Взаимодействие гребных винтов с энергетическими установками

Винтовые характеристики.Главные двигатели всех типов судовых энергетических установок взаимодействуют с гребными пинтами динамически и кинематически.

Кинематическая связь при прямой передаче выражается itравенстве частот вращения вала двигателя и гребного винта. Наличие редуктора не вносит принципиальных изменений в фи­зическую сущность этого взаимодействия.

Динамическая связь выражается в равенстве моментов, т. е. момента гребного винта М_р и крутящего момента на валу дви-| ателя М_е (с учетом потерь на трение в валопроводе).

Эти связи определяют работу двигателя по единым с греб­шими винтами характеристикам, которые зависят от эксплуа­тационных характеристик корпуса судна R (v_s) или EPS (v_s). Совместные характеристики двигателя и гребного винта назы­ваются винтовыми характеристиками.

Уравнение установившегося динамического взаимодействия житного двигателя с гребным винтом имеет вид

Следовательно, мощность двигателя при работе на гребной винт будет равна

Для конкретного судна р, D и п_в — величины постоянные.

Экспериментально установлено, что в достаточно широком диапазоне частоты вращения скорость судна пропорциональна частоте вращения гребного винта

т. е. между скоростью судна и частотