Понятие о режимах работы дизелей.
Как указывалось, в зависимости от значений эффективной мощности или вращающего момента и угловой скорости коленчатого вала дизели могут работать на различных режимах. Различают следующие основные режимы работы дизелей: номинальной (полной), максимальной и минимальной мощностей и минимально устойчивой угловой скорости коленчатого вала.
На режиме номинальной (полной) эффективной мощности осуществляется длительная работа дизеля при номинальной угловой скорости коленчатого вала, установленной заводом-изготовителем.
Значение предельно допустимой эффективной мощности дизеля, которую он может развивать ограниченное время, установленное заводом-изготовителем, определяет режим максимальной мощности. Для судовых дизелей допускается работа не более 1 ч с перегрузкой по мощности на 10%, а по угловой скорости коленчатого вала — на 3% выше номинальной.
Длительную работу дизеля при наименьшей эффективной мощности, гарантируемой заводом-изготовителем, характеризует режим минимальной мощности. Минимальной эффективной мощностью, составляющей 10—20% номинальной, определяется предел уменьшения скорости судна.
Режим минимально устойчивой угловой скорости коленчатого вала определяет маневренные возможности судна. На этом режиме работы энергетические ресурсы дизеля используются на 3—4% номинальной мощности и на 30% номинальной угловой скорости коленчатого вала. Продолжительность работы дизеля на данном режиме не должна превышать 2—3 ч.
Кроме перечисленных стандартных режимов, судовые дизели могут работать также на режимах эксплуатационной мощности и холостого хода. К эксплуатационной мощности относят среднюю мощность дизеля при плановых загрузке и скорости судна. Для грузовых теплоходов она составляет 85—90% номинальной мощности, для буксирных — 90—95%. При определении плановых показателей работы судна по эксплуатационной мощности дизеля нормируют расход топлива.
Установки, имеющие устройства для разобщения дизелей от гребного вала, могут работать и на режиме холостого хода. Работа дизеля на этом режиме сопровождается значительной неравномерностью подачи топлива, а иногда и пропуском вспышек в цилиндрах, приводящих к нагарообразованиям на поршнях, уплотнительных кольцах, клапанах, распылителях форсунок. Поэтому продолжительность режима холостого хода не должна превышать 0,25—0,5 ч.
В исключительных случаях, связанных со спасением людей или груза, вахтенный начальник может принять решение о включении в работу и неисправных дизелей. Такой режим эксплуатации СЭУ называют аварийным. Иногда на аварийном режиме работы дизелей обеспечивается при необходимости движение судна к месту ремонта. В этом случае вахтенным начальником (механиком) должно быть организовано при постоянной вахте в машинном помещении тщательное наблюдение за техническим состоянием дизеля.
Характеристики дизеля. Приведенная классификация режимов работы дизелей условна. Она не учитывает всех возможных вариантов эксплуатации СЭУ. В зависимости от путевых условий, состояния гребных винтов и других причин судовые дизели могут эксплуатироваться на самых различных режимах. Работу дизелей при этом оценивают по характеристикам, которые представляют собой графическую или аналитическую зависимость какого-либо основного показателя (показателей) от угловой скорости коленчатого вала, нагрузки на дизель (эффективной мощности) или определенных условий эксплуатации судна.
По функциональной зависимости характеристики подразделяют на скоростные, нагрузочные и специальные. Скоростные характеристики отражают зависимость удельного расхода топлива, температуры выпускных газов, мощности, среднего эффективного давления и других показателей работы дизеля от угловой скорости коленчатого вала при заданных условиях нагрузки. Нагрузочные характеристики представляют собой зависимость различных показателей работы дизеля от его нагрузки при постоянной угловой скорости коленчатого вала. Специальные характеристики отражают зависимость тех или иных показателей работы дизеля от определенных условий, например угла опережения подачи топлива, температуры охлаждающей воды, давления открытия форсунок и др.
