Эксплуатация современных судовых дизельных установок

2.4.4. Режимы работы двигателей при циркуляции судна

По характеру воздействия на ГД весь маневр циркуляции судна следует разделять на участки входа и выхода из циркуляции и участок движения с постоянным радиусом циркуляции.

Рис. 2.9. Изменение нагрузки на двигатели при циркуляции двухвинтового судна [1].

На участках входа и выхода двигатели работают на неустановившихся режимах, вызванных изменением скорости судна, угла перекладки руля, угла дрейфа.

При сохранении радиуса циркуляции ГД работают на установившихся режимах, отличных, однако, от тех, что имели место во время хода судна на прямом курсе. При циркуляции судно движется не только по радиусу, но и с дрейфом, скорость его падает при той же частоте вращения ГВ. Винты работают в косом потоке и их КПД снижается. Нагрузка на ГД возрастает [1].

В многовальных установках наблюдается значительные перераспределения нагрузок между двигателями. Гребные винты, расположенные ближе к центру циркуляции, нагружаются в большей степени. На рисунке 2.9 показано распределение нагрузки между ГД при повороте судна налево

По оси абсцисс отложены значения углов поворота корпуса судна. В начале циркуляции правый наружный винт даже несколько разгружается, но в дальнейшем нагрузка увеличивается, превышая номинальную на 6…7 %. На левый двигатель нагрузка возрастает, достигая 170 %..

По мере поворота судна радиус циркуляции непрерывно уменьшается, а скорость судна падает. Происходит «утяжеление» винтовой характеристики. По опытным данным «утяжеление» винтовых характеристик для внутренних ГВ при циркуляции с полного хода оценивается коэффициентом 1,2…1,25, для внешних винтов – коэффициентами 1,1…1,15. Циркуляция даже при неполной частоте вращения приводит к перегрузке двигателей.

Рациональное управление такими режимами состоит в снижении частоты вращения ГД, работающего на ГВ, обращенный к центру циркуляции или полном отключении этой линии вала.

2.4.5. Управление режимами работы ГД в штормовых условиях

Плавание в неблагоприятных условиях (сильный шторм, ураган, тайфун) может привести к серьезным повреждениям корпуса, водотечности, разрыву обшивки, разрушению крепления механизмов и даже гибели судов (паромы «Эстония», «Тойя Мару», «Harta Rimba», танкеры «Китус», «Престиж», сухогрузы «Luno», «Arvin» др.). Работа ГД в штормовых условиях неизбежно связана с увеличением сопротивления движению судна, ростом и нестабильностью нагрузки на ГД. Необходимо предпринимать соответствующие обстановке действия и как можно чаще контролировать работу ГД по показаниям приборов и другими доступными способами.

При шторме бортовая и килевая качка неизбежна. Согласно требованиям РМРС главные и вспомогательные механизмы должны нормально работать при длительном крене при статических условиях на тот или иной борт до 15,0 градусов, при крене при динамических условиях (бортовой качке) до 22,5° градусов. Длительный дифферент на нос или на корму допускается до 5°, а динамический дифферент на нос или на корму (килевая качка) до 7,5°.

Рассмотрим работу ДЭУ с ВФШ в штормовых и предштормовых условиях. Изменение скорости судна и соответственно оборотов ГД вызывается: увеличением сопротивления движению из-за волновой и ветровой нагрузки, уменьшением КПД винта из-за работы в косом срезе, ограничением используемой мощности ГД, намеренным снижением скорости при возникновении ударов корпуса о волны и с целью снижения чрезмерных ускорений при качке. Предельные значения скорости можно определить по штормовым диаграммам В. Б. Липиса и Д. В. Кондрикова.

При движении навстречу волне в широком диапазоне курсовых углов возможно возникновение такого явления как слемминг (удары днищем о волны). Тогда необходимо снижение скорости и уменьшение осадки судна носом.

Нагрузки на ДЭУ неустановившиеся и непрерывно изменяющиеся во времени, так как происходят частые перекладки руля, изменение глубины погружения ГВ. Винтовая характеристика будет изменяться от утяжеленной до облегченной и обратно с изменяющейся частотой.

