Нерасчетные (переменные) режимы

 

Частичные (долевые) режимы

 

 Для анализа работы СДУ на частичных (долевых) нагрузках в качестве исходных показателей могут быть использованы зависимости основных параметров ГД (в первую очередь нагрузочных), которые для конкретного двигателя и постоянных атмосферных условий определяются по выражениям:

 

1

где С₁, С₂, С₃- коэффициенты пропорциональности для данного двигателя;

- коэффициент избытка воздуха;

- индикаторный КПД двигателя;

- коэффициент наполнения;

- механический КПД двигателя.

Следовательно, характер изменения мощности крутящего момента и среднего эффективного давления с переходом на частичные нагрузки определяется сочетанием коэффициента наполнения цилиндра, совершенства рабочего цикла (величина / ) и механического КПД двигателя.

На рис. 10 показаны изменения основных параметров рабочего процесса двигателя, работающего по винтовой характеристике, в зависимости от частоты вращения.

Частичные режимы работы представляют интерес с двух точек зрения ― сохранение допустимых уровней, тепловых и механических нагрузок и, с другой предотвращения (по возможности) резкого ухудшения экономичности, особенно для установок, часто работающих на среднем и малом ходах. Особенность работы установок с ВФШ ― большой резерв мощности при частотах вращения, ниже номинальных.

В отличие от внешней, по винтовой характеристике с уменьшением частоты вращения  падает, а коэффициент  возрастает. Это обстоятельство обуславливает повышение эффективного удельного расхода топлива с переходом на частичные нагрузки. Минимально устойчивая частота вращения определяется типом двигателя, а также характеристиками топливной системы на малых оборотах. Обычно она составляет , а у некоторых мощных МОД .

Работа СДУ с минимальной мощностью соблюдения следующих условий:

-следить за работой всех цилиндров, при пропусках вспышек увеличить подачу топлива;

-поддерживать тепловой режим двигателей (температуру масла и охлаждающей воды) ближе к верхнему допустимому пределу;

-контролировать отсутствие попадания смазочного масла и топлива в выпускной коллектор.

 

 

 

 

Рис. 10 Основные параметры МОД, работающего по винтовой характеристике в зависимости от частоты вращения.

В общем случае удельный расход топлива СДУ на ходовом режиме можно определить по выражению:

                                                                            (2)

где В_гд, В_вд, В_вк – расход топлива (часовые) соответственно на ГД, ВД. и ВК, кг/ч;

N_e - эффективная мощность ГД, кВт.

Разделив (2) на В_гд получим

                                                                                                                                     (3)

где  – удельный эффективный расход топлива на ГД кг/кВт·ч;

;             ;

Таким образом, как видно из (3) характер зависимости  в свою очередь определяется зависимостями  рис.11.

Другими показателями экономичности является КПД СДУ, который записывается в виде (КПД «Брутто»):

(4)

 

 

где - нагрузка генераторов электростанции в ходовом режиме кВт;

- паропроизводительность ВК кг/г;

- энтальпия пара и питательной воды кДж/кг;

- КПД ДГ и ВК;

Q - теплота сгорания топлива кДж/кг;

 

                                                                           (5)

 

Иногда для эффективности топливоиспользования в СЭУ (например, при невозможности определения мощности ГД) используют такой показатель экономичности, как расход топлива на милю плавания: кг/миля;

                                                                (6)

где - удельный расход топлива непосредственно на движение судна кг/миля.

Нагрузку СЭУ характеризует отношение мощности ГД на рассматриваемом режиме  к номинальной мощности,  т.е. величина = .

 

 

Рис.11 Показатели экономичности СДУ на частичных нагрузках

С уменьшением  понижается КПД ГД и возрастают относительные расходы энергии на вспомогательные механизмы.

Экономичность ГД на частичных нагрузках может быть повышена, прежде всего, за счет применения более совершенных способов регулирования, а также путем отношения некоторых ГД (в многомашинных установках) или части обслуживающих механизмов.

Мероприятия, повышающие экономичность вспомогательных механизмов на частичных нагрузках, сводятся к следующему:

-применение вспомогательных механизмов с максимальным КПД при характерных частичных нагрузках;

-отключение некоторых вспомогательных механизмов при частичных нагрузках;

-применение двух, или трехскоростных электродвигателей для привода вспомогательных механизмов;

-применение навешенных на ГД вспомогательных механизмов.

 

Пример 1.

Расчет показателей тепловой эффективности СДУ на частичных нагрузках.

 

Исходные данные:

N_е=6600 кВт; n_н=120 мин^-1

=0,210 кг/кВт.ч

_дг=0,236 кг/кВт.ч

 кг/кВт.ч

 кг/кВт.ч

Q =41868 кДж/кг (ДТ)

 Р 380 кВт

Д_вк=1600 кг/ч

 уз

0,78

2550 кДж/кг

 

Решение:

1.Мощность ГД:

 6600 кВт;   

 0,85·N _е = 0,85·6600 = 5610 кВт;    

 0,45· N _е = 0,45·6600 = 2970 кВт;

 0,15· N _е = 0,1 5·6600 = 990 кВт, где

Пх – полный ход; сх – средний ход; Мх – малый ход.

 

2. Удельный расход топлива на ГД:

 0,210 кг/кВт·г;

 0,210 кг/кВт·г;

 0,213 кг/кВт·г ( из исходных данных);

 0,224 кг/кВт·г (из исходных данных).

 

3. Часовой расход топлива на ГД:

 0,210·6600 = 1406 кг/г;

 = 0,210·5610 = 1190 кг/г;

 0,224·990 = 186 кг/г

 0,213·2970 = 628 кг/г.

 

4. КПД ГД:

;

;

.

 

5. Расход топлива на ВД:

 

кг/г.

 

6. КПД ДГ:

.

 

7. Расход топлива на ВК:

 кг/г.

 

8. Относительный расход топлива на ВД:

;

;

;

.

 

9. Относительный расход топлива на ВК:

;

;

;

.

10. Полезная теплота ВД:

 

 0,0646 · 0,367 = 0,0237;

 0,076 · 0,367 = 0,028;                 

 0,143 · 0,367 = 0,052;

0,48 · 0,367 = 0,176.

 

11. Полезная теплота ВК:

0,09 · 0,78 = 0,07;

0,11 · 0,78 =0,086;

=0,2 · 0,78 = 0,156;

0,67 · 0,78 = 0,520.

 

12. Теплота, подведенная к СЭУ:

1+0,0646+0,09 =1,155;

1+0,076+0,11 = 1,186;

 1+0,143+0,2 = 1,343;

1+0,48+0,67 =2,15.

 

13. Полный (брутто) КПД СДУ:

; ;

;

.

 

14. Частный (нетто) КПД СДУ:

;

;

 

;

.

 

15. Частота вращения ГВ:

 мин^-1;

 мин^-1;

 0,75 ·120 = 91 мин^-1;

= 0,5 ·120 = 60 мин^-1.

 

16. Скорость хода судна:

 уз;

0,95 · 17,5 = 16 уз;

 0,75 · 17,5 = 13,1 уз;

 0,5 · 17,5 = 8,6 уз.

                       

17. Расход топлива на милю плавания:

кг/миля;

кг/миля;

кг/миля;

кг/миля.

 

Таблица 5.1

 

Результаты расчета показателей тепловой эффективности СДУ.

 

 

№ п/п	Величина	Обозна-чение	Размер	Режимы работы ПУ
				ПХ	Экон. ход. (85%)	СХ 45%	МХ (15%)
1	Мощность ГД	Nе	кВт	6600	5610	2970	990
2	Удельный расход топлива на ГД		Кг/кВт.ч	0,210	0,210	0,213	0,224
3	Расход топлива на ГД	Вгд	кг/ч	1406	1190	628	186
4	КПД ГД		-	0,41	0,41	0,40	0,39
5	Расход топлива на ВД	Ввд	кг/ч	90	90	90	90
6	КПД ДГ		-	0,367	0,367	0,367	0,367
7	Расход топлива на ВК	Ввк	кг/ч	125	125	125	125

Продолжение таблицы 5.1.

