Классификация режимов. Внешние эксплуатационные условия

Одним из основных элементов ПК является ГД. Его работа в составе ПК протекает в различных условиях и связана со значительными изменениями показателей (мощность; экономичность; тепловая и механическая напряженность). Их совокупность характеризует режим работы ГД в составе ПК, зависящих от типа и условий плавания судна; конструктивных элементов корпуса; типа движителя; машинной установки; способа передачи мощности потребителю. Возможные режимы при работе в составе ПК можно разделить на две группы: установившиесяи неустановившиеся. В первом случае они характеризуются постоянством нагрузки, частоты вращения коленчатого вала и теплового состояния деталей ГД, при допустимых отклонениях по периодическому закону. Такие режимы имеют место: при постоянных малых средних и полных ходах судна (вперед, назад); на перегрузочных режимах; на минимально устойчивых частотах вращения коленчатого вала.

Для второго случая характерна нестабильностьэтих факторов. Они имеют место при: пуске и остановке ГД; трогании с места; разгоне; реверсировании; циркуляции и в других случаях. Каждый из этих режимов возможен при различных условиях плавания (свободный ход или буксировка; траление; плавание в нормальных или штормовых условиях; плавание на глубокой воде или мелководье; на чистой воде или в ледовых условиях; в грузу или в балласте и пр.).

Изменение режимов может происходить преднамеренно (в связи с необходимостью изменить скорость, направление движения судна) или случайно (под влиянием состояния водной поверхности, силы и направления ветра и др).

Переход элементов ПК (в процессе их работы) с одного установившегося режима на другой (вследствие изменения органов управления) принято называть переходным процессом. Такие процессы элементов ПК являются неустановившимися. Кроме указанных не менее важным являются и другие режимы, а именно: ходовые, стояночные, при маневрировании.

Ходовые( в зависимости от хода судна ) подразделяются на:

-самый малый,

- средний,

- полный,

- самый полный (вперед, назад)

Такие режимы работы обусловлены внешними эксплуатационными условиями при плавании судна.

К стояночнымотносятся режимы с погрузочно-разгрузочными операциями (или без них ). Потребность в энергии на таких режимах определяется загрузкой грузовых средств и вспомогательных механизмов, обслуживающих ЭУ а также общесудовых нужд. В качестве источника энергии на стояночных режимах используется береговая или вспомогательная энергетическая установка (ВЭУ).

Маневренныережимы работы используются при съемке судна с якоря, входе и выходе из порта, изменении хода и т.д. Они связаны с операциями пуска и реверса ГД, а также разгона и торможения судна. Нагрузка ЭУ при работе на маневренных режимах колеблется в широких пределах. Она зависит от характера маневра и времени отводимого на его осуществление.

Ходовыережимы работы ЭУ осуществляемые при ходе судна на прямых курсах в открытом море в условиях штиля или при волнении не более 2-3 баллов и неизменном положении органов управления ГД, условно относят к установившемся. Режимы работы ЭУ в условиях большого волнения являются неустановившимися.

Для определения технико-экономических требований, предъявляемых к судну в целом, используются оптимальные режимыработы ЭУ.

Цельих оптимизации заключается в достижении экстремальных (или максимальных) зна­чений одной или одновременно нескольких величин, называемых критерия­ми. Чаще всего оптимизация проводится по одному критерию оптимальности. Однако это не означает, что найденный режим работы ЭУ будет целесообразен и по остальным критериям.

Выборкритерия оптимальности зависит от многих факторов: конъюнктуры, сложившейся на международном рынке; назначения и типа судна; условий плавания; характеристик ГД, движителей, корпуса судна и т.д.

Режимы работы элементов ПК при маневрах относятся к числу наиболее тяжёлых, а значит, и наиболее ответственных операций с ГД, передачами, ГВ, рулями и корпусом судна. При их работе в таких условиях практическое зна­чение имеет выборрационального способа осуществления проводимых ма­невров в различных эксплуатационных ситуациях, а также оптимизация пере­ходных режимов (например, нахождение оптимального положения механизма дизеля при страгивании и оптимальном давлении пускового воздуха). Учиты­вая, что время разгона или выбега ГД пропорционально приведённому момен­ту инерции масс, который, в свою очередь, зависит от квадрата передаточного отношения редуктора, возникает практическая задача по выбору его целесооб­разного в данных эксплуатационных условиях значения.

Маневренные качестваЭУ и судна во многом определяются типом ис­пользуемого движителя. Например, на судах, имеющих ВРШ, маневренные режимы осуществляются за счёт изменения шага ГВ и подачи топлива в ци­линдры ГД (для ДЭУ). В этих условиях возникает задача о нахождении таких законов управления ВРШ и ГД, при которых маневр осуществляется за наи­меньшее время или на наименьшем пути.

