Эксплуатация современных судовых дизельных установок - читать онлайн

2.2.1. Совместная работа ГД и ВФШ

На рис. 2.1. изображены зависимости, определяющие возможные режимы работы дизеля с ВФШ при прямой передаче. Возможные режимы совместной работы получаются при пересечении винтовых характеристик, характеризующих сопротивление движению судна, с внешними, регуляторными или ограничительными характеристиками. Мощность, поглощаемая гребным винтом, зависит от конструкции корпуса судна и состояния моря.

Рис. 2.1. Режимы совместной работы дизеля с ВФШ [9].

Винтовые характеристики описывают показательной функцией

где с – коэффициент пропорциональности;

n_в – частота вращения.

Показатель степени m для современных водоизмещающих судов составляет 2,9…4,5; а для глиссирующих катеров – 1,6…3,2.

Кривая II представляет собой номинальную винтовую характеристику, относящуюся к расчетным условиям движения судна в полном грузу. Кривые 1 и 2 – соответственно внешняя и ограничительная характеристики дизеля, кривые III и IV – утяжеленные винтовые характеристики, кривая I – винтовая характеристика при плавании судна в балласте. Линии R₀, R₁, R₂ – регуляторные характеристики.

Пересечение нормальной винтовой характеристики двигателя с его номинальной внешней и ограничительной характеристиками (точка А) определяет величину допустимой длительной нагрузки и частоту вращения вала ГД (и гребного винта).

При плавании судна в балласте винтовая характеристика становится «облегченной», что связано с уменьшением осадки и, как следствие, снижением сопротивления воды движению судна. При той же частоте вращения гребного винта скорость судна возрастает.

В условиях эксплуатации довольно часто наблюдается так называемое утяжеление винтовой характеристики (кривая III). Это может быть вызвано увеличением осадки, обрастанием корпуса, волнением моря, перекладками руля при маневрировании, влиянием мелководья, буксировкой воза, тралением, работой на швартовах и др.

При работе по утяжеленной винтовой характеристике (рисунок 2.1, кривая III) допустимая нагрузка определяется положением точки Б, лежащей на ограничительной характеристике, которая условно показана прямой линией, а не ломанной кривой. В дальнейшем виды ограничительных характеристик будут рассмотрены более подробно.

Работа на швартовах соответствует кривая IV; предельную нагрузку на ней определяет точка Б'. Точка В' соответствует, значительной перегрузке при работе по внешней характеристике.

Винтовая характеристика при движении судна может располагаться левее, чем швартовная. Это может происходить на второй стадии реверса при подаче контрвоздуха, когда судно по инерции еще движется вперед, а двигатель уже раскручивает винт на задний ход. ГД в этих случаях значительно перегружается.

Мощность двигателя используется полностью при номинальном числе оборотов, в точке пересечения винтовой и внешней номинальной характеристик.

Значительная недогрузка двигателя сопровождается увеличением удельного расхода топлива, и при пониженных оборотах приводит к неустойчивой его работе, если не предусмотрены специальные конструктивные мероприятия, например, аккумуляторные системы топливоподачи.

Для судна, движущегося с определенной эксплуатационной скоростью, при определенном неизменном водоизмещении можно подобрать оптимальный винт, обеспечивающий наиболее высокий для данных условий коэффициент полезного действия, но только при n_ном. Теоретическая винтовая характеристика при этом проходит через точку А.

Сегодня широко распространена практика проектирования ДЭУ с винтами облегченного типа. Облегченная винтовая характеристика располагается правее теоретической, образуя 10…20 % запас по мощности. Наличие такого запаса позволит в штормовую погоду и при других сложных условиях плавания поддерживать частоту вращения, а с ней и скорость судна на прежнем уровне без перегрузки ГД.

Если произойдет утяжеление винтовой характеристики, то КПД винта, спроектированного на максимальное значение η_p при эксплуатационной или номинальной частоте вращения, будет снижаться, а коэффициенты к₁ и к₂ возрастать (рис 1.1).

Потребляемая эффективная мощность N_e будет уменьшаться (точки B или Б на рис 2.1) и для обеспечения прежних оборотов ГД и скорости судна потребуется увеличение мощности и крутящего момента (точка А₁). Возникшая перегрузка двигателя приведет к росту максимального давления сгорания P_z, температуры выхлопных газов и удельного расхода топлива.

При плавании в балласте с уменьшенной осадкой сопротивление движению судна снижается, винтовая характеристика смещается вправо («легкий винт»), поступь винта растет, КПД винта резко снижается, коэффициенты момента и упора уменьшаются.

Момент сопротивления M_c в этом случае буде значительно меньше крутящего момента развиваемого ГД при n_ном. Если ничего не предусмотреть, то ГД будет разгоняться до перегрузочного режима по частоте вращения, находящегося в точке пересечения мощностей соответствующих указанным моментам (точка А₂). Подачу топлива и мощность ГД надо снизить, поддерживая при помощи регулятора приемлемые значения частоты вращения (не более 103…105 % n_ном).

При спокойной погоде скорость судна увеличивается на 1…2 узла за счет снижения сопротивления движению при меньшей осадке. Однако при сильном волнении моря высокую скорость обеспечить не удастся из-за ухудшения остойчивости судна и увеличения динамических нагрузок.

Для ВФШ рекомендуют подбирать эксплуатационную мощность при номинальной частоте вращения [1]. При этом соответствие между номинальной мощностью и номинальной частотой вращения будет достигнуто позже, при обрастании корпуса судна или при ухудшении условий плавания (волнение, движение во льдах, встречные течения и ветер).

В современных установках с ВФШ получили распространение винты с оребренным обтекателем ступицы ГВ и обтекателями с крыльевыми элементами. Они обеспечивают увеличение эффективности ГВ на 4…5 % при увеличении скорости хода судна на 1…2 % и частоты вращения ГВ на 1…1,5 оборота [5].

2.2.2. Режим работы двигателя с редукторной передачей

Работа двигателя с ВФШ и редукторной передачей позволяет существенно увеличить упор и крутящий момент на гребном винте при том же заданном значении мощности двигателя. Увеличение упора гребного винта составляет приблизительно 30 %, но при этом потребуется увеличить и диаметр винта [1]. Более значительное улучшение тяговых характеристик может быть достигнуто путем использования многоскоростных редукторов

Перед вводом в действие редуктора ГД необходимо ознакомиться с руководством по эксплуатации от производителя. Перед пуском следует убедиться в том, что уровень масла в редукторе соответствует норме, то есть убедиться в том, что на панели АПС отсутствует предупредительный сигнал. Уровень масла можно проверить и масляным щупом.