 

8	Относительный расход топлива на ВД		-	0,0646	0,076	0,143	0,48
9	Относительный расход топлива н5.1а ВК		-	0,09	0,11	0,2	0,67
10	Полезная теплота ВД (доля)	q	-	0.0237	.0028	0.052	0.176
11	Полезная теплота ВК; (доля)	q	-	0,07	0,086	0,156	0,520
12	Теплота, подведенная к СЭУ  (доля)	q	-	1,155	1,186	1,343	2,15
13	Полный (брутто) КПД СДУ		-	0,46	0,45	0,50	0,65
14	Частный (нетто) КПД СДУ		-	0,375	0,35	0,306	0,23
15	Частота вращения ГВ	n в	мин-1	120	114	91	60
16	Скорость хода судна		уз	17,5	16	13,1	8,6
17	Расход топлива на милю плавания		кг/миля	92,4	80,2	64,5	46,5

 

 5.2 Работа с перегрузкой

 

Согласно требованиям к судовым дизелям, они должны выдерживать кратковременную (в течение 1 часа) перегрузку с параметрами и  =1.03 . Превышение номинальной мощности и частоты вращения ГД допускается только по команде вахтенного штурмана, только в случаях, связанных с угрозой человеческой жизни и безопасности судна.

Перегрузочные режимы работы ГД требуют от обслуживающего персонала исключительной собранности и повышенного внимания за температурами выпускных газов, масла, охлаждающей воды, которые не должны превышать значений указанных в заводской инструкции для режимов работы с перегрузкой. Особое внимание должно быть к температурам рамовых, мотылевых, головных и промежуточных подшипников и других трущихся деталей. Теплонапряженность деталей ЦПГ является определяющей работоспособность двигателя на перегрузочном режиме. Основным критерием теплонапряженности (кроме удельного отвода теплоты) служит средняя температура стенки деталей ЦПГ со стороны газов t₁ и температурный перепад,  где  температура стенки со стороны охлаждения (рис.12) Теплонапряженность (при прочих равных условиях) повышается с увеличением толщины стенки. Чрезмерное повышение  или  может привести к возникновению трещин в цилиндровой крышке или головке поршня, пригоранию поршневых колец, задирам во втулке, повышенным износом.

Экспериментально установлено, что на нормальных эксплутационных режимах зависимости =f(n) и =  эквидистанты (рис. 12), как для высокооборотных, так и малооборотных ДВС. Это позволяет в эксплуатации косвенно судить о теплонапряженности двигателя, по температуре выпускных газов

Однако в тех случаях, когда нагрузочные показатели  и  достигают номинальных значений при  ≤  (работа на швартовых, в шторм, при буксировке, обросшем корпусе судна, на мелководье и т.д.), температура выпускных газов не всегда будет точно отражать теплонапряженность ЦПГ. Суть в том, что с понижением n уменьшается количество выпускных газов  следовательно, и сопротивление газовыпускного тракта, что увеличивает степень расширения газов. Это означает, что прежней максимально допустимой   будет соответствовать более высокая, чем в обычных условиях, температура стенки . В таких случаях допустимые значения   при  ≈0.7 должны быть снижены на 30…40⁰С.

Механическая (динамическая) напряженность двигателя контролируется значениями крутящего момента  максимального давления сгорания , скоростью нарастания давления / , отношением  / .

Механическая напряженность ГД не должна превосходить некоторого допустимого предела, обусловленного особенностями конструкции, применяемыми материалами и условиями протекания рабочего процесса в цилиндрах. Она определяется значениями крутящего момента двигателя (кН·м):

:                                                                                   (7)

где С_ГД - постоянная двигателя;

Р_е -среднее эффективное давление, МП_а.

 

Таким образом, чтобы предотвратить превышение допустимой механической напряженности, главный двигатель должен работать по ограничительной характеристике,

, представляющей собой прямую линию, проведенную из начала координат через точку соответствующую номинальной мощности  и номинальной частоте вращения  (рис. 13).

Для четырехтактных двигателей без наддува ограничение нагрузки  полностью определяет уровень возможной перегрузки двигателя (тепловой и механической).

Для двигателя с ГТН характеристика  или  не ограждает детали двигателя (прежде всего детали цилиндропоршневой группы) от повышенной тепловой напряженности и не может служить ограничительной. В этих случаях условия ограничения от тепловой перегрузки превалируют над условиями ограничения по механической напряженности, а ограничительные характеристики по тепловой напряженности имеют больший наклон к оси абсцисс, чем характеристика .