Построение характеристик. Судовые дизели эксплуатируются на самых разнообразных режимах в зависимости от путевых условий, загрузки судна, состояния гребных винтов и других причин.
Режим работы дизеля характеризуется совокупностью параметров: мощностью, экономичностью, частотой вращения, тепловыми и механическими нагрузками. Если при работе дизеля все перечисленные параметры остаются постоянными (или колеблются около своих средних значений в допустимых пределах), то режим называется установившимся. Переход от одного установившегося режима к другому происходит через ряд неустановившихся режимов и сопровождается изменением параметров работы по времени. Такой переход может совершаться самопроизвольно под влиянием путевых условий, автоматически — под воздействием регулятора или осуществляться оператором в соответствии с требующимся режимом работы судна путем изменения подачи топлива перестановкой рычага управления.
При определенных условиях перехода (достаточном времени выдержки между режимами) можно получить совокупность установившихся режимов, связанных между собой закономерным изменением параметров работы дизеля. Совокупность установившихся режимов и параметров, представленная в виде аналитических, табличных или графических зависимостей от основного заранее выбранного параметра, называется характеристикой дизеля.
Характеристики позволяют по значению одного основного параметра определять значение любых других параметров, характеризующих исследуемый режим работы дизеля. На работу дизеля влияет большое количество эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов. Поэтому аналитические зависимости получаются слишком сложными и используются в основном при выполнении научно-исследовательских и доводочных работ. В эксплуатационной практике обычно применяют табличные или графические характеристики, получаемые при стендовых испытаниях дизелей.
Для построения характеристики исследуемый дизель устанавливают на специально оборудованный для испытаний стенд и соединяют его с оттари-рованным гидротормозом или электрогенератором. Для записи результатов измерений составляют рабочую таблицу, в которую записывают все параметры, подлежащие измерению при испытаниях. Заданные значения основных параметров, определяющих режимы испытания (частоту вращения, нагрузку на тормозе и др.) заносят в таблицу до начала испытаний. После этого пускают и прогревают дизель, устанавливают с помощью гидротормоза и регулятора необходимые нагрузку и частоту вращения и измеряют все величины, предусмотренные программой испытаний, занося результаты измерений в рабочую таблицу. Закончив измерения на одном режиме, устанавливают следующий режим и вновь выполняют необходимые измерения.
Обработку результатов испытаний также производят в табличной форме, для чего составляют сводную таблицу, в которую записывают параметры как непосредственно замеренные при испытании (давления, температуры, время и т. д.), так и полученные расчетным путем (мощность, удельный расход топлива, коэффициент избытка воздуха и т. д.). Сводная таблица является основанием для построения графических характеристик дизеля.
В зависимости от выбранного основного параметра различают нагрузочные и скоростные характеристики.
Рис. 1. Совмещенный график нагрузочных характеристик
Нагрузочные характеристики. Зависимость параметров работы дизеля (мощности, вращающего момента или среднего эффективного давления) от его нагрузки при постоянной частоте вращения называется нагрузочной характеристикой.
Нагрузочные характеристики, снятые при разных частотах вращения, не совпадают между собой. Поэтому при исследовании работы дизеля строят ряд нагрузочных характеристик для разных частот вращения.
График, на котором изображено несколько нагрузочных характеристик одного дизеля, называется совмещенным графиком нагрузочных характеристик.
На рис. 284 дан график, на котором совмещены кривые tr = f (Ne) зависимости температуры отходящих газов от эффективной мощности дизеля и кривые G4/n=f (Ne), показывающие изменение в зависимости от той же мощности отношения дч/п часового расхода топлива G, кг к частоте вращения п об/мин. Отношение GJn принято для построения графиков потому, что кривые G4/n = f(Ne) имеют малую кривизну и поэтому удобны при расчетах. Обе зависимости приведены на графике для нескольких значений частоты вращения дизеля.
Нагрузочная характеристика при номинальной частоте вращения дизеля приближенно отражает его работу на генератор.
В инструкциях по эксплуатации дизелей, предназначенных для работы на генератор, обычно приводят нагрузочные характеристики, снятые при постоянном положении органов управления регулятором (постоянном натяжении пружины регулятора). В этом случае частота вращения дизеля не остается постоянной, а снижается на 2—4% при повышении нагрузки от холостого хода до номинальной в соответствии с наклоном регуляторной характеристики дизеля. Такая характеристика более точно отражает эксплуатационные показатели дизеля, работающего на генератор, но не может быть использована для построения по результатам стендовых испытаний других его характеристик. Главные судовые дизели, непосредственно соединенные с винтом и имеющие всережимный регулятор, в определенных условиях (при изменении нагрузки винта на мелководье, на поворотах и т. д.) также работают по нагрузочной характеристике, если положение органов управления регулятором остается неизменным.
Скоростные характеристики. Зависимость параметров работы дизеля от частоты вращения при заданных условиях нагрузки называется скоростной характеристикой. В зависимости от условий, при которых они получены, различают внешние, ограничительные и винтовые характеристики.
Рис. 2. Нагрузочная характеристика дизеля
Внешней характеристикой называется зависимость параметров работы дизеля от частоты вращения при постоянном полезном ходе плунжеров топливных насосов (при неизменном положении рейки топливных насосов). Рейка топливных насосов может перемещаться от нулевого до предельного положения, изменяя тем самым полезный ход плунжеров топливных насосов. Каждому фиксированному положению рейки будет соответствовать своя характеристика.
Внешняя характеристика максимальной мощности (заградительная по насосу) дает предельную мощность дизеля, которая не должна быть превзойдена при любых условиях эксплуатации во избежание тепловых перегрузок и повреждения его деталей. Эту мощность Ne определяют по графику для данной частоты вращения п. Кроме того, по нему же можно определить часовой G4 и удельный ge расходы топлива, максимальное давление pz и температуру отходящих газов двигателя при работе с данной частотой вращения и предельной мощностью. В судовых условиях согласно режиму заградительной характеристики (характеристики максимальной мощности) должно быть ограничено передвижение рейки топливных насосов.
Внешнюю характеристику максимальной мощности снимают на стенде после регулировки дизеля на бездымное сгорание топлива при номинальной частоте вращения. На других частотах вращения точки ее снимают при неизменном положении органов подачи топлива.
Основной характеристикой, ограничивающей диапазон располагаемых мощностей для длительной надежной работы дизеля, является внешняя характеристика номинальной мощности. Ее снимают аналогично заградительной характеристике при неизменной подаче топлива в цилиндры.
Все остальные характеристики, снимаемые при уменьшенных подачах топлива за цикл, называются частичными (долевыми).
Таким образом, семейство кривых, показывающих изменения мощности (и других параметров) от частоты вращения при различных положениях органов подачи топлива, дает представление о располагаемой мощности дизеля и достижимых значениях других параметров, т. е. графически выражает его технико-экономические показатели.
Изменение частоты вращения при работе дизеля по внешней характеристике (при неизменном положении рейки топливных насосов) сопровождается изменением коэффициента наполнения цилиндра г)н, коэффициента подачи топливного насоса, степени повышения давления X и других параметров рабочего цикла. Характер изменения указанных параметров зависит от конструктивного исполнения дизеля (наличия и типа наддува, быстроходности, типа топливных насосов и др.). В ряде случаев такие изменения приводят к тепловой или механической перегрузке дизеля. Поэтому для обеспечения надежной и долговечной работы дизеля устанавливают допустимые границы нагрузок для всего диапазона изменения частоты, вращения.
Рис. 3. Внешняя (1) и винтовая (2) характеристики дизеля
Рис. 4. Ограничительные характеристики дизеля
Зависимость параметров работы дизеля от частоты вращения при сохранении его тепловой и механической напряженности в заданных пределах называется ограничительной характеристикой.
Основной ограничительной характеристикой является внешняя характеристика максимальной мощности, называемая также заградительной по насосу. Для защиты дизеля от опасных перегрузок дальнейшее увеличение подачи топлива сверх допустимого по этой характеристике ограничивается неподвижным упором рейки топливных насосов, устанавливаемым и пломбируемым заводом-изготовителем.
Для сохранения напряжений в коленчатом вале в расчетных пределах необходимо, чтобы в любом случае вращающий момент М (или среднее эффективное давление ре) не превосходил своего номинального значения. Принимая М = const (или ре — const ), получим ограничительную характеристику по вращающему моменту, представляющую собой на графике Nе — f(n) прямую, проведенную из начала координат через точку, соответствующую номинальной мощности при номинальной частоте вращения. Она располагается ниже внешней характеристики номинальной мощности.
Однако снижение частоты вращения приводит к увеличению максимального давления цикла pz и снижению температуры выпускаемых газов t„ вследствие того, что увеличивается количество топлива, успевающего при малой частоте вращения и постоянном периоде задержки воспламенения сгореть до прихода поршня в в. м. т. Если увеличение pz происходит в допустимых пределах, то соблюдение условия М = const (или ре = const) является достаточным для предотвращения механических перегрузок дизеля. В противном случае следует дополнительно ограничивать подачу топлива во избежание повреждения деталей, воспринимающих давление в цилиндре (в первую очередь подшипников коленчатого вала), т. е. строить ограничительную характеристику исходя из условия pz = const .
При снижении частоты вращения четырехтактных дизелей без наддува уменьшается скорость воздуха, проходящего через выпускные клапаны, что приводит к некоторому увеличению коэффициента наполнения цилиндра. Одновременно несколько снижается цикловая подача топлива Вследствие возрастания доли топлива, просачивающегося между плунжером и втулкой насоса в. д. (у насосов золотникового типа). В результате коэффициент избытка воздуха у таких дизелей при снижении частоты вращения сохраняется постоянным или даже несколько увеличивается. Это оказывается достаточным для предохранения дизеля без наддува от тепловых перегрузок при работе на режимах внешней характеристики номинальной мощности (кривая 2), выдерживающих условия а = const.
В случае необходимости для защиты таких дизелей от тепловых перегрузок иногда устанавливают ограничение по температуре выпускных газов (г = const), как это сделано в паспортных характеристиках серийных теплоходов, разработанных Ленинградским ЦТКБ.
Рабочий цикл четырехтактного дизеля с наддувом определяется показателями совместной работы дизеля и компрессора. У них при снижении частоты вращения коленчатого вала одновременно снижаются производительность и КПД компрессора, что ведет к резкому уменьшению коэффициента избытка воздуха а. В этих условиях ^работа как на режимах внешней характеристики номинальной мощности (с неизменной подачей топлива в цилиндры), так и ограничительной по моменту характеристике (с постоянным средним эффективным давлением) приводит к значительной тепловой перегрузке дизеля. В целях предотвращения перегрузок ограничительную характеристику для дизеля с наддувом выбирают по результатам доводочных испытаний головных образцов, проводимых с замером температур и напряжений в основных деталях дизеля (кривая 4). Она располагается ниже ограничительной характеристики по моменту.
Аналогично выбирают и ограничительную характеристику двухтактного дизеля, рабочий цикл которого определяется параметрами совместной работы дизеля и продувочного насоса.
Анализ ограничительных характеристик дизелей разных типов показывает, что дизели с наддувом при пониженной частоте вращения имеют меньший резерв мощности, чем дизели без наддува, что требует от обслуживающего персонала более внимательного отношения к эксплуатации дизелей с наддувом. Резерв мощности на рис. 286 характеризуется площадью, расположенной между винтовой характеристикой (кривая 5) и принятой ограничительной характеристикой.