В рамках подготовки к пуску производится ручная прокачка маслом системы при помощи вспомогательного масляного насоса редуктора. Потом редуктор следует провернуть вместе с ГД. Затем вспомогательный маслонасос устанавливается в автоматический режим. Он автоматически запускается системой ДАУ перед пуском главного двигателя и работает до достижения определенного давления масла (например, для редуктора REINTJTSS VA1060K41 более 1,2 бар), потом насос автоматически отключается и смазка редуктора будет осуществляться от навесного шестеренного насоса.

При остановке ГД или падении давления ниже 1,2 bar вспомогательный насос автоматически запускается и будет работать по заданной производителем выдержке времени 10 минут после полной остановки главного двигателя.

2.2.3. Режим работы ГД в многовальных и многомашинных установках с гидромуфтами

Особенности работы в системе многовальных и многомашинных установок состоят в том, что улучшается использование мощности установки при возможности отключения отдельных двигателей. В качестве соединительно-разобщительных муфт часто используются гидравлические муфты.

В гидродинамической передаче энергия от ведущего вала передается за счет скоростного напора циркулирующей жидкости. Гидродинамическая передача включает центробежный насос, приводимый двигателем, и гидротурбины, сближенные так, что их колеса образуют торообразную полость, заполняемую рабочей жидкостью. Гидротурбина связана с валом движителя. Моменты на входном и выходном валах одинаковы и равны крутящему моменту ГД, а снижение частоты обусловлено только потерями энергии в муфте.

Общий КПД гидромуфты – это отношение мощности развиваемой гидротурбиной к подведенной мощности насоса и равен отношению частот вращения роторов турбины и насоса или иначе произведению их КПД.

Муфта должна быть заполнена жидкостью (водой, маслом или специальными смесями для гидромашин). Для включения муфты следует открыть золотник подвода рабочей жидкости из напорной цистерны на всасывание насоса гидромуфты. Энергия циркулирующей жидкости используется в турбине.

Часть жидкости сливается в сточную цистерну, откуда она забирается насосом и через фильтры и маслоохладитель подается в напорную цистерну.

При обслуживании надо обеспечить чистоту фильтров, подачу забортной воды в охладитель, чистоту забортной воды (в южных широтах на входе в охладитель следует установить ловушки для ракушек).

Следует контролировать уровни рабочей жидкости в цистернах и обеспечить надежную работу насоса.

При снижении частоты вращения ведомого вала и неизменной частоте вращения ведущего вала момент на турбинном колесе может значительно возрастать, что в случае сохранения равенства моментов на ведомом и ведущем колесах приводит к перегрузке двигателя.

Таким образом, гидромуфта не предохраняет двигатель от перегрузок, но имеется устройство для ограничения нагрузки. При заклинивании гребного винта ГД следует немедленно остановить.

Гидромуфты имеют следующие основные свойства: независимость вращения ведомого и ведущего валов, плавное трогание с места и плавный разгон, ограничение крутильных колебаний, бесшумность работы, надежность в эксплуатации, высокий КПД на номинальном режиме, простота автоматизации и управления.

Гидромуфты применяют обычно в дизель-редукторных агрегатах для эластичной связи между двигателем и движителем, демпфирования крутильных колебаний в системе валопровод-двигатель, для включения и отключения движителя, для снижения частоты вращения с целью уменьшения скорости судна.

Демпфирующая способность гидромуфт особенно значима при плавании во льдах. Элементы пропульсивного комплекса испытывают меньшие динамические нагрузки при ударах винта об лед.

При эксплуатации следует обеспечить исправность автомата безопасности, наличие которого обязательно по требованиям Морского Регистра судоходства при использовании в составе гидромуфт в составе ПК.

Автомат безопасности страхует регулятор и защитит двигатель от разноса при внезапном отключении муфты [2].

Гидропередачи способны обеспечить высокие тяговые характеристики на пониженных частотах ГВ без превышения нагрузки на двигатели.

Гидропередачи по сравнению с редукторной имеют меньший К. П. Д. и большую массы и габариты. Наиболее эффективна комбинация гидродинамической и редукторной передач. На рис. 2.2. приведена типичная схема смазки редукторного агрегата и управления гидравлической муфтой.

Рис. 2.2. Схема системы смазки редуктора и управления гидромуфтой:

1 – вал отбора мощности на винт; 2 – главный упорный подшипник; 3 – управляемый клапан гидромуфты; 4 – фильтры; 5 – отсечной клапан гидромуфты; 6 – шестерня; 7,8 – роторы гидромуфты; 9 – управляемый сливной клапан; 10 – трубка подачи масла; 11 – упорный подшипник; 12 – поплавковое устройство включения резервного масляного насоса; 13,18 – напорная и маслосборная цистерны; 14,16 – терморегулировочный и невозвратно-запорный клапаны; 15 – охладители масла; 17 – резервный масляный насос с электроприводом и автоматическим управлением; 19 – основной масляный насос; 20 – опорные подшипники; 21 – зубчатое колесо

При работе масло из гравитационной цистерны поступает к отсечному клапану 5 управления гидромуфтой, который управляется пневматически дистанционно с помощью управляемого клапана 3. Масло от клапана 5 идет к сливным каналам 9, которые поддерживаются в закрытом состоянии. Затем по наполнительному каналу в ведомом валу оно поступает в межлопаточные полости ротора гидромуфты, вводя ее в действие. При перемещении золотника отсечного клапана в верхнее положение масло сливается в картер освобождая клапаны. Одновременно доступ масла к гидромуфте прекращается, а имеющееся там масло сливается в картер в течение 10…15 секунд. Таким образом муфты разобщаются

Необходимо обеспечить применение качественных масел рекомендуемой вязкости. При эксплуатации температуру масла не рекомендуется повышать более 60 С, давление масла в системе надо поддерживать в рекомендуемых пределах (обычно 0,13–0,30 МПа), для чего в гравитационной цистерне предусмотрены поплавковые ограничители уровней. Необходимо своевременно очищать фильтры и отстойники, контролировать качество масла.

Характер распределения нагрузки на работающие двигатели в одновальной двухмашинной пропульсивной установке иллюстрируется рисунком 2.3 [1].

