CC BY
41
УДК 629.125
М. А. Масуев
Махачкалинский филиал Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета)
УЛУЧШЕНИЕ ПРИЕМИСТОСТИ И ХОДОВЫХ КАЧЕСТВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК СРЕДСТВ КОЛЛЕКТИВНОГО СПАСЕНИЯ
Успешное завершение спасательной операции в значительной степени зависит от приемистости энергетической установки (ЭУ) и обеспечения требуемого хода средств коллективного спасения (СКС).
Приемистость ЭУ СКС по скорости вращения коленчатого вала соответствует времени разгона СКС, т. к. полная скорость вращения коленчатого вала дизеля соответствует полной скорости судна. В каждый момент взаимодействия сохраняется равенство эффективного крутящего момента ЭУ и суммарного момента сопротивления судна с учетом динамического момента всех движущих масс, связанных с дизелем. Уравнение вращательного движения гребного винта можно записать в виде
где Мкр - крутящий момент на гребном винте, подведенный от дизеля:
Мкр = Ме ■ Пп.к
где Ме - эффективный момент на валу дизеля; пп.к - коэффициент полезного действия пропуль-сивного комплекса; Мск - крутящий момент на гребном винте, необходимый для обеспечения ее вращения с частотой пк;
где - постоянная гребного винта для водоизмещающего судна; - суммарный момент инер-
ции ЭУ и гребного комплекса.
Пользуясь известными зависимостями для Мкр и Мск, получим выражения:
где /ред - передаточное число реверс-редукторной передачи на переднем ходу.
Подставляя выражения (2) и (3) в уравнение (1) и преобразовав его, получим формулу для определения приемистости ЭУ по скорости вращения коленчатого вала [1, 2]:
При разработке ЭУ СКС заданными являются скорость хода судна и пассажировмести-мость. Так, например, для моторных СКС по международным и национальным нормам скорость хода должна быть не менее 3,1 м/с (6 узлов), а пассажировместимость - от 20 до 150 человек. Нижний предел - 20 человек ограничен ухудшением мореходных качеств при малых размерах СКС, а верхний - 150 человек ограничен трудностью спуска на воду СКС больших размеров.
Отечественная промышленность проектирует и серийно выпускает СКС пассажировме-стимостью 26, 37, 42, 55 и 66 человек. Для пассажирских судов могут потребоваться СКС пас-сажировместимостью 80-100 человек, а СКС большей пассажировместимости - 100-150 человек на отечественных и зарубежных судах не применяются.
Мкр - Мск = ■ (^Юв / ії,і),
(1)
Мск С1 * 'Пп.^
Мкр = 62,4 ■ 103 ■ ре ■ Б2 ■ 5 ■ /ц, Нм,
Мск = 62,4 ■ 103 ■ ре ■ Б2 ■ 5 ■ /ц- /ред -(Пп.к/Пм)'(п2/п2е), Н-м,
(2)
(3)
(4)
Скорость хода малого судна можно определить из условия равенства индикаторной мощности N развиваемой ЭУ и необходимой для его движения и работы систем жизнеобеспечения IР Б, т. е. N = IР Б. При достижении установившегося нормального режима работы ЭУ и нормальной скорости хода СКС уравнение вращения коленчатого вала ЭУ, выраженное основным законом динамики вращательного движения, имеет вид
МЭУ = МСКС, т. е. I х = dw/dт = 0.
Выражение для индикаторной мощности можно получить в виде
N = С ■ р , ■ В2 ■ Б ■ 1 ■ пе, кВт, (5)
где С - коэффициент, учитывающий тактность; р1 - среднее индикаторное давление, МПа; В и Б - диаметр цилиндра и ход поршня, см; 1 - число цилиндров; пе - частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Мощность, необходимую для движения малого судна с заданной скоростью хода и работы систем его жизнеобеспечения, можно определить из выражения
IР Б = рХ йУС3 / 2040л п.к, кВт, (6)
где р = 1 040 Нс2/м4 - массовая плотность воды; £, - коэффициент полного сопротивления движению судна; V - скорость хода судна, м/с; О - площадь смоченной поверхности голого корпуса судна, м2; пп.к - полный КПД пропульсивного комплекса.
Пп.к = Пм Пр Пн П Пв Пк и учитывает потери мощности в двигателе (пм), в РРП (пр), на привод насосов осушения и орошения (пн), генераторов питания бортовой сети, радиостанции и зарядки аккумуляторной батареи (пг), валопровода и гребного винта (пв), а также потери на преодоление сопротивления движению СКС и запас мощности (пк).
