Stany nieustalone charakteryzuje zmienna w czasie zależność funkcyjna wszystkich wskaźników pracy silnika, na przykład:

N_t=f(M₀,n,_Pi,T_v,h„A.,r\,.Ti₀,G_t,_g„.....t)

Zmiany parametrów procesu roboczego w czasie są uwarunkowane następującymi czynnikami:

• właisnościami dynamicznymi silnika i odbiornika,

• właisnościami dynamicznymi systemów sterowania silnikiem i odbiornikiem,

• charakterem zmian czynników zewnętrznych oddziałujących na silnik,

• chrakterem zmian położenia organów sterowania silnikiem.

Pracę silnika w stanach nieustalonych cechuje:

• Brak równowagi pomiędzy ilością energii doprowadzonej i odprowadzonej od silnika

• brakrównowagi między momentem obrotowym silnika i odbiornika

• brak równowagi pomiędzy ciepłem doprowadzanym przez spaliny do ścianek ory spalania i ciepłem odprowadzonym przez czynnik roboczy (chłodzenie)

• nieustalony bilans przepływu przez kolektor wlotowy

• nieustalony bilans przepływu przez kolektor wylotowy

G_g*G,

• brak równowagi między momentem obrotowym turbiny i sprężarki

oraz inne nierówności wynikające ze schematu przedstawionego na rysunku 1.3.

Zbiór stanów nieustalonych stanowi proces przejściowy. Wskaźniki procesu roboczego, takie jak: ciśnienie w cylindrze p_s, ciśnienie sprężania p_c, ciśnienie doładowania p_ó, maksymalne ciśnienie spalania p_z, średnie ciśnienie indykowane p„ przyspieszenie w ruchu obrotowym wału korbowego £. zwłoka zapłonu t_s, czas spalania, prędkość narastania ciśnienia dp/dę, przebieg \vy\viaz\~vvania się ciepła. ulegają zmianie i osiągają wartości różne od wartości w stanach ustalonych (rys. 1.6).

-p,

j Ap/Acp

900

1100

1300 1500

n [obr/min]

700

Zmiana parametrów pracy silnika spalinowego

Do analizy procesów zachodzących w silniku, we wszystkich wypadkach niezbędne jest wyznaczenie charakterystyk procesu przejściowego, na przykład:

h=f(t),

Każdy proces przejściowy stanowi dynamiczną charakterystykę silnika lub jego podsystemu. Na rysunku 1.7 przedstawiono trzy różne typy procesu przej­ściowego zmiany prędkości od jednego stanu ustalonego z prędkością kątową wafy korbowego co_a do drugiego stanu ustalonego z prędkością kątową wału W₀: l -okresowy, 2 - aperiodyczny niemonotoniczny z przeregulowaniem, 3 - aperio-dyczny monofoniczny. Dla procesu przejściowego 3 prędkość kątowa w stanie nieustalonym /_A określona jest punktem A. Pojawienie się procesu przejściowego następuje w wyniku wewnętrznych lub zewnętrznych wymuszeń prowadzących do naruszenia warunków stanu ustalonego (równania od 1.4 do 1.10) i kończy się z chwilą osiągnięcia przez parametry pracy silnika nowych ustalonych wartości w przedziale dopuszczalnych odchyłek Ao>, na przykład punkty B, C i D na rysunku 1.7. Czas trwania procesu przejściowego zależy od drogi przejścia i na ogół jest różny od poszczególnych parametrów pracy silnika. Można zatem rozpatrywać procesy przejściowe:

• stanu cieplnego 2" =/(r),

• zmiany prędkości obrotowej silnika O) =/(/),

• ciśnienia do}adowaniap_d =/(r),

• momentu obrotowego turbiny M, =/(?),

• momentu obrotowego sprężarki A/_k =/(r),

Rys.

1.7.

Charakterystyki różnych typów

: 1 - okresowy, 2 - aperiodyczny niemonotoniczny (2 przeregulowaniem), 3 - aperiodyczny monotoniczny

• prędkości obrotowej sprężarki o)_k = f(t) (rys. 1.8).

