Определение динамических параметров дизеля

4.1. Построение номинальной характеристики эффективной мощности дизеля

Для определения динамических параметров дизеля необходимо построить статические совмещенные характеристики комплекса "дизель - гребной винт". Построение начинают с номинальной характеристики эффективной мощности дизеля, которая соответствует номинальному положению рейки топливного насоса h_н и неизменной топливоподаче.

Расчет точек характеристики производится по эмпирической формуле

,
N_ен - номинальная эффективная мощность дизеля, КВт; w_н - номинальная угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с. Эти характеристики являются паспортными характеристиками дизеля.

При расчетах используйте следующие соотношения

1 кВт = 1.36 л.с.; , где n - частота вращения в об/мин.

Для расчета характеристики частота w изменяется в пределах от 0.2w_н до 1.1w_н с шагом около 0.05w_н. Следует выбрать ближайшие круглые значения пределов и шага для упрощения расчетов и построения графика.

Результаты расчета сводятся в таблицу, пример оформления которой показан ниже. При расчете заполняется колонка, соответствующая номинальной топливоподаче h_н.

Таблица 1

Статические характеристики мощности дизеля

По результатам расчета строится график зависимости N_e(w) на миллиметровой бумаге формата А3. Ось N_e следует располагать вдоль длинной стороны формата.

4.2. Построение винтовой характеристики

Зависимость мощности сопротивления винта от его угловой скорости вращения называется винтовой характеристикой. Винтовая характеристика с достаточной точностью описывается зависимостью

.

Для построения характеристики, соответствующей нормальному для данного дизеля винту, прежде всего определяем коэффициент нагрузки нормального винта, приняв N_c = N_ен, w = w_н,

K_Nн = N_ен / w_н³.

Затем вычисляем точки винтовой характеристики мощности сопротивления нормального винта по формуле

N_с(w) = K_Nн*w³.

Результаты вычислений заносятся в соответствующую графу табл. 1, и затем строится график мощности сопротивления нормального винта, который совмещается с графиком номинальной эффективной мощности.

На графиках определяется точка D, в которой пересекаются характеристика эффективной мощности и винтовая характеристика. Эта точка соответствует режиму полного хода судна при номинальном положении рейки топливного насоса h =h_н.

4.3. Построение частичных характеристик эффективной мощности

На графике совмещенных статических характеристик проводим горизонтальные линии, параллельные оси абсцисс, на уровнях 0.75N_ен, 0.5N_ен, 0.25N_ен. Пересечение этих линий с винтовой характеристикой нормального винта определит режимы работы с частичной мощностью дизеля при перемещениях рейки ТНВД 0.75h_н, 0.5h_н и 0.25h_н, соответственно. Точки пересечения (рабочие точки) обозначим как C,B и A, соответственно. Для каждой точки по графику определяем угловую скорость вращения вала дизеля в соответствующем режиме: w_C, w_B и w_A. Таким образом мы определим номинальные параметры трех режимов работы дизеля с частичной мощностью. Для каждого из этих режимов необходимо построить частичную характеристику эффективной мощности.

Расчет точек характеристики частичной мощности производится по следующей формуле

,
где N_epi, w_pi - координаты рабочей точки i-того режима работы дизеля.

Для режима i=2 с номинальной эффективной мощностью 0.75N_ен принимаем N_ер2 = 0.75N_ен и w_р2 = w_C, а затем рассчитываем точки зависимости N_еi(w). Результаты расчета заносятся в табл. 1. По данным таблицы строится график. Этот график будет проходить через точку C и соответствовать положению рейки топливного насоса дизеля h =0.75h_н.

Аналогично строятся мощностные характеристики для режимов 0.5h_н и 0.25h_н, которые будут проходить через точки B и A.

4.4. Определение фактора устойчивости дизеля

Параметры дизеля зависят от его режима работы, поэтому их необходимо отдельно определять для рабочих точек D, C, B и A. Для всех рабочих точек параметры дизеля определяются аналогично.

Фактор устойчивости дизеля характеризует его способность автоматически компенсировать изменение нагрузки на валу за счет изменения скорости вращения и крутящего момента при неизменной топливоподаче

.

Определим фактор устойчивости для 4-х мощностных режимов работы дизеля. Ниже описано определение фактора устойчивости для номинального режима (рабочая точка D). Для других режимов этот параметр определяется аналогично.

В точке D к кривым N_е(w) (h = h_н) и N_с(w) проводятся касательные и для них определяется тангенс угла наклона

, ,
где - небольшое задаваемое изменение частоты в рабочей точке, - соответствующие изменению частоты , изменения мощности. При вычислении углов наклона мощность следует подставлять в Вт.

Фактор устойчивости дизеля

, . Размерность величины F_д: Вт´с².

Расчет фактора устойчивости повторяется для остальных режимов частичной мощности.

4.5. Определение постоянной времени дизеля

Для определения постоянной времени дизеля необходимо знать динамический момент инерции J вращающихся частей, соединенных с валом дизеля, при учете присоединенных масс воды. Момент инерции выражается в кг´м² и ориентировочно может быть определен по приводимой в литературе [2] формуле (формула преобразована с учетом размерностей СИ [3]), позволяющей учесть присоединенные к винту массы воды,

, где - угловая номинальная скорость вращения винта, - передаточное отношение редуктора винта (если редуктор винта отсутствует, то ), N_ен -номинальная эффективная мощность, подводимая к винту в КВт.

Приведенная выше формула является приближенной и дает результат невысокой точности. При необходимости более точных расчетов следует вычислить моменты инерции вращающихся частей дизеля, валопровода, редуктора, винта, присоединенных масс воды и привести полученные результаты к валу двигателя.

Постоянная времени дизеля определяется по формуле

.

Размерностью величины T_д является размерность времени, с. Типичные значения постоянной времени для судовых дизелей лежат в пределах 0.5 ÷ 6.0 с [1]. Расчет Т_д повторяется для всех рабочих режимов.

4.6. Определение коэффициента усиления по подаче топлива

Коэффициент усиления дизеля по положению рейки ТНВД

вычисляется для каждого рабочего режима.

Для определения этого коэффициента необходимо построить вспомогательный график зависимости N_е(h) при w_pi = const. Для определения координат вспомогательного графика на графике совмещенных статических характеристик через рабочую точку D проводим вертикальную линию, соответствующую частоте w_D = w_н, и определяем точки пересечения этой линии с частичными характеристиками эффективной мощности для h=h_н, h=0.75h_н, h= 0.5h_н, h=0.25h_н. Результаты сводятся в табл. 2. Построения повторяем для рабочих точек A, B, C.

Таблица 2

Зависимость мощности от положения рейки ТНВД

По данным табл. 2 строятся графики на формате А4 миллиметровой бумаги для рабочих точек A, B, C, D. Значения h откладываются по горизонтальной оси вспомогательного графика, а по вертикальной оси для каждого значения h откладывается значение эффективной мощности. Полученные точки соединяются плавной кривой.

Для каждой полученной кривой определяется тангенс угла наклона касательной к этой кривой в рабочей точке. Для кривой D примем h=h_н, и в этой точке проводим касательную к кривой. Для касательной определяем тангенс угла наклона

.

При определении g мощность следует подставлять в Вт. По определенной величине g и фактору устойчивости дизеля определяем коэффициент усиления по подаче топлива

, поскольку .

Размерность коэффициента K_h 1/c (или с^-1). Повторяем расчет для остальных режимов.

4.7. Уравнение дизеля

Поскольку динамические параметры дизеля зависят от режима его работы, то дифференциальное уравнение дизеля запишется в следующем виде

,
где i - символ рабочего режима дизеля.

Параметры уравнения дизеля, полученные в результате выполненных выше расчетов, сводятся в табл. 3.

Номинальному режиму работы дизеля соответствует режим с номинальным положением рейки топливного насоса h_н (номинальная топливо подача) и номинальной эффективной мощностью на валу N_ен.

Таблица 3

Динамические параметры комплекса "дизель - гребной винт"

Полученное описание динамики комплекса "дизель - гребной винт" используется в последующих расчетах переходных процессов в САРЧ.