Предполагается, что вращающий момент, поглощаемый винтом, равномерно распределяется между двумя ГД, работающими на один вал. Кривые изменения крутящих моментов при различных частотах коленчатого вала двигателей n₁ изображены для случаев подключения одной (линии 1) и двух (линии 2) муфт. Кривая I представляет собой винтовую характеристику, приведенную к ведомому валу гидромуфты.

Рис. 2.3. Определение режимов совместной работы двигателей с ГВ в двухмашинной одновальной установке с гидромуфтами [1].

Линии I и II являются характеристиками по максимальному крутящему моменту при работе соответственно двух и одного ГД. По точкам пересечения кривых определяют частоту вращения ведомого вала гидромуфты и гребного винта по известной частоте вращения двигателя n₁.

При работе двух двигателей на номинальном режиме рабочая точка режима, находится в точке А. Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна n_2ном Если работает один двигатель, то максимально допустимый момент будет достигаться в точке В, при частоте вращения ГД n₁ и частоте вращения ведомого вала n₂.

Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна

где n₁ – частота вращения двигателя и ведущего вала;

η_гм – КПД гидромуфты.

Частота вращения гребного вала,

n_в = n₂ ∙ i,

где i – коэффициент редукции частоты вращения.

Имея совмещенный график, изображенный на рисунке 2.4 можно вычислить при какой частоте вращения гребного вала необходимо включать в работу два двигателя, а также оценить скорость судна при работе одного двигателя.

Управление двигателями в многовальных установках имеет свои особенности. Современные ГД, как правило, комплектуются регуляторами частоты вращения реализующими защиту по перегрузке и давлению наддува. Степень неравномерности для ГД, работающих в одновальных установках выставляется в пределах 1,5…3,0 %. В двухвальных установках она не может быть меньше 3 %, так как возможно возникновение обменных колебаний.

Повысить надежность и безопасность эксплуатации энергетических установок с двумя гребными винтами можно, если предусмотреть в системе управления обеспечение фазовой синхронизации гребных валов, которая приводит к значительному снижению вибрации на многовальных судах [5].

2.2.4. Режим работы ГД в установках с электрической передачей

Режим работы дизеля определяется при совместном рассмотрении винтовых характеристик потребителя, характеристик тягового электродвигателя и внешней характеристики дизеля.

На рис. 2.4 приведены характеристики пропульсивного комплекса буксира-спасателя. Кривые 1, 2, 3, 4 показывают механические характеристики тягового электродвигателя при различных частотах вращения дизеля. За ограничительный параметр принимают постоянство мощности электродвигателя. Если кривая изменения крутящего момента электродвигателя при постоянной его мощности (кривая III) проходит ниже механической характеристики, то на таких режимах возможна перегрузка ГД.

Гребные электрические установки постоянного тока применяют на судах с тяжелыми режимами работы (частое реверсирование, резкое изменение момента сопротивления ГВ вплоть до заклинивания, необходимость создания значительного момента на малых оборотах винта).

Реверсирование ГВ на полном ходу происходит очень быстро и имеется возможность работы на самом малом числе оборотов (4…5 % от номинального числа оборотов).

В настоящее время активно используются вынесенные электрические винторулевые комплексы типа Azipod. Принципиально эта новая система не отличается от традиционной передачи на винт. Управляемость и маневренность судов значительно улучшилась за счет повышения эффективности работы винта, который вынесен за пределы возмущенного корпусом судна потока воды.

Рис. 2.4. Характеристики ПК буксира-спасателя на номинальном и частичных режимах работы [1]:

I, II – винтовые характеристики судна на свободном ходу и на швартовых;

III – характеристика при постоянной мощности электродвигателя. 1…12 – тяговые характеристики при различных частотах вращения ГД (1…4), при различных токах возбуждения (5…8), при комбинированном способе управления (9…12)

Система обеспечивает полный упор винта в любом направлении, освобождая судно от традиционной массивной линии вала и рулевого устройства.

Типовая схема главного ВРК Azipod с электродвигателем, размещенным в гондоле, и непосредственно вращающем ГВ представлена на рисунке 2.6 [27].

Конструктивно гребной электродвигатель колонки «Азипод» встроен в стальной корпус подводной части колонки. Гребной электродвигатель имеет воздушное охлаждение, причем воздух подается из румпельного помещения (при необходимости через холодильники). Передача крутящего момента от электродвигателя к гребному винту производится через гребной вал, установленный на опорно-упорных подшипниках качения и имеющий уплотнения. Электроэнергия на привод гребного электродвигателя подается от судовой системы электропитания.

Рис. 2.5. Типовая схема ВРК с электродвигателем в гондоле [3]:

1 – электродвигатель; 2 – упорный подшипник; 3 – установочный блок; 4 – вентиляционная установка; 5 – воздухоохладитель; 6 – токосъемник; 7 – гидравлическая система поворота колонки; 8 – подшипник и уплотнения ГВ; 9 – винт фиксированного шага;

10 – гребной вал

Используются эластичные кабели, с ограничением угла разворота «Азипода», либо кольца скольжения (в этом случае колонка может вращаться вокруг вертикальной оси свободно без ограничений). Рулевая система «Азипода» гидравлическая.

В гондоле колонки располагается электродвигатель переменного тока, частота вращения которого регулируется частотным преобразователем.

Движительные комплексы «Азипод» могут выполняться в различных компоновках: в тянущем варианте, когда винт расположен впереди гондолы и толкающем – с расположением винта за гондолой, а также двухвинтовом варианте с винтами впереди и сзади гондолы при расположении винтов в насадке или без нее.

Важным положительным качеством ГВРК является хорошая управляемость судна на заднем ходу, благодаря большой поперечной силе, условиям обтекания корпуса, когда струя винта не натекает на него. Для обеспечения заднего хода ГВРК разворачивается на 180°, при этом гребной винт не реверсируется.

Рулевое устройство включает два или три гидравлических двигателя. Система контроля «Азипода» включает контроль всех электрических цепей на мостике вместе с главными электрическими панелями.

В отличие от ВРК с механическим приводом требуется обслуживание системы воздушного охлаждения. Воздух подается в рулевую колонку из румпельного помещения и может при необходимости предварительно охлаждаться в охладителях водой.

В качестве приводных двигателей применяются высокооборотные или среднеоборотные дизели, приспособленные для работы на средневязких топливах.

