1
Charakterystyki silników okrętowych
Charakterystykę silnika obrazuje wykreślne lub analityczne przedstawienie jednego lub
kilku wskaźników pracy silnika w funkcji innego wskaźnika, wpływającego na pracę
silnika. Charakterystyki służą do oceny wybranych własności silnika w całym zakresie
jego pracy. Ze względu na zmienną niezależną, charakterystyki dzieli się na:
• prędkościowe, w funkcji prędkości obrotowej silnika,
• obciążeniowe, w funkcji obciążenia silnika,
• regulacyjne, w funkcji wielkości regulacyjnej silnika,
• ogólne, zwane również uniwersalnymi.
Charakterystyki prędkościowe
W grupie charakterystyk prędkościowych wyróżnia się charakterystyki:
1. Wykonane dla stałej nastawy paliwa, nazywane są również charakterystykami
zewnętrznymi.
2. Wykonane dla zmiennej nastawy, nazywane charakterystykami śrubowymi.
W pierwszym wypadku dawka paliwa na cykl pozostaje stała (g
c
=const), natomiast w
drugim (g
c
=var) dobierana jest tak, aby moc rozwijana przez silnik była równa mocy
zapotrzebowanej przez śrubę okrętową. Pod względem sposobu regulacji układów
zasilających silnik, rozróżnia się charakterystyki:
• mocy maksymalnej,
• granicy dymienia,
• eksploatacyjne i biegu jałowego.
Ten typ charakterystyk najczęściej przedstawiany jest w postaci wykresów funkcji: N=f(n)
Uzupełniane są one na ogół wykresami takich funkcji, jak:
gdzie:
M
o
- moment obrotowy silnika,
p
e
— średnie ciśnienie użyteczne,
G
e
i g
e
- godzinowe i jednostkowe zużycie paliwa.
Charakterystyka mocy maksymalnej, nazywana również absolutną lub bezwzględną,
jest określona zależnością największej osiągalnej mocy użytecznej N
e
=f(n) przy wydatku
paliwa odpowiadającym tej mocy oraz optymalnej regulacji urządzeń zasilających silnik
dla poszczególnych prędkości obrotowych silnika. Jest ona pojęciem teoretycznym,
ponieważ praktycznie nie istnieje możliwość optymalnej regulacji urządzeń zasilających
dla wszystkich prędkości obrotowych, szczególnie zaś okresów rozrządu wymiany
ładunku (otwarcie i zamknięcie zaworów) i układu wtryskowego paliwa (parametry
wtrysku).
2
Charakterystyka dymienia jest to zależność N
e
=f(n) przy stałej nastawie dawki paliwa
odpowiadającej umownym objawom dymienia silnika (widoczne zanieczyszczenie spalin
sadzami). Ogranicza ona pole rzeczywistych, możliwych do realizacji stanów silnika o
określonym stopniu zadymienia spalin. Sporządza się ją w ten sposób, że dla różnych
prędkości obrotowych silnika wyznacza się moc, przy której w spalinach zaczynają się
pojawiać sadze.
Charakterystyki eksploatacyjne leżą poniżej krzywej dymienia i przedstawiają zależność
trwałej mocy użytecznej silnika N
e
=f(n) przy ograniczonej nastawie paliwa i optymalnej
regulacji dokonanej dla mocy znamionowej. Charakterystykę mocy znamionowej
wykonuje się przy stałej nastawie paliwa odpowiadającej mocy znamionowej, przy
znamionowej prędkości obrotowej. Do analizy charakterystyk prędkościowych
wykorzystuje się następujące zależności:
gdzie:
C
1
, C
2
, C
3
, C
4
- wielkości stałe dla danego silnika,
η
v
- współczynnik napełnienia,
η
m
- sprawność mechanicza silnika,
R - stała gazowa,
L
tp
- teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania,
p
o
i T
o
- ciśnienie i temperatura otoczenia.
Z wyrażenia wynika, że ciśnienie (p
e
) osiąga maksymalną wartość dla maksymalnych
wartości (
η
v
), (
η
v
/
λ) oraz (η
m
). Sprawność mechaniczna również osiąga wartość
maksymalną, gdy wskaźniki (
η
v
) i (
η
v
/
λ) uzyskają wartości maksymalne.