Rys.1.7. Charakterystyki różnych typów procesów przejściowych: 1 - okresowy, 2 - aperiodyczny niemonotoniczny (2 przeregulowaniem), 3 - aperiodyczny

Rys.1.8. Procesy przejściowe silnika spalinowego z doładowaniem: m - prędkość kątowa wału korbowego, (u_k - prędkość kątowa watu turbosprężarki, T„ - temperatura wody chłodzącej, pu - ciśnienie doładowania, mi - moment obrotowy turbiny, NV - moment obrotowy sprężarki [21]

Praca silnika w stanach nieustalonych wywołuje niepożądane skutki. Należą lo nich:

• wzrost jednostkowego zużycia paliwa (nawet do 40%) w stosunku do warunków ustalonych, spowodowany zmianą charakterystyki wtrysku i parametrów końca sprężania,

• większe wibracje silnika (oddziaływanie na elementy układu napędowego),

• wzrost zużycia elementów silnika,

• zmiana stanu cieplnego silnika i stanu naprężeń poszczególnych jego

1.3. Zmiany obciążenia silnika w procesie użytkowania

Badania eksperymentalne wskazują, że dla każdego typu silnika (okrętowego, stacjonarnego, trakcyjnego) istnieje określony obszar zmienności stanów obcią­żenia, właściwy danej grupie i uzależniony od warunków, w jakich silnik jest użytkowany. Obszar zmienności stanów obciążenia dla silnika napędu głównego obejmuje:

• obciążenia manewrowe,

• pływanie w warunkach sztormowych,

• pływanie podczas wydawania trału, trałowania i wybierania trału (statki rybackie).

Czas pracy w ruchu ustalonym silników napędu głównego stanowi około 60% całkowitego czasu pracy statków konwencjonalnych i około 70% w wypadku statków ro-ro, przy czym zmianie podlegają zarówno moment obrotowy silnika M₀, jak i prędkość obrotowa wału korbowego n [44].

Na rysunku 1.9 przedstawiono przykładów}¹ przebieg obciążeń dwusuwowego, wolnoobrotowego silnika o mocy znamionowej 9800 kW, napędzającego statek do przewozu kontenerów, na podejściu do portu w Hamburgu. Obciążenia w czasie takich przejść charakteryzują znaczne i bardzo częste zmiany momentu obroto­wego, mocy i prędkości obrotowej silnika, stad też w takich sytuacjach przesterowania silnika z biegu "naprzód" na "wstecz" należą do rzadkości.

1.3.1. Obciążenia manewrowe

Do grupy obciążeń manewrowych zalicza się takie stany, jak rozruch i zatrzy­manie silnika, przesterowanie i pracę silnika podczas cumowania.

Rozruch silnika

Rozruch silnika jest typowym procesem przejściowym, ze względu na obcią­żenia cieplne i mechaniczne. Występują tu znaczne zmiany temperatur)' elementów silnika i prędkości obrotowej wału korbowego. Z uwagi na nieza­wodność rozruchu, istotne znaczenie ma stan cieplny elementów silnika i dynamika układu napędowego oraz ciśnienie powietrza rozruchowego. Moment rozruchowy silnika M, powinien być dostatecznie duży, aby zapewnić przy­spieszenie d(i)/dt i prędkość ca wału korbowego, niezbędne do uzyskania temperatury powietrza w cylindrze (sprężanie) potrzebnej do samozapłonu paliwa i dalszej, stabilnej pracy silnika. Wyraża się to równaniem:

M_r = M_b + M, + M, (

Moment rozruchowy silnika M, jest proporcjonalny do różnicy średniego ciśnie­nia powietrza rozruchowego na wlocie do cylindra p_r i średniego ciśnienia sprężania w pozostałych cylindrach p_s:

M, = C(p_r-p_s)
gdzie C oznacza statą.

Minimalna prędkość obrotowa, która umożliwia samozapłon paliwa w cylindrze, zależy od temperatury końca sprężania, a tym samym od wykładnika politropy sprężania n_t - wymiana ciepła ze ściankami (chłodzenie)

t_c =r_ae⁽"^H)>r_sz

gdzie:

T_a - temperatura samozaptonu, r_s = 750 do 800 K.

