Что такое номинальная частота вращения дизельного двигателя

Рабочие параметры главных дизелей.

Обслуживание главных дизелей, их механизмов и систем. Порядок подготовки к работе их пуск и реверсирование. Порядок остановки главных дизелей.

Особое внимание уделяется подготовки дизеля к пуску и его прогревания, так как пуск сопровождается повышенными износами вследствие недостаточности смазки и низких температур деталей, а так же плохой работой топливной аппаратуры при малых числах оборотов двигателей.

Общее требования в основном сводятся к следующему:

Перед пуском необходимо прокачать систему смазки вручную или специальным насосом, провернуть на несколько оборотов коленчатый вал двигателя при открытых индикаторных кранах, чтобы убедиться в исправности основных деталей и отсутствия воды и топлива в цилиндрах. Нужно спустить отстой воды и удалить воздух из топливной системы, проверить положение кранов системы охлаждения и смазки.

В холодное время подогреть двигатель от постоянного источника тепла. Необходимо произвести временный осмотр деталей двигателя и судового валопривода, проверить давление пускового воздуха в балконах и выполнить еще ряд операций предусматривающих инструкцией по эксплуатации. При несоблюдении этих требований неизбежно возникновение различных неисправностей приводящих к авариям двигателя, судна.

После пуска необходимо время для прогревания двигателя, поскольку температура отдельных деталей, а, следовательно, они будут подвергаться неравномерному расширению. Это вызывает излишние температурные напряжения и может привести к образованию трещин в деталях.

Сразу же после пуска не разрешается развивать число оборотов больше 50% номинального.

Нагрев двигателя требует не менее 15 – 25 мин. как только двигатель начинает работать, проверяют давление масла в системе; если давление не поднимается, двигатель немедленно останавливают.

Основным показателем прогрева двигателя служит температура масла и охлаждающая вода. Двигатель считается прогретым, когда показания приборов, измеряющих температуру, стабилизируются или их изменения будет незначительным, т. е. наступает период температурной стабильности.

Обслуживание двигателя во время работы сводится в основном к наблюдению за работой его системы, поддержанию заданного числа оборотов при температуре отработавших газов, установленной паспортом двигателя.

Каждый двигатель имеет свои рабочие параметры, установленные заводом-изготовителем или службой судового хозяйства. Обычно температура масла при номинальном режиме должна быть на выходе в двигатель 49 — 50°С и на выходе 60 — 70°С, температура воды при проточной системе из двигателя, температура отработавших газов 400°С и для двигателей с направленным тепловым режимом до 450°С.изменение режимов нагрузки следует по возможности более плавно и медленно, учитывая изменения температуры деталей двигателя.

Пред остановкой убедитесь в наличии воздуха в баллоне.

Для нормальной остановки двигателя нужно работать на сниженных оборотах, пока не упадет температура воды. Если остоповать двигатель сразу не удается после работы на полную мощность, то прекратится циркуляция воды в системе охлаждения, что может привести к резкому перегреву двигателя. После снижения температуры до заданной, рекомендованной инструкцией, переводят рукоятку (маховик) управления в положение «стоп». При остопованном двигателе проверяют температуру и состояние.

Реверсирование двигателя.

При ручном управлении реверсирование производится непосредственно маховичком управления. Маховичок устанавливают, перескакивая положение «стоп», на желаемую ступень скорости. Автоматика затем самостоятельно производит все необходимые операции переключения. Если после реверсирования повторный запуск двигателя не требуется, то маховичок управления после перестановки распределительного вала ставят снова в положение «стоп».

При дистанционном управлении реверсирование осуществляется рукояткой дистанционного управления таким же способом, как и при ручном управлении. Положение распределительного вала в каждый данный момент при дистанционном управлении сигнализируется соответствующими лампочками, размещенными в щите дистанционного контроля параметров. Кроме того, после команды реверса звучит сигнал до тех пор, пока распределительный вал не займет требующееся положение.

Внимание: не в коем случае не допускается затормаживание двигателя пусковым воздухом в целях ускорения процесса реверсирования. Если это все-таки будет сделано, то могут произойти тяжелые повреждения на деталях кривошипно-шатунного механизма.