Необходимо обеспечить надежную работу ГД без значительных механических и тепловых перегрузок, в то же время необходимо обеспечить максимально возможное использование мощности ГД, не допуская его остановки по предельной частоте вращения. Изменение нагрузки на двигатель во время плавания в штормовых условиях можно проследить по графику, изображенному на рисунке 2.10 [9]

Рис. 2.10. Работа двигателя в штормовых условиях:

I – теоретическая винтовая характеристика, соответствующая номинальной мощности;

II, III – утяжеленная и облегченная винтовые характеристики; а0, а1 – характеристики постоянной топливоподачи; b1, b2 – регуляторные характеристики; b0 – ограничительная регуляторная характеристика; IV – ограничительная характеристика (показана упрощенно и условно прямой линией).

Возможны различные способы управления ГД.

Ручное управление с постоянной топливоподачей (gu = const). При поддержании номинальной подачи топлива частота вращения и нагрузка будет меняться в диапазоне 3–1–2 (при всходе на волну) и 2–1–3 (при сходе с волны).

Этот способ управления реализуется при работе с предельным регулятором частоты вращения (например, регулятором двигателя ДКРН 70/120) или при работе в аварийном режиме (управление с местного поста двигателя). При этом частота вращения будет выходить за ограничительную характеристику bо, что недопустимо, а в диапазоне 1–2 двигатель будет перегружаться. По этим причинам во время шторма можно перейти на частичную характеристику а1, которая обеспечивает работу по линии 7, 5, 9. и ограничить предельную частоту вращения. Это уже будет вариант простого комбинированного способа управления (и частотой и подачей топлива), но без учета ограничений крятящего момента.

При использовании указанного ранее всережимно-предельного регулятора в режиме всережимного между толкателем и роликом ограничения частоты в регуляторе устанавливают проставку, задавая тем самым меньшее значение максимально допустимой частоты вращения. Несколько ослабевают затяг пружин чувствительного элемента маховиком регулятора. Затем увеличивают подачу топлива до номинального значения (по нагрузке) [70]. Работа будет осуществляться по линиям 6–5–7 и обратно 7–5–6.

При использовании всережимных регуляторов с ограничениями подачи топлива по повышению тепловой напряженности и понижению давления наддува работа будет происходить по линиям 6–4–7 и 7–4–6.

При сильном волнении моря судно движется с малой скоростью, частота вращения коленчатого вала часто не превышает 25–40 % от номинальной. Двигатель работает неустойчиво и может заглохнуть, при резком увеличении сопротивления движению судна.

Большие колебания частоты вращения, вызывают значительные динамические нагрузки, колебания крутящего и опрокидывающего моментов. Рост динамических нагрузок из-за сил инерции приводит также к ускоренному износу приводов навесных насосов, распределительного вала.

Ухудшаются условия работы дейдвудного устройства и подшипников валопровода, особенно упорного из-за неравномерности вращения коленчатого вала и вибрации корпуса судна.

Работа на пониженных частотах приводит к частичному разрегулированию двигателя по максимальному давлению сгорания и температурам выпускных газов. Это вызвано неравномерностью цикловых подач по цилиндрам. Одни цилиндры будут перегружены, другие цилиндры будут недогружены.

Из-за этого снижение топливоподачи, а, следовательно, и эффективной мощности и нагрузки должно быть в принципе более значительным и описываться линией, расположенной ниже линии а1.

Тепловая нагрузка на двигатель меняется незначительно, но снижение мощности продлевает время нахождения судна в зоне шторма.

При автоматическом регулировании при помощи всережимного регулятора (n = const) изменение частоты вращения будет незначительным, но возможны резкие изменения подачи топлива и, соответственно, нагрузки двигателя. Во избежание больших перегрузок необходимо перейти на пониженную регуляторную характеристику b1 или b2, хотя при этом все равно будут значительные колебания нагрузки, а развиваемая двигателем мощность, будет существенно меньше.

Но и снижение частоты вращения ГД только путем уменьшения затяжки пружины чувствительного элемента регулятора ограничено, если используется обычный всережимный регулятор. Так, например, при работе в штормовых условиях двигателя 6L35MC (с регулятором UG-40), имеющего обороты полного хода – 170 об/ мин., а обороты эксплуатационного хода – 150 об/мин., снизить частоту вращения удается только до 135…140 об/мин. При дальнейшем снижении частоты вращения двигателя возрастали температуры по цилиндрам, так как на таких режимах турбокомпрессор уже не обеспечивал расход наддувочного воздуха, соответствующий подаче топлива, то есть точка 7 находящаяся на пересечении ограничительной характеристики и регуляторной характеристики b1 находилась бы ниже точки пересечения регуляторной характеристики b1 и утяжеленной винтовой характеристики II.

