1
Charakterystyki silników okrętowych – temat 7(2).
1.Charakterystyki w funkcji prędkości obrotowej.
2.Charakterystyki w funkcji obciążenia.
3.Charakterystyki regulacyjne.
4.Charakterystyki specjalne.
Charakterystyką silnika nazywa się graficzne przedstawienie zależności poszczególnych parametrów pracy silnika w funkcji
wybranych parametrów i dzielimy je na:
1.
Podstawowe.
2.
Pomocnicze.
Parametry podstawowe:
n- prędkość obrotowa[obr/min],[1/s]
N
e
– moc użyteczna [kW]
G
e
– godzinowe ( sekundowe) zużycie paliwa [kg/h],[kg/s],
g
e
– jednostkowe zużycie paliwa [g/kWh],[g/MJ],
M
o
– moment obrotowy [Nm],
p
e
– średnie ciśnienie użyteczne [MPa],[kPa],
G
p
– zużycie powietrza [g/s],
Parametry pomocnicze:
t
w
;T
w
– temperatura spalin na wylocie z cylindra [
o
C],[K],
t
wp
;T
wp
– temperatura spalin przed turbiną[
o
C],[K],
t
wz
;T
wz
– temperatura spalin za turbiną [
o
C],[K],
p
w
– ciśnienie spalin na wylocie z cylindra ( przed turbiną lub w kolektorze wylotowym [
o
C],[K],
p
i
- średnie cisnienie indykowane [MPa], [kPa],
p
k
– ciśnienie sprężania [MPa],[kPa],
η
m
– sprawność mechaniczna,
n
t
– prędkość obrotowa turbin [obr/min],[1/s],
p
d
– ciśnienie doładowania [kPa],
2
t
d
– temperatura doładowania [
o
C],[K]
α
ww
– geometryczny kąt wyprzedzenia wtrysku [
o
OWK],
α
p
– kąt przepłukania [
o
OWK].
Charakterystyki służą do oceny właściwości techniczno eksploatacyjnych silnika w całym polu jego pracy.
Podstawą wykreślenia charakterystyk są pomiary wykonywane w ustalonych warunkach obciążenia.
Ze względu na zmienną niezależną rozróżnia się następujące grupy charakterystyk:
1.Charakterystyki prędkościowe,
2.Charakterystyki obciążeniowe.
3.Charakterystyki regulacyjne.
4.Charakterystyki ogólne, zwane także charakterystykami uniwersalnymi.
Charakterystyki prędkościowe – przedstawiają zależność podstawowych lub pomocniczych parametrów pracy
silnika w funkcji prędkości obrotowej.
Najważniejsze charakterystyki to:
•
Charakterystyki wykonane dla stałej nastawy paliwowej,
•
Charakterystyki wykonane dla zmieniającej się nastawy paliwowej, tak, aby rozwijana moc przez silnik
była równa mocy zapotrzebowanej przez śrubę okrętową i takie charakterystyki nazywamy
ś
rubowymi.
Charakterystyki wykonane dla stałej nastawy paliwowej- w celu określenia np. Ne=f(n) zakłada się, że
sprawność efektywna silnika w danym przedziale prędkości obrotowej jest stała.
G
e
·W·
ηηηη
e
Moc rozwijana przez silnik
N
e
=
[kW]
3600
gdzie:
G
e
- masa paliwa zużywanego przez silnik
G
e
= g
w·
n·z·60
[kg/h]
;
G’[g/h];
3
W – wartość opałowa paliwa
( dla paliwa umownego W
o
wynosi 10.000 kcal /kg lub 41868 kJ/kg)
n- prędkość obrotowa [obr/min]
z-liczba zapłonów w cylindrze nz jeden obrót wału korbowego:
•
dla silników dwusuwowych z = 1,
•
dla czterosuwowych z = ½,
g
w
– ilość paliwa wtryskiwana w jednym cyklu oraz ilości wtrysków w ciągu godziny.
M
o·
n
N
e
= C
1·
g
w ·
n
N
e
= C·
p
e·
n
N
e
=
[kW]
9,55·10
3
gdzie:
C= c· i
– stała silnika
gdzie c- stała cylindra
c = V
s
· z / 60 · 10
3
gdzie
V
S
= F
t
·S
Moment obrotowy –
Mo
≈≈≈≈
9,55 · 10
3
C· p
e
= C’· p
e
[Nm]
gdzie
C’ = 9,55 · 10
3
·C
; p
e
– średnie ciśnienie efektywne [Pa].
Porównując powyższe wzory na moc efektywną zauważa się, że średnie ciśnienie efektywne oraz moment obrotowy są
wielkościami zależnymi od wielkości wtryskiwanej dawki paliwa.
W rzeczywistości moc
Ne
, moment obrotowy i inne parametry zależą nie tylko od dawki paliwa, ale i od stopnia jej
wykorzystania to znaczy od sprawności efektywnej, która nie jest stała, jak założono, lecz zmienia się w całym zakresie
prędkości obrotowych i obciążenia.
Rzeczywisty przebieg charakterystyk pokazano na rys. 3.24b.
Zmieniając dawkę paliwa można otrzymać charakterystyki dla różnych stopni obciążenia SG.
4
Do najważniejszych zaliczamy:
•
Charakterystyki mocy znamionowej ( nominalnej)lub pełnej mocy lub charakterystykę zewnętrzną.
Ponadto wykonuje się charakterystyki:
•
Charkterystkyki granicy dymienia,
•
Charakterystyki mocy maksymalnej,
•
Charakterystyki mocy eksploatacyjnej.
•
Charakterystyki biegu jałowego, itp.
Charakterystyka mocy znamionowej służy do oceny walorów techniczno-eksploatacyjnych silnika – rys.3.26.
Charakterystyka śrubowa – rys.3.27. – należy do grupy charakterystyk prędkościowych i przedstawia
zależność wybranych parametrów pracy silnika okrętowego od prędkości obrotowej podczas zmian obciążenia
silnika wg równania śruby napędowej
N
s
= K· n
s
3
.
Przy bezpośrednim napędzie śruby prędkość obrotowa śruby i silnika są takie same.
A więc
Ne
= N
s
= K·n
3
oraz
M
o
= M
s
= K’·n
2
gdzie K i K’ – współczynniki proporcjonalności zależne od geometrycznych wymiarów śruby, a w
szczególności od stosunku H/D ( H- skok śruby, D – jej średnica) i gęstości ośrodka ( wody).
Rzeczywiste przebiegi charakterystyk śrubowych mogą się różnic od charakterystyk wykonanych na hamowni i
różnice wynikają z wpływu kadłuba statku i warunków pływania a więc nie do końca znanych współczynników
K i wykładników
x
dla rzeczywistych warunków pływania.
Charakterystyki obciążeniowe przedstawiają zależność parametrów pracy silnika od parametru
charakteryzującego obciążenie przy stałej prędkości obrotowej silnika – rys.3.28.
Parametrem niezależnym może być:
5
•
Moc silnika,
•
Moment obrotowy,
•
ś
rednie cisnienie efektywne, nastawa paliwowa ( wskaźnik obciążenia).
Charakterystyki regulacyjne przedstawiają zależność wybranych parametrów pracy silnika od wielkości
regulowanej. Najczęściej wykonywane są charakterystyki zależności
g
e
i
p
e
od kata wyprzedzenia wtrysku
αααα
ww
lub kata wyprzedzenia zapłonu
αααα
wz.
Charakterystyki regulacyjne są cennym źródłem informacji o pracy silnika w zakresie wykraczającym poza
normalne warunki eksploatacyjne. Stanowią ogólne wskazówki dla obsługi, co do wymagań odnośnie stopnia
dokładności nastawy poszczególnych parametrów regulacyjnych – rys.3.29.
Charakterystyki ogólne.
Bardzo cenną formą graficznego przedstawienia własności eksploatacyjnych silnika są tzw. charakterystyki
ogólne, zwane uniwersalnymi, umożliwiające ocenę parametrów techniczno – eksploatacyjnych silnika w
określonym obszarze zmienności
n, p
e
lub
N
e
.
Są to charakterystyki wieloparametrowe, przedstawiające krzywe jednostkowego zużycia paliwa
g
e
, temperatury
spalin
t
w
, najwyższego ciśnienia spalania
p
max
itp. – rys. 3.30.
Pole pracy silnika okrętowego – rys.3.33.
Obszar współpracy silnika ze śrubą napędową ograniczają tak charakterystyki śruby napędowej jak i silnika.
Silnik okrętowy może współpracować ze śrubą o stałym lub nastawnym skoku.
Utrzymanie stabilnej pracy zespołu – pracy ze stała prędkością obrotową – utrzymania stałych obrotów silnika
służy regulator obrotów.
6
Pole współpracy silnik - śruba napędowa ograniczone jest ( ze względu na silnik) charakterystykami mocy dla
znamionowej i eksploatacyjnej nastawy paliwowej
h
z
i
h
e
( charakterystyki znamionowego lub
eksploatacyjnego momentu), charakterystyka pompowania
p
, prostą
n
min
oraz charakterystykami
regulatorowymi
r
lub
r’
.
Aby dawka paliwa, a tym samym moment obrotowy nie mogły rosnąć w sposób niekontrolowany, ogranicza się
ją do wartości znamionowej nastawy paliwowej
h
z
przez odpowiednie blokowanie listwy paliwowej.
Eksploatacja silnika na lewo od charakterystyki p jest niemożliwa.
Dolny zakres mocy ogranicza krzywa hm mocy biegu jałowego.
Zmiana mocy silnika przy stałej prędkości obrotowej odbywa się wg charakterystyki regulatorowej.
Charakterystyki silnika wyznaczą
obszar mocy dla pracy trwałej - pole E,1,2,3,4,5,E
oraz
obszar mocy dla pracy ograniczonej – pole Z,1,2,3,4,5’,Z
( praca możliwa przy współpracy ze śrubą o nastawnym skoku i z ograniczeniem podanym przez producenta).
Producenci silników podają wykresy w logarytmicznym układzie współrzędnych – rys.3.34.