Ограничительные характеристики на паспортной диаграмме судна

Для выделения области допустимых режимов работы главного двигателя и пропульсивного комплекса в целом на паспортную диаграмму наносится ограничительные (заградительные) характеристики по крутящему моменту главного двигателя М_е и частоте вращения гребного винта (главного двигателя) п_с.

2.3.1. Прочность вала (в том числе KB ГД и валопровода) определяется исходя из допускаемых касательных напряжений [τ] величина которых определяется по формуле:

при диаметре вала d, м.

Отсюда следует, чтобы выполнить условие прочности вала, нельзя превышать расчетный крутящий момент М_е.

Для двигателей и валопроводов такой момент соответствует номинальному режиму работы двигателя при N_ен = 2πп_снМ_ен, откуда:

Двигатель считается перегруженным, если он работает на режиме, превышающем номинальную эффективную мощность N_eн, когда крутящий момент М_е или частота вращения вала п_с превышают номинальные величины (с индексом «н»).

2.3.2. Для нанесения на паспортную диаграмму ограничительной характеристики для N_e при М_ен = const исходя из линейной зависимости изменения мощности N_e = М_ен 2πп_сн, нужно определить две точки на диаграмме. Одна точка соответствует номинальному режиму N_eн и п_сн, а вторая точка может быть определена для любой частоты вращения п_с1 по формуле:

Проводя через эти две точки прямую линию, получаем границу изменения величины эффективной мощности N_e при М_ен = const.

2.3.3. Для нанесения ограничительной характеристики по М_ен на графике изменения полезной тяги Р_е при М_ен = const следует полученные расчетные точки ограничительной характеристики для мощности N_e и частоты вращения п_с соответственно перенести по вертикали на кривые изменения Р_е. Это точки пересечения прямой N_e при М_ен = const с линиями п_сн = const и п_с1 = const.

Проводя прямую через эти точки на графике изменения Р_е = f₂(.v, n_с), получаем границу предельной располагаемой тяги, достижимой при данных гребного винта и ГД, для соответствующей скорости движения судна.

Если на диаграмму Р_е = f₂(.v, n_с) нанести кривую сопротивления судна R = f₁ (υ), то можно определить частоту вращения гребного винта и соответствующую ей скорость хода судна. При пересечении графика R = f₁ (υ) с границей предельной тяги определяется скорость полного хода и соответствующая ей частота вращения гребного винта.

Перенеся полученные точки пересечения кривых сопротивления и тяги при различных частотах вращения гребного винта на диаграмму зависимости N_e = = f₃(v, n_с), получаем значения требуемой мощности главного двигателя для достижения соответствующей скорости судна и полезной тяги.

Зная границу предельной тяги, и кривую сопротивления судна, можно определить буксировочные возможности судна. Тяга на гаке, которая может быть использована для буксировки объектов, равняется разности между максимальной полезной тягой и величиной сопротивления судна при данной скорости судна. Предельная тяга, равная сумме сопротивления судна и буксируемых объектов, позволяет определить достижимую скорость буксировки и соответствующие им мощность и частоту вращения вала ГД.

Назначать режим работы главного двигателя выше ограничительной характеристики по М_ен = const не допускается.

2.3.4. В случае работы двигателя с так называемым легким винтом, например, при ходе судна в балласте, двигатель обычно не развивает номинальной мощности, и режим его работы находится в области ниже ограничительной характеристики по М_е. В этом случае режим нагрузки двигателя ограничивается величиной частоты вращения вала, которая не должна выходить за пределы номинального значения п_сн.

2.3.5. Заводы-изготовители двигателей обычно предусматривают возможность кратковременного режима работы, двигателей на максимальной мощности, превышающей на 10% номинальную мощность N_emаx = 1,1 N_eн [5]. На режиме максимальной мощности, как правило, разрешается непрерывно работать не более одного - двух часов. Исходя из кубической зависимости изменения эффективной мощности двигателя N_e от частоты вращения вала при работе по винтовой характеристике, т.е. N_е = сп³ можно определить предельную частоту вращения вала п_{с тах} при максимальной мощности дизеля (перегрузочный режим работы ГД).

При этом перегрузочном режиме работы двигателя максимальный крутящий момент равен:

Эти значения величин N_{e maх} и п_{с тгх} можно нанести на паспортную диаграмму в качестве предельных ограничительных характеристик. Методика расчета и построения этих линий на диаграмме N_e = f₃(v,n_с) и Р_е = f₂(.v, n_с) аналогична ранее приведенной для номинального крутящего момента M_eн = const и номинальной частоты вращения п_сн = const.

