Поле допустимых длительных по времени нагрузок двигателя

Определение границ поля возможных режимов работы двигателя не означает, что в его пределах можно длительно нагружать двигатель, обеспечивая его надежную работу.

Конструктивные особенности двигателя, прочность его деталей, процессы газообмена и теплообмена накладывают определенные ограничения на обеспечение длительного по времени режима его работы. Эти ограничения определяются показателями его механической и тепловой напряженности, а также возможностями эффективной работоспособности газовыпускного тракта, за пределами которых не обеспечивается надежная продолжительная работа двигателя.

При длительном испытании двигателя на стенде на номинальном режиме работы определяются основные показатели, характеризующие этот режим работы: крутящий момент на валу двигателя М_е, частота вращения KB п, температуры и давления рабочих сред.

В эксплуатационных условиях режим работы двигателя, т.е. его нагрузка, устанавливается таким образом, чтобы ни один из этих показателей не превосходил своего номинального значения, иначе двигатель считается перегруженным.

Одним из надежных, легко регистрируемых показателей динамической (механической) напряженности, служит частота вращения КВ.

Таким образом, номинальное значение частоты вращения KB n_сн определяет границу допустимого режима работы двигателя без перегрузки по механическим напряжениям (отрезок ВС на рис. 1.1).

Верхней границей допустимой максимальной мощности двигателя при работе без перегрузки является ограничение по тепловой и механической напряженности.

Дизелестроительные заводы рекомендуют, что в диапазоне частот вращения KB меньше номинальной n_сн механическую напряженность следует оценивать по величине среднего индикаторного давления Р_i или среднего эффективного давления Р_е. Учитывая то, что среднее Р_е пропорционально крутящему моменту на валу двигателя М_е можно назначать границу по механической напряженности, при которой развиваемый двигателем крутящий момент М_е не превосходит номинального значения М_eн.

Эта граница будет соответствовать величине эффективной мощности двигателя N_e при работе его с номинальным крутящим моментом М_eн = const.

Величина номинального крутящего момента определяется по формуле:

где N_eн — номинальная эффективная мощность двигателя, кВт;

n_сн — номинальная частота вращения КВ, с^-1.

При постоянном номинальном крутящем моменте (М_ен = const) значение величины эффективной мощности N_e при различных частотах вращения KB определяется по формуле:

Тогда ограничительная характеристика по механической напряженности, соответствующая работе двигателя с постоянным номинальным крутящим моментом, на рис. 1.1. изображается отрезком ОС, соединяющим начало координат с точкой номинального режима работы двигателя С (МДМ).

Однако ограничительная характеристика по механической напряженности при изменении эффективной мощности двигателя N_e при постоянном номинальном крутящем моменте на валу двигателя М_ен = const не ограждает работу двигателя с перегрузкой по тепловой напряженности, т.е. не исключает превышения допустимых температурных напряжений в деталях цилиндропоршневой группы: втулки, поршня и цилиндровой крышки.

Дизелестроительные заводы в своих инструкциях по эксплуатации двигателей дают рекомендации по предотвращению недопустимых в тепловом отношении режимов работы двигателя. Считается, что в пределах частот вращения KB (0,9... 1,0) n_н ограничительной характеристикой может служить номинальная величина среднего эффективного давления Р_ен = const, т.е. М_еи = const [5].

Следовательно, в этом диапазоне частот вращения KB ограничительные характеристики по тепловой и механической напряженности совпадают (отрезок СЕ). Далее, для обеспечения надежной работы двигателя при понижении частоты вращения KB максимальное значение, как Р_е, так и М_е должно быть снижено путем уменьшения подачи топлива.

Зависимость изменения максимальной эффективной мощности N_e при п<0,9п_сн изображается более крутым отрезком EF. В результате, ограничительная характеристика режима работы двигателя, ограждающая его от тепловой и механической перегрузки изображается ломаной линией СЕР.

Это так называемая верхняя ограничительная характеристика максимально допустимой величина эффективной мощности N_e при работе двигателя в тяжелых условиях нагружения его гребным винтом вследствие погодных условий, обрастания корпуса, коррозии и повреждения гребного винта, мелководья и других причин.

В практике эксплуатации судна иногда возникают условия, когда имеется определенный резерв времени рейса, т.е. судно, исходя из экономической целесообразности, может двигаться с пониженной скоростью, следовательно, и с пониженной мощностью главного двигателя. Это так называемый режим экономичного хода судна. При этом режиме работы достигается существенная рейсовая экономия топлива за счет того, что при значительном снижении мощности дизеля (до N_e = (0,50...0,70) N_eн), а, значит и часового расхода топлива В_ч [кг/ч], скорость хода v хотя и снижается, но не так существенно, как мощность, так как зависимость между этими двумя величинами кубическая — N_e = kv³, где k — постоянная. И хотя время перехода судна будет больше, но расход топлива на весь рейс окажется меньшим [5].

В каких же пределах можно допустить снижение мощности главного двигателя без ущерба эффективности его работы в режиме работы экономичного хода судна? Практикой установлено, что работа двигателя на пониженной мощности сопровождается усиленным нагарообразованием в цилиндрах и особенно в газовыпускном тракте. Кроме того, на частичных режимах работы ГД установки ухудшаются показатели работы утилизационного котла, а на режимах малых нагрузок ПТЭ морских и речных судов требуют производить обвод выпускных газов дизеля для предотвращения интенсивного отложения сажи [10].

В связи с этим возникает необходимость установить нижнюю границу допустимой длительной минимальной мощности ГД при работе судна в режиме экономичного хода.

Практика эксплуатации дизелей показывает, что такой границей служит величина снижения мощности не ниже 50 % номинальной мощности 0,5 N_eн. На графике (рис. 1.1) эта нижняя ограничительная характеристика представлена отрезком KL [6].

Таким образом, область длительных допустимых нагрузок двигателя ограничивается: справа — регуляторной характеристикой LC при п_ся=const; слева — верхней ограничительной характеристикой максимальной длительной мощности без тепломеханических перегрузок, линия СЕК; снизу — нижней ограничительной характеристикой минимально допустимой мощности на режиме экономичного хода, отрезок KL.

По сравнению с площадью возможных режимов работы двигателя поле допустимых длительных нагрузок двигателя значительно сузилось в рамках площади CEKLC (заштрихованная область).