ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 16 страница
Внешняя максимальная, или заградительная, характеристика по топливному насосу (кривая ТРтах = const, точка Г, рис. 8.3, б) соответствует предельной в условиях эксплуатации подаче топлива, ограничиваемой обычно упором, устанавливаемым на топливном насосе и позволяющим обеспечить лишь кратковременную 10%-ную перегрузку двигателя по мощности (Ne макс - 110% Ne ном) при 3%-ной перегрузке по частоте вращения (точка 1, п макс = Ю3% пном.
Рис. 8.3. Внешняя и частичные характеристики: а) изменение параметров при работе по внешней характеристике, б) внешние максимальная и номинальная характеристики. |
Частичные характеристики
Эти характеристики соответствуют работе двигателя при активном ходе плунжера ha < ha Н0Л1 или ТР < ТРНом, при которых мощность и среднее эффективное давление составляют лишь часть их полного значения на номинальном режиме. На рис. 8.3-а) частичные характеристики показаны пунктирными линиями.
По частичной характеристике двигатель может работать без ограничений по времени, исключая режим минимальной частоты вращения.
Характер зависимостей мощности и среднего эффективного давления от частоты вращения для внешней и частичных характеристик следующий:
Ре = Ajgurfe; Ne = С/r/en L
Если заменить величину gu через показатель ТР, характеризующий положение топливной рейки насоса или указателя нагрузки, то
Ре = А2 (TP) yjm rje; Nc = С2 (TP) rjm rje, где rjT - коэффициент подачи топливного насоса, представляющий отношение объема действительно поданного топлива за цикл к объему, соответствующему активному ходу плунжера.
Если предположить, что изменение скоростного режима п при TP = const не влияет на величины rjm и rje, внешняя характеристика в координатах ре-п (см. рис. 8.3, а, б) будет представлять собой прямую, параллельную оси абсцисс (Реном~ const), а в координатах Ne-n - прямую, идущую из начала координат в точку номинального режима.
В действительности при изменении частоты вращения не сохраняются неизменными ни коэффициент подачи топливных насосов, ни эффективный кпд (см. рис. 8.3, а). Коэффициент подачи при уменьшении частоты вращения может меняться в довольно широких пределах (0,8-1,2) Определяющую роль играют конструкция топливного насоса, величина дросселирования топлива в периоды наполнения и отсечки, техническое состояние прецизионных элементов ТНВД.
Совместное влияние rji и t}Mex приводит к тому, что эффективный КПД большинства двигателей при уменьшении частоты вращения меняется в довольно узких пределах.
Соответственно невелико изменение и удельного эффективного расхода топлива ge = 3600/(Qh j/Д определяющего экономичность работы двигателя.
Малое влияние скоростного режима на эффективный КПД приводит к тому, что характер зависимости среднего эффективного давления от частоты вращения при работе двигателя по внешней характеристике в основном определяется характером изменения цикловой подачи топлива (коэффициента подачи rjT). В большинстве случаев при снижении п увеличивается rjm, поэтому растет Ре (см. рис. 8.3, а).
Снижение давления Ре обычно наблюдается в области малых частот вращения, здесь определяющую роль начинает играть уменьшение коэффициента rje из-за ухудшения снабжения двигателя воздухом, падения а и ухудшения смесеобразования.
Так как среднее эффективное давление при изменении скоростного режима и TP = const не остается постоянным, а отклоняется от линейной зависимости, то и Ne = С Ре п изменяется по кривой (см. рис. 8.3, б).
Положение частичных характеристик отвечает условию ТР2 < TPi < ТРИом, что соответствует следующим соотношениям активного хода плунжера топливного насоса: ha2 < ha} < ha НОм• Тепловая и механическая напряженность при работе по внешней характеристике. Характерное для внешней характеристики сокращение коэффициента избытка воздуха, особенно четко проявляющееся в двигателе с турбонаддувом, вызывает рост температуры газов в цилиндре (см. рис. 8.3, б). Поэтому при уменьшении частоты вращения в условиях внешней характеристики не исключена возможность повышения температуры деталей ЦПГ и роста в них температурных напряжений. На это может также влиять увеличение времени контакта горячих газов с поверхностями ЦПГ, определяемое увеличением времени их теплообмена при снижении оборотов. Оценка теплонапряженного состояния на пониженных оборотах может привести к заблуждению, так как снижение оборотов обычно сопровождается некоторым падением 1вг.
