Конспект лекции Анализ режима реверсирования ГД и гребного винта

5

Гл. 9. Режимы работы двигателей

Режимы при плавании во льду

Плавание судна во льду можно рассматриваться, как плавание при увеличенном сопротивлении, которое зависит от ледовой обстановки в районе плавания.

Свободное плавание. Особенно повышенные нагрузки испытывает судно и главный двигатель при свободном плавании во льду. В этом случае судну приходится самостоятельно преодолевать ледовые поля. Ледовые перемычки приходится преодолевать с разгона, что требует многократное реверсирование и быстрое увеличение мощности двигателя до максимальной. При этом двигатель испытывает повышенные как тепловые, так и механические нагрузки. При пуске сжатым воздухом двигателя с зажатым льдом винтом, среднее эффективное давление может превышать неоднократно среднее эффективное давление при работе. Удары винта об лёд создают дополнительные напряжения КШМ.

Плавание в составе каравана под проводкой ледокола. При плавании в караване суда вынуждены соблюдать определенный интервал во избежание затягивания канала льдом. В случае застревания во льду впереди идущего судна во избежание столкновения, возникает экстренная необходимость в быстрой остановке и реверсировании судна с полного хода вперед на полный ход назад. Данные маневры вызывают значительные как механические, так и тепловые напряжения.

Плавание за ледоколом на буксире и «на усах». Мощность ледоколов нередко значительно превышает мощность буксируемых судов. Некоторые ледоколы даже во льду вместе с буксируемым судном способны развивать скорость, превышающую эксплуатационную скорость судна. Винт буксируемого судна вследствие авторотации может развивать максимальные обороты при подаче топлива соответствующей самому малому ходу. В этом случае силы инерции поступательно движущихся частей КШМ будут превышать силы давления газов, создавая механические напряжения несвойственные нормальной работе двигателя.

Режим реверсирования главного двигателя и гребного винта

Перемена хода судна с переднего на задний ход и наоборот при наличии ВФШ требует реверсирования вращения гребного винта и двигателя. При реверсировании 4-х тактного двигателя требуется изменение фаз топливоподачи, газо- и воздухораспределения. Для этого на распределительном валу устанавливается по два комплекта распределительных шайб, обеспечивающих работу на передний и задний ход. При реверсе под ролики толкателей ТНВД, клапанов и воздухораспределителя подводится соответствующий комплект шайб. В 2-х тактных двигателях с контурной продувкой изменяются только фазы топливоподачи и распределения пускового воздуха (воздухораспределители). В двигателях с прямоточно-клапанной продувкой в дополнение к отмеченному требуется реверсировать фазы выпускного клапана. На распределительном валу привода клапанов имеется один комплект кулачков и при реверсировании для изменения фаз при повороте коленчатого вала распределительный вал затормаживается и это обеспечивает его смещение на заданный угол.

В зависимости от обстоятельств реверсирование двигателя приходится совершать в диапазоне от нулевой скорости (судно неподвижно) до скорости полного хода. Если реверсирование в период маневров, осуществляемое при относительно небольших скоростях, особых проблем не вызывает, то реверсирование на полном ходу хоть и возможно, но может привести к серьезным механическим нагрузкам в элементах движения двигателя.

Реверсирование начинается с того, что с двигателя снимают нагрузку, выключая подачу топлива. При этом двигатель продолжает вращаться под действием потока воды, вращающей гребной винт в прежнем направлении и момента инерции его движущихся масс. Время вращения двигателя после выключения подачи топлива до полной остановки в зависимости от массы судна и его скорости занимает несколько минут. В ситуациях, когда необходимо быстрое реверсирование, для сокращения времени остановки двигателя с целью возможного его пуска на задний ход применяют торможение вращения вала, стопоря двигатель контрвоздухом посредством подачи сжатого воздуха в цилиндры двигателя через пусковые клапаны на линии сжатия.

На рисунке показана продолжительность свободного вращения двигателя до полной остановки (1) и вращения с применением контрвоздуха (2).

Логично утверждать, что и выбег корпуса судна при торможении двигателя контрвоздухом будет также меньше.

Кривые изменения момента винта при реверсировании (рис. 9.7) показывают, что момент винта М_в изменяет свой знак при любой скорости движения судна.

Рассмотрим процесс реверсирования со скорости полного хода вперед принимаемой за единицу (v=7). Режим работы двигателя, соответствующий полному ходу судна, будет определяться точкой а. Процесс реверсирования можно разбить на три условных периода.

Первый период - при выключении подачи топлива на двигатель его частота вращения и частота вращения винта быстро падают до 60-70% частоты вращения полного хода п_ном (точка b). В точке b винт начинает тормозить движение судна, момент винта М_в = 0.

Второй условный период работы винта соответствует участку кривой bcd. На этом участке винт приводится в движение набегающим потоком воды и работает как ротор гидротурбины, создавая отрицательный момент, который достигает максимального значения при снижении частоты вращения винта до п_в= (30-40%) п_ном переднего хода (точка с).

Отрицательное значение М_в при этом может достигнуть величины 0,8-1,0 М_{е ном} полного переднего хода. При дальнейшем снижении частоты вращения (участок cd), отрицательный момент заметно уменьшается до значения момента - Mj при частоте вращения, равной нулю (п_в = 0).

На участке bcd быстрая остановка винта от п_в- (0,60-0,70) п_ном до п = 0 достигается подачей контрвоздуха в цилиндры двигателя.

На этом участке двигатель создает крутящий момент, достаточный для преодоления наибольшего отрицательного момента винта, но, как видно из графика, наиболее эффективное и безболезненное для двигателя торможение может быть достигнуто при меньших скоростях хода судна.

Третий условный период реверсирования винта наступает после точки d (рис. 9.6), после его остановки (п_в= 0) и изменения направления вращения уже на задний ход.

Гребной винт, изменив совместно с двигателем вращение в сторону заднего хода, по-прежнему будет так как судно движется прежним курсом вперед создаваемый винтом отрицательный момент будет снова расти. В этот период валопровод подвергается действию скручивающего момента от двигателя и противоположно направленного момента винта, что может привести к значительным механическим перегрузкам как самого двигателя, так и валопровода. Действие отрицательного момента винта прекращается после того, как судно прекращает свое движение по инерции и начинает двигаться в требуемом направлении.

Практическое замечание: следует избегать быстро повышать частоту вращения двигателя на задний ход при реверсировании с полного или среднего хода судна.

При реверсировании двигателя и винта в условиях частичных скоростей хода судна характеристики имеют тот же вид, что и при V = 1 (рис. 9.6). Максимальный отрицательный момент при этом уменьшается по мере уменьшения скорости хода судна, уменьшается и частота вращения, при которой винт начинает работать как гидротурбина.

Реверсирование винта при изменении хода судна с заднего на передний в общем случае сопровождается изменением вращающего момента, аналогичным рассмотренному ранее реверсированию с полного переднего хода на задний. Здесь отрицательный вращающий момент достигает максимальной величины во втором условном периоде кривой реверсирования. Так, при заднем ходе судна со скоростью V = 0,6 от полной скорости вращающий момент двигателя достигает значения М_{е ном} уже при частоте вращения винта на передний ход, равной около +0,2 п_ном.