Следовательно:
65 ■ р г ■ В2 ■ 8 ■ 1 ■ пе = р&Ус3 / 2040лп.к. (7)
После преобразований получим
■27-5В, м/с. (8)
Для условий обеспечения конвенционной скорости СКС V = 3,1 м/с из формулы (8) можно получить
(3,1)4-^ = 127,5В2 Б 1 ■ пе-р, Лп.к
или
D2■ 8-1 ■ пе■ р г ■пп.к = 0,233 ХО. (9)
Первая часть этого уравнения пропорциональна буксировочной мощности, необходимой для движения СКС со скоростью хода 3,1 м/с. Его величина зависит от большого числа различных факторов: длины, ширины, осадки, конструктивных соотношений размеров корпуса СКС, а также особенностей конструкции СКС. Основные характеристики отечественных СКС, внедренных в производство для удовлетворения требований СОЛАС, и расчетные значения Х, О и буксировочной мощности СКС приведены в таблице.
Таблица 1
Характеристики отечественных спасательных шлюпок, удовлетворяющих требованиям СОЛАС-74
—-—Тип СКС Характеристика Проект 00022 Проект 00373 Проект 00305 Проект 00026 Проект 00036
Водоизмещение Дс, т 4,9 6,28 7,7 7,9 9,24
Пассажировместимость, чел. 26 37 42 55 66
Длина L, м. 6,4 7,8 8,36 7,78 8,3
Ширина В, м. 2,39 2,34 2,94 2,79 2,98
Осадка, м 0,64 0,64 0,66 0,65 0,665
Смоченная поверхность О, м2 14,14 15,4 20,4 18,3 20,8
Буксировочная мощность IPS = 0,51 • §.КД кВт 5,79 5,65 4,65 5,5 5,69
Коэффициент полного сопротивления § 0,0270 0,0242 0,0160 0,0198 0,0180
Полное сопротивление § • О 0,3818 0,3727 0,3264 0,3623 0,3748
Чем меньше X и О, тем меньше буксировочное сопротивление СКС, равное 0,5 р^ЙУ3, тем меньшая мощность потребуется для обеспечения заданной скорости хода СКС.
В левую часть уравнения (9) входят конструктивные и режимные факторы, определяющие полную мощность ЭУ, и КПД пропульсивного комплекса, характеризующий потери мощности в ЭУ СКС. При увеличении В, 8, 1, п, р1 отмечается рост мощности ЭУ, и, наоборот - чем меньше их значения, тем меньше будет мощность ЭУ. При снижении потерь мощности в пропуль-сивном комплексе увеличивается доля индикаторной мощности, используемая для обеспечения требуемой скорости хода СКС.
Необходимое условие обеспечения конвенционной скорости хода СКС V > 3,1 м/с: произведение всех факторов, входящих в левую часть уравнения (8), должно быть больше или равным 0,233 Х ■ О. Указанное условие можно удовлетворить при различных сочетаниях значений факторов, входящих в уравнение (9). Поэтому весьма важно установить: оптимальность выбранного варианта сочетаний конструктивных и режимных факторов ЭУ и реально возможный диапазон изменения параметров для ЭУ.
Основными путями повышения эффективности функционирования ЭУ являются: улучшение условий организации рабочего процесса дизеля; снижение потерь мощности в двигателе и пропульсивном комплексе; снижение сопротивления движению СКС и обеспечение требуемой скорости хода судна при меньшей мощности ЭУ [2-5].
В соответствии с требованиями СОЛАС, на дизелях ЭУ СКС должны быть предусмотрены одноконтурные системы охлаждения забортной морской водой (рис.). При этом, в целях предотвращения выпадения солей в зарубашечном пространстве, температура охлаждающей воды на выходе не должна превышать 328 К. Вследствие этого увеличивается охлаждение омываемых водой деталей и узлов двигателя, ухудшаются условия организации рабочего процесса в цилиндрах, увеличивается интенсивность износа деталей, повышается расход топлива, снижается мощность двигателя, что ограничивает возможности быстрого набора и поддержания необходимой скорости СКС. Для создания необходимых условий протекания рабочих процессов в двигателе и улучшения его эксплуатационных качеств необходимо поддерживать внутри цилиндров режим, соответствующий «горячему» двигателю.
Для решения задачи уменьшения теплоотвода от стенок цилиндровых втулок и улучшения условий организации рабочих процессов в цилиндрах необходимо рассмотреть уравнение теплового баланса, с помощью которого можно определить степень совершенства теплоиспользования, наметить пути улучшения показателей работы двигателя, рассчитать систему охлаждения.