Рис. 1. Внешние и винтовые характеристики дизеля
Скоростные характеристики бывают внешние и винтовые. Внешние характеристики определяют зависимость эффективной мощности, температуры выпускных газов и других показателей от угловой скорости коленчатого вала при неизменном положении рейки ТНВД. Каждому зафиксированному положению рейки соответствует своя внешняя характеристика, показывающая, какую предельную мощность может развивать дизель при различных условиях эксплуатации. Ее называют заградительной и снимают на заводском стенде для головных образцов дизелей после регулировки их на бездымное сгорание топлива при номинальной угловой скорости коленчатого вала. Чтобы избежать тепловых перегрузок и повреждения деталей, нагружать дизель по мощности выше заградительной характеристики не разрешается.
Основным показателем изменения мощности при длительной надежной работе дизеля является внешняя характеристика номинальной мощности. Ее, как и заградительную, получают во время испытания дизеля на стенде при неизменной цикловой подаче топлива. Характеристики, отражающие зависимость мощности от угловой скорости коленчатого вала при уменьшенных подачах топлива за цикл, называют частичными или долевыми.
При испытаниях судов с различной осадкой (от минимальной до максимальной), с составом и без него получают винтовые характеристики, которые показывают зависимость эффективной мощности и других показателей работы СЭУ от угловой скорости вала при работе дизеля на винт постоянного шага. Мощность, потребляемая винтом, прямо пропорциональна угловой скорости коленчатого вала в третьей степени, поэтому линия винтовой характеристики имеет не такой вид, как внешние характеристики дизеля.
По винтовым и внешним характеристикам можно установить согласованность гребного винта с дизелем и определить для заданных условий режимы работы, исключающие перегрузку дизеля. Например, если винтовые характеристики получены при работе дизеля с «тяжелым», оптимальным и «легким» винтами, то в указанных условиях эксплуатации полная согласованность между движителем и дизелем будет только в том случае, когда Ne и со дизеля соответствуют по графику точке пересечения линии с внешней характеристикой номинальной мощности. Гребной винт СЭУ считается оптимальным, если точке пересечения А названных линий соответствует номинальная угловая скорость коленчатого вала (о„ом- Когда она больше номинальной, то винт считается «легким», когда меньше — «тяжелым». При работе судна с «тяжелыми» гребными винтами коленчатый вал главных дизелей не развивает ни номинальной мощности, ни номинальной угловой скорости, а при работе с «легкими» гребными винтами на номинальной угловой скорости не развивает номинальной мощности, но при номинальной мощности может развить угловую скорость значительно больше номинальной, что нежелательно.
Рис. 2. Характеристики работы дизель-генератора
При работе дизеля на генератор переменного или постоянного тока угловая скорость его вала должна быть постоянной при всех значениях электрической нагрузки. Для поддержания постоянной частоты переменного тока отклонение угловой скорости коленчатого вала не должно быть более 1%. Из рис. 2 видно, что с уменьшением электрической нагрузки до значения N2 или jV3 двигатель должен будет перейти на частичные внешние характеристики.
Нагрузочные характеристики показаны на рис. 124. Это графики температуры выпускных газов, максимального давления выпускных газов рг и удельного расхода топлива ge в зависимости от среднего эффективного давления ре или эффективной мощности Ne при постоянной частоте вращения коленчатого вала.
Графики зависимости скорости хода от суммарной эффективной мощности и расхода топлива, тяги на гаке, угловой скорости коленчатого вала и температуры выпускных газов дизелей образуют паспортную характеристику теплохода. Ее получают по данным испытаний одного из судов серии, находящегося в хорошем техническом состоянии.
Рис. 3. Нагрузочные характеристики
Пользуясь такими характеристиками, при плановых и экономических расчетах по двум известным параметрам работы судна можно определить остальные. Обычно паспортные характеристики имеют ограничительные линии, характеризующие предельные значения тех или иных величин, допускаемых при различных условиях эксплуатации судна.