1.4 Построение скоростных статических характеристик мощности пропульсивного комплекса судна

Режим работы двигателя называется установившимся, если числовые значения всех названных (и многих других) параметров двигателя сохраняются постоянными во времени.

Диапазон изменений каждого параметра обуславливается назначением двигателя и ограничивается его прочностными, тепловыми и газодинамическими возможностями. Например, угловая скорость коленчатого вала ДВС может изменяться в ограниченных пределах. Ряд факторов не позволяет превышать заданной максимальной угловой скорости вала щ_max , т.к. это влечёт за собой превышение допустимых значений сил инерции в деталях двигателя с точки зрения их прочности, приводит к ухудшению качества протекания рабочих процессов в цилиндре двигателя, увеличивает термическое перенапряжение деталей двигателей и т.п.

В некоторых случаях двигателю приходится работать при самой малой частоте вращения вала. При этом скоростной режим должен быть таким, чтобы двигатель работал устойчиво. Если снизить угловую скорость вала ниже допустимого минимального предела щ_min , то появятся перебои в работе, в результате чего двигатель может самопроизвольно остановиться.

Анализ режимов работы пропульсивного комплекса, обеспечивающего движение судну, и расчёт динамических характеристик ГД производится на основе статических энергетических характеристик этого комплекса.

Статические характеристики зависимости мощности (момента) сопротивления вращения гребного винта от частоты вращения вала двигателя называются винтовыми характеристиками:

.(13)

Расчёт винтовых характеристик производят для 5-ти фиксированных значений параметра с, равных 0,6с_н, 0,8с_н, с_н, 1,2с_н, 1,4с_н. Статическая характеристика при называется номинальной винтовой характеристикой.

Паспортные данные двигателя позволяют, вычислить для номинального режима номинальное значение фазовой переменной внешнего возмущающего воздействия с_н :

где N_ен и n_н - номинальные значения эффективной мощности и частоты.

Под статической характеристикой двигателя N_e(n,h₀) понимают зависимость развиваемой им эффективной мощности N_e от частоты вращения n вала в установившихся режимах работы при некотором фиксированном положении h₀ топливорегулирующего органа.

Для построения статических характеристик двигателя воспользуемся эмпирической формулой:

;(14)

где - заданное, долевое, безразмерное значение мощности относительно номинала;

- соответствующее абсолютное значение эффективной мощности двигателя для скоростного режима его работы, когда n=n_зх ;

где n_зх - частота вращения вала, удовлетворяющая долевому значению м нагрузки двигателя, иначе, заданный ход судна при работе по некоторой винтовой характеристике.

В качестве опорных режимов зададим нормативно назначаемый ряд нагрузок двигателя при проведении ходовых испытаний силовой установки судна, для которых м составляет: 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,1.

Данную совокупность эффективных относительных мощностей дополним значением м=0,15, которое, будем полагать, соответствует нагрузке двигателя в режиме минимально-устойчивых оборотов, когда F_Д = 0.

Рис. 1.2 Внешние и частичные характеристики эффективной мощности ГД и характеристики гребного ВФШ

Определим для каждой статической характеристики двигателя соответствующий индекс топливоподачи h.

Рис. 1.3 График назначаемых индексов топливоподачи при работе двигателя по номинальной винтовой характеристике

Зависимость N_e от h

1.5 Расчет коэффициентов уравнения динамики двигателя

Определение постоянных коэффициентов двигателя производится по формулам (11). Основной проблемой при этом является определение частных производных. Частные производные должны быть рассчитаны в точке установившегося режима (равенство и ). Для их определения используется графоаналитический способ.

Рис 1.4 К определению частной производной

Графоаналитическое дифференцирование состоит в том, что в точке заданного равновесного режима необходимо искусно провести касательную к соответствующей кривой. На каждой из касательных строят произвольных размеров прямоугольные треугольники. Геометрически производная истолковывается как тангенс угла наклона касательной к графику функции, определенной в размерностях физических величин, размещенных по координатным осям.

Рис. 1.5 К определению частной производной

,

Вычислив эти производные, определяют значения фактора устойчивости и постоянной времени двигателя:

,

,

Рис. 1.6 Изменение фактора устойчивости ГД на всех режимах работы при работе на номинальной винтовой характеристике

Рис. 1.7 Изменение постоянной времени ГД на всех режимах работы при работе на номинальной винтовой характеристике

Расчёт коэффициентов усиления и двигателя требует определения значений частных производных и . Для этого необходимы функции вида и .

Частные производные и вычислим ранее используемым графоаналитическим методом:

; .

Построим график зависимость мощности от внешнего возмущающего воздействия с, и график зависимость мощности двигателя от регулирующего воздействия h по подаче топлива:

Зависимость N_c от с

Рис. 1.8 Зависимость мощности от внешнего возмущающего воздействия с

Зависимость N_e от h

Рис. 1.9 Зависимость мощности двигателя от регулирующего воздействия h по подаче топлива

(100%)

(75%)

(50%)

(25%)

Определим коэффициенты и по формулам:

,

,

Рис. 1.10 Изменение коэф. К_h ГД на всех режимах работы

Рис. 1.11 Изменение коэф. усиления ГД по возмущающему воздействию на всех режимах работы при работе на номинальной винтовой характеристике