Характерная особенностьпереходных режимов заключается в их отно­сительной кратковременности. Для таких режимов в качестве критерия опти­мальности в зависимости от поставленных требований могут быть приняты:

· время маневра;

· путь судна или

· угол поворота вала за маневр;

· значение некоторой переменной, при котором наиболее целесообразно начинать маневр;

· площадь акватории, на которой совершается разворот судна и т.д.

При работе ЭУ и других элементов ПК на переходных режимах не менее важное значение имеет выбор оптимального закона управления с точки зрения приемлемости теплонапряжённости и механической нагрузки деталей ГД, прочности валопровода, зубьев редуктора и лопастей ГВ, а также отсутствия кавитационных явлений. Применительно к ГД, являющемуся одним из основных элементов ПК, рассматриваются его эксплуатационные характеристикии эксплуатационные режимы.

Под режимом ГД понимаются условия работы, характеризуемые совокупностью показателей, отражающих его технико-экономические свойства и состояние. Главными показателями, определяющи­ми режим работы, являются основные режимные параметры (частота враще­ния, цикловая подача топлива). Нагрузка ГД оценивается по положению: орга­на управления подачей топлива; указателя нагрузки регулятора; крутящему моменту (или среднему эффективному давлению). Наименование режимов оп­ределяется скоростью судна в диапазоне эффективных мощностей: режим полного хода 100% Nе :50%; среднего хода 50%> Ne > 25%; малого хода Ne< 25%; самого малого хода (при минимально устойчивой частоте вращения).

В первомслучае (эксплуатационные характеристики) имеются в виду следую­щие режимы: нагрузочной характеристики; внешней характеристики; ограни­чительных характеристик; винтовой характеристики.

Во второмслучае (экс­плуатационные режимы) это: подготовка ГД к работе; пусковые режимы и ра­бота на частичных нагрузках; работа при реверсировании ГВ; назначение и обеспечение режимов полного хода; работа ГД в установке с редукторной пе­редачей; работа ГД в установке с ВРШ; работа ГД при волнении; работа ГД при выключении цилиндров и аварийном состоянии турбокомпрессоров.

Нагрузочная характеристика является основой для определения рацио­нального уровня форсирования ГД по давлению Р_е (или подаче топлива). При этом уровень Р_ном устанавливается по показателям тепломеханической на­пряжённостиГД (дизеля).

При рассмотрении режимов внешней характеристикиважное значение имеет тяговаяхарактеристика ГД. Она представляет собой зависимость раз­виваемого ГД момента М_е от частоты вращения п при неизменном положении органов управления подачей топлива (В_т = const) и свидетельствует о степени приспособленности ГД к изменению внешних нагрузок. Она оценивается коэффициентом приспособленности, представляющим собой отношение максимального момента Ме мах( при п = 75-80%) к номинальному Ме ном, т.е.

Кпр= Ме мах/Ме ном

Ограничение нагрузок ГД связано прежде всего с уменьшением подачи топлива, а получаемые при этом зависимости его показателей от частоты вра­щения и представляют собой ограничительнуюхарактеристику, отвечающую условиям сохранения его тепловых и механических нагрузок. Наиболее пра­вильно характеристики ограничения устанавливаются при испытаниях ГД на стенде, когда имеется возможность выявить уровни механических и тепловых нагрузок для различных подач топлива и частот вращения. В качестве задаю­щего ограничительного параметра могут выступать ограничения в функции частоты вращения по: подаче топлива; крутящему моменту (или давлению); давлению сгорания; давлению наддува.

При рассмотрении режимов винтовой характеристикиопределяющим фактором является собственно характеристика ГВ как нагрузочного устройст­ва ГД. В этом случае винтовая характеристика ГД представляет собой сово­купность нагрузочно-скоростных режимов, удовлетворяющих закономерно­стям работы ГВ. Обязательным условием построения винтовой характеристи­ки (по опытным данным) является неизменностьфакторов, влияющих на со­противление движению судна (осадка, состояние корпуса и ГВ, погодные ус­ловия и т.д.). Только в этом случае ГВ работает практически с одинаковым скольжениеми поступьюво всём диапазоне частот вращения.

При подготовке ГД к работе следует учитывать три особенности.

Суть первойприменительно к ДЭУ с ВРШ и разобщительными муфтами состоит в следующем. Пуск осуществляется в режиме холостого хода (при отключённых муфтах), при этом всегда имеется возможность повторных пусков и предварительного прогрева при работе на ВРШ с шагом нулевого упора.

Вторая особенностьзаключается в большом объёме подготовительных работ (наряду с ГД проверка иввод в действие обслуживающих систем, ВД, котлов, электростанции, элементов валопровода и винторулевой группы, систем управления). Одним словом, 100%-ному уровню готовности ГД должна соответствовать и полная готовность ДЭУ. Только в этом случае с передачей на мостик сигнала "Двига­тель готов" в любой момент могут быть обеспечены автоматизированный пуск ГД и движение судна в заданном направлении.

Третья особенностькасается учебно-практических работ по подготовке ДЭУ к действию.