Minimalna prędkość rozruchowa n, wynosi:

n, = (0,25 - 0,35)n_n

Prędkość ta zależy w znacznym stopniu od stanu cieplnego silnika. Wyższa temperatura elementów silnika i powietrza doprowadzanego do cylindra sprawia, że rozruch silnika następuje z niższą prędkością rozruchową n_r. Optymalne warunki rozruchu zapewnia ciśnienie rozruchowe wynoszące, w zależności od typu silnika i parametrów otoczenia:

p, =15 -25 bar

Przebieg rozruchu można podzielić na cztery etapy:

1) intensywny rozruch silnika za pomocą sprężonego powietrza doprowadzonego do tych cylindrów, do których powietrze mogło być doprowadzone podczas obrotu wału korbowego,

2) dalsze rozpędzanie silnika pod działaniem powietrza w tych cylindrach, w których w czasie obrotu wału rozpoczęło się rozprężanie powietrza,

3) dalsze rozpędzanie silnika pod działaniem pierwszych zapłonów paliwa w tych cylindrach, które w chwili rozruchu wału znajdowały się w strefie przepłukania i wydechu,

4) przejście silnika na paliwo i wyjście na zadaną prędkość obrotową.

Sposób rozruchu silnika sprężonym powietrzem oraz wielkość zapłonowej dawki paliwa wpływają na przebieg zmian ciśnienia w cylindrze, poczynając od pierwszych zapłonów do chwili osiągnięcia stabilnej pracy silnika. Na ogół przyjmuje się dawkę paliwa rozruchowego w granicach 30 do 50% dawki

znamionowej, zapewniającej płynny przebieg ciśnienia spalania p_z. Mówi się wówczas o tak zwanym miękkim rozruchu, który dla silników napędu głównego występuje najczęściej w okresie manewrów przy roboczej temperaturze silnika. Zwiększenie dawki zapłonowej do 100%, jak również zapłon pozostałości nie spalonego paliwa w czasie poprzedzającego cyklu, powoduje gwałtowne narastanie ciśnienia gazów p_g, którego maksymalna wartość p^ przekracza niekiedy wartości znamionowe. Mówimy wówczas o tak zwanym twardym roz­ruchu, któremu towarzyszy nadmierny wzrost naprężeń elementów układu korbowo-tłokowego oraz, niekiedy, otwarcie zaworów bezpieczeństwa na głowicy. Proces rozruchu silnika, jego niezawodność, związane są z pracą układu doładowania. Systemy doładowania silników czterosuwowych oraz dwusuwowych z dodatkowym sprężaniem (np. przestrzenie podtłokowe) zapewniają na ogół wystarczającą ilość powietrza dla przepłukania i napełnienia cylindra. Rozruch silnika dwusuwowego z doładowaniem stałociśnieniowym wymaga jednak zasto­sowania dodatkowych dmuchaw z napędem elektrycznym, ponieważ niewielka ilość energii spalin rozproszonych w dużej objętości kolektora wylotowego nie wystarcza do napędu turbosprężarek.

Przesterowanie silnika

Na ogół wolnoobrotowe silniki spalinowe przystosowane są konstrukcyjnie do eksploatacji jako silniki nawrotne. Przesterowanie takiego silnika stanowi bowiem jedyną możliwość hamowania statku i pracy silnika wstecz. Warunki pracy silnika, jak również efektywność hamowania, zależą od prędkości statku podczas wykonywania manewru przesterowania. W zakresie małych prędkości statku i obrotowych silnika, manewr przesterowania nie stanowi większego problemu, jaki zazwyczaj występuje przy wyższych prędkościach. Złożoność manewru polega na tym, że w bardzo krótkim czasie należy zahamować ruchome masy układu napędowego oraz pokonać przeciwnie skierowany moment obrotowy śruby napędowej, pracującej w takiej sytuacji jako turbina (napęd strumieniem przepływającej wody). Im większa jest prędkość statku, tym trudniejsze jest wykonanie tego manewru. Do szczególnie niebezpiecznych należy manewr przesterowania silnika z "całej naprzód" na "całą wstecz". Manewr przesterowania można podzielić na cztery, opisane niżej etapy (rys. 1.10).