Уравнение теплового баланса для двигателя внутреннего сгорания можно записать в следующем виде:
б _ Qе + & + Ог + Qм + 2ост , (10)
где б - теплота сгорания израсходованного топлива; бе - теплота, эквивалентная эффективной работе ДВС; бв - теплота, отводимая в систему охлаждения; бг - теплота, отводимая с выхлопными газами; бм - теплота, отводимая маслом; бост - невязка теплового баланса.
Схема одноконтурной системы проточного охлаждения с использованием забортной воды:
1 - слив; 2 - указатель температуры воды; 3 - водяная рубашка газовыпускного патрубка; 4 - корпус ДВС; 5 - трубопровод: 6 - насос забортной воды; 7 - сливные краники; 8 - осушительный насос;
9 - отводящий патрубок с регулирующим клапаном
Величина каждой составляющей уравнения (10) зависит от типа двигателя, режима работы, степени форсирования и т. д. Для дизельных двигателей без наддува составляющие теплового баланса имеют следующие значения: )е - 29...42 %; Qв - 20...35 %; )г - 25...45 %; )м -2...4 %; )ост - 2.7 %.
Одним из наиболее простых и эффективных способов поддержания внутри цилиндра цикла, соответствующего «горячему» двигателю, является создание теплоизоляционного слоя или ячеек на водоохлаждаемой поверхности втулки цилиндра [6, 7].
Для улучшения приемистости и повышения ходовых качеств СКС большое значение имеет также эффективное смесеобразование в цилиндре ЭУ СКС. Смесеобразование в дизеле происходит почти одновременно со сгоранием, а характер и интенсивность вихревого движения в камере сгорания оказывают значительное влияние на процесс сгорания. Следовательно, для эффективного сгорания топлива необходимо создать такой вихревой поток воздуха, при котором возможно наилучшее смесеобразование во всем объеме камеры сгорания.
Вихревое движение воздуха способствует переносу паров топлива в зону, богатую кислородом, и уносу продуктов сгорания из зон, где происходят реакции. Образование завихрения воздуха в дизелях во время процессов впуска и сжатия достигается применением различного типа камер сгорания и специальных устройств. Способ образования вихревого движения воздуха с учетом используемого типа камеры сгорания может быть определен путем экспериментальных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Дизели: Справ. / Под ред. В. А. Ваншейдта. - Л.: Машиностроение, 1977. - 480 с.
2. Масуев М. А., Аливагабов М. М. Проблемы улучшения эксплуатационных качеств судовых энергетических установок средств коллективного спасения и пути их решения // Конструкторское и технологическое обеспечение надежности машин: Сб. ст. регион. науч.-практ. конф. - Махачкала, 2006. - С. 172-177.
3. Аливагабов М. М. Двигатели спасательных шлюпок и катеров: Моногр. - Л.: Судостроение, 1980. - 224 с.
4. Бордуков В. В. Исследование влияния закрутки заряда на показатели рабочего процесса высокооборотного дизеля // Тр. ЦНИДИ. - Л., 1980. - С. 31-42.
5. Гаврилов В. В. Методы и средства повышения качества смесеобразования и сгорания в дизеле // Двигателестроение. - 2003. - № 3. - С. 27-31.
6. Теория и устройство судов / Ф. М. Кацман, Д. В. Дорогостайский, А. В. Конов, Б. П. Коваленко. - Л.: Судостроение, 1991. - 416 с.
7. Дорохов А. Ф. Анализ теплопередачи через стенку цилиндра судового малоразмерного дизеля // Двигателестроение. - 1987. - № 6. - С. 6-7.
Статья поступила в редакцию 20.12.2006
THE IMPROVEMENT OF THE ADAPTABILITY AND OF THE CURRENT PERFORMANCE OF POWER PLANTS OF COLLECTIVE RESCUE MEANS
№^. А. Masuev
The successful end of the saving operation substantially depends on the adaptability of the power plants and maintenance of the demanded current of collective rescue means (MCR). Parameters of the adaptability and of the current performance, alongside with starting qualities should be considered at selection or designing of a diesel engine for MCR it is necessary for them to equip a concrete vessel. In the article the design procedure of technical parameters of a diesel engine is stated at known values of the working characteristics of MCR. Questions of improvement of conditions of the organization of working process in the cylinder of diesel engine of PP due to decrease in losses of heat in the wall of the cylinder and the organization highly effective mix formations are also considered.
