п.д. и потери с выпускными газами.

Увеличение be при больших нагрузках происходит из-за ухудшения сгорания топлива при малых коэффициентах избытка воздуха.

 

Комбинированная характеристика

    По оси ординат откладывается крутящий момент в % (T_tg %), по оси абсцисс обороты.

    Нанесены линии постоянной эффективной мощности, линии постоянных температур (штриховые) и линии постоянных удельных расходов топлива.

1 – скоростная характеристика ограничительная по топливному насосу

2 – регуляторная характеристика

3 – швартовая винтовая характеристика

4 – стендовая винтовая характеристика

º - номинальный режим

• - максимальная мощность при винтовой нагрузке

Рис. 16-6. Комбинированная характеристика дизеля 8NVD48A-2U

Графическая характеристика двигателя типа 6 VD 26/20 AL-2, газотурбонагнетатель типа R 3

На рисунке изображены графическая комбинированная характеристика двигателя 6VD26/20AL- 2

 

Лекция 18. Подготовка двигателя к пуску. Проворачивание и пробные пуски. Пуск дизеля в ход  - 2 час.

1. Подготовка двигателя и обслуживающие его системы к пуску.

1.1. Подготовка дизельной установки к действию должна обеспечить приведение дизелей, обслуживающих механизмов, устройств, систем и трубопроводов в состояние, гарантирующее их надежный пуск и последующую работу.

1.2. Подготовка дизеля к работе после разборки или ремонта должна производиться под непосредственным наблюдением механика, в заведовании которого находится дизель. При этом необходимо убедиться в том, что:

.1. все разбиравшиеся соединения собраны и надежно закреплены, обратив особое внимание на стопорение крепежных элементов;

.2. выполнены необходимые регулировочные работы. Особое внимание должно быть обращено на установку нулевой подачи топливных насосов высокого давления;

.3. все штатные контрольно-измерительные приборы установлены на место, соединены с контролируемой средой и не имеют повреждений;

.4. при прокачке маслом при открытых картерных щитах смазка поступает ко всем подшипникам и другим точкам смазки;

.5. защитные крышки, щиты и кожухи установлены на место и надежно закреплены;

.6. трубопроводы топливной, масляной, водяной и воздушной систем, а также рабочие полости дизеля, топливных и масляных фильтров, теплообменных аппаратов и вспомогательных механизмов не имеют пропусков рабочих сред. Особое внимание должно быть обращено на отсутствие протечки охлаждающей воды через уплотнения цилиндровых втулок, а также на возможность попадания топлива, масла и воды в рабочие цилиндры или в продувочный (всасывающий) и выпускной ресиверы дизеля;

.7. выполнена проверка форсунок дизеля на плотность и качество распыла топлива.

После перечисленных выше проверок должны быть выполнены операции, предусмотренные для подготовки дизельной установки к действию после непродолжительной стоянки (см. пп.1.3-1.9.11).

1.3. Подготовка дизельной установки к действию после непродолжительной стоянки, во время которой не выполнялись работы, связанные с разборкой, должна производиться вахтенным механиком и включать в себя операции, предусмотренные пп.1.4.1-1.9.11. При экстренном пуске время подготовки можно сократить только за счет прогрева.

1.4. Подготовка масляной системы. При подготовке системы необходимо:

.1. Проверить уровень масла в сточных цистернах или в картерах дизеля и редуктора, в маслосборниках и гравитационных цистернах турбокомпрессоров наддува, в масляных сервомоторах, в лубрикаторах, в регуляторе частоты вращения, в корпусе упорного подшипника, в цистерне смазки распределительного вала. При необходимости пополнить их маслом.

.2. Убедиться в исправности устройств автоматического пополнения и поддержания уровня масла в цистернах, лубрикаторах.

.3. Перед проворачиванием дизеля подать масло в рабочие цилиндры и к другим местам лубрикаторной смазки, а также ко всем точкам ручной смазки.

.4. Подготовить к работе масляные фильтры и маслоохладители, установить клапаны на трубопроводах в рабочее положение. Пуск дизеля и его работа с неисправными масляными фильтрами запрещается. Дистанционно управляемые клапаны должны быть опробованы в действии.

.5. При температуре масла ниже рекомендованной инструкцией по эксплуатации его необходимо подогреть. При отсутствии специальных нагревательных устройств масло прогревают путем прокачки его через систему во время прогрева дизеля (см. п.1.5.4). Температура масла при прогреве не должна превышать +45 °С.

.6. Подготовить к работе и пустить автономные масляные насосы дизеля, редуктора, турбокомпрессоров или прокачать дизель ручным насосом. Проверить действие средств автоматизированного (дистанционного) управления основными и резервными масляными насосами, выпустить из системы воздух. Убедиться в наличии показаний всех контрольно-измерительных приборов системы, а также в наличии потока в смотровых стеклах. Прокачивание маслом производить в течение всего времени подготовки дизеля (при ручной прокачке - перед проворачиванием и непосредственно перед пуском).

1.5. Подготовка системы водяного охлаждения. При подготовке системы необходимо:

.1. Подготовить к работе охладители и подогреватели воды, установить клапаны и краны на трубопроводах в рабочее положение, опробовать в действии дистанционно управляемые клапаны.

.2. Проверить уровень воды в расширительной цистерне контура пресной воды и в цистернах автономных систем охлаждения поршней и форсунок. При необходимости пополнить системы.

.3. Подготовить к работе и пустить автономные или резервные насосы пресной воды охлаждения цилиндров, поршней, форсунок. Проверить действие средств автоматизированного (дистанционного) управления основными и резервными насосами. Довести давление воды до рабочего, выпустить из системы воздух. Прокачку дизеля пресной водой производить в течение всего времени подготовки дизеля.

.4. Прогреть охлаждающую пресную воду имеющимися средствами до температуры около 45 °С на входе. Темп прогревания должен быть по возможности медленным. Для малооборотных дизелей скорость прогрева не должна превышать 10 °С в час, если в инструкции по эксплуатации нет других указаний.

5. Для проверки системы забортной воды пустить главные насосы забортной воды, проверить систему, включая работу регуляторов температуры воды и масла. Остановить насосы и вновь запустить их непосредственно перед пуском дизеля. Избегать длительной прокачки забортной водой масло- и водоохладителей.