Etap pierwszy (I) - po wyłączeniu paliwa (punkt a na rys. 1.10) moment obrotowy silnika M„ gwałtownie maleje, aż do wartości momentu tarcia wewnętrznego silnika (punkc a'). 2Te wzg/ędu na dużą bezwfadnos'ć masy kadłuba statku w porównaniu do mas wirujących związanych z wałem, zmiana prędkości statku v_s jest w tym czasie nieznaczna. W przedziale a-b' wał obraca się w kierunku "naprzód". Moment obrotowy śruby A/_s na odcinku a-b' jest dodatni, a na odcinku b -b ujemny i śruba pracuje jak turbina. Hamowanie wału śrubowego w tym okresie następuje na skutek tarcia ruchomych elementów silnika i wału śrubowego. W miarę zmniejszania się prędkości obrotowej wału śrubowego, zmniejsza się różnica momentu śruby napędowej (krzywa a-b'-b) i momentów tarcia (krzywa a'-b), a w punkcie b moment obrotowy śruby napędowej jest równy sumie momentów tarcia wału śrubowego i silnika, a także ma znak przeciwny. Stosunkowo niewielkie hamowanie statku w pierwszym etapie tłumaczone jest małą bezwładnością wału śrubowego (wał, śruba i masa wody wirującej ze śrubą) w porównaniu do bezwładności statku oraz krótkim czasem trwania tego etapu.

Rys.1.10. Krzywe zmiany prędkości obrotowej silnika n, momentu obrotowego M„ i M_s oraz prędkości statku v_s od chwili wyłączenia paliwa do zatrzymania statku

Etap drugi (II) - następuje swobodny wybieg statku. Moment obrotowy śruby zmienia się według krzywej momentu tarcia silnika i wału śrubowego (krzywa b-c). W tym okresie występuje tak zwany bierny ruch silnika oraz dalszy spadek prędkości statku. W punkcie c hamowanie statku osiąga wartość zerową. Jeżeli w tym okresie nie nastąpi aktywne hamowanie układu (hamowanie sprężonym powietrzem), to bierny ruch statku będzie się przedłużać, aż do jego całkowitego zatrzymania. W warunkach manewru normalnego okres ten trwa do chwili uzyskania prędkości obrotowej wału 0,3 do 0,4 n„.

Etap trzeci (III) - rozpoczyna się w chwili podania do silnika powietrza kontrującego (punkt c), a kończy w momencie zatrzymania wału (n = 0). Moment obrotowy śruby M_s zmienia się według krzywej c-d-e i osiąga wartość maksymalną (co do wartości bezwzględnej) w punkcie d, a moment obrotowy silnika M₀ zmienia się według krzywej c-d'-e'. Przesterowanie silnika może nastąpić wówczas, gdy moment hamujący będzie większy niż moment śruby napędowej w punkcie d, co oznacza, że krzywa momentu hamującego (c-d'-e') musi leżeć poniżej krzywej momentu śrubv nanpHnu/p; r~ J -•> "' "

czalnych [10] moment obrotowy śruby napędowej w punkcie d może osiągnąć wartość 70 do 100% wartości momentu znamionowego; na ogół nie powoduje to przeciążenia silnika. Moment obrotowy ograniczony jest przez ciśnienie powietrza rozruchowego, niezbędnego do hamowania silnika. W miarę zmniejszania prędkości statku maleje wartość tego momentu. Efektywne hamowanie powietrzem jest możliwe wówczas, gdy prędkość obrotowa silnika zmniejszy się do wartości 0,3 do 0,4 n_n [10]. W czasie hamowania powietrzem ciśnienie w cylindrze może osiągać wartości przekraczające nastawy zaworów bezpieczeństwa (150 bar i powyżej), co oznacza duży wzrost obciążeń mechanicznych silnika.

Etap czwarty (IV) - zaczyna się w chwili przesterowania silnika i zmiany kierunku obrotów wału śrubowego (punkt e na rys. 1.10). Do cylindra podawane jest paliwo, po czym następuje rozruch silnika i dalsze hamowanie statku. Moment obrotowy silnika zmienia się według krzywej e'-f-g-k, a jego wartość może być większa niż wartość momentu znamionowego. Mała prędkość waru korbowego pogarsza dodatkowo warunki pracy silnika: rosną obciążenia cieplne i mecha­niczne. Obciążenia silnika w procesie przesterowania mają łagodniejszy przebieg, jeżeli prędkość początkowa manewru jest mniejsza od prędkości eksploatacyjnej.

