Оптимизация режимов работы и уточнение размеров движителя

Применение ВФШ при зафиксированных его параметрах – диаметре, шаговом и дисковом отношении накладывает ограничение на возможность изменения положения винтовой характеристики внутри области допустимых режимов. Речь идет о свободном изменении характеристики по желанию судоводителя или проектировщика для оптимизации режима. Сама же характеристика будет меняться в соответствии с загрузкой судна, обрастанием корпуса, состоянием погоды и другими факторами.

Следует отметить, что для абсолютного большинства морских транспортных судов значительное изменение загрузки не характерно. Это свойственно лишь некоторым универсальным сухогрузам – «свободным охотникам за грузами», готовым идти и с половинной загрузкой. В последние годы этот тип судов показал низкую эффективность из-за длительных простоев под грузовыми операциями и при ожидании груза. При планировании же перевозок загрузка судна достигает определенной среднестатисти­ческой величины, на которую и проектируется судно.

Таким образом, если принято решение провести винтовую характеристику через точку 1 (рис.4.7), наиболее выгод­ную с точки зрения максимального использования установленной мощности двигателя, то в дальней­шем рабочие режимы будут иметь место в основном вблизи этой линии. На ней отмечены следую­щие характерные режимы: и – ре­жим испытаний на заданную макс­мальную скорость; р – основной расчетный эксплуата­ционный режим.

Рис.4.7. Целесообразное расположение винтовой характеристики в поле допустимых режимов: N_e – мощность агрегата ДВС в процентах от N_{e 1}; n – частота ДВС в процентах от n₁

На расчетном режиме судно будет эксплуатироваться при ско­рости vр, определяемой запасом мощности главного двигателя Кз:

• Nе р = Nе испКз ;
• nр = n1 ( Nе р / N1)1/3;
• vр = vи Кз1/3.

Характеристики (.) р – Nе р , vр и nр – средние во времени.

В эксплуатации винтовая характеристика ВФШ изменяется в связи с изменением шероховатости корпуса от нарушения лакокрасочного покрытия, коррозии и обрастания. Для так называемого гладкого корпуса (в момент начала эксплуатации) винтовая характеристика будет расположена несколько ниже линии 1 (см. характеристику ч).

Приблизительно в течение года эксплуатации винтовая характерис­тика перемес­тится в положение 1 и в дальнейшем, по мере увеличения шероховатости и обрастания, примерно на столько же отклонится в область тяжелых характеристик (см. харак­теристику о). После проведения очистки корпуса и восстанов­ления покрытия харак­теристика гладкого корпуса ч почти восстанав­ливается. Так, в интервале (ч-о) протекает цикл эксплуатации судна.

Нецелесообразно допускать значительное обрастание корпуса, так как это приводит к увеличению сопротивления и нерациональному расходованию топлива. Ширина диапазона отклонения характеристик ч и о от средней характеристики не должна превышать 2–3% в каждую сторону.

Следует отметить, что не во всех случаях удается использовать запас мощности. Например, предельной мощностью для кривой о будет ее пересечение с линией наибольшего значения Pе, а для кривой ч вступает в действие ограничение, вносимое регуляторной характери­стикой. Однако это снижение располагаемой мощности не так велико, и при любом другом расположении характеристик оно в среднем за период между докованиями будет больше.

Итак, с точки зрения наибольшего использования располагаемой мощности целесообразно поместить эксплуатационный режим в точку р, получаемую пересечением номинальной винтовой характеристики 1, проходящей через точку 1 (НМДМ), и линии
Nе р = const. Однако это решение ведет за собой ряд следствий: одновременно однозначно определяются частота вращения двигателя, а следовательно, и равная ей частота вращения винта и соответствующий ей из аппроксимации Л.С.Артюшкова [43] оптимальный диаметр винта:

Dв опт = 11,8P 1/4 / nр1/2 .