О механической напряженности двигателя можно судить по максимальному давлению цикла Рг и максимальному суммарном) давлению Pmax =PZ -Pj
У двигателей без наддува снижение скоростного режима при ТР = const, как правило, сопровождается увеличением давления Pz что обусловливается смещением начала видимого сгорания в сторону опережения. В двигателях с наддувом в связи с падением давления наддува давление Pz убывает, но Ртах увеличивается, так как с уменьшением частоты вращения существенно убывает сила инерции Pj.
Рост Ртах обусловливает повышение механических напряжений в деталях КШМ.
Таким образом, работа двигателя по внешней характеристике опасна, так как при уменьшении частоты вращения увеличивается механическая напряженность и не исключена возможность роста тепловой напряженности. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе режима работы главного двигателя, особенно при плавании в штормовую погоду, во льдах и при буксировках, т. к. именно в этих условиях двигатель выходит на режимы внешней характеристики - подача топлива остается постоянной, а частота вращения может снижаться при увеличении сопротивления движению судна.
§ 8.4. Ограничительные характеристики
Как уже отмечалось, работа по внешней характеристике и в зонах малых оборотов и нагрузок представляет определенную опасность в связи с ростом тепловых и механических нагрузок. Поэтому двигателестроители накладывают определенные ограничения на развиваемое двигателем среднее эффективное давление на всем допустимом диапазоне оборотов. При этом главным аргументом является стремление сохранить тепло- напряженность двигателя на допустимом уровне исходя из обеспеченности его воздухом, необходимым для полного и своевременного сгорания топлива. Естественно, что при назначении положения ограничительных характеристик двигателе- строитель стремится сохранить на допустимом уровне и уровень механических напряжений. Из наименования «Ограничительные характеристики» следует, что они ограничивают зоны, допустимые для длительной или кратковременной работы (на рис. 8.4, линии 4 и 5). Отметим, что рисунок построен в логарифмических координатах, позволяющих параболические кривые заменять отрезками прямых линий.
Ограничительная характеристика при любой частоте вращения в диапазоне nminlnmax определяет максимально допустимые для длительной работы значения среднего эффективного давления, а значит, и мощности, которые двигатель может развивать при данном скоростном режиме (напомним, что Ne - СРеп).
Согласно рис. 8.4 в области частоты вращения (97-100%) пспец допускается работа при давлении Ре =Ре спец = 100% (линия 5), но если режим переходит в область меньшей частоты вращения, то работа с Ре = Ре спец уже недопустима. Нужно снижать давление Ре, руководствуясь положением ограничитель
ной характеристики (линия 4), что означает необходимость уменьшения цикловой подачи топлива. Отмеченное требование вызывается ухудшением снабжения двигателя воздухом при снижении скоростного режима, что в свою очередь, вызывает снижение коэффициента избытка воздуха, а также ухудшение сгорания топлива и возможный рост тепловых напряжений в деталях ЦПГ. Если же при снижении частоты вращения уменьшать подачу топлива в цилиндры и соответственно давление Ре, как это диктует ограничительная характеристика 4, то существенного падения коэффициента а не произойдет и будет гарантировано достаточно полное сгорание топлива. Зона, расположенная под ограничительной характеристикой (линии 4-5), рекомендована для назначения режимов длительной работы двигателя.
Зона между линиями 4-5 и ломаной жирной пунктирной линией относится к зоне перегрузок, и время работы в ней ограничивается 1 ч на протяжении каждых 12 часов. Максимально допустимая мощность составляет 110% при п = 103,3% (точка А').
