Оценка согласованности главного двигателя с гребным винтом

Если при подборе ГД по каталогам окажется, что номинальные параметры (N_e2 и п₂) выбранной марки двигателя несколько отличаются от таких параметров двигателя прототипа судна (N_e1 и п₁), то при оценке согласованности нового ГД с установленном на прототипе судна ГВ возможны нижеследующие основные варианты несоответствия этих параметров [5].

При этом будем считать, что на прототипе судна ГД согласован с ГВ, и на последующих рисунках его винтовая характеристика изображается кривой I, а согласованному режиму работы ГД с ГВ соответствует точка 1.

Вариант 1.

Номинальная мощность выбранного двигателя N_e2 равна мощности ГД прототипа судна N_e1, но частота вращения его вала п₂ больше, чем у прототипа п₁, т.е. N_e2 = N_e1; n₂ > п₁ (рис. 5.1).

На графике винтовой характеристики ГД прототипа судна (кривая I) номинальный режим нового ГД обозначится точкой 2, правее кривой I. Это свидетельствует о том, что для данного двигателя ГВ будет гидродинамически тяжелым. Чтобы не допустить перегрузки ГД придется работать на пониженной частоте вращения n₃ и уменьшенной мощности N_е3, чему на рис. 5.1 соответствует точка 3, которая находится на пересечении винтовой характеристики (кривая I) с ограничительной характеристикой двигателя по максимальному допустимому крутящему моменту (линия II).

Рис. 5.1. Режим N_e1 = N_e2; n₂ > п₁

При этом режиме работы скорость движения судна v снизится на величину Δυ:

где υ₁ — скорость движения судна при частоте вращения п₁ (точка 1);

υ₃ — скорость хода судна при частоте вращения n₃ (точка 3).

При повышении сопротивления корпуса судна вследствие естественных факторов (обрастание, штормовые условия и др.) во избежание перегрузки двигателя придется в дальнейшем соответственно понижать частоту вращения и мощность двигателя. И, следовательно, снижать скорость хода судна. Очевидно, выбор такого двигателя не эффективен и нежелателен.

Вариант 2.

Номинальная мощность выбранного двигателя N_e2 равна мощности ГД прототипа судна N_e1, но частота вращения п₂ меньше, чем у прототипа судна п₁ т.е. N_e2=N_e1, п₂<п₁ (рис. 5.2). На винтовой характеристике номинальный режим нового ГД соответствует точке 2, левее кривой I. Для данного двигателя ГВ будет гидродинамически легким. Режим его работы на винтовой характеристике будет соответствовать точке 3, на пониженной мощности N_e3 при номинальной частоте вращения п₂.

Чтобы избежать перегрузку двигателя превышать номинальную частоту вращения, как известно, не допускается, так как частота вращения п₂<п₁ следовательно, судно будет иметь пониженную скорость υ₃. Снижение скорости Δυ, как и в варианте 1, будет равняться:

Рис. 5.2. Режим N_e1=N_e2, п₂<п₁

При повышении сопротивления корпуса судна винт становится более тяжелым (винтовая характеристика — кривая II). В этом случае использование мощности двигателя можно увеличить до N_е4 при постоянной частоте вращения п₂, что соответствует точке 4, лежащей на ограничительной характеристике по максимальному крутящему моменту для валопровода — линия III. Увеличение мощности более величины N_е4 (выше точки 4) не допускается из-за возможной механической перегрузки валопровода.

В результате двигатель при работе на данный ГВ не сможет развивать номинальную мощность N_e2, равную N_e1, при номинальной частоте вращения п₂.

Таким образом, выбор такого двигателя не эффективен и нежелателен. Однако, здесь следует рассмотреть вариант, когда частота вращения у выбранного двигателя отличается от прототипа менее, чем на 3%, т.е.

Как известно из раздела 2, в этом случае при работе на ГВ двигатель будет иметь до 10% резерва мощности, большую часть которой затем можно будет реализовать при естественном гидродинамическом утяжелении ГВ. Следовательно, такой двигатель можно считать практически согласованным с ГВ. Потеря скорости при этом будет незначительна.

Вариант 3.

Частоты вращения вала у выбранного двигателя п₂ и ГД прототипа судна п₁\ совпадают, т.е. п₂=п₁, но мощность двигателя N_e2<N_e1 (рис. 5.3). На винтовой характеристике с такими параметрами показана точка 2, находящаяся правее кривой I. Это значит, что для данного двигателя винт гидродинамически тяжелый. При работе на ГВ, чтобы не допустить перегрузки, двигатель должен работать на режиме пониженной частоты вращения п₃ и, соответственно, на меньшей мощности N_e3. Точка 3 лежит на пересечении винтовой характеристики I и ограничительной по максимальному крутящему моменту для выбранного двигателя — линии II.

Такой двигатель всегда должен будет работать в режиме с пониженной мощностью N_e3 и меньшей частотой вращения п₃, следовательно, судно будет иметь пониженную скорость хода. Ясно, что выбранный двигатель явно не согласуется с ГВ.

Рис. 5.3. Режим N_e2<N_e1; п₁=п₂

Вариант 4.

У выбранного двигателя мощность N_e2 больше, чем у прототипа судна N_e1 т.е. N_e2>N_e1, а частоты вращения совпадают п₂=п₁ (рис. 5.4). На винтовой характеристике параметрам данного двигателя соответствует точка 2, которая расположена левее кривой I. Следовательно, ГВ для данного двигателя будет гидродинамически легким. Согласованность работы этого двигателя с ГВ характеризуется точкой 1, номинальная мощность двигателя при этом не используется полностью. В процессе естественного утяжеления ГВ двигатель при постоянной частоте вращения п₁ может перейти на работу по новой винтовой характеристике — кривая II.