Некоторые регуляторы (EGC 2000 Lyngso Marine) обеспечивают постоянство мощности ГД при волнении моря, уменьшая диапазон колебаний тепловой нагрузки (подр. 6.2.3.3).

В ряде регуляторов (UG-40TL, PGA Вудвард и в большинстве электронных) предусмотрена защита по тепловой перегрузке и давлению наддува. Ограничительные характеристики реализуются, например, в виде подвижного упора (в UG-40TL), ограничивающего движение поршня сервомотора в зависимости от частоты вращения и давления наддува. Реализуется комбинированная характеристика управления, которая характеризуется большей мощностью (6–4–7).

По опытным данным, степень утяжеления винтовой характеристики и увеличение нагрузки на двигатель в условиях плавания на 4…5-х бальной волне достигает 1,13…1,16 (при той же частоте вращения) по сравнению с плаванием в штилевую погоду. Пределы колебания нагрузки при всходе на волну и сходе с волны составляют 1,25…0,9 [10]. При этом увеличение потребной мощности в значительной мере зависит от направления движения судна по отношению к волне.

Таким образом, наиболее эффективным способом управления ГД с ВФШ во время шторма является работа по комбинированной характеристике.

При плавании в балласте или с неполным грузом во время шторма необходимо балластировкой обеспечить, возможно, большее погружение винта.

Для предотвращения срыва потока охлаждающей воды забортную воду следует принимать через донный кингстон и периодически выпускать воздух из приемных фильтров.

В установках с ВРШ и валогенератором (ВГ) с постоянным передаточным числом традиционной конструкции рекомендуют отключать ВГ по соображениям безопасности. При резких колебаниях частоты вращения возможно срабатывание защиты ВГ традиционной конструкции и полное обесточивание СДЭУ. В штормовых условиях СДЭУ с ВРШ работают при постоянной частоте вращения ГД, а нагрузка меняется разворотом лопастей винта. Если регулятор надежно держит обороты, то ВГ отключать не надо. Но если в результате заглубления винта произойдет значительное падение частоты за предельное ограничение для ВГ, то он отключится и должен автоматически включиться ДГ.

Надежно избежать обесточивания из-за аварийного отключения ВГ можно при параллельной работе ВГ с ВДГ, которая обычно не рекомендуется. Однако существуют схемы, обеспечивающие устойчивую работу ВГ и ВДГ в широком диапазоне частот вращения ГД (см. подраздел 2.5).

Возможности использования ВГ при работе в предштормовых и штормовых условиях зависят от способа подключения и конструкции ВГ. В современных дизельных СЭУ применяются три основных типа ВГ: с постоянным передаточным числом, с постоянной частотой вращения и с постоянной электрической частотой (см. подраздел 2.5). Они имеют различные схемы компоновки устройств отбора мощности от ГД и используют различные системы регулирования частоты, которые позволяют генерировать электрическую энергию с постоянной частотой электрического тока при изменении частоты вращения ГД [28].

Качество производимой электроэнергии зависит от типа ВГ, работающего на определенных частотах вращения ГД. Для иллюстрации возможности выработки электрической энергии приведенными выше тремя типами ВГ на рисунках 2.16 и 2.17 представлены соответствующие графические зависимости.

Очевидно, что лучшими возможностями для успешной реализации режима работы судовой ДЭУ совместно с валогенератором в штормовых условиях обладает валогенераторная система с постоянной с электрической частотой PTO CFE.

В электронных регуляторах двигателей с электронным управлением можно быстро (путем нажатия кнопки «Reogh Seа» в регуляторе DGU 8800 [29] и перехода на режим «Power» в регуляторе EGS 2000) менять настройки изодромной связи при переходе к работе ГД в условиях волнения моря.

Следует иметь в виду, что со временем с изменением статических характеристик пропульсивного комплекса эти параметры следует корректировать. Для нормальных условий плавания и для плавания в условиях волнения моря эти параметры разные.

Важнейшими параметрами настройки регулятора, определяющими динамические режимы работы пропульсивного комплекса является передаточный коэффициент «P\GAIN» и время изодрома «I\GAIN». От запрограммированных исходных величин этих параметров зависит вид переходных процессов и их колебательность в динамических режимах, что в конечном итоге влияет на износ двигателя и расход топлива. При этом динамика переходных процессов в регуляторе и двигателе изменится в благоприятную сторону.

При работе в штормовых условиях надежная работа системы смазки обеспечивается повышением уровня масла в циркуляционном танке до верхней отметки во избежание попадания в масло воздуха при качке.