Ниже (рис. 8.5) представлены ограничительные характеристики, рекомендованные Классификационными Обществами, практически совпадающие с рекомендациями ведущих двигате- лестроителей.
|
I
м
о
м
е
н
т
§ 8.5. Винтовые характеристики
Винтовые характеристики при работе на винт фиксированного шага (ВФШ)
Эти характеристики определяются зависимостями, представляющими собой квадратичную (рис. 8.6, а) или кубическую (рис. 8.6, б) параболы. Зависимость момента сопротивления гребного винта имеет вид квадратичной параболы и подчиняется выражению Мв - С*п2. Аналогичный характер имеет и зависимость среднего эффективного давления Ре от числа оборотов Ре= С п2.
Поглощаемая винтом мощность при тех же условиях должна подчиняться закону кубической параболы
NB = Кп} (8.2), где показатель степени при стендовых испытаниях принимается равным 3, в действительности же он зависит от гидродинамических свойств судна и гребного винта и для разных типов судов колеблется в пределах 1,5-3,5 (у большинства транспортных судов он близок к 3).
|
|
Если же принимать во внимание сравнительно небольшие потери мощности в промежуточной передаче от двигателя к гребному винту, то при установившемся движении судна и прямой передаче должны существовать равенства между моментом сопротивления винта и крутящим моментом двигателя
Мв = Ме = К' rf
и между поглощаемой винтом мощностью и мощностью двигателя
NB=Ne= К п\ (8.4)
При непосредственной передаче мощности (прямое соединение двигателя с гребным винтом) нагрузка двигателя по мощности и моменту однозначно определяется его частотой вращения п или скоростью V судна, поскольку при неизменных ус
ловиях плавания Vj/ V2 = гц/ п2. Отсюда, если необходимо увели- читъ скорость судна в х раз, во столько же раз должна быть повышена частота вращения гребного винта и двигателя. При этом нужно иметь в виду; что с увеличением оборотов двигателя потребуется увеличение крутящего момента в X2 раз и мощности в х$ раз.
В практике использования винтовых характеристик часто бывает удобно заменить крутящий момент Ме на пропорциональное ему среднее эффективное давление Ре. Правомерность такой замены вытекает из следующего:
Ме = NJn> но Ne = CpetiU где С = ^ *
4 60 т
СР eni (q сл
Ме=-^------- =С3ре (8-5)
п
Тогда согласно формуле (8.3) ре=С2П2. (8.6)
Винтовая характеристика, проходящая через точку номинального режима (1), и пересекающаяся в этой точке с внешней номинальной характеристикой, когда орган управления подачей топлива находится в положении ТРНом называется теоретической или номинальной винтовой характеристикой (поступь винта ХРi на рис 8.6).
При изменении поступи винта (путь, проходимый винтом за один оборот ХР = VP / пв D), а это возможно при изменении сопротивления движению судна, винтовая характеристика меняет свое положение и вид, меняется значение коэффициента С в уравнениях момента и мощности. Так, при увеличении сопротивления вследствие увеличения осадки судна, усиления встречного ветра или волнения, буксировки, обрастания корпуса скорость судна и поступь винта падают, поэтому гребной винт при той же частоте вращения поглощает больший крутящий момент. Винтовая характеристика, соответствующая новому значению поступи ХР2 = const, на графике располагается левее характеристики Xpj. К подобному изменению приводит также утяжеление гребного винта (увеличение шагового отношения
НЮ), поэтому такая характеристика часто называется характеристикой «тяжелого» винта.
При работе двигателя в условиях неподвижного судна (на швартовах) ХРщ — Vp/(nsD) = 0. В этих условиях гребной винт поглощает наибольший момент, и соответствующая винтовая характеристика Хрщ в семействе представленных на рис. 8.6 характеристик занимает крайнее левое положение.
При уменьшении сопротивления движению судна, что возможно при попутном ветре или уменьшении осадки (плавание в балласте), скорость судна и поступь винта возрастают, и винтовая характеристика, соответствующая новому значению поступи Хрз - const, располагается правее и ниже характеристики свободного хода в грузу Xpi = const. Характеристика ХРЗ = const может быть получена и при установке винта с малым шаговым отношением или с обрезанными по диаметру лопастями, поэтому она называется характеристикой «легкого» винта. Аналогичное положение может занимать характеристика при плавании судна в балласте. При работе двигателя в условиях «легкой» характеристики загрузка его оказывается значительно меньшей, чем в предыдущих случаях. В частности, для поддержания номинальной частоты вращения (точка 2 на рис. 8.6) от двигателя потребуются значительно меньшая мощность и среднее эффективное давление. Линией R показана регуляторная характеристика по предельной частоте вращения.