2.4.1. Пуск ГД и ввод в режим эксплуатационной нагрузки

Пуск дизеля и вывод его на эксплуатационную нагрузку является одним из наиболее ответственных и напряженных режимов работы СДУ. Последовательность действий при подготовке к пуску и пуске ГД изложены в заводских инструкциях по эксплуатации двигателей и в нормативных Правилах технической эксплуатации.

В дизельных установках без ВРШ и разобщительных муфт при пуске ГД помимо затрат энергии на интенсивное раскручивание коленчатого вала двигателя, для создания в цилиндрах при сжатии давлений и температур достаточных для надежного самовоспламенения топлива, необходимо преодолеть силу инерции массы судна, момента инерции движущихся частей двигателя и сопротивление движению судна.

При страгивании в начальный момент пуска двигатель в установках с ВФШ работает за пределами швартовной характеристики даже при наличии в регуляторе устройства защиты от перегрузок (комбинированный способ управления) будет перегружаться по крутящему моменту.

Для обеспечения надежного пуска необходима качественная топливоподготовка, установка оптимального угла опережения впрыска, подогрев охлаждающей воды и смазочного масла для прогревания дизеля, хорошее состояние топливной аппаратуры, обязательная прокачка маслом с предварительным проворачиванием вала дизеля и контролем чистоты цилиндров, соответствующее давление пускового воздуха и воздуха системы управления, надлежащее техническое состояние компрессоров, поршневых колец, пуско-реверсивной системы.

На рис. 2.6 изображена схема изменения величины крутящего момента двигателя в зависимости от частоты вращения двигателя при установке заданной первоначальной пусковой частоты вращения [6].

Рис. 2.6. Пуск двигателя при комбинированном способе управления:

I – винтовая характеристика; II – швартовная характеристика; III – внешние характеристики двигателя (постоянная топливоподача); IV – заданная регуляторная характеристика; V – ограничительная характеристика

Участок 0–1 соответствует раскручиванию двигателя пусковым воздухом. При достижении пусковой частоты вращения в точке 1 отключается пусковой воздух и включается пусковая топливоподача, соответствующая пусковому заданию частоты вращения IV на всережимном регуляторе частоты вращения и ограничительной характеристике V.

Участок 1–2 соответствует резкому увеличению топливоподачи до ее пускового значения. Подвижный упор устройства защиты от перегрузки ограничивает ход сервомотора точкой 2. Если бы не было устройства защиты топливоподача увеличивалась бы до точки пересечения продолжения линии I-2 и регулировочной характеристики IV или до упора топливной рейки.

Участок 2–3 соответствует разгону двигателя по внешней частичной характеристике до выхода на швартовную характеристику II в точке 3. Участок 3–4 соответствует разгону судна. Далее в точке 4 управление топливоподачей переходит к регулятору, который снижает ее до выхода двигателя на установившийся режим в точке 5.

После пуска дизеля необходимо проверить показания всех контрольно-измерительных приборов, обратив особое внимание на давление смазочного масла, охлаждающих сред, топлива. Убедиться в отсутствии ненормальных шумов, стуков и вибрации. Проверить работу лубрикаторов смазки цилиндров [8].

Для осуществления пуска дизеля необходимо достигнуть определенной частоты вращения. При малой частоте вращения, вследствие снижения скорости движения плунжера и увеличения протечек топлива в насосных секциях ТНВД, давление нагнетания топлива резко снижается и качество распыливания его форсунками ухудшается. В двигателях с сервоприводом ТНВД и с аккумуляторными системами впрыска снижение давления впрыска не происходит.

Предусматривается три попытки пуска, различные программы и пуск с разных постов управления.

В некоторых двигателях предусмотрено отключение нескольких цилиндров для облегчения пуска за счет увеличения цикловой подачи топлива. Фирма Mitsui осуществила это на некоторых двигателях К90МС. Давление впрыска топлива в оставшихся в работе цилиндрах увеличилось. Стабильная работа ГД достигалась при 13 об/мин (тогда как номинальные обороты составляют 104 об/мин) [29]!

Ввод в режим эксплуатационной нагрузки и маневрирование.

Главный дизель после пуска или окончания маневров необходимо вводить в режим эксплуатационной нагрузки в течение времени, указанного в заводской инструкции по эксплуатации либо установленного судовладельцем. Запрещается сокращать время ввода дизеля в режим, за исключением случаев, связанных с угрозой человеческой жизни или безопасности судна.

Прогрев должен быть постепенным, чтобы не допускать перегрева и значительного изменения зазоров в сопрягаемых деталях двигателя и возникновения трещин. Более подробно вопросы ввода в эксплуатационный режим рассмотрены в [9].

Маневрирование – это изменение направления движения и скорости с помощью руля, движителя, подруливающих устройств. При маневрировании происходит временное утяжеление винтовой характеристики.

При наборе скорости разгон судна теоретически идет по винтовой характеристике, которая, как правило, располагается ниже ограничительной характеристики, как, например, у МОД и СОД двигателей MAN Diesel & Turbo (рис. 3.7, 3.11), двигателей Wärtsilä RT-flex 48T-D (рис. 3.9). Но иногда и совпадает с ограничительной характеристикой (Wärtsilä W38B, см. рис. 3.12).

Однако в установках с ВРШ винтовая характеристика часто совпадает с ограничительной характеристикой (Wärtsilä L32), почти совпадает (MAN L23/30, см. рис. 3.17) или даже находится выше ее, как, например, у двигателей MAK (рис. 3.21). Тогда рекомендованная область комбинаторных характеристик находится существенно ниже.

Колебания нагрузки при маневрировании, а значит и уровня теплонапряженности зависят от возможностей регулятора частоты вращения. Если регулятор реализует ограничения по теплонапряженности и давлению наддува (UG-40TL, PGA, электронные), то больших бросков топливоподачи при наборе мощности не будет (см. рис. 2.6). Если же такие функции не поддерживаются (регулятор UG-40), то нагрузки будут больше, а чрезмерное задание по частоте (R3) может привести к кратковременному максимальному положению рейки (выход на упор, на характеристику самого полного).

Допустим была уставка (задание) регулятора (R1), соответствующая малому ходу М вперед. Устанавливаем задание (уставку) среднего хода R2 или R3. Регулятор UG-40 отработает рассогласование частот вращения. Больше рассогласование, больше подача топлива. Продолжительность подачи в зависимости от нагрузки. А интенсивность подачи топлива зависит от настройки изодромной связи. Изодром может подать топливо быстро или растянуто.