Бортовая качка усугубляет условия работы поршней в цилиндрах и ухудшает условия их смазывания. При неправильном обслуживании возможны задиры поршня, поэтому целесообразно увеличить подачу лубрикаторного масла в цилиндры и постоянно контролировать тепловое состояние двигателя.

Мы рассмотрели работу ГД при движении на постоянном курсе. Однако, возможные условия эксплуатации более разнообразны. При сильном шторме с ураганным ветром и, соответствующим таким невеселым обстоятельствам, волнении моря, рекомендуется для сохранения безопасности судна способ штормования на носовых курсовых углах. Этот способ штормования наиболее приемлем для судов, у которых полубак защищает палубу от заливания, а полные обводы носовой части и дифферент на корму облегчает всплывание судна на волне. Могут иметь место удары днищем о волны (слемминг). Для удержания судна носом к волне необходимо обеспечивать минимальный ход, достаточный для управления. При этом следует учитывать, что малая скорость судна требует частых и больших перекладок руля.

Если судно достаточно хорошо управляется, а бортовая качка не очень большая, то можно идти курсом не строго против волны, а встречать волну скулой, в этом случае будет больше заглубление винта. Крупнотоннажным судам рекомендуется для уменьшения изгибающих моментов на корпусе штормование на курсовых углах волнения (КУВ) 35–45 градусов [69]. Для надежного удержания судна на курсе рекомендуется периодически менять направление.

Многое зависит от конструкции судна, его загрузки. Так, например, в работе [78] для обеспечения оптимальной скорости танкера предлагается использовать маневр «12–60». Дело в том, что наибольшие скорости движения танкера достигались при курсовых углах ветра и волнения 12 и 60, а наибольшее сопротивление движению в диапазоне углов 24–40. Был предложен способ эффективного последовательного маневрирования танкера в шторм – «12–60». Сначала танкер двигался носом на волну с КУВ 12. Через некоторое время переход на КУВ 60, чтобы не отклониться от курса. После возвращения на первоначальную линию пути с КУВ 0 маневр повторялся.

Для других судов оптимальные углы будут другими, но зная их можно поступая аналогично обеспечить эффективное движение в шторм.

Таким образом, нагрузка на ГД будет еще и периодически увеличиваться за счет необходимости маневрирования в таких сложных условиях. Это необходимо учитывать при выборе уставки частоты вращения, а, возможно, и настройке линии ограничительной характеристики. Но это не все сложности. Предположим предстоит поворот судна.

Поворот судна в штормовую погоду – очень ответственный и опасный маневр. Иногда он совершенно необходим при изменении условий штормовой обстановки, возникновении опасности по курсу или в силу других причин. Перед началом поворота экипаж должен быть извещен об этом, так как будет происходить усиление качки, зарывание в волну и т. п.

Чтобы успешно осуществить поворот при сильном волнении моря, необходима правильная оценка обстановки и правильный выбор момента начала маневра. Надо установить периодичность больших и малых волн, чтобы весь маневр или его часть осуществить в период малых волн и максимально быстро.

Если судно держится на малом ходу носом против волны и нужно развернуться, чтобы идти с попутной волной, следует начать поворот еще при достаточно сильной волне, чтобы судно стало лагом к волне в момент наступления относительно спокойного периода. Первую половину разворота необходимо выполнить с переложенным на борт рулем. Главному двигателю временами придется работать на полной мощности, но так, чтобы судно не увеличивало хода. Закончить поворот нужно как можно быстрее.

Если судно идет с попутной волной, и необходимо развернуться носом против волны, то надо уменьшить ход и выбрать наиболее удобный момент для начала маневра так, чтобы сделать последнюю половину разворота в течение относительно спокойного периода. Первую половину разворота рекомендуется сделать при возможно меньшем переднем ходе судна, а вторую осуществить с помощью ГД, периодически работающего на полный ход в течение короткого периода. Значит в эти периоды можно снять ограничение по теплонапряженности, чтобы кратковременно максимально использовать мощность ГД.

На панели управления AutoChief® можно произвести отмену SHD и SLD по подаче топлива и ограничению нагрузки, которые активны в системе дистанционного управления при обычных условиях плавания.