Изменение параметров двигателя при работе по винтовой характеристике приведено на рис. 8.7.
Переход с режима полной нагрузки к малой осуществляется путем сокращения цикловой подачи топлива. Подача воздуха турбокомпрессорами с уменьшением нагрузки и частоты также уменьшается, но в меньшей степени. Поэтому коэффициент избытка воздуха увеличивается (на рисунке показан асул/)- Но это относится к старым моделям двигателей с комбинированными системами наддува и невысоким уровнем наддува. Удельный эффективный расход топлива ge в связи с уменьшением г}мех сначала несколько снижается, достигает минимума при « = 115 1/мин, а затем растет. Наиболее экономичная работа двигателя обеспечивается в области (0,82-1,0) пном.
bar 14а |
7 9 п >з Ср. эффективно* давление, кРа\ см2 |
Г'г-т |
Уменьшение нагрузки и сокращение расхода топлива приводит к падению температуры выпускных газов и максимального давления цикла.
Винтовые характеристики при работе на винт регулируемого шага (ВРШ)
Условия работы двигателя при наличии винта регулируемого шага существенно отличаются от ранее рассмотренных, так как благодаря возможности изменения шага винта можно в широких пределах варьировать величиной нагрузки и оборотами двигателя. Зона рекомендуемых режимов силовой установки с ВРШ представлена на рис. 8.8.
Показанное здесь положение ограничительных характеристик подробно рассматривается в § 8.4. Поле допустимых в эксплуатации режимов заключено в обширную (затененную) область, ограниченную снизу характеристикой нулевого шага
винта, сверху - комбинаторной кривой, слева - точкой режима минимально допустимых оборотов и справа - регуляторной характеристикой пном-
Комбинаторная кривая, объединяющая режимы оптимальных соотношений шаговых отношений винта и оборотов, при которых обеспечивается наиболее экономичная работа двигателя, заранее подбирается и встраивается в системы ДАУ. Она, как видно из рисунка, располагается ниже ограничительных характеристик.
На ряде судов двигатели с ВРШ работают по регуляторным характеристикам, тем самым, позволяя избежать часто нежелательных для двигателя режимов малых оборотов, при которых возникают проблемы с воздухоснабжением.
ВРШ обладают рядом существенных преимуществ и поэтому, прежде всего, находят применение на буксирах, судах ледового плавания - там, где требуются высокие тяговые свойства. В то же время ВРШ уступают винтам фиксированного шага
(ВФШ) по кпд, стоимости, более сложны по конструкции и в эксплуатации.
Гребной винт рекомендуется подбирать таким образом, чтобы его характеристика (кривая б) была на 2-3% легче винтовой характеристики, проходящей через точку спецификацион- ного режима (линия /). Это означает, что эту же мощность двигатель будет поглощать при частоте вращения, на 2-3% большей (сравните точки А и С'). Если за основной скоростной режим (режим полного хода) принять частоту вращения пспец (точка С), то при полной загрузке судна и спокойной погоде от двигателя потребуется мощность, на 10-15% меньшая Ne спец тот- Эта мощность получила наименование эксплуатационной мощности Ne экспл-
На эту мощность и следует проектировать гребной винт, его винтовая характеристика будет проходить левее номинальной (теоретической) характеристики через точки С и С'. Это обеспечит необходимый 10-15% запас мощности при сохранении частоты вращения гребного винта п = 100%. Сохранение оборотов позволит при увеличении сопротивления движению судна скорость судна Vs поддерживать неизменной, не опасаясь перегрузить двигатель. Сопротивление увеличивается при обрастании или повреждении корпуса и гребного винта, усилении встречного ветра и волнения и пр. В этих условиях режим работы двигателя, соответствующий полному ходу, из точки С по регуляторной характеристике (n ~ const) будет подниматься, занимая в зависимости от нагрузки ряд положений на линии СА. Если же сопротивление настолько возрастает, что мощность, развиваемая двигателем в точке А окажется недостаточной, то для того, чтобы избежать перегрузки, подачу топлива не следует увеличивать, так как двигатель может перейти в зону перегрузок.