Режим пускаГД является неустановившемся процессом в тепловом и механическом отношениях. Он сопровождается изменением температур дета­лей и угловой скорости. Тепловая неустойчивость при единичном пуске (в силу кратковременности 3-5 с до выхода на заданный режим малого хода) не оказывает существенного влияния на напряжённое состояние ГД. В этом слу­чае наиболее опасно действие числа пусков (числа теплосмен), доходящего до 20-25 в течение часа, например, при работе во льдах и швартовке. Это может вызвать появление трещин в деталях ЦПГ вследствие термоусталости мате­риала и повышенных температурных деформаций. С точки зрения надёжности пуска решающее значение имеют тепловое состояние деталей и динамика сис­темы: ГД - валопровод - ГВ.

Маневренные режимы составляют основное время работы ГД при следовании судна: в узкостях: по сложному фарватеру; при подходах к портам; швар­товках; движении в караванах (или во льдах). В этих условиях безопасность плавания судна определяется способностью ГД и ПК в целом обеспечить такие режимы, которые бы отвечали требуемой скорости судна как на передний, так и задний ход. При этом главными являются: режимы самого малого хода; пере­ходные режимы при разгоне и торможении судна и при реверсировании ГВ.

Режим самого малого ходаопределяет один из важнейших маневренных параметров - это возможно малую безопасную скорость судна. При этом минимальная частота вращения определяет нижнюю границу эксплуатационных ре­жимов и является основным показателем режима самого малого хода.

Переходные режимы при разгоне и торможении судна относятся к неустановившимся режимам работы. Они характеризуют динамику ГД и судна. Возможность быстрого разгона судна определяется тяговыми свойствами и динамикой теплового состояния ГД.

Маневренные режимы ГД при разгоне и торможении судна характеризу­ются изменением моментов по значению и по времени, а динамика судна оп­ределяется способностью ГД развивать требуемые значения момента

Единственным средством торможения судна и движения задним ходом является реверсирование ГВ. При этом условия работы ГД и эффективность торможения в значительной степени зависят от начальной скорости судна. При выполнении обычных маневров на малом ходу работа ГД в режиме реверсиро­вания незначительно отличается от обычных пусков с последующим нагружением до заданной скорости судна. Динамика работы, нагрузки на ГД и ПК су­щественно возрастают при работе на среднем и особенно полном ходу в усло­виях экстренного реверса (при плавании в тумане, в зоне интенсивного дви­жения судов и когда экстренное торможение является единственно безопас­ным маневром). Необходимость экстренного торможения обуславливается инерционными свойствами судна, т.е. выбегом судна при естественном торможении. Эта величина может достигать 10-12 длин корпуса, а время полной остановки судна 8-12 мин .

Работа ГД при реверсировании ГВ на повышенной скорости судна сопряжена с большими динамическими нагрузками на элементы ПК: ГД; валопровод; ГВ. Эффективность торможения судна и отработка заднего хода существенно упрощаются в ДЭУ с ВРШ. По данным применение ВРШ на теплоходе " Новомиргород" с ГД 6RD76 при экстренном торможении с полного хода "Вперёд" даёт сокращение выбега судна в 1,5-2 раза. При этом переходный режим протекает без превышения номинального крутящего момента и давления сгорания.

При назначении и обеспечении режимов полного хода с точки зрения на­дёжности, ресурса ГД, в целом ПК и экономических показателей работы судна (определяющее цилиндром) осуществляется с использованием комплекса параметров, полученных в результате индицирования ГД.

Особенность работы ГД в составе ПК с редукторной передачей заключается в наличии муфты (механической, гидродинамической, электродинамической). Их тип и характеристики существенным образом влияют на работу ГД, тяговые свойства ПК и маневренность судна при: пуске; перемене хода; тор­можении ГВ. В меньшей степени их влияние оказывается при изменении условия плавания и сопротивления движению судна. Гидравлические муфты находят применение преимущественно на судах ледового плавания. Их демпфирующие способности позволяют снизить динамические нагрузки на элементы ПК и защитить редуктор, ГД и ГВ от ударов об лёд. Согласно Правил Регистра ГД, работающие на ГВ через муфту (независимо от ее типа и наличия всережимного регулятора), должны иметь регулятор безопасности. Он позволяет страховать работу всережимного регулятора и защитить ГД от разноса при внезапном отключении муфты.

При работе ГД с ВРШпредставляется возможность: изменения нагрузки ГД путём воздействия на шаг ГВ; существенно расширить область эксплуата­ционных режимов; улучшить использование мощности и маневренные качест­ва судна; компенсировать влияние внешних факторов на характеристику ГВ; исключить режимы работы в области "тяжёлого" ГВ. Однако следует отме­тить, что при работе на ВРШ условия для перегрузки ГД становятся более ве­роятными по сравнению с работой на ВФШ, что выдвигает специфические требования к системам управления, защиты и назначению режимов. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет система дистанционного автоматизи­рованного программного изменения шага и частоты вращения с комбинатором и регулятором нагрузки.