Что такое номинальная частота вращения дизельного двигателя

Долговечность двигателей внутреннего сгорания определяется моторесурсом, который устанавливают по сроку службы наиболее ответственных деталей и узлов, подвергающихся в условиях эксплуатации процессу нормального механического истирания. Износостойкость деталей дизелей зависит: от конструктивных факторов – качества материала, смазки и топлива, удельного давления в зоне трения, скорости относительного перемещения: деталей; от эксплуатационных факторов – температурного и скоростного режимов работы дизеля, частоты и качества фильтрации масла, воздуха и топлива.

Линейная величина износа цилиндровых втулок и поршневых колец D принимается пропорциональной среднему условному давлению трения Ртр и теплонапряжённости q соответствующих деталей

D= Kтр Ртр qht, (1)

где Kтр – коэффициент пропорциональности износа; h – скорость вращения вала дизеля, об./мин; t – время работы.

Предложение о линейной зависимости трущихся деталей дизеля от теплового потока справедливо лишь для повышенного теплового состояния.

Заменим тепловой поток q1 , входящий в зависимость (1) выражением

где tст, tв – температура охлаждающей жидкости и внутренней поверхности стенки цилиндра; °C; в – коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде, ккал/м2.

Тогда будем иметь линейную зависимость износа трущихся деталей от их температурного состояния, которая характерна лишь для нерабочей зоны температур стенки цилиндра. Hа рис. 1 приведена опытная кривая износа гильзы от температуры охлаждающей жидкости.

Рис. 1. Зависимость износа гильзы цилиндра от температуры охлаждающей жидкости

Испытаниями установлено, что приращение температуры внутренней поверхности стенки цилиндра двигателя находится в линейной зависимости от приращения температуры охлаждающей жидкости. Поэтому приведенную кривую износа так же можно представить как функцию температуры трущихся деталей. Из графика видно, что она аналогична вязкостно-температурной кривой смазочных масел.

Смазочное масло, покрывающее зеркало цилиндра приобретает температуру стенки. Температура коренных и шатунных шеек коленчатого вала зависит от температуры смазочного масла. Отсюда очевидно влияние на износ коленчатого вала и цилиндров двигателя теплового режима его работы, определяемого температурой охлаждающей жидкости и масла.

C повышением температуры охлаждающей жидкости и, следовательно, смазочного слоя, на зеркале цилиндра уменьшается вязкость масла. Это приводит к снижению силы трения и повышению механического к.п.д. Одновременно сокращается конденсация паров серной кислоты на стенках цилиндра и износ последних.

Однако уменьшение износа стенок цилиндра при повышении температуры жидкости ограничивается возможностью нарушения при высоких температурах стенок (tст- 160–80°C) целостности масляной пленки на зеркале цилиндра, сильного окисления масла и уменьшения радиального зазора между поршнем и зеркалом цилиндра.

Bследствие этого повышение температуры охлаждающей жидкости для каждого двигателя и применяемых сортов масел имеет свой предел, который колеблется у существующих конструкций дизелей в интервале 110–120°C.

B реальных условиях работы подшипников скольжения и особенно поршней дизеля наблюдается режим полужидкостного трения.

Масляный слой нарушается изменением давления и направления движения. При разрыве масляной пленки происходит износ сопряженной трущейся пары. Увеличение износа трущихся деталей сопровождается пропорциональным ростом работы сил трения. Учитывая это, можно записать:

где v – удельная работа сил трения.

При этом полагается, что трущиеся детали двигателя подвергаются нормальному процессу абразивного износа, а изменение геометрических форм трущихся пар не влияет на интенсификацию износа.

Изложенная концепция полностью согласуется с распространенным энергетическим критерием износа, представляющим отношение объема продуктов истирания к работе сил трения, а также с законом изнашивания.

где Ктр = f(l) – уравнение эпюры удельных давлений; Sтр – путь трения.

Количественной мерой износа трущихся деталей служит вес продукта абразивного износа или линейная величина механического истирания деталей. Kосвенной мерой величины износа в единицу времени d может служить удельная работа сил трения в двигателе:

, (4)

где mц – количество цилиндров; Fп – площадь поршня.