Количества подаваемого топлива будут соответстветствовать подачам данных частичных характеристик, проходящих через точки пересечения винтовой характеристики I и новых заданных регуляторных R2 (или R3), а не уровню максимальной подачи (упор рейки).

Рис. 2.7. Маневровая операция при управлении регулятором типа UG-40: I, II, III – винтовые характеристики; R1, R2, R3 – регуляторные характеристики; СМ – Самый малый ход; М – Малый ход; С – Средний ход; СП – Самый полный ход.

Но в начале обороты еще не выросли до уровня заданной частичной характеристики. Весь прирост энергии полученной за счет сгорания увеличения подачи топлива пойдет на приращение момента, так как должен выдерживаться баланс энергии, поэтому и линия 01 идет выше линии С (или С1). Величина прироста энергии будет, конечно, зависеть и от эффективности использования впрыснутого топлива. На эффективность сгорания влияет эпюра впрыска.

Может произойти пересечение линии 01 сначала с регуляторной характеристикой в точке 1 с последующим разгоном по регуляторной характеристике R2 до точки 3, а возможен и выход на предельное ограничение подачи топлива в точку 1 штрих (упор рейки), если задание по оборотам было большим (характеристика R3). Тогда дизель разгоняется по характеристике максимальной подачи до частоты, которой соответствует точка 2, и далее по регуляторной характеристике R3 до режима 3 штрих.

С точек 3 или 3 штрих начинается разгон судна, инерция которого значительно больше инерции ГД и валопровода. Двигателем этот режим будет восприниматься как винтовой утяжеленный II. Положение этой линии будет зависеть от момента инерции ГД, валопровода, задания оборотов, изменения механических потерь в ГД и передаче.

Разгон судна будет более медленным и закончится в точке пересечения с винтовой характеристикой I в точке 4 (или 4 штрих).

Исходя из вышеизложенного однозначная рекомендация следующая: нагружать двигатель надо поэтапно, по возможности медленно. Однако, при управлении ГД штурманом с мостика эта рекомендация может не выполняться.

Аналогично происходит переходный процесс при изменениии режима с С1 на малый ход (М) в последовательности 4 штрих – 5 штрих – 6–7–0.

При использовании регуляторов, реализующих ограничения по теплонапряженности и наддуву (UG-40TL, PGA, большинство электронных) ограничительная характеристика, которая будет всегда располагаться ниже линии упора, будет снижать нарастание подачи топлива (см. рис. 2.7)

2.4.2. Страгивание судна с места и его разгон

На режиме страгивания судна с места ГД может быть перегружен по крутящему моменту.

Изменение нагрузки на ГД в период разгона судна показано на рис. 2.8 [1].

Рис. 2.8. Изменение нагрузки на двигатель в период разгона судна [1].

Разгон осуществляется ступенчато. Рукоятка управления регулятором последовательно с выдержкой по времени фиксируется в нескольких промежуточных положениях. На каждом промежуточной регуляторной характеристике делается выдержка во времени, необходимая для стабилизации теплового состояния двигателя. При достаточном количестве ступеней разгона судна удается затрачивать меньшую работу двигателя и исключается вероятность его перегрузки.

При экстренном разгоне судна рукоятка управления после запуска двигателя сразу переводится из положения N_p1 в положение, соответствующее номинальной частоте вращения коленчатого вала. Рейка топливных насосов высокого давления передвигается регулятором в положение, соответствующее максимальной подаче топлива. Изменение эффективной мощности и частоты вращения коленчатого вала в период разгона происходит по более крутой винтовой характеристике (на рис. 2.8 – по характеристике, соответствующей относительной скорости судна = 0,4).

Двигатель выходит на внешнюю номинальную характеристику. При дальнейшем разгоне судна нагрузка на двигатель будет изменяться по внешней номинальной скоростной характеристике. Двигатель неизбежно перегружается

Точка 14 характеризует нагрузку на двигатель по окончании разгона судна. Таким образом, в штатных условиях медленный разгон осуществляется ступенчато приблизительно по винтовой теоретической характеристике.

В установках с ВРШ обеспечивается более быстрое протекание процесса разгона судна благодаря возможности полного использования эффективной мощности двигателей и получению более высоких тяговых характеристик судна

2.4.3. Реверсирование главного двигателя

Неустановившиеся процессы реверсирования и его фазы рассмотрены в известной литературе [1,9,30], поэтому ограничимся лишь рассмотрением некоторых моментов важных для обеспечения безопасной эксплуатации.

При торможении контрвоздухом (или при включения муфты реверса) резко возрастает нагрузка на ГД. Во избежание механических перегрузок контрвоздух следует подавать, когда частота вращения снизится до 30…40 % от номинального значения. Подача контрвоздуха при более высокой частоте малоэффективна из-за ограниченного поступления воздуха вследствие запаздывания момента открытия пусковых клапанов и недостаточности их время-сечения.

Реверсирование контрвоздухом может перевести судно на работу по более тяжелой винтовой характеристике нежели швартовная характеристика. Судно по инерции продолжает двигаться вперед, а ГД раскручивает винт на задний ход. Во избежание перегрузки двигателя по моменту следует снижать частоту вращения. А при работе на швартовых следует ограничивать частоту вращения во избежание перегрузки кормового конца коленчатого вала.

Реверсирование ГД, соединенного с ГВ через реверсивную муфту или реверсивный редуктор, осуществляется при снижении частоты вращения вала до 50…70 % от номинальной.

Гидродинамические передачи улучшают реверсивные свойства СДУ и сокращают время реверсирования. Время освобождения и наполнения рабочей жидкостью полостей гидромуфт составляет 5…15 с. Заполнение полости заднего хода начинается до полного опорожнения полости переднего хода. Длительность торможения ГВ составляет 10…30 с. Время реверсирования сокращается на 40…45 % [2].

В агрегатированных многомашинных редукторных установках с гидродинамическими и разобщительными фрикционными муфтами при частых переменах хода один двигатель может работать в одном направлении, а другой – в другом. Заполнение (включение) той или иной муфты быстро изменяет направление вращения гребного вала. При этом отпадает необходимость осуществлять запуски двигателей в процессе маневрирования и реверсирования судна.