Размеры движителя ограничены во избежание его оголения при волнении и качке:

Dв <= Dв мах = TKD ,

где KD – коэффициент, характеризующий отношение наибольшего допустимого диаметра винта Dв мах к осадке Т. Этот коэффициент зависит от типа и числа движителей. На морских транспортных судах, на которых находят преимущественное применение анализируемые нами малооборотные ДВС, чаще всего применяются открытые винты нетуннельного типа. Для них KD = 0,7–0,75 при расположении оси винта в диаметральной плоскости (одновальная установка) и 0,6–0,65 для винтов, расположенных побортно (многовальная установка).

Если оптимальное значение диаметра винта Dв опт превосходит указанное выше значение Dв мах, то вступает в действие ограничение и фактическое значение Dв прини­мают равным Dв мах. В противоположном случае, когда Dв опт < Dв маx, следует принять Dв равным Dв опт.

В обоих случаях энергетическая эффективность (КПД) винта снижается. В первом случае из-за отклонения от оптимума на характеристике винта по ?р:

?р = v / ( nDв ); Dв < Dв опт; ?р > ?р oпт,

где ?р – шаговое отношение винта; ?р опт – шаговое отношение, соответствующее макси­муму КПД винта.

Можно спроектировать винт на шаговое отношение ?р опт, но тогда угол установки лопасти будет превосходить оптимальный и КПД снизится, однако не так сильно, как при отклонении ?р от ?р опт.

Во втором случае ?р = ?р опт, но КПД снижается в связи с умень­шением диаметра винта (см. параграф 4.3). При уменьшении Dв увеличивается удельная нагрузка на лопасти, возрастает Cта и падает ?в. Поэтому следует проанализировать техническую возможность, а потом и экономическую целесообразность увеличения диаметра винта.

Выше были рассмотрены два случая соотношения оптимального диаметра винта из аппроксимации и максимального из ограничения по осадке. В случае Dв опт > Dв max прихо­дится принимать Dв = Dв max, так как дальнейшее увеличение диаметра невозможно из-за ограничения по осадке. В случае же Dв опт < Dв max возможно увеличение диаметра с целью повышения КПД за счет снижения удельной нагрузки на лопасти. При этом винт становится более тяжелым и требуется соответствующее уменьшение частоты. В частности, при максимально возможном Dв = Dв max:

nв min = 139,24 P1/2 / Dв max 2.

Если nв min, полученная из этой зависимости будет меньше nmin – частоты на нижней границе ОДР (см. рис.3.1 и табл.3.1), то это противо­речит ограничению и частоту придется принять не ниже nmin, а диаметр винта удастся увеличить не более чем до следующей величины:

Dв = 11,8 P1/4 / nmin1/2.

Рис.4.8. Оптимизация расположения режимной линии винта фиксированного шага

В любом случае увеличение диаметра винта приведет к увеличению его КПД и уменьшению затрат мощности двигателя для движения судна с заданной скоростью.

На рис.4.8 на область допустимых номинальных режимов работы двигателя наложены несколько винтовых характеристик для од­ного и того же корпуса, но при разных диаметрах винта. Буквой Р отмечена рассмотренная выше ха­рактеристика, проведенная через точку 1 (НМДМ). Справа от нее расположены легкие характерис­тики при Dв меньше Dв р. Это невыгодно – используемая мощ­ность возрастает, располагаемая мощность падает, падает и КПД. Слева расположены более тяже­лые характеристики Т1, Т2, Т3 при Dв > Dв р. Чем левее проходит характеристика, тем больший диа­метр винта ей соответствует, тем выше КПД винта и меньше мощность, затрачиваемая для движения судна с заданной эксплуатационной скоростью vр.

Через точку р проведена линия постоянной эксплуата­ционной скорости р-р. Для ее ориентировочного описания, так же как и для описания всех линий этого графика, может быть использована универсальная зависимость:

Nе = Nе р ( n / nр ) m ,

где m – показатель степени в уравнении линии постоянной скорости, зависящий от фор­мы корпуса и равный 0,1–0,3.