Глава 9
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ § 9.1. Режим полного хода
При назначении режима полного хода, основного для транспортных судов, необходимо, чтобы тепловые и механические напряжения, возникающие в двигателе на этом режиме, не выходили за допустимые для длительной работы уровни, чтобы гарантировалась надежная работа двигателя и была обеспечена наиболее высокая экономичность его рабочего процесса. В практике двигателестроения при определении поля рабочих режимов обычно исходят из максимальной длительной номинальной мощности, которую двигатель может развивать лишь при определенных, оговариваемых заводом внешних условиях, а при отходе от них не исключена возможность нарушения нормального хода рабочего процесса. В то же время главные судовые двигатели эксплуатируются на разных широтах, в широком диапазоне изменения параметров внешней среды, на различных топливах и пр. Поэтому при назначении для них режима полного хода нужно по отношению к номинальному режиму располагать определенным запасом мощности.
Этими соображениями, а также стремлением обеспечить наиболее высокую экономичность, руководствуются заводы, рекомендуя для современных форсированных наддувом дизелей назначать режим полного хода исходя из максимальной длительной (спецификационной мощности), которая должна лежать в области, ограниченной линиями I, II, IIа, III (рис. 9.1, а). На режим максимальной спецификационной длительной мощности завод-строитель настраивает двигатель, подбирая оптимальные фазы газораспределения, топливоподачи, проходные сечения соплового аппарата газотурбокомпрессора и пр. В этом случае в качестве отправного предлагается принимать не номинальный режим, а спецификационный и развиваемые на этом режиме мощность и частоту вращения за 100 %.
Особенность рисунка 9.1 заключается в том, что по координатным осям откладываются не Ne и и, а логарифмы их значений. Это позволяет кривые винтовых характеристик заменить отрезками прямых. Так, номинальная винтовая характеристика, ранее выглядевшая в виде кривой кубической параболы, на рис. 9.1 представлена прямой линией, проходящей через точку номинального режима (Ne ном, пном)>
Линия I соответствует номинальной частоте вращения вала двигателя пИ0М = const.; линия II представляет собой прямую Ре ном = const (100% ре); линия На - Ре = 80% Ре Н0Л1; линия III - п = 82% пиом.. Напомним, что под номинальной мощностью понимается длительная эффективная мощность, назначаемая двигателестроителем при заданной (номинальной) частоте вращения, гарантируемая при сохранении следующих условий: барометрическое давление р0 = ЮОкПа (750 мм.ртхт.), температура окружающего воздуха То = 27 °С, относительная влажность (р0 = 60%, теплота сгорания топлива 42,7 мДж/кг.
Номинальную мощность можно рассматривать как синоним максимальной длительной мощности (MCR - Maximum Continious Rating) .
Выбор положения точки спецификационного режима внутри области, ограниченной линиями I, II, IIa, III, определяется требованиями к мощности и частоте вращения со стороны приемника энергии (гребного винта, электрогенератора).
Немаловажное значение имеет и экономичность двигателя, характеризуемая удельным расходом топлива, который уменьшается в пределах рассматриваемой зоны при снижении как нагрузки, так и частоты вращения.
Поэтому, чем ближе будет располагаться зона рабочих режимов к точке Ь4, тем более экономичной будет работа двигателя. В частности, в двигателях «МАН - Бурмейстер и Вайн МС» переход из точки номинального режима Lx в точку Ь4 дает экономию в 3-5 г/(кВт-ч). В рассматриваемом примере (рис. 9.1, построен в логарифмических координатах) в качестве максимальной длительной мощности принята мощность, составляющая 91% от номинальной (точка А).