При назначении данного режима работы всегда следует помнить, что Правила технической эксплуатации судовых дизелей [9] требуют следующее: «Работа дизеля с перегрузкой допускается в исключительных случаях, связанных с угрозой человеческой жизни или безопасности судна, только по распоряжению капитана».

При работе дизеля с перегрузкой должны быть соблюдены все указания заводской инструкции по эксплуатации в части допускаемых величин превышения мощности и частоты вращения, а также в части продолжительности работы дизеля в этом режиме.

2.4. Построение номограммы для определения пропульсивного КПДи часового расхода топлива на главный двигатель

Для оценки некоторых экономических показателей судовой пропуль-сивной установки (СПУ) можно на паспортной диаграмме судна построить расчетным способом номограммы определения величин пропульсивного КПД ηи часового расхода топлива В_ч на главный двигатель для различных режимов работы судна.

Пропульсивный КПД η, который характеризует степень совершенства взаимодействия элементов СПУ и зависит от их технического состояния, находим по формуле:

где р_е — полезная тяга, кН;

υ — скорость судна, узл.

Построение номограммы для определения значения пропульсивного КПД ηпроводим в левой части паспортной диаграммы, где на оси абсцисс откладываем величины буксировочной мощности N_б в пределах возможной работы СПУ — от N_б^min до N_б^max.

Рис. 2.1. График зависимости N_б = f (Р_е) при υ = const.

Затем строим график изменения N_б в зависимости от Р_е при разных значениях v, представляющий, согласно формуле (2.11) прямую зависимость. Взяв два разных значения p_e1 и р_е2 для данной скорости v рассчитываем величину N_б1 = P_e1 v и N₆₂ = P_e2 v, находим точки 1 и 2, через которые проводим линию N_б = f (P_e) при данной скорости v (рис. 2.1). Аналогично построение для других значений v. Расчеты сводим в табл. 2.2.

Так как величина пропульсивного КПД η для различных условий нагружения и совершенства СПУ лежит в пределах η = 0,5...0,8, то для номограммы строим график изменения N_б в зависимости от N_e при разных (в пределах вышеуказанных) значениях η. Этот график согласно формуле (2.10) отображает прямую зависимость.

Таблица 2.2. - Определение N₆ = f (P_e) при v = const

Рис. 2.2. График зависимости N_б = f (N_е) при η = const.

Взяв два разных значения N_e1 и N_e2 для данного КПД η, рассчитываем величину N_б1 = N_е1 · η_вл · η_n · η и N_б2 = N_е2 · η_вл · η_n · η и по полученным значениям через точки 1 и 2 проводим линию при данном КПД (рис. 2.2). Аналогично построение для других значений КПД η. Расчеты сводим в табл. 2.3

Определив режим работы СПУ на ходовой характеристике по параметрам N_e, n, υ, Р_е с помощью номограммы (см. подраздел 2.7, рис. 2.5), находим величину пропульсивного КПД η, который используется для анализа экономических показателей работы судна.

Таблица 2.3. - Определение N_б = f (N_е) при n_сн = const.

При оценке экономических показателей работы дизеля, следует указать на то, что для ГД характерна незначительная зависимость величины эффективного КПД ГД η_е и удельного расхода топлива В_е, [кг/кВт·ч] от скоростного режима, по закону которого обычно работает ГД.

Используя эту стабильную экономичность работы дизеля на разных режимах, определим часовой расход топлива на ГД, кг/ч, по формуле:

Значения η_е и В_е, следует взять из паспортных данных двигателя или определить по результатам ходовых (теплотехнических) испытаний судна.

В процессе эксплуатации двигателя его экономические показатели такие, как В_е и, соответственно η_е вследствие целого ряда причин могут изменяться.

Чтобы отобразить возможные отклонения этих показателей от нормальных (паспортных) значений в левой части паспортной диаграммы строим зависимость изменения часового расхода топлива на главный двигатель В_ч от величины эффективной мощности N_e для различных возможных значений эффективного КПД η_е (у малооборотных двигателей (МОД) η_е = 0,40..0,55).

Как уже было сказано, по паспортным данным двигателя или по результатам ходовых теплотехнических испытаний берем величину удельного расхода топлива В_е и определяем значение эффективного КПД двигателя по формуле:

Рис. 2.3. График зависимости В = f (N_е) при η_е = const.