3
Zmiany sprawności indykowanej w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza
Współczynnik napełnienia (
η
v
) maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika, co
wynika ze wzrostu oporów przepływu. Stąd należy również oczekiwać zmiany sprawności
mechanicznej, zgodnie z wyrażeniem:
gdzie:
p
t
- średnie ciśnienie tarcia.
Wzrostowi prędkości obrotowej silnika towarzyszy powiększanie się średniego ciśnienia
tarcia (p
t
) i zmniejszanie wartości wyrażenia:
Zmiany wymienionych wskaźników w funkcji prędkości obrotowej przedstawiono na
rysunku, z którego wynika, że na przebieg tych charakterystyk ma wpływ doładowanie
silnika.
Zmiany parametrów silnika na charakterystyce prędkościowej (dla stałej nastawy paliwa):
a) silnik bez doładowania, b) silnik z doładowaniem
4
Zmianie ulega przebieg takich wskaźników, jak:
• średnie ciśnienie efektywne (p
e
),
• współczynnik nadmiaru powietrza (λ).
W silniku bez doładowania, średnie ciśnienie (p
e
) osiąga wartość maksymalną dla niższych
prędkości obrotowych. Zmiany współczynnika nadmiaru powietrza spowodowane są tym,
że dla mniejszych prędkości obrotowych zmniejsza się ilość gazów spalinowych
doprowadzonych do turbiny, co powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej sprężarki i
ciśnienia doładowania, co powoduje zmniejszenie gęstości i współczynnika nadmiaru
powietrza. Charakterystyki prędkościowe przedstawia się na ogół w postaci pęku
krzywych dla różnych wskaźników obciążenia.
Charakterystyki prędkościowe dla stałej nastawy paliwa
Odmienny charakter mają charakterystyki prędkościowe dla zmiennej nastawy paliwa
(h
t
=var), do których należą charakterystyki śrubowe. W takiej sytuacji stany robocze
silnika określają punkty przecięcia charakterystyki odbiornika z charakterystykami
prędkościowymi silnika. Na krzywej śrubowej praca silnika może się odbywać przy
zmieniającej się dawce paliwa na cykl, zgodnie z punktami przecięcia krzywej śrubowej z
charakterystykami prędkościowymi silnika. Dla bezpośredniego napędu śruby okrętowej,
prędkość obrotowa silnika jest równa prędkości obrotowej śruby. Oznacza to, że moment
obrotowy silnika (M
o
)jest równy momentowi obrotowemu (M
s
) śruby napędowej
(pomijając straty transmisji mocy), a moc rozwijana przez silnik (N
e
- mocy pobieranej
przez śrubę N
s
).
gdzie:
K - współczynnik proporcjonalności zależny od wymiarów geometrycznych śruby
(H/D),
H - skok śruby.
D - średnica śruby.
5
Można napisać:
Charakterystyki prędkościowe silnika i charakterystyka śrubowa
Eksploatacyjne wartości mocy, prędkości obrotowej i momentu można wyznaczyć z
zależności:
Z przedstawionych wyrażeń wynikają istotne wnioski dotyczące pracy silnika na
charakterystyce śrubowej w zakresie małych prędkości obrotowych. Dla prędkości
obrotowej n
1
= 20% n
n
obciążenie silnika mocą wynosi N
e1
= 1,56%N
n
(mocy
znamionowej), co faktycznie odpowiada pracy silnika przy biegu luzem. W takim zakresie
dłuższa praca silnika jest utrudniona z uwagi na przebieg procesu roboczego w takich
warunkach. Do grupy charakterystyk eksploatacyjnych zalicza się również charakterystyki
regulatorowe, które przedstawiają zależność podstawowych wskaźników pracy silnika od
prędkości obrotowej i ustawienia regulatora obrotów. Charakter tych krzywych zależy od
rodzaju regulatora obrotów zainstalowanego na silniku. Wyróżnia się przy tym
charakterystyki eksploatacyjne silnika pracującego z regulatorem:
• jednozakresowym,
• dwuzakresowym,
• wielozakresowym.