Параллельные ей линии представляют винтовые характеристики винта более легкого (справа от прямой 1) или более тяжелого (слева от прямой /). Параллельные пунктирные линии 2 представляют постоянные значения средних эффективных давлений {Pe=const). В частности, линия, проходящая через точку А, соответствует Ре (спецификационное) ~ 100 %. Линия 3 ограничивает максимально допустимую для длительной работы частоту вращения, составляющую 103,3% пспец.
Лишь на ходовых испытаниях судна и при движении в балласте допускается повышение частоты вращения до 106%. Линии 4 и 5 накладывают ограничение на развиваемое двигателем среднее эффективное давление исходя из обеспеченности его воздухом, необходимым для полного сгорания топлива. Эти линии представляют собой ограничительную характеристику, в задачу которой входит также защита двигателя при назначении эксплуатационных режимов от недопустимых тепловых и механических нагрузок. Напомним - ограничительная характеристика при любой частоте вращения в диапазоне nmi„-nmax определяет максимально допустимые для длительной работы значения среднего эффективного давления, а значитг, и мощности, которые двигатель может развивать при данном скоростном режиме (напомним, что Ne = СРеп).
Частота nmin представляет собой минимально устойчивые обороты, при которых двигатель продолжает устойчиво работать. Она должна быть не менее -20% пном. При ее снижении из- за роста неравномерности подачи топлива по цилиндрам и снижения давления сжатия двигатель может заглохнуть.
Согласно рис 9.2 в области частоты вращения (97-100 %) Пспец допускается работа при давлении Ре ~Ре спе14 = 100 % (линия 5), но если режим переходит в область меньшей частоты вращения, то работа с Ре- Ре спец уже недопустима. Нужно снижать давление Ре, руководствуясь положением ограничительной характеристики (линия 4), что означает необходимость уменьшения цикловой подачи топлива. Это требование вызывается ухудшением снабжения двигателя воздухом при снижении скоростного режима, что в свою очередь, вызывает снижение коэффициента избытка воздуха, а также ухудшение сгорания топлива и возможный рост тепловых напряжений в деталях ЦПГ. Если же при снижении частоты вращения уменьшать подачу топлива в цилиндры и соответственно давление Ре, как это диктует ограничительная характеристика 4, то существенного падения коэффициента а не произойдет и будет гарантировано достаточно полное сгорание топлива.
Зона между линиями 4-5 и ломаной жирной пунктирной линией относится к зоне перегрузок, и время работы в которой ограничивается 1 часом на протяжении каждых 12 часов.
Максимально допустимая мощность составляет 110% при п= 103,3% (точка А*).
Гребной винт рекомендуется подбирать таким образом, чтобы его характеристика (кривая 6) была на 2-3% легче винтовой характеристики, проходящей через точку спецификацион- ного режима (линия 1). Это означает, что эту же мощность двигатель будет поглощать при частоте вращения, на 2-3% большей (сравните точки А и С'). Если за основной скоростной режим (режим полного хода) принять частоту вращения пспец (точка С), то при полной загрузке судна и спокойной погоде от двигателя потребуется мощность, на 7-10% меньшая Ne спец (нот- Эта мощность получила наименование эксплуатационной
мощности Ne3KCm *.
На эту мощность и следует проектировать гребной винт, его винтовая характеристика будет проходить левее номинальной (теоретической) характеристики через точки С и С'. Это обеспечит необходимый 7—15% запас мощности при сохранении частоты вращения гребного винта п ~ 100%. Сохранение оборотов позволит при увеличении сопротивления движению судна скорость судна V5 поддерживать неизменной, не опасаясь перегрузить двигатель. Сопротивление увеличивается при обрастании или повреждении корпуса и гребного винта, усилении встречного ветра и волнения и пр. В этих условиях режим работы двигателя, соответствующий полному ходу, из точки С по регуляторной характеристике (п ~ const) будет подниматься, занимая в зависимости от нагрузки ряд положений на линии СА. Если же сопротивление настолько возрастает, что мощность, развиваемая двигателем в точке А окажется недостаточной, то для того, чтобы избежать перегрузки, подачу топлива не следует увеличивать, так как двигатель может перейти в зону перегрузок.
Дата добавления: 2016-05-16; просмотров: 863;