При реверсировании с полного хода ГВ с помощью реверсивной муфты рукоятку ВРЧВ переводят на упор реверсирования (45…50 % от номинального значения оборотов), обеспечивая работу дизеля по регуляторной характеристике. ГВ перейдет в турбинный режим работы.

Муфта выключается когда частота вращения ГВ снизится до значения соответствующего упору реверсирования. Регулятор автоматически установит подачу холостого хода. Потом рукоятка муфты переводится на задний ход. ГД нагружается по регуляторной характеристике реверсирования, останавливается, а затем его можно нагружать по винтовой характеристике заднего хода, не выходя за пределы ограничительной характеристики [1].

В судовых дизельных установках с ВРШ реверсирование осуществляется поворотом лопастей гребного винта через нулевой шаг.

При реверсировании с полного хода Вперед конечное положение лопастей следует выбирать так, чтобы ГД в любой момент реверса не перегружался и крутящий момент на валу не превышал 100 %. Если условия работы судна предполагают частое экстренное реверсирование, ГД должен иметь запас по эффективному крутящему моменту.

Оптимальный вариант реверсирования с помощью ВРШ вручную трудно осуществить. Этим требованиям удовлетворяют автоматизированные системы управления судовыми дизельными установками с ВРШ

2.4.4. Режимы работы двигателей при циркуляции судна

По характеру воздействия на ГД весь маневр циркуляции судна следует разделять на участки входа и выхода из циркуляции и участок движения с постоянным радиусом циркуляции.

Рис. 2.9. Изменение нагрузки на двигатели при циркуляции двухвинтового судна [1].

На участках входа и выхода двигатели работают на неустановившихся режимах, вызванных изменением скорости судна, угла перекладки руля, угла дрейфа.

При сохранении радиуса циркуляции ГД работают на установившихся режимах, отличных, однако, от тех, что имели место во время хода судна на прямом курсе. При циркуляции судно движется не только по радиусу, но и с дрейфом, скорость его падает при той же частоте вращения ГВ. Винты работают в косом потоке и их КПД снижается. Нагрузка на ГД возрастает [1].

В многовальных установках наблюдается значительные перераспределения нагрузок между двигателями. Гребные винты, расположенные ближе к центру циркуляции, нагружаются в большей степени. На рисунке 2.9 показано распределение нагрузки между ГД при повороте судна налево

По оси абсцисс отложены значения углов поворота корпуса судна. В начале циркуляции правый наружный винт даже несколько разгружается, но в дальнейшем нагрузка увеличивается, превышая номинальную на 6…7 %. На левый двигатель нагрузка возрастает, достигая 170 %..

По мере поворота судна радиус циркуляции непрерывно уменьшается, а скорость судна падает. Происходит «утяжеление» винтовой характеристики. По опытным данным «утяжеление» винтовых характеристик для внутренних ГВ при циркуляции с полного хода оценивается коэффициентом 1,2…1,25, для внешних винтов – коэффициентами 1,1…1,15. Циркуляция даже при неполной частоте вращения приводит к перегрузке двигателей.

Рациональное управление такими режимами состоит в снижении частоты вращения ГД, работающего на ГВ, обращенный к центру циркуляции или полном отключении этой линии вала.

2.4.5. Управление режимами работы ГД в штормовых условиях

Плавание в неблагоприятных условиях (сильный шторм, ураган, тайфун) может привести к серьезным повреждениям корпуса, водотечности, разрыву обшивки, разрушению крепления механизмов и даже гибели судов (паромы «Эстония», «Тойя Мару», «Harta Rimba», танкеры «Китус», «Престиж», сухогрузы «Luno», «Arvin» др.). Работа ГД в штормовых условиях неизбежно связана с увеличением сопротивления движению судна, ростом и нестабильностью нагрузки на ГД. Необходимо предпринимать соответствующие обстановке действия и как можно чаще контролировать работу ГД по показаниям приборов и другими доступными способами.

При шторме бортовая и килевая качка неизбежна. Согласно требованиям РМРС главные и вспомогательные механизмы должны нормально работать при длительном крене при статических условиях на тот или иной борт до 15,0 градусов, при крене при динамических условиях (бортовой качке) до 22,5° градусов. Длительный дифферент на нос или на корму допускается до 5°, а динамический дифферент на нос или на корму (килевая качка) до 7,5°.

Рассмотрим работу ДЭУ с ВФШ в штормовых и предштормовых условиях. Изменение скорости судна и соответственно оборотов ГД вызывается: увеличением сопротивления движению из-за волновой и ветровой нагрузки, уменьшением КПД винта из-за работы в косом срезе, ограничением используемой мощности ГД, намеренным снижением скорости при возникновении ударов корпуса о волны и с целью снижения чрезмерных ускорений при качке. Предельные значения скорости можно определить по штормовым диаграммам В. Б. Липиса и Д. В. Кондрикова.

При движении навстречу волне в широком диапазоне курсовых углов возможно возникновение такого явления как слемминг (удары днищем о волны). Тогда необходимо снижение скорости и уменьшение осадки судна носом.

Нагрузки на ДЭУ неустановившиеся и непрерывно изменяющиеся во времени, так как происходят частые перекладки руля, изменение глубины погружения ГВ. Винтовая характеристика будет изменяться от утяжеленной до облегченной и обратно с изменяющейся частотой.

Необходимо обеспечить надежную работу ГД без значительных механических и тепловых перегрузок, в то же время необходимо обеспечить максимально возможное использование мощности ГД, не допуская его остановки по предельной частоте вращения. Изменение нагрузки на двигатель во время плавания в штормовых условиях можно проследить по графику, изображенному на рисунке 2.10 [9]

Рис. 2.10. Работа двигателя в штормовых условиях:

I – теоретическая винтовая характеристика, соответствующая номинальной мощности;

II, III – утяжеленная и облегченная винтовые характеристики; а₀, а₁ – характеристики постоянной топливоподачи; b₁, b₂ – регуляторные характеристики; b₀ – ограничительная регуляторная характеристика; IV – ограничительная характеристика (показана упрощенно и условно прямой линией).

Возможны различные способы управления ГД.

Ручное управление с постоянной топливоподачей (g_u = const). При поддержании номинальной подачи топлива частота вращения и нагрузка будет меняться в диапазоне 3–1–2 (при всходе на волну) и 2–1–3 (при сходе с волны).