Na ogół maksymalna prędkość obrotowa biegu wstecz nie przekracza tak zwanej prędkości manewrowej silnika, to znaczy 70 do 80% «„. Uzyskanie większych prędkości obrotowych w okresie hamowania statku wiąże się ze znacznym przeciążeniem silnika. Moment obrotowy może w tym okresie znacznie przekroczyć 100% wartości znamionowej (nawet do 300% M₀), jeśli tylko nastawa pompy paliwowej pozwala na podanie odpowiednio dużej dawki paliwa na cykl (zazwyczaj nie jest to możliwe). Przeciążenie to następuje przy małej prędkości obrotowej silnika, co dodatkowo pogarsza warunki pracy układu przeniesienia ruchu (np. łożyska). W celu ograniczenia możliwości przeciążenia silnika w czasie manewru przesterowania na wstecz, manewr taki należy wykonywać przy zmniejszonej prędkości statku (0,5v_s).

Uwaga: Manewr przesterowania silnika z "calej naprzód" na "całą wstecz" dla prędkości eksploatacyjnej wykonuje się wyłącznie jako manewr awaryjny!

Praca silnika podczas cumowania statku

Podczas cumowania zakres i częstotliwość zmian obciążenia silnika są największe, ponieważ wszystkie manewry wykonuje się wówczas od "całej naprzód" do "całej wstecz", przy niejednokrotnie znacznej liczbie zmian w ciągu minuty. Do najtrudniejszych w tej grupie należy manewr cumowania, to znaczy dociągania statku do nabrzeża na cumach. Z punktu widzenia hydrodynamiki jest to proces, w którym występują najtrudniejsze warunki pracy układu napędowego, a charakterystyka śrubowa jest najbardziej stroma. Warunki pracy silnika odpowiadają warunkom pracy na uwięzi.

t.3.2. Praca silnika w warunkach pogody sztormowej

W czasie pogody sztormowej, na skutek falowania morza i siły wiatru, warunki współpracy silnika i śruby napędowej ulegają zmianie. W wyniku kołysań poprzecznych i wzdłużnych rosną opory kadłuba R. W czasie kołysań wzdłużnych śruba pracuje w skośnym strumieniu wody, co powoduje wzrost jej oporów; warunki pracy odpowiadają tak zwanej śrubie ciężkiej. Cyklicznie zmienia się obciążenie silnika M„ i p_e i śruby M_s (rys.1.11). W zależności od siły i kierunku wiatru, opory kadłuba R mogą wzrosnąć nawet dwukrotnie (rys. 1.12). Zmiany oporów statku wywołują odpowiednio zmiany obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Stan obciążenia silnika, pracującego w takich warunkach w stanach nieustalonych, charakteryzują zmienne w czasie obciążenia cieplne i mechaniczne.

32

okres kołysań wzdłużnych

Rys. 1.11. Cykliczne zmiany momentu obrotowego śruby M_s i odpowiadające im zmiany p_e w czasie kołysań wzdłużnych statku

Rys. 1.12. Zmiany charakterystyk oporów B(v) zależnie od stanu morza (°Be)