При предельно допустимом износе в эксплуатации в шейках коленчатого вала и гильзах цилиндров моторесурс дизеля составит:

(5)

Заменяя (5) известное выражение

(6)

, (7)

где i – коэффициент тактности, i = 1,2; Cm – средняя скорость поршня, м/с; Ртр – среднее условное давление трения.

Переменный сомножитель из удельных параметров

. (8)

Можно принять в качестве комплексного критерия долговечности двигателей при сравнительной оценке их на износ.

Рис. 2. Потери механической энергии на трение в зависимости от скорости вращения вала дизеля при различных температурах масла

Мощность механических потерь на трение можно представить в виде:

(9)

где Мс – момент сопротивления двигателя, н•м; v – угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с.

Момент сопротивления прокручиванию вала двигателя приближенно выражается известной эмпирической зависимостью:

, (10)

где h – параметр абсолютной вязкости масла, н•с/м2; Кс – постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей двигателя. Тогда:

. (11)

Получены зависимости потерь механической энергии на трение в зависимости от температуры дизельного масла и скорости вращения вала дизеля Д 50 М (рис. 2).

Подставив выражение (11) в (5), получим ещё одну функцию моторесурса двигателя:

(12)

В отличие от функции (7), представляющей зависимость моторесурса двигателя от конструктивных параметров, эта формула отражает зависимость долговечности дизеля от режимов эксплуатации.

Для определения износостойкости важнейших трудящихся деталей дизеля наложенным энергетическим методом в формуле (3) заменим выражение удельной работы сил трения:

где m – коэффициент трения скольжения; r – нормальное удельное давление; n – относительная скорость скольжения.

. (14)

Произведение Рn принято считать мерой износа трущихся деталей. Для обеспечения их долговечности оно не должно превосходить норм, выработанных практикой.

При определении моторесурса двигателя по ответственным деталям и узлам, ограничивающим срок его службы и имеющим правомерный износ, представляет интерес лишь наибольшая величина их местных износов. Максимальный местный износ гильзы цилиндра находится в зоне камеры сгорания от трения первых поршневых колец, а у коленчатого вала – во внутренней образующей шейки (между щеками).

Условия работы сил трения в этих зонах и должны приниматься при практических расчетах. В соответствии с этим наиболее точное значение срока службы двигателя может быть получено по исходному выражению (14) с принятием местных значений коэффициента трения, скорости скольжения и нормальных давлений, создаваемых давлением рабочих газов на поршень и силами инерции движущего механизма.

Удельную силу трения mР в применении к трущимся деталям двигателя внутреннего сгорания выразим через постоянное по углу поворота кривошипа среднее за цикл давление трения

,

где Fп – площадь поршня; Fтрi – площадь рассматриваемой поверхности в дизеле дг – доля среднего давления трения, приходящаяся на рассматриваемую поверхность трения.

Работа сил трения распределяется в дизеле на трение: в цилиндрах (цилиндрических втулках bц= 0,55–0,65), в шейках коленчатого вала (в = 0,35 + 0,45) и в распределительном механизме к насосах всех систем (bпр =0,03 + 0,05).

Рис. 3. Кривые долговечности дизеля в зависимости от скорости вращения вала (а) и абсолютной вязкости дизельного масла (б)

Площадь проекции поверхности коренной шейки коленчатого вала

а окружная скорость ее скольжения

,

где dв и lв – диаметр и длина шейки.

Пренебрегая трением поршня о стенки цилиндра, площадь трения определим по поверхности соприкосновения колец с гильзой:

где hk – рабочая ширина поршневого кольца; mk – количество колец на поршне.

С учетом приведенных зависимостей получим следующее выражение моторесурса двигателя по износу коренных шеек коленчатого вала

(15)

и цилиндровых втулок

. (16)

Из формул (11) и (12) видно, что работа сил трения, а следовательно, и моторесурс двигателя внутреннего сгорания определяются в эксплуатации скоростным и температурным режимом его работы. На рис. 3а,б построены в соответствии с формулой (12) кривые долговечности дизеля в зависимости от скорости вращения вала и абсолютной вязкости дизельного масла. Кривые приведены для рабочего диапазона изменения n и .