Этот способ управления реализуется при работе с предельным регулятором частоты вращения (например, регулятором двигателя ДКРН 70/120) или при работе в аварийном режиме (управление с местного поста двигателя). При этом частота вращения будет выходить за ограничительную характеристику b_о, что недопустимо, а в диапазоне 1–2 двигатель будет перегружаться. По этим причинам во время шторма можно перейти на частичную характеристику а₁, которая обеспечивает работу по линии 7, 5, 9. и ограничить предельную частоту вращения. Это уже будет вариант простого комбинированного способа управления (и частотой и подачей топлива), но без учета ограничений крятящего момента.

При использовании указанного ранее всережимно-предельного регулятора в режиме всережимного между толкателем и роликом ограничения частоты в регуляторе устанавливают проставку, задавая тем самым меньшее значение максимально допустимой частоты вращения. Несколько ослабевают затяг пружин чувствительного элемента маховиком регулятора. Затем увеличивают подачу топлива до номинального значения (по нагрузке) [70]. Работа будет осуществляться по линиям 6–5–7 и обратно 7–5–6.

При использовании всережимных регуляторов с ограничениями подачи топлива по повышению тепловой напряженности и понижению давления наддува работа будет происходить по линиям 6–4–7 и 7–4–6.

При сильном волнении моря судно движется с малой скоростью, частота вращения коленчатого вала часто не превышает 25–40 % от номинальной. Двигатель работает неустойчиво и может заглохнуть, при резком увеличении сопротивления движению судна.

Большие колебания частоты вращения, вызывают значительные динамические нагрузки, колебания крутящего и опрокидывающего моментов. Рост динамических нагрузок из-за сил инерции приводит также к ускоренному износу приводов навесных насосов, распределительного вала.

Ухудшаются условия работы дейдвудного устройства и подшипников валопровода, особенно упорного из-за неравномерности вращения коленчатого вала и вибрации корпуса судна.

Работа на пониженных частотах приводит к частичному разрегулированию двигателя по максимальному давлению сгорания и температурам выпускных газов. Это вызвано неравномерностью цикловых подач по цилиндрам. Одни цилиндры будут перегружены, другие цилиндры будут недогружены.

Из-за этого снижение топливоподачи, а, следовательно, и эффективной мощности и нагрузки должно быть в принципе более значительным и описываться линией, расположенной ниже линии а1.

Тепловая нагрузка на двигатель меняется незначительно, но снижение мощности продлевает время нахождения судна в зоне шторма.

При автоматическом регулировании при помощи всережимного регулятора (n = const) изменение частоты вращения будет незначительным, но возможны резкие изменения подачи топлива и, соответственно, нагрузки двигателя. Во избежание больших перегрузок необходимо перейти на пониженную регуляторную характеристику b₁ или b₂, хотя при этом все равно будут значительные колебания нагрузки, а развиваемая двигателем мощность, будет существенно меньше.

Но и снижение частоты вращения ГД только путем уменьшения затяжки пружины чувствительного элемента регулятора ограничено, если используется обычный всережимный регулятор. Так, например, при работе в штормовых условиях двигателя 6L35MC (с регулятором UG-40), имеющего обороты полного хода – 170 об/ мин., а обороты эксплуатационного хода – 150 об/мин., снизить частоту вращения удается только до 135…140 об/мин. При дальнейшем снижении частоты вращения двигателя возрастали температуры по цилиндрам, так как на таких режимах турбокомпрессор уже не обеспечивал расход наддувочного воздуха, соответствующий подаче топлива, то есть точка 7 находящаяся на пересечении ограничительной характеристики и регуляторной характеристики b₁ находилась бы ниже точки пересечения регуляторной характеристики b₁ и утяжеленной винтовой характеристики II.

Некоторые регуляторы (EGC 2000 Lyngso Marine) обеспечивают постоянство мощности ГД при волнении моря, уменьшая диапазон колебаний тепловой нагрузки (подр. 6.2.3.3).

В ряде регуляторов (UG-40TL, PGA Вудвард и в большинстве электронных) предусмотрена защита по тепловой перегрузке и давлению наддува. Ограничительные характеристики реализуются, например, в виде подвижного упора (в UG-40TL), ограничивающего движение поршня сервомотора в зависимости от частоты вращения и давления наддува. Реализуется комбинированная характеристика управления, которая характеризуется большей мощностью (6–4–7).

По опытным данным, степень утяжеления винтовой характеристики и увеличение нагрузки на двигатель в условиях плавания на 4…5-х бальной волне достигает 1,13…1,16 (при той же частоте вращения) по сравнению с плаванием в штилевую погоду. Пределы колебания нагрузки при всходе на волну и сходе с волны составляют 1,25…0,9 [10]. При этом увеличение потребной мощности в значительной мере зависит от направления движения судна по отношению к волне.

Таким образом, наиболее эффективным способом управления ГД с ВФШ во время шторма является работа по комбинированной характеристике.

При плавании в балласте или с неполным грузом во время шторма необходимо балластировкой обеспечить, возможно, большее погружение винта.

Для предотвращения срыва потока охлаждающей воды забортную воду следует принимать через донный кингстон и периодически выпускать воздух из приемных фильтров.

В установках с ВРШ и валогенератором (ВГ) с постоянным передаточным числом традиционной конструкции рекомендуют отключать ВГ по соображениям безопасности. При резких колебаниях частоты вращения возможно срабатывание защиты ВГ традиционной конструкции и полное обесточивание СДЭУ. В штормовых условиях СДЭУ с ВРШ работают при постоянной частоте вращения ГД, а нагрузка меняется разворотом лопастей винта. Если регулятор надежно держит обороты, то ВГ отключать не надо. Но если в результате заглубления винта произойдет значительное падение частоты за предельное ограничение для ВГ, то он отключится и должен автоматически включиться ДГ.

Надежно избежать обесточивания из-за аварийного отключения ВГ можно при параллельной работе ВГ с ВДГ, которая обычно не рекомендуется. Однако существуют схемы, обеспечивающие устойчивую работу ВГ и ВДГ в широком диапазоне частот вращения ГД (см. подраздел 2.5).

Возможности использования ВГ при работе в предштормовых и штормовых условиях зависят от способа подключения и конструкции ВГ. В современных дизельных СЭУ применяются три основных типа ВГ: с постоянным передаточным числом, с постоянной частотой вращения и с постоянной электрической частотой (см. подраздел 2.5). Они имеют различные схемы компоновки устройств отбора мощности от ГД и используют различные системы регулирования частоты, которые позволяют генерировать электрическую энергию с постоянной частотой электрического тока при изменении частоты вращения ГД [28].