W zależności od załadowania statku i rodzaju regulatora obrotów będą zmieniały się prędkości obrotowe wału korbowego oraz dawki paliwa podawane do cylindra (rys. 1.13). Praca silnika może odbywać się przy ograniczonej (sta)ej) dawce paliwa: h₂ = const, n*const na krzywej a-c i stałej prędkości obrotowej: rc₃ = const, ^const na krzywej b-c (rys.1.13). W pierwszym wypadku (krzywa a-c) zmiany obciążenia p_e będą niewielkie, natomiast zmiany prędkości obrotowej n będą znaczne. W drugim wypadku (krzywa b-c) sytuacja ulegnie odwróceniu: zmiany prędkości obrotowej n będą małe, natomiast zmiany obciążenia p_c będą znaczne. We współczesnych silnikach okrętowych występuje najczęściej druga z opisanych sytuacji. W obu wypadkach obserwuje się wzrost średniego momentu na śrubie i ograniczenie mocy silnika. Ponadto należy zwrócić uwagę na wahania ciśnienia i temperatury w cylindrach. Obciążenia dynamiczne pod wpływem zmian prędkości obrotowej sprawiają, że niezawodna (bezpieczna) praca silnika w czasie pogody sztormowej może przebiegać tylko przy istotnym zmniejszeniu mocy i prędkości obrotowej. Prędkość statku, zależnie od stanu morza, siły i kierunku wiatru, może się zmniejszać od 20 do 50% wartości eksploatacyjnej. Silnik w takich warunkach pracuje przy znacznych przeciążeniach dynamicznych (znaczne zmiany prędkości obrotowej i przyspieszeń). Należy również podkreślić, że zmianom prędkości obrotowej towarzyszą zmiany parametrów cyklu roboczego (p_z i Ap/A(p), co wpływa na dalszy wzrost obciążeń dynamicznych pochodzący od sił gazowych.

100 n [%]

Rys. 1.13. Zmiany obciążenia silnika w czasie pogody sztormowej

2.3.2. Analiza manewru zatrzymania statku; śruba o skoku nastawnym

Zupełnie inna jest sytuacja w przypadku układu napędowego ze śrubą nastawną. Manewr zatrzymania statku jest wtedy znacznie prostszy w realizacji, a przy czynnym hamowaniu pracą śruby na wstecz mniejsze jest niebezpieczeństwo przeciążenia silników. Przeprowadzenie manewru polega w zasadzie tylko na przesterowaniu nastawy skrzydeł śruby z dodatnich kątów natarcia na zerowy i następnie na kąty ujemne. Nie zachodzi po­trzeba wysprzęglania napędu, włączania biegu wstecz przekładni rozłączno-nawrót nej, czy też zatrzymywania silników nawrotnych i ponownego uruchamiania ich z obrotami przeciwnymi.

Omawiany manewr zazwyczaj realizowany jest poprzez czynne hamowanie śrubą, tzn.z pracą śruby „na wstecz". ° Zależnie od tego, jak duża jest prędkość pływania, z której ma być wyhamowany statek, wielkość skoku śruby pracy „na wstecz", którą można już na początku manewru zastosować, jest różna. Ogólną zasadą czynnego ha­mowania śrubą nastawną tak pracującą jest dążenie do stosowania przede wszystkim wysokich prędkości obrotowych, a dopiero w dalszej kolejności zwiększanie skoku — ale tylko w takim stopniu, aby nie przeciążyć silnika. Wtedy, gdy prędkości obrotowe śrub stosowane podczas pracy „na wstecz" (podczas hamowania) są bliskie nominal­nym, to maksymalne ujemne skoki stosuje się co najwyżej do ok. 0,5 (niekiedy do ok. 0,6) maksymalnego skoku śruby pracy naprzód. W razie zastosowania większych skoków wystąpiłoby przeciążenie silnika, jako że są wtedy zmienione, mniej korzystne warunki hydrodynamiczne pracy śruby oraz nieodpowiedni kształt profili skrzydeł dla pracy z ujemnymi kątami natarcia.

Rozpatrzmy zatrzymanie (wyhamowanie) statku, np. gdy wymagane są możliwie krótki czas i droga manewru. Podobnie, jak inne manewry układu napędowego, umownie podzielimy cały proces na kilka etapów.

1. Od chwili rozpoczęcia zmiany skoku śruby H\, do chwili skoku H', gdy napór śruby stanie się równy zeru. Wskutek tego, że statek posiada pewną prędkość pływania, skok śruby wtedy jest jeszcze dodatni Hi > H' > 0. Podczas tego etapu moment silnika i napór śruby zmniejszają się M -» 0; T -+ 0.