На диаграмме (рис. 2.3) через полученные точки 1 и 2 с координатами «N_e1 — В₁» и «N_e2 — В₂» проводим линию. Аналогично построение графика для других принятых значений эффективного КПД η_е. Расчеты сводим в табл. 2.4.

Величину низшей теплоты сгорания топлива Q_н^р можно взять из данных паспорта (сертификата) используемого топлива, которая для различных марок топлива разная (Q_н^р = 40000... 44000 кДж/кг).

Обычно расчет часового расхода топлива В_ч обычно проводят для теплоты сгорания Q_н^р_y = 42000 кДж/кг.

Таблица 2.4 — Часовой расход топлива в зависимости от N_e и η_е

Если фактическая теплота сгорания Q_н^р_ф, взятая из данных паспорта (сертификата) используемого топлива, отличается от заданной теплоты сгорания Q_н^р_y , то необходимо провести перерасчет часового расхода топлива по формуле

где ρ₁₅— плотность топлива при 15 °С кг/м³;

х, у, S — массовые содержания воды, золы и серы, % [5].

В сущности, сочетание паспортной диаграммы судна с номограммой для определения пропульсивного КПД и шкалой часового расхода топлива на ГД представляет собой режимную карту пропульсивной установки судна.

Режимная карта пропульсивной установки, рассчитанная на основании паспортных характеристик судна и его энергетической установки, позволит обслуживающему персоналу осуществлять оценку изменения технико-экономических показателей в процессе эксплуатации судна. Сопоставление текущих значений основных контролируемых теплоэнергетических параметров с паспортными данными на режимной карте, позволяет судить о качестве рабочих процессов и техническом состоянии энергетического оборудования СПУ. Выявленные отклонения параметров от паспортных данных служат основой для анализа и принятия соответствующих организационно-технических решений.

Вопросы к разделу 2

1.Что такое ходовая характеристика или паспортная диаграмма судна?

2. Какие данные требуются для расчета паспортной диаграммы судна?

3. Как условия плавания судна влияют на нагрузку главного двигателя?

4. Какие факторы влияют на мощность, потребляемую гребным винтом?

5. Какие графические зависимости наносятся на паспортную диаграмму?

6. Напишите уравнение равновесия сил, действующих на корпус судна при установившемся режиме хода судна.

7. Как определяется величина полезной тяги гребного винта?

8. Что такое относительная поступь гребного винта?

9. Какие основные показатели пропульсивной установки можно определить, пользуясь паспортной диаграммой?

10.Какие показатели режима работы ГД можно определить по паспортной диаграмме судна?

11.На основании каких данных производится построение паспортной диаграммы судна?

12.Что такое коэффициент полноты корпуса судна?

13.Как определяются коэффициенты упора и момента?

14.Какие величины необходимы для определения полезной тяги?

15.Какие величины необходимы для определения момента на ГВ?

16.Как определяется величина мощности, потребляемая ГВ?

17.Чем отличается мощность на ГВ от мощности ГД?

18.Как рассчитывается и наносится на паспортную диаграмму ограничительная характеристика по механической напряженности?

19.Как на паспортной диаграмме определяется граница предельной (располагаемой) тяги ГВ?

20.Что такое тяга на гаке и как ее можно определить по паспортной диаграмме?

21.Укажите предельные значения мощности, частоты вращения и крутящего момента ГД при кратковременном режиме работы с перегрузкой.

22.В каких случаях допускается работа ГД с перегрузкой?

23.Что такое буксировочная мощность?

24.Как определяется пропульсивный КПД пропульсивной установки?

25.Как определяется эффективный КПД ГД по расходу топлива?

26.Что такое режимная карта СПУ?

27.Как определяется скорость судна по величине относительной поступи ГВ?

28.С какой целью рекомендуется устанавливать на судне облегченный гребной винт?

29.Какой резерв мощности ГД рекомендуется при установке облегченного ГВ?

30.Какая максимальная частота вращения ГД допускается при работе на облегченный ГВ?

31.Какой щадящий режим работы ГД рекомендуется в эксплуатации?

32.Определите на паспортной диаграмме режим работы ГД при различных скоростях хода судна.

33.Определите на паспортной диаграмме величину сопротивления корпуса судна при различных скоростях судна.

34.Определите тягу на гаке для различных скоростей судна по паспортной диаграмме.

35.Определите величину буксировочной мощности на режимной карте при различных скоростях судна.