Конспект лекции Неравномерность вращения вала

§ 7.2. Неравномерность вращения вала

Крутящий момент двигателя, как и составляющие моменты отдельных цилиндров, непостоянен и представляет собой периодическую функцию с периодом изменения, равным углу заклинивания кривошипов Δα (см. рис.7.5, а, б). Наряду с этим момент, поглощаемый гребным винтом или генератором М_п.эн , практически постоянен и на установившемся режиме должен быть равен среднему крутящему моменту двигателя М_п.эн=М_ср. На диаграмме T_Σ(α) (см. рис.7.5, а) средняя величина момента М_ср представлена в виде прямой, проведенной параллельно оси абсцисс на расстоянии от нее, равном Т_cр.

Площадь прямоугольника ABCD, построенного на базе 0-360° п.к.в. с ординатой Т_ср, будет представлять собой среднюю работу А_ср крутящего момента. Если рассматривать изменение момента двигателя М(Т_Σ) относительно поглощаемого момента М_ср (Т_ср), то (см. рис.7.5, а, б) в отдельные периоды развиваемый двигателем момент превышает момент, потребляемый гребным винтом или иным потребителем энергии (М>М_ср), или T_Σ>Т_ср> а в другие периоды момент двигателя меньше поглощаемого момента.

В соответствии с этим и работа крутящего момента двигателя то больше его среднего значения, то меньше. Так, на участке 0-1 (см. рис. 7.5, б) работа отрицательная (А_нед). Недостаток работы восполняется путем использования части кинетической энергии вращающихся масс двигателя и гребного винта. При этом угловая скорость вала ω падает. На следующем участке 1-2 работа положительная; избыточная работа А_изб расходуется на увеличение кинетической энергии вращающихся масс, и угловая скорость повышается. На участке 2-3 снова недостаток энергии, и угловая скорость снижается.

Колебание частоты вращения вала типично для поршневых двигателей и, как это видно из сделанного анализа, заключается в непостоянстве крутящего момента. При этом, чем больше изменения момента, тем больших изменений частоты вращения вала следует ожидать.

Для оценки неравномерности вращения вала вводится понятие степени неравномерности, под которой понимается отношение максимального приращения угловой скорости коленчатого вала к его средней угловой скорости при установившемся режиме:

(7.16)

где ω_тax и ω_min - максимальное и минимальное значения угловой скорости, а ω_ср = πn/30 - средняя угловая скорость.

Из определения степени неравномерности следует, что равномерность вращения вала тем больше, чем меньше δ. Рекомендуемые значения δ лежат в пределах для двигателей:

главных, приводящих в движение гребной винт, δ - 1/20-1/40;

вспомогательных, приводящих в движение генераторы: постоянного тока δ = 1/100 - 1/150, переменного тока δ= 1/150- 1/300.

Вал двигателя, имеющего большее число цилиндров, вращается равномернее. Неравномерность вращения вала увеличивается при выключении из работы одного или нескольких цилиндров, при увеличении неравномерности распределения мощности между цилиндрами и отклонений в значениях максимального давления цикла в цилиндрах. Для сохранения требуемой равномерности вращения вала необходимо, чтобы отклонения Р_i и P_z в отдельных цилиндрах были минимальны и не превышали соответственно ±2,5 и ±3,5 % от их среднего значения для всех цилиндров.

С увеличением махового момента вращающихся масс (а это равносильно увеличению запаса кинетической энергии) степень неравномерности δ уменьшается. Поэтому для обеспечения более равномерного вращения вала маховой момент необходимо увеличить; обычно для этого увеличивают маховой момент маховика G_мD², где G_м масса маховика, D его диаметр.

В судовых малооборотных двигателях в связи с большими вращающимися массами достаточно низкая степень неравномерности вращения обеспечивается самими вращающимися массами, поэтому необходимость в маховике отпадает, а имеющийся маховик в основном выполняет функцию зубчатого колеса валоповоротного механизма. При анализе причин, вызывающих неравномерное вращение вала, колебания угловой скорости, вызываемые неравномерностью регулятора частоты вращения и волнением моря, не учитывались, так как эти колебания по частоте несоизмеримы с рассмотренными, их период во много раз превышает время одного оборота вала.