2. Od chwili gdy napór śruby był równy zeru, do chwili gdy możliwa stanie aię nastawa skoku śruby równa zeru H = 0. '

* Jeżeli hamowanie odbywa się tylko przy biernym hamowaniu wolnoobracającą się śrubą, manewr przebiega podobnie jak w razie śruby o skoku stałym z tym, że wskazana wtedy jest nastawa skoku H —O, co zwiększa powierzchnię oporu śruby i skuteczność hamowania.

4. Prądnice wałowe

Wady:

Prądnice wałowe otrzymują napęd z wału głównego (śrubowego) naj­częściej za pośrednictwem przekładni zębatej lub pasowej. W wypadku większych mocy prądnice wałowe bywają umieszczane w osi silnika spa­linowego napędu głównego z przeciwnej strony niż wał śrubowy i łączo­ne są z nim bezpośrednio lub wbudowane w ciąg wału głów­nego i prądnice są wtedy bez łożysk. Uszkodzenie prądnicy nie może wówczas prowadzić do zagroże­nia napędu głównego. Wynika stąd konieczność stosowania większych szczelin (5—7 mm) dla uniknięcia zatarcia.

Zasadnicze trudności przy korzystaniu z prądnicy wałowej sprawia duża nierównomierność biegu silników napędu głównego, a także praca równoległa prądnicy wałowej z zespołami pomocniczymi. Równocześnie trzeba pamiętać, że w wypadku nagłego manewru, kiedy należy zatrzy­mać silnik główny lub wykonać nawrót, sieć okrętowa nie może zostać pozbawiona napięcia.

Prądnice wałowe mogą słu­żyć do zasilania sieci okrętowej jedynie w czasie podróży stat­ku. W innych warunkach ener­gię elektryczną dostarczają ze­społy pomocnicze.

Koszty i czas potrzebny na konserwację i remonty kapitalne są zmniej­szone, w czasie eksploatacji na morzu prądnica wałowa dostarcza całko­witej energii potrzebnej do zasilania sieci pokładowej. Jedynie w porcie i na wodach zamkniętych muszą pracować zespoły prądotwórcze co zwiększa koszty wytwarzania energii.

Zalety:

Zasadniczą zaletą układu z prądnicą wałową jest dobry ogólny współczynnik sprawnoś­ci, co sprawia, że koszt wytwa­rzania energii elektrycznej jest dużo niższy niż przy oddziel­nych zespołach prądotwórczych.

Na jednostkach o małym stopniu elektryfikacji, na których w czasie postoju i manewrów zużycie energii elektrycznej jest niewielkie, zasto­sowanie prądnicy wałowej daje możliwość zmniejszenia liczby zespołów prądotwórczych.

Inną zaletą prądnic wałowych jest ograniczenie czasu pracy zespołów prądotwórczych pomociniczych, co pozwala na stosowanie silników spalinowych na dużą prędkość obrotową (silniki takie mają mniejszą trwałość) i zmniejsza ilość czasu potrzebnego na nadzór i kon­serwację tych zespołów. Dodatkową zaletą jest uniknięcie hałasu, jaki stwarzają zespoły prądotwórcze.

Statki z układami prądnic wałowych mają wiele zalet w stosunku do statków wyposażonych tylko w konwencjonalne zespoły prądotwórcze.

Połączenia pradnic z ukł gł.

Rys.. Bezpośrednie połączenie prądnicy wałowej z silnikiem spalinowym napędu głów­nego

1 — silnik spalinowy, 2 — sprzęgło, 3 — przekład­nia, 4 — prądnica wałowa

Prądnice wałowe mogą być sprzężone z wałem śrubowym w różny sposób, na przykład:

— przez przekładnię zębatą od strony przeciwnej' do wału śrubowego (napęd silnikiem głównym),

— przez przekładnię pasową lub łańcuchową (napęd od wału śrubo­wego),

— wał prądnicy jest częścią wału śrubowego. Ostatnie rozwiązanie pociąga za sobą duże wymiary prądnicy ze wzglę­du na małą prędkość wału. Bezpośrednie sprzężenie prądnicy wałowej

Z silnikiem głównym przez przekładnię zębatą jest rozwiązaniem trwa­łym i pewnym. Kłopoty sprawia tylko dodatkowa obsługa przekładni zębatej.

Z wszystkich wymienionych sposobów sprzężenia prądnicy z wałem śrubowym największe koszty związane są z prądnicą umieszczoną w linii wału śrubowego.