Из полученных выражений видно, что моторесурс двигателя при переменных режимах работы не зависит от нагрузки. Входящая в отдельные выражения величина среднего давления трения не зависит от нагрузки и определяется тема же параметрами, что и момент сопротивления Ртр = f(n, h). Отсюда, режимы холостого и груженого хода при одинаковых h и h оказывают на долговечность двигателя примерно одинаковое влияние.

Таким образом, моторесурс дизеля не зависит от следующих основных факторов: степени форсирования, диаметра цилиндра, числа оборотов коленчатого вала, жесткости конструкции и заложенного в ней уровня напряжений, а также удельных давлений между трущимися поверхностями, что косвенно может быть оценено удельным весом двигателя. Значительное влияние на моторесурс оказывает применяемые сорта топлива и масла, режимы работы и пр.

Установим теперь зависимость моторесурса дизеля с помощью теории множественной корреляции от параметров , где Д – диаметр цилиндра (см); n – число оборотов коленчатого вала (об./мин), – показатель степени форсирования; gдиз – удельный вес дизеля (кг/э.л.с.). Зависимость моторесурса дизеля от каждого из аргументов Д, n, , Ддиз в начале устанавливалась методом парной корреляции, а затем было выведено уравнение множественной корреляции, учитывающее совместное влияние перечисленных выше параметров на долговечность дизеля.

В линейной корреляционной связи моторесурса и диаметра цилиндра показателем тесноты связи этих двух величин является коэффициент корреляции. вычисленный по формуле

, (17)

где rМД – коэффициент корреляции; m – количество исходных величин в статистической выборке.

При изучении корреляционной зависимости моторесурса дизеля от четырех факторов ограничимся наиболее простым и важным для практических расчетов случаем прямолинейной корреляции, описанной в общем виде уравнением:

. (18)

Для удобства расчета выразим все переменные и зависимости между ними в стандартизированном масштабе и, проведя ряд математических преобразований, получим систему нормальных уравнений:

;

;

;

.

где rмддиз., rмп – коэффициенты корреляции; β2, β3, b4, b5 – стандартизированные коэффициенты уравнения множественной регрессии; К – отношение .

Определив коэффициенты корреляции rдп, rдк, rдgдиз, rпк, rмgдиз, rкgдиз и используя ранее полученные коэффициенты парной корреляции, найдем численные значения стандартизированных коэффициентов. Подставив значения этих коэффициентов в стандартизированное уравнение

(19)

получим уравнение множественной корреляции, характеризующее зависимость моторесурса дизеля от Д, n, , gдиз

.(20)

Выводы

1. Полученную для расчета моторесурса формулу (20) можно применять для определения долговечности дизелей.

2. Указанная формула (20) справедлива для номинального режима работы дизеля. Зная среднее значение Р, Ре, g, Д при эксплуатации в определенных климатических зонах и при конкретных режимах работы дизеля, можно ориентировочно оценить влияние режимов эксплуатации на ресурс двигателя.

Внешние характеристики дизеля

Внешней характеристикой дизеля называется зависимость показателей его работы от частоты вращения при неизменном положении топливной рейки (или неизменном активном ходе плунжера ТНВД). По внешней характеристике работают главные судовые и транспортные дизели, оснащенные предельными регуляторами частоты вращения, у которых изменяется нагрузка (к примеру, увеличивается сопротивление движению судна из- за шторма или встречного ветра). Как правило, современные главные двигатели с электронными регуляторами в режиме «ограничение по топливу» также работают по внешней характеристике. Дизель-генераторы могут работать но внешней характеристике, когда нагрузка превышает предел, при котором топливная рейка доходит до упора.

В зависимости от величины активного хода плунжера различают следующие внешние характеристики: предельной мощности (активный ход — максимальный), номинальную (активный ход h_а соответствует 100%-ной цикловой подаче на номинальном режиме), эксплуатационную (h_а = 85-95% от номинального значения) и частичные внешние характеристики (h_а менее 85-95%). За 100% h_а принимается такой активный ход и такое положение топливной рейки, когда двигатель в нормальных условиях и при заводской регулировке развивает номинальную мощность при номинальной частоте вращения.