Качество производимой электроэнергии зависит от типа ВГ, работающего на определенных частотах вращения ГД. Для иллюстрации возможности выработки электрической энергии приведенными выше тремя типами ВГ на рисунках 2.16 и 2.17 представлены соответствующие графические зависимости.

Очевидно, что лучшими возможностями для успешной реализации режима работы судовой ДЭУ совместно с валогенератором в штормовых условиях обладает валогенераторная система с постоянной с электрической частотой PTO CFE.

В электронных регуляторах двигателей с электронным управлением можно быстро (путем нажатия кнопки «Reogh Seа» в регуляторе DGU 8800 [29] и перехода на режим «Power» в регуляторе EGS 2000) менять настройки изодромной связи при переходе к работе ГД в условиях волнения моря.

Следует иметь в виду, что со временем с изменением статических характеристик пропульсивного комплекса эти параметры следует корректировать. Для нормальных условий плавания и для плавания в условиях волнения моря эти параметры разные.

Важнейшими параметрами настройки регулятора, определяющими динамические режимы работы пропульсивного комплекса является передаточный коэффициент «P\GAIN» и время изодрома «I\GAIN». От запрограммированных исходных величин этих параметров зависит вид переходных процессов и их колебательность в динамических режимах, что в конечном итоге влияет на износ двигателя и расход топлива. При этом динамика переходных процессов в регуляторе и двигателе изменится в благоприятную сторону.

При работе в штормовых условиях надежная работа системы смазки обеспечивается повышением уровня масла в циркуляционном танке до верхней отметки во избежание попадания в масло воздуха при качке.

Бортовая качка усугубляет условия работы поршней в цилиндрах и ухудшает условия их смазывания. При неправильном обслуживании возможны задиры поршня, поэтому целесообразно увеличить подачу лубрикаторного масла в цилиндры и постоянно контролировать тепловое состояние двигателя.

Мы рассмотрели работу ГД при движении на постоянном курсе. Однако, возможные условия эксплуатации более разнообразны. При сильном шторме с ураганным ветром и, соответствующим таким невеселым обстоятельствам, волнении моря, рекомендуется для сохранения безопасности судна способ штормования на носовых курсовых углах. Этот способ штормования наиболее приемлем для судов, у которых полубак защищает палубу от заливания, а полные обводы носовой части и дифферент на корму облегчает всплывание судна на волне. Могут иметь место удары днищем о волны (слемминг). Для удержания судна носом к волне необходимо обеспечивать минимальный ход, достаточный для управления. При этом следует учитывать, что малая скорость судна требует частых и больших перекладок руля.

Если судно достаточно хорошо управляется, а бортовая качка не очень большая, то можно идти курсом не строго против волны, а встречать волну скулой, в этом случае будет больше заглубление винта. Крупнотоннажным судам рекомендуется для уменьшения изгибающих моментов на корпусе штормование на курсовых углах волнения (КУВ) 35–45 градусов [69]. Для надежного удержания судна на курсе рекомендуется периодически менять направление.

Многое зависит от конструкции судна, его загрузки. Так, например, в работе [78] для обеспечения оптимальной скорости танкера предлагается использовать маневр «12–60». Дело в том, что наибольшие скорости движения танкера достигались при курсовых углах ветра и волнения 12 и 60, а наибольшее сопротивление движению в диапазоне углов 24–40. Был предложен способ эффективного последовательного маневрирования танкера в шторм – «12–60». Сначала танкер двигался носом на волну с КУВ 12. Через некоторое время переход на КУВ 60, чтобы не отклониться от курса. После возвращения на первоначальную линию пути с КУВ 0 маневр повторялся.

Для других судов оптимальные углы будут другими, но зная их можно поступая аналогично обеспечить эффективное движение в шторм.

Таким образом, нагрузка на ГД будет еще и периодически увеличиваться за счет необходимости маневрирования в таких сложных условиях. Это необходимо учитывать при выборе уставки частоты вращения, а, возможно, и настройке линии ограничительной характеристики. Но это не все сложности. Предположим предстоит поворот судна.

Поворот судна в штормовую погоду – очень ответственный и опасный маневр. Иногда он совершенно необходим при изменении условий штормовой обстановки, возникновении опасности по курсу или в силу других причин. Перед началом поворота экипаж должен быть извещен об этом, так как будет происходить усиление качки, зарывание в волну и т. п.

Чтобы успешно осуществить поворот при сильном волнении моря, необходима правильная оценка обстановки и правильный выбор момента начала маневра. Надо установить периодичность больших и малых волн, чтобы весь маневр или его часть осуществить в период малых волн и максимально быстро.

Если судно держится на малом ходу носом против волны и нужно развернуться, чтобы идти с попутной волной, следует начать поворот еще при достаточно сильной волне, чтобы судно стало лагом к волне в момент наступления относительно спокойного периода. Первую половину разворота необходимо выполнить с переложенным на борт рулем. Главному двигателю временами придется работать на полной мощности, но так, чтобы судно не увеличивало хода. Закончить поворот нужно как можно быстрее.

Если судно идет с попутной волной, и необходимо развернуться носом против волны, то надо уменьшить ход и выбрать наиболее удобный момент для начала маневра так, чтобы сделать последнюю половину разворота в течение относительно спокойного периода. Первую половину разворота рекомендуется сделать при возможно меньшем переднем ходе судна, а вторую осуществить с помощью ГД, периодически работающего на полный ход в течение короткого периода. Значит в эти периоды можно снять ограничение по теплонапряженности, чтобы кратковременно максимально использовать мощность ГД.

На панели управления AutoChief® можно произвести отмену SHD и SLD по подаче топлива и ограничению нагрузки, которые активны в системе дистанционного управления при обычных условиях плавания.

Для обеспечения безопасного маневрирования следует помнить, что запрещено вести судно на большой скорости при встречной волне и на большой скорости при волне в корму, особенно когда длины судна и волн почти одинаковы. Чтобы исключить резонанс периода волн с периодом бортовой качки судна при следовании лагом к волне следует возможно чаще менять курс. ГД будет подвергаться дополнительным нагрузкам и техническое состояние его узлов, прежде всего ТА, должно соответствовать условиям эксплуатации.