Области допустимых эксплуатационных режимов ГД с ВФШ

Номинальная мощность ГД, которая потом потребляется гребным винтом и другими элементами ПК, вырабатывается только на номинальных оборотах. Однако условия эксплуатации эпизодически или часто требуют работы на пониженных оборотах, например, при утяжелении винтовой характеристики. Работа по внешней характеристике также приведет к значительным перегрузкам по механическим и, особенно, по тепловым напряжениям.

Располагаемый теплоперепад на турбине зависит от температуры и давления выпускных газов перед турбиной. При снижении частоты вращения и мощности ГД расход газов G_r и располагаемый теплоперепад H_a в совместном выражении снизят располагаемую энергию газов и КПД турбокомпрессора:

В результате этого сократится полезная работа компрессора. Количество и давление поступающего в двигатель воздуха P_k (P_s) снизятся. Снижение количества воздуха приведет к уменьшению коэффициента избытка воздуха α, от величины которого зависит индикаторный кпд. Снижение индикаторных показателей (P_i и N_i) будет тем больше, чем больше будет снижение α.

При малых цикловых подачах с уменьшением относительных оборотов среднее индикаторное давление P_i снижается резко.

Недостаточное количество воздуха, помимо ухудшения сгорания и увеличения удельного расхода топлива, приведет к ухудшению охлаждения деталей, образующих камеру сгорания. Теплонапряженность деталей ЦПГ и крышек цилиндров резко возрастут. Оценить работоспособность деталей можно по критериям теплонапряженности и другим эмпирическим зависимостям, но они не являются универсальными.

Обоснованная ограничительная характеристика по теплонапряженности (воздухоснабжению) определяется только на основании опыта завода-строителя в процессе доводочных работ и сдаточных испытаний и при непосредственной технической эксплуатации дизеля, так как каждый тип двигателей имеет особенности конструкции деталей и разные по эффективности способы и конструктивные исполнения охлаждения теплонапряженных деталей двигателя.

При эксплуатации СДУ используют ограничительные характеристики, содержащиеся в инструкциях заводов-строителей.

Для проведения предварительной оценки значений ограничительной характеристики по теплонапряженности можно для некоторых случаев воспользоваться простой зависимостью, приведенной в [8]:

Более точно фактически любую ограничительную характеристику можно аппроксимировать зависимостью

где k– переменный показатель. В зоне значений =0,2…0,5значение k≈1,0. В зоне значений =0,5…0,97 диапазон изменения k=1,1…1,3.

Ограничительные характеристики очерчивают зоны, допустимые для длительной или кратковременной эксплуатации. В общем случае область допустимых эксплуатационных режимов ГД, работающего на ВФШ изображена на рис. 2.6.

Ограничение по механической напряженности (M_кр=const) является определяющим лишь в диапазоне частот (97…100%)∙n_ном; (95…100%)∙n_ном и реже (90…100%)∙n_ном. Ниже этих диапазонов преобладают ограничения по теплонапряженности. Необходимо с уменьшением оборотов снижать давление P_e за счет снижения цикловой подачи топлива.

Справа поле допустимых эксплуатационных режимов ограничивается регуляторной характеристикой как линиями постоянной частоты вращения 103,2%∙n_ном; 105%∙n_ном и 107%∙n_ном в зависимости от марки ГД.

Линия 1 соответствует 100% крутящего момента и 100% среднему эффективному давлению.

,

В обычных координатах эти линии прямые, так как:

,

В настоящее время принято представлять степенные характеристики ГД в логарифмических координатах позволяющих отображать винтовые характеристики N_e=c∙n^m и среднее эффективное давление

N_e=k∙P_e∙n¹ прямыми линиями, так как логарифм произведения равен сумме логарифмов:

, где =

За номинальную мощность ГД фирмы MAN Diesel&Turbo и Wärtsilä NSD Corporation принимают максимальную спецификационную длительную мощность в рамках зон спецификационных режимов ограниченных точками L₁, L₂, L₃, L₄, образующих параллелограмм или точками R₁, R₂, R₃, R₄, образующих трапецию (рис. 2.7.).

Рис. 2.6. Область эксплуатационных режимов двигателя

1 – ограничительная характеристика по механической напряженности (M_e= 100% или P_e= 100%); 2 – ограничительная характеристика по тепловой напряженности; 3 – ограничительная характеристика по максимально допустимой кратковременной нагрузке; 4 – винтовая швартовная характеристика; 5 – винтовая

нормальная характеристика; 6 – винтовая облегченная характеристика.

Справа поле допустимых эксплуатационных режимов ограничивается регуляторной характеристикой как линиями постоянной частоты вращения 103,2%∙n_ном; 105%∙n_ном и 107%∙n_ном в зависимости от марки ГД.

Линия 1 соответствует 100% крутящего момента и 100% среднему эффективному давлению

.

На режим максимальной спецификационной длительной мощности (МДМ) завод-строитель настраивает двигатель, подбирая оптимальные фазы газораспределения, топливоподачи, проходные сечения соплового аппарата газотурбокомпрессора и прочее [10].

Выбор положения точки спецификационного режима внутри спецификационной зоны 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 в точке L₄, тем более экономичной будет работа двигателя. В частности, в двигателях «Man – Burmeister and Wain» серии МС переход из точки номинального режима L₁ в точку L₄ дает экономию в 3…5 г/(кВт∙ч) [10].

Так как точка МДМ или иначе MCR (Maximum Continuous Rating) назначается, как правило, не в точке L₁, то всегда имеется определенный запас мощности.

В СОД MAN точка L^’₁соответствует максимальной длительной мощности МДМ (MCR), а точка L^’₂эксплуатационной длительной мощности ECR.