Закономерности изменения показателей дизеля на каждой из внешних характеристик примерно одинаковы. Поэтому для выяснения этих закономерностей достаточно рассмотреть номинальную внешнюю характеристику.

Изменение энерго-экономических показателей

Изменение энерго-экономических параметров, характеризующих работу дизеля на внешней характеристике, зависит главным образом от 2-х факторов: изменения цикловой подачи g_ц (или коэффициента подачи η_п) и коэффициента избытка воздуха на сгорание α при изменении частоты вращения и T.P.=const.

У большей части двигателей, работающих по внешней характеристике, цикловая подача топлива и коэффициент подачи возрастают при снижении частоты вращения. Это объясняется улучшением наполнения насоса и уменьшением потерь топлива при отсечке топливоподачи Процесс топливоподачи в ТНВД. Лишь у двигателей, имеющих ТНВД с регулированием по началу подачи, следует ожидать уменьшение цикловой подачи при снижении оборотов. Подробно об этом будет сказано при рассмотрении характеристик топливоподачи.

Изменение α определяется зависимостью:

• где V_s — рабочий объем цилиндра;
• η_н — коэффициент наполнения;
• γ_s — удельный вес воздуха;
• f_пл — площадь плунжера ТНВД;
• h_а — активный ход;
• η_п — коэффициент подачи;
• γ_т — удельный вес топлива;
• L_о — теоретически необходимое количество воздуха на сгорание 1 кг топлива;
• К_а — коэффициент пропорциональности.

Для 4-тактных двигателей без наддува удельный вес воздуха не изменяется на всех режимах: γ_s = γ_о = const, величина α определяется соотношением: α = f(η_н / η_п). Это соотношение незначительно уменьшается при снижении частоты вращения. Улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом из-за уменьшения гидравлического сопротивления клапанов компенсируется некоторым увеличением коэффициента подачи. Поэтому для 4-тактных двигателей без наддува может быть принято α ≈ const. Следовательно, может быть принят постоянным при работе по внешней характеристике и индикаторный кпд, который, прежде всего, определяется величиной α: η_i ≈ const.

Для двигателей с наддувом (как 2-х, так и 4-тактных) с уменьшением частоты вращения снижается давление наддува, следовательно, и плотность воздуха γ_s. Совместно с одно-временным увеличением цикловой подачи это приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха на сгорание (рис. №1). При этом снижается индикаторный кпд двигателя (тем в большей степени, чем больше увеличивается коэффициент подачи и снижается плотность воздушного заряда).

Наиболее благоприятной характеристикой, обеспечивающей минимальное падение плотности воздушного заряда при механическом наддуве Характеристики систем механического наддува , обладают поршневые компрессоры, затем следуют роторные и центробежные. В свою очередь, газотурбинный наддув при снижении оборотов обеспечивает более пологое изменение расхода воздуха, чем механический наддув, за счет ухудшения индикаторного процесса в цилиндре и некоторого увеличения при этом располагаемой работы газа перед турбиной. Поэтому при газотурбинном наддуве падение индикаторного кпд менее значительно, чем при механическом наддуве.

Зависимость среднего индикаторного давления от частоты вращения может быть установлена из выражения;

• где K_pi — коэффициент пропорциональности;
• η_i — индикаторный кпд.

Рис. 1 Характер изменения энерго-экономических показателей дизеля при работе по внешней характеристике

Для 4-тактных двигателей без наддува, когда может быть принято равенство: η_i ≈ const, — P_i определяется только изменением цикловой подачи топлива g_ц (или коэффициента подачи η_п). Для большинства дизелей коэффициент подачи растет при снижении оборотов. Следовательно, растет и среднее индикаторное давление.

Аналогично для двигателей сгазотурбинным наддувом даже при некотором снижении экономичности индикаторного процесса при снижении оборотов по внешней характеристике среднее индикаторное давление Определение среднего индикаторного давления растет, поскольку растет цикловая подача топлива. Падение среднего индикаторного давления при уменьшении оборотов по внешней характеристике возможно лишь для дизелей с высоким наддувом из-за значительного снижения η_i, которое не компенсируется увеличением цикловой подачи.