6
Charakterystyka śrubowa silnika okrętowego
Charakterystyki eksploatacyjne silnika z regulatorem:
a) jednozakresowym,
b) dwuzakresowym,
c) wielozakresowym.
7
Regulatory jednozakresowe, zwane również regulatorami granicznymi, stosuje się do
ograniczenia prędkości obrotowej silnika podczas nagłego zmniejszenia obciążenia, w celu
zapobieżenia przeciążaniu siłami bezwładności pod wpływem nadmiernej prędkości
obrotowej. Regulatory tego typu pracują zazwyczaj w przedziale prędkości (0,9
÷ 1,1)n
n
.
Regulatory dwuzakresowe regulują wielkość dawki paliwa w zakresie najmniejszej
prędkości obrotowej oraz w przedziale od znamionowej do największej, dopuszczalnej
prędkości obrotowej. Poza tymi przedziałami wielkość dawki paliwa ustalana jest przez
operatora.
Obecnie stosowane na statkach regulatory wielozakresowe służą do automatycznej
regulacji silnika w całym zakresie stanów roboczych. Odgałęzienia charakterystyki
stanowią krzywe mocy częściowych, uzyskane odpowiednio do nastawy napięcia sprężyny
regulatora.
Charakterystyki obciążeniowe
Charakterystyki obciążeniowe przedstawiają zależność wybranych parametrów pracy
silnika w funkcji parametru charakteryzującego obciążenie silnika. Parametrem
niezależnym może być w tym wypadku moc efektywna (N
e
), moment obrotowy (M
o
),
średnie ciśnienie efektywne (p
e
), nastawa paliwa (h
t
) itp. Przykład ogólny takiej
charakterystyki przedstawiono na rysunku. Pęk charakterystyk na wykresie zawiera takie
krzywe, jak:
1. Jednostkowego i godzinowego zużycia paliwa:
2. Zużycia powietrza:
3. Maksymalnego ciśnienia spalania:
4. Sprawności mechanicznej i ogólnej:
8
Przykład ogólny charakterystyki obciążeniowej
Charakterystyki obciążeniowe silnika Sulzer 6Al25/30 (dla n=700 obr/min)
Charakterystyki obciążeniowe silnika Sulzer typu 6Al25/30 przedstawione na rysunku
wskazują, że najkorzystniejsze wskaźniki ekonomiczne i energetyczne uzyskuje silnik w
przedziale obciążeń eksploatacyjnych. Charakterystyki obciążeniowe silnika służą do
oceny ekonomiczności silników pracujących przy stałej prędkości obrotowej.
Charakterystyki regulacyjne
Charakterystyki regulacyjne przedstawiają zależność wybranych parametrów pracy silnika
w funkcji wielkości regulowanej. Zmienną niezależną może być każda wielkość
regulowana w silniku, na przykład kąt wyprzedzenia wtrysku, ciśnienie wtrysku,
współczynnik nadmiaru powietrza, temperatura powietrza za chłodnicą, temperatura wody
chłodzącej cylindry itp.
9
Charakterystyki regulacyjne zawierają informacje wykorzystywane przy regulacji
silników podczas okresowej obsługi lub remontu, a ich przebieg (płaski lub stromy)
stanowi jednocześnie wskaźnik wymagań w zakresie stopnia dokładności nastawy
poszczególnych parametrów regulacyjnych. Wielkości regulowane, których
charakterystyki są płaskie wymagają mniejszej dokładności nastawy parametrów
regulacyjnych niż te, których charakterystyki są strome.
Charakterystyki uniwersalne
Charakterystyki uniwersalne, zwane również ogólnymi, stanowią wykresy stałych wartości
mocy użytecznej, jednostkowego zużycia paliwa, maksymalnego ciśnienia spalania i
innych parametrów. Sporządzane są one w układzie współrzędnych N
e
-n lub p
e
-n.
Krzywe stałych mocy, w układzie współrzędnych p
e
-n, są hiperbolami o równaniu:
Natomiast w układzie N
e
-n, średnie ciśnienie efektywne jest wprost proporcjonalne do
współczynnika kierunkowego prostej:
Krzywe zmienności poszczególnych parametrów sporządza się na podstawie wyników
pomiarów, bądź odpowiedniej liczby uprzednio sporządzonych charakterystyk
obciążeniowych dla różnych prędkości obrotowych i obciążeń silnika.
10
Charakterystyka uniwersalna silnika Sulzer 8RND90M
Z charakterystyki przedstawionej na rysunku wynika, że najmniejsze zużycie paliwa
występuje w przedziale (60 do 90% N
n
) obciążenia, dla prędkości obrotowych bliskich
prędkości znamionowej (0,85 do 1,0 n
n
). Wraz ze spadkiem mocy, jednostkowe zużycie
paliwa rośnie. Dla określonej mocy silnika maksymalne ciśnienia spalania (obciążenia
mechaniczne) rosną wraz ze zmniejszaniem się prędkości obrotowych.
Niekiedy charakterystyki uniwersalne przedstawia się w układzie współrzędnych M
o
-n.
Dotyczy to przede wszystkim silników pracujących według charakterystyki obciążeniowej.
Pole pracy silnika
Warunki współpracy silnika z odbiornikiem zależą w istotny sposób od charakterystyki
odbiornika. Na wał napędowy działają momenty silnika (M
o
) i odbiornika (M
s
), równe co
do wielkości i przeciwnie skierowane. Punkt pracy układu napędowego wyznacza punkt
przecięcia się charakterystyk silnika i odbiornika, to znaczy równość momentów:
Warunkiem stabilnej pracy układu napędowego jest przecinanie się charakterystyk silnika i
odbiornika pod możliwie dużym kątem, przy jednoczesnym spełnieniu następujących
nierówności:
• w zakresie prędkości obrotowej (n) mniejszych od eksploatacyjnej (n
e
), to znaczy dla
n<n
n
moment obrotowy silnika (M
o
) musi być większy od momentu odbiornika (M
s
),
czyli musi być spełniona nierówność M
o
>M
s
w przeciwnym razie każde zakłócenie
równowagi mogłoby spowodować zatrzymanie silnika,
• w zakresie prędkości obrotowych n>n
n
momenty muszą spełniać warunek odwrotny do
M
o
<M
s
w przeciwnym razie zakłócenie równowagi mogłoby spowodować rozbieganie
się silnika.
Utrzymanie stabilnej pracy zespołu napędowego przy zmiennym zapotrzebowaniu przez
odbiornik mocy wymaga, zatem bieżącej regulacji momentu obrotowego silnika, to znaczy
regulacji nastawy paliwa.
11
Obszar współpracy silnika i odbiornika ograniczają od góry (wartości maksymalne) i od
dołu (wartości minimalne) e ich charakterystyki graniczne, z uwagi na warunki pracy tych
zespołów. Silnik okrętowy napędu głównego może pracować ze śrubą o stałym i
zmiennym skoku.
Współpraca silnika i odbiornika
a) stabilna, b) niestabilna
S - charakterystyka silnika, k - charakterystyka odbiornika.
Pole pracy silnika okrętowego
Pole pracy silnika ograniczone jest: charakterystykami mocy dla znamionowej lub
eksploatacyjnej nastawy paliwa, charakterystyką śrubową dla pracy na uwięzi,
charakterystykami regulatorowymi dla minimalnej i maksymalnej prędkości obrotowe,
charakterystyką granicy pompowania oraz charakterystyką minimalnej wartości momentu
obrotowego. Ponadto pole pracy silnika mogą dodatkowo ograniczać inne charakterystyki,
na przykład obciążeń cieplnych w strefie tropikalnej (wysoka wilgotność powietrza). W
polu pracy zazwyczaj wyznaczony jest obszar dla pracy ciągłej (nieograniczonej w czasie)
oraz dla ograniczonej w czasie. Ten drugi obszar obejmuje warunki, w których mogą
występować przeciążenia cieplne silnika. Praca w tym obszarze dopuszczana Jest tylko z
ograniczeniem czasowym, podanym przez producenta.