Для перехода работы с внешней характеристики на ограничительную необходимо уменьшить подачу топлива в цилиндры. У большинства дизелей это должен делать оператор, так как работа с перегрузкой у них конструктивно ничем не ограничена. Ограничительная характеристика у таких дизелей оказывается чисто условной, и защита их от перегрузок в значительной степени зависит от опытности и внимательности обслуживающего персонала.
Оборудование дизелей специальными устройствами, обеспечивающими автоматическое поддержание нагрузки в пределах ограничительной характеристики, позволяет существенно повысить их надежность и долговечность. К таким устройствам относятся, например, оптимальные регуляторы движения (ОРД), устанавливавшиеся на некоторых типах речных судов. Эти регуляторы имеют подвижные упоры, изменяющие свое положение в зависимости от частоты вращения.
Винтовые характеристики. Зависимость параметров работы дизеля от частоты вращения при работе на гребной винт называется винтовой характеристикой.
Рис. 5. Стендовая винтовая характеристика двигателя Г60
Эта зависимость справедлива для водоизмещающих судов при движении их на глубокой воде.
В условиях работы судна, отличающихся от расчетных, фактическая винтовая характеристика, снимаемая во время испытания дизеля на нем, может не совпадать с теоретической, определенной при стендовых испытаниях.
Для построения фактических винтовых характеристик грузовые и грузопассажирские суда испытывают при движении с разными осадками: от осадки порожнем до осадки с полным грузом. Винтовые характеристики дизелей, установленных на буксирных судах или на толкачах, строят по результатам испытаний судна на швартовах, при движении с составом ( со скоростью, близкой к расчетной) и при движении одиночного судна без состава. Испытания проводят, как правило, при движении судна на глубокой воде, отсутствии ветра и волнения. Для решения специальных вопросов строят винтовые характеристики при движении судна на мелководье, на волнении, с легкими или тяжелыми составами.
На рис. 6 изображены винтовые характеристики водоизмещающего судна для движения порожнем, с грузом, на мелководье с грузом, внешняя характеристика, регуляторная характеристика (кривая 5), а также винтовая характеристика судна на подводных крыльях.
Совмещение фактических винтовых характеристик с внешней характеристикой номинальной мощности позволяет определить согласованность винта с дизелем и установить режимы работы, исключающие перегрузку дизеля для данных условий.
Прочие характеристики. Наряду с внешними, нагрузочными и скоростными характеристиками в отдельных случаях применяют характеристики, определяющие изменения основных параметров работы дизеля в зависимости от заданных условий.
К ним относят:
— регуляторные характеристики, показывающие изменение основных параметров работы дизеля под воздействием регулятора; они связаны с внешними и являются их продолжением. Вид регуляторной характеристики зависит от конструкции и настройки регулятора. По таким характеристикам работают судовые дизель-генераторы (если регуляторную характеристику построить в функции от нагрузки, а не от частоты вращения, то получают нагрузочную характеристику, снятую при постоянном натяжении пружины регулятора);
— регулировочные характеристики, показывающие изменение основных параметров работы дизеля при изменении отдельных элементов регулировки (например, угла опережения подачи топлива, давления открытия форсунок, температуры охлаждающей воды и т. д.) и используемые при доводке и испытаниях дизелей;
— совмещенные характеристики дизеля и обслуживающих его механизмов (например, турбонагнетателя у дизеля с наддувом), также используемые при доводке и анализе работы дизеля;
— универсальные (или многопараметровые) характеристики, дающие взаимную зависимость трех и более параметров; построение таких характеристик требует большой тщательности в проведении эксперимента и трудоемко, поэтому их применяют сравнительно редко.
Рис. 6. Винтовые, внешняя и регуляторная характеристики дизеля
Рис. 7. Универсальная характеристика дизеля
В качестве примера на рис. 7 приведена универсальная характеристика двигателя 6НФД48У, позволяющая по известной винтовой характеристике определить мощность, среднее эффективное давление, температуру выпускных газов и удельный расход топлива для любой заданной частоты вращения или найти точку винтовой характеристики по известным параметрам дизеля.