Однако при этом придется снизить частоту вращения до п₃, мощность двигателя уменьшится до величины N_e3, чтобы не перейти ограничительную характеристику по максимальному крутящему моменту для валопровода (линия III). Точка 3, лежащая на пересечении винтовой характеристики II с ограничительной характеристикой III, соответствует этому режиму работы двигателя.

Таким образом, избыточная мощность двигателя не может быть реализована. При таком режиме работы двигателя уменьшается скорость судна соответственно снижению частоты вращения гребного винта.

Рис. 5.4. Режим N_e2>N_e1; п₂=п₁

В практике судостроения выбираемые номинальные параметры N_eн и п_сн устанавливаемого на судно дизеля обычно согласуются с исходной характеристикой винта (рис. 5.5, кривая I) длячистого нового корпуса судна в полном грузу таким образом, чтобы при п₁= п_сн был обеспечен запас мощности 10... 15%.

Рис. 5.5. Облегченная и утяжеленная винтовые характеристики

Следовательно, в начальный период эксплуатации дизель работает по облегченной винтовой характеристике (кривая II), а запас мощности используется для поддержания скорости при обрастании корпуса, и винта (постепенный переход режима работы с винтовой характеристики II на винтовую характеристику I при постоянной частоте вращения п₁ от точки 2 до точки 1).

В дальнейшем при работе двигателя по более утяжеленной винтовой характеристике (кривая III) также придется снижать частоту и мощность двигателя (точка 3) во избежание перегрузки по максимальному крутящему моменту (линия IV).

Этому режиму работы соответствует точка 3, для которой мощность N_e3<N_e1 и скорость судна v₃< v₁.

В случае увеличения сопротивления судна при переходе с исходной винтовой характеристики (кривая I), на работу с более гидродинамически утяжеленной винтовой характеристикой (кривая II), двигатель может работать на номинальной частоте вращения n₂=n_cн=const до ограничительной характеристики по максимальному крутящему моменту для валопровода, (линия III, точка 4), используя резерв мощности до величины N_e4.

В отличие от диаграммы (рис. 5.2) ходовая характеристика судна (см. рис. 5.7) дает дополнительную информацию о том, что работа двигателя при постоянной частоте вращения п₂=const от точки 3 до точки 4 сопровождается снижением скорости от v₃ до v₄ вследствие уменьшения относительной поступи гребного винта λ_р.

В варианте подбора двигателя при п₂ ≥0,97 п₁ и резерве мощности N_e1—N_e3≤0,1N_e1 винт практически можно считать согласованным с главным двигателем, т.к. режим работы его мало отличается от исходного (точка 1), а резерв мощности может быть использован при утяжелении винтовой характеристики.

Для варианта 3 (N_e2<N_e1; n₂<n₁) на паспортной диаграмме судна (рис. 5.8) видно, что при работе по винтовой характеристике, кривая I, использование номинальной мощности N_e2 невозможно из-за ограничения по номинальному моменту двигателя (линия II, точка 3). При повышении сопротивления судна (утяжелении винтовой характеристики) недоиспользование мощности увеличивается пропорционально снижению частоты вращения вала.

Рис. 5.8. Режим N_e2<N_e1; n₂<n₁

В случае варианта 4 (N_e2>N_e1; п₂=п₁) при работе по исходной винтовой характеристике (рис. 5.9, кривая I) без превышения номинальной частоты вращения вала п₃=п₁ двигатель не может развить номинальную мощность N_e2, и его режим будет соответствовать точке 1 с меньшей мощностью, равной N_е1. С увеличением сопротивления судна переход двигателя на работу с винтовой характеристики (кривая I)на более утяжеленную винтовую характеристику (кривая II) может осуществляться без перегрузки при постоянном крутящем моменте — линия III от точки 1 до точки 3 при уменьшении частоты вращения от п₁ до п₃ и снижении мощности двигателя с N_e1 до N_e3. Соответственно произойдет и снижение скорости судна от v₁ до v₃.

Если устанавливаемый на судно двигатель при работе по облегченной винтовой характеристике — кривая II имеет резерв мощности 10...15% при номинальной частоте вращения п₁ (рис. 5.10), его режим работы характеризуется точкой 2, мощность N_e2 ≥ 0,85 N_e1, то при увеличении сопротивления движению судна переход на режим работы с облегченной винтовой характеристики (кривая II) на расчетную винтовую характеристику Рис. 5.9. Режим N_e2>N_e1; п₂=п₁

(кривая I) от точки 2 до точки 1 может осуществляться при постоянной номинальной частоте вращения п₁ пока не реализуется резерв мощности, равный N_e1—N_e2.

Хотя в этом случае двигатель работает на режиме с постоянной частотой вращения п₁, но скорость судна снизится при этом с v₂ до v₁ вследствие уменьшения относительной поступи винта λ_р. Это совершенно не отражается на диаграмме (рис. 5.5).В дальнейшем при увеличении сопротивления судна и переходе с расчетной винтовой характеристики (кривая I) на утяжеленную (кривая III) двигатель переходит с режима работы от точки 1 до точки 3 не превышая мощности при постоянном крутящем моменте (рис. 5.10, линия IV).

Рис. 5.10. Переход режима работы ПУ с

облегченной характеристики на утяжеленную