1.3. Скоростные и нагрузочные характеристики дизеля
В судовой энергетической установке режимы работы двигателей имеют свои специфические особенности, зависящие от назначения и типа двигателя. Судовые двигатели подразделяют на главные и вспомогательные. В свою очередь, главные двигатели могут приводить во вращение винт фиксированного шага или винт регулированного шага. Вспомогательные двигатели обычно обеспечивают работу судовой электростанции в качестве привода генераторов.
Различают режимы работы двигателя как скоростные когда, эффективная мощность двигателя зависит от частоты вращения KB — Ne = f(n), так и нагрузочные, когда нагрузка двигателя может изменяться при неизменной частоте вращения коленвала (Ne = var, n = const).
Тормозная нагрузка главного двигателя обеспечивается гребным винтом, т.е. режим работы главного двигателя полностью подчиняется закону потребляемой мощности гребным винтом.
Зависимость изменения эффективной мощности главного двигателя Ne от частоты вращения гребного винта называется винтовой характеристикой. Для транспортных судов винтовая характеристика практически с достаточной точностью описывается выражением кубической параболы зависимости мощности от частоты вращения гребного винта:
где с — постоянная для комплекса «главный двигатель - гребной винт».
Для построения поля возможных винтовых характеристик можно рассмотреть изменение нагрузки главного двигателя, работающего на винт фиксированного шага, от самых тяжелых условий до самых легких (рис. 1.2) [2, 9].
Рис. 1.2. Винтовые и ограничительные характеристики
ТС — номинальная (расчетная) винтовая характеристика;
RSG — швартовная;
PQHZ — в балласте;
СЕ — ограничительная характеристика при Мен = const,
EK — ограничительная характеристика по теплонапряженности;
CL — ограничительная регуляторная характеристика при псн = const;
KL — нижняя ограничительная характеристика при Nе = 0,5Nен
Самый тяжелый режим работы главного двигателя осуществляется при работе судна на швартовах, когда поступь гребного винта равна нулю, а постоянная с — максимальна. На рис. 1.2 показана швартовная винтовая характеристика — кривая RSG. Такой режим воспроизводится при швартовных испытаниях судна. Буксировка плавучих объектов с большим сопротивлением движению, плавание судна при сильном штормовом встречном ветре и т.п. близки к этому режиму.
Для транспортных судов при швартовном режиме главный двигатель может работать в диапазоне (0,65...0,80) nсн частот вращения KB, не переходя верхнюю ограничительную характеристику по тепломеханической напряженности ЕК.
На рис. 1.2 показана одна из «тяжелых» винтовых характеристик — кривая RSG. Самый тяжелый режим работы ГД на швартовах не относится к длительным режимам, и его винтовая характеристика Ne = cn3 (самая крутая при максимальной постоянной с) может выйти за пределы длительных допустимых нагрузок двигателя и окажется левее ограничительной характеристики по тепловой напряженности — линия КЕ.
В этом случае работа на швартовах относится к перегрузочному режиму работы ГД, при котором судовым механикам необходимо проявить повышенное внимание за контролем основных показателей работы двигателя, чтобы не допустить превышений, указанных в заводской инструкции для режима работы с перегрузкой.
Наиболее легкий режим работы ГД, очевидно, будет происходить при движении судна порожнем (в балласте) с попутным ветром. Винтовая характеристика — более пологая с наименьшей постоянной величиной с (на рис. 1.2 — это кривая PQHZ).
Обычно также изображается расчетная номинальная винтовая характеристика, проходящая через точку С максимальной длительной мощности и соответствующая номинальному режиму работы ГД при Nен и псн
Таким образом, поле допустимых нагрузок ГД, работающего на винт фиксированного шага, еще более сужается до заштрихованной площади CEGSQHC. Слева она ограничивается самой «тяжелой» винтовой характеристикой ГД при работе на швартовах (кривая SG), верху — ограничительной характеристикой по тепломеханической напряженности (линии СЕ и EG), справа — регуляторной характеристикой (отрезок СН) при псн = const и винтовой характеристикой хода судна в балласте (кривая QH), снизу — ограничивается минимально допускаемой длительной мощностью (отрезок SQ),
При чистом корпусе судна длительная работа ГД в балластном переходе по рекомендации дизелестроительного завода может быть допущена с превышением номинальной частоты вращения KB до 1,04псн, не переходя границы номинальной мощности двигателя Neн (точка Z).
Главный двигатель, работающий на винт регулируемого шага, может практически реализовать всю площадь допустимых нагрузок, используя преимущество изменения шага винта. В этом случае двигатель может работать как по скоростной характеристике, так и нагрузочной.
Вспомогательные двигатели, обеспечивающие работу судовой электростанции, должны выдерживать нагрузку при постоянной частоте вращения KB (n=const), т.е. работать при любой нагрузке по нагрузочной характеристике (отрезок CL).