Для обеспечения безопасного маневрирования следует помнить, что запрещено вести судно на большой скорости при встречной волне и на большой скорости при волне в корму, особенно когда длины судна и волн почти одинаковы. Чтобы исключить резонанс периода волн с периодом бортовой качки судна при следовании лагом к волне следует возможно чаще менять курс. ГД будет подвергаться дополнительным нагрузкам и техническое состояние его узлов, прежде всего ТА, должно соответствовать условиям эксплуатации.

2.5. Режимы работы ГД с валогенератором

Использование ВГ снижает мощность, идущую на движение судна, но повышает экономичность установки в целом. ВГ приводится от вала дизеля (рис. 2.11). Изменение частоты вращения ГД во время эксплуатации отрицательно влияет на эффективность использования ВГ.

Рис. 2.11. Зона спецификационных режимов работы ГД при работе с ВГ.

1 – винтовая характеристика, проходящая через режимную точку S при работе с нагруженным валогенератором; 2 – тяжелая винтовая характеристика при отключенном валогенераторе (обросший корпус, судно в грузу); 6 – облегченная винтовая характеристика (чистый корпус) [28].

В современных СЭУ применяются три основных типа ВГ:

1) с постоянным передаточным числом (PTO/GCR);

2) с постоянной частотой вращения (Power Take-Off/Renk Constant Frequency или сокращенно PTO/RCF);

3) с постоянной электрической частотой (Power Take-Off/Constant Frequency Electrical, сокращенно PTO/CFE).

Они имеют разные схемы компоновки устройств отбора мощности от ГД (табл. 2.1) и используют различные системы регулирования частот.

Режим работы ПК судна будет зависеть от наличия в работе и нагрузки валогенератора. Во многих случаях суммарная максимальная длительная мощность двигателя определяется простым сложением тяговой мощности и мощности, потребляемой валогенератором.

Рабочую точку можно найти расчетом: S=SMCR+SG, где SG это мощность, необходимая для работы валогенератора (рис. 2.11).

Таблица 2.1. – Схемы компоновки и характеристики систем отбора мощности различными типами ВГ

При наличии в работе ВГ и работе на малых ходах необходимо предусмотреть дополнительный запас мощности для обеспечения разгона судна без критических перегрузок при плохой погоде или значительном обрастании корпуса. Кривая разгона судна выйдет за пределы зоны суммарных нагрузок (на рис 2.11 зона выделена желтым цветом), но она не должна выходить за пределы кратко-временной ограничительной характеристики.

Мощность ГД, расходуемая на движение судна, при включении ВГ, будет уменьшаться при использовании валогенератора в качестве валомашины, работающей от ДГ, мощность, передаваемая на винт, будет увеличиваться.

Использование валогенераторов на судах целесообразно по следующим причинам: более высокий по сравнению с ВД коэффициент полезного действия ГД, больший срок службы, низкий уровень шума, возможность стабилизации нагрузки ГД, работающих на некоторых специфичных режимах ряда судов с недогрузкой (траулеры, суда ледового плавания, буксиры). На рыболовецких судах ВГ обеспечивают электропитание траловой лебедки.

Кроме того, на старых судах ГД обычно используют более дешевое топливо, нежели ВДГ. ВГ бывают простые (PTO/GCR), то есть без системы регулирования частоты вращения и пропорциональной ей частоты электрического тока. Тогда ГД постоянно работает на одной и той же заданной частоте вращения.

На рыболовецких траулерах ВГ позволяют существенно стабилизировать нагрузку ГД на различных ходовых режимах (без трала, при постановке и выборке различных тралов) и обеспечивает электропитание траловой лебедки. ВГ бывают простые, то есть без системы регулирования частоты вращения и пропорциональной ей частоты электрического тока. Тогда ГД постоянно работает на одной и той же заданной частоте вращения. Такой режим часто имеет место при работе ГД с ВРШ по нагрузочной характеристике.

Рис. 2.12. – Компоновка валогенератора в составе пропульсивной установки с МОД [28]

Валогенераторы с постоянным передаточным числом (Power Take-Off/Gear Constant Ratio или сокращенно PTO/GCR), состоят из стандартного синхронного генератора переменного тока и повышающей передачи.

Частота вращения генератора пропорциональна частоте вращения ГД. Наиболее качественная работа такого ВГ обеспечивается при постоянной частоте вращения гребного винта.

Однако скорость вращения гребного винта и ГД изменяются в зависимости от скорости судна и сопротивления его движению. Следовательно, электрическая энергия, генерируемая системой PTO/GCR, будет иметь переменную частоту тока, а большинство судового электрооборудования работоспособно при незначительных изменениях частоты тока (от 50 до 60 Гц).