Зависимость индикаторной мощности N_i(n) может быть записана в виде:

• где K_N — коэффициент пропорциональности;
• n — частота вращения.

Эта характеристика теоретически идет из начала координат. Мощность возрастает при увеличении частоты вращения, однако при приближении к номинальным оборотам рост N_i замедляется из-за снижения P_i (рис. №1).

Зависимость эффективной мощности от частоты вращения может быть записана как:

где η_м — механический кпд.

Кривая N_е(n) пойдет ниже кривой индикаторной мощности, поскольку механический кпд меньше 1. Механический кпд с уменьшением частоты вращения растет, так как мощность механических потерь N_м снижается более интенсивно, чем происходит уменьшение N_i. Изменение N_м подчиняется криволинейному закону:

где А — коэффициент пропорциональности;
β — показатель степени (β >1).

Если предположить, что при снижении частоты вращения P_i остается неизменным, то индикаторная мощность Индикаторная и эффективная мощность двигателя будет снижаться пропорционально частоте вращения, т.е. ее снижение будет менее интенсивным по сравнению с N_м. Возрастание P_i при снижении оборотов дополнительно снижает интенсивность уменьшения N_i. Вот почему η_м растет при снижении оборотов.

Влияние характера изменения η_м проявляется и в характере кривых Р_е(n) и η_е(n) (рис. №1).

Трансформаторные подстанции высочайшего качества

с нами приходит энергия

develop@websor.ru

Номинальные частоты вращения электрических машин

1. Номинальные частоты вращения генераторов и двигателей постоянного тока должны соответствовать указанным в табл.1

Таблица 1 Номинальные частоты вращения машин постоянного тока

Номинальная частота вращения, об/мин

25
50
75
100
125
150
200
300
400
500
600
750
1000
1500
(2200)
3000
4000
(5000)
6000
7500
10000
12 500
15 000
20 000
30 000
40 000
60 000

Примечания:
1. Номинальные частоты вращения генераторов постоянного тока, когда их приводными двигателями являются асинхронные двигатели, могут быть меньше указанных в таблице на частоту вращения, определяемую величиной номинального скольжения приводного двигателя.
2. Номинальные частоты вращения, заключенные в скобки, применять не рекомендуется.
3. Допускается применение номинальных частот вращения, отличных от указанных в таблице, для двигателей, предназначенных для привода шахтного подъема и механизмов металлургического производства, для генераторов с Непосредственным приводом от авиационных и автомобильных двигателей.
4. Номинальные частоты вращения двигателей, предназначенных для работы в электроприводе механизмов металлургических агрегатов и на подъемнотранспортных механизмах, должны соответствовать ГОСТ 184-61, малогабаритных автотракторных электродвигателей — ГОСТ 9443-67.

2. Номинальные частоты вращения электрических машин переменного тока (до 15 000 об / мин) при частотах тока, предусмотренных ГОСТ 6697-67 в диапазоне от 50 до 1000 Гц, должны соответствовать: для синхронных двигателей и генераторов — указанным в табл. 2, для асинхронных трехфазных, двухфазных и однофазных двигателей — указанным в табл. 3.
3. Номинальные частоты вращения электрических машин переменного тока при частотах тока, предусмотренных ГОСТ 6697-67 в диапазоне до 25 Гц, должны соответствовать синхронным частотам вращения, получающимся в результате исполнения электрических машин с числом полюсов:

• 2 и 4 для синхронных генераторов и двигателей;
• 2, 4, 6 и 8 для асинхронных двигателей (трех-, двух- и однофазных).

4. Применение номинальных частот вращения, отличных от указанных в пп. 2 и 3, допускается:

• для электрических машин переменного тока на частоты, отличающиеся от стандартных в технически обоснованных случаях;
• для генераторов переменного тока с непосредственным приводом от авиационных двигателей;
• для двигателей магнитной записи и аппаратуры связи, применяемых в системах автономной синхронизации.

Таблица 2 Номинальные частоты вращения синхронных машин

Номинальная частота вращения, об/мин

Синхронные двигатели (Д) и генераторы (Г) частоты, Гц