Stabilizacja częstotliwosci.

Uzyskanie dostatecznie dobrych właściwości eksploatacyjnych układów z prądnicą wałową prądu przemiennego jest możliwe przy całkowitym uniezależnieniu częstotliwości napięcia dostarczanego przez ten układ do sieci od prędkości obrotowej wału głównego, a więc przez zastosowanie przetwornicy częstotliwości. Praktycznie układ taki można było wyko­nać dopiero przy zastosowaniu elementów półprzewodnikowych. Prądni­ca wałowa synchroniczna wytwarza prąd przemienny o zmiennym na­pięciu i zmiennej częstotliwości. Po wyprostowaniu prąd ten zasila sieć okrętową poprzez falownik statyczny jako prąd o stałym napięciu i sta­łej częstotliwości.

Istnieje możliwość zbudowania falownika, który bezpośrednio prze­twarza prąd stały na prąd przemienny o stałej częstotliwości i napięciu, a także dostarcza potrzebną moc czynną i bierną, jednak byłoby to urzą­dzenie bardzo kosztowne. Realizowane praktycznie układy wykonywane są inaczej. Falownik tyrystorowy sterowany częstotliwością sieci okrętowej pracuje przy sta­łym kącie zapłonu, nie potrzebuje więc żadnego sterowania ani regulacji. Najkorzystniej falownik pracuje wtedy, gdy dostarcza maksimum mocy czynnej, a minimum biernej. Przy kącie wysterowania y = 180° falownik dostarczałby tylko moc czynną. Ze względów praktycznych przyjmuje się stały kąt zapłonu w granicach 140-160⁰, zależnie od indukcyjności obwodu.

W przypadku prądnic wałowych prądu przemiennego konieczne jest utrzymywanie stałej wielkości obrotów silnika głównego — co najwyżej z tolerancją 5%. Ten wymóg poważnie zawęża możliwy zakres pracy prądnicy w razie śrub o skoku stałym. Ewentu­alne zastosowanie specjalnych rozwiązań dla stabilizacij częstotliwość i prądu i jego na­pięcia, znacznie podnosi koszty inwestycyjne, co nie zawsze jest opłacalne. Kiedyś były to elektryczne maszynowe przetwornice prądu. Obecnie stosuje się raczej tyrystorowe falowniki.

Innym rozwiązaniem jest przekładnia typu CON-SPEED, która pozwala na możliwość manewrowania wielkością obrotów silnika głównego w zakresie od ok. 0,6—0,7 do ok. 1,04 obrotów nominalnych, przy jednoczesnym uzyskiwaniu stałej (prawie stałej) prędkości obrotowej prądnicy wałowej. Nawet jeśli takie rozwiązanie nie jest zastoso­wane na typowych statkach towarowych ze śrubą o skoku stałym, w razie pływania na długich trasach prądnica wałowa prądu przemiennego zabezpiecza dostawy energii elektrycznej przez okres ok. 50-60% czasu pracy siłowni. Na statkach ze śrubami nastawnymi stosowanie prądnic wałowych prądu przemiennego jest powszechniejsze. Możliwość realizacji różnych prędkości pływania tylko poprzez zmiany skoku śruby — bez zmian prędkości obrotowej — poważnie zwiększa czas pracy prądnicy. Co prawda utrzymywanie stałej prędkości obrotowej układu napędowego statku wyklucza pracę wg kryterium optymalnej sprawności napędu (n_opti) czy nawet tylko optymalnej sprawności napędowej(n_opti) razie większych mocy prądnicy wałowej oszczędności w produkcji energii elektrycznej były znaczniejsze mniejsze straty w napędzie głównym — dopóki niezależne zespoły prądotwórcze wymagały oleju napędowego. Ewentualne stosowanie na statkach ze śrubami nastawnymi i prądnicami wałowymi prądu przemiennego wyżej wspomnianych urządzeń specjalnych dla stabili­zacji parametrów prądu po to, aby jednocześnie uzyskiwać także optymalne sprawności napędu n_opi dotychczas nie było stosowane ze względu na wysokie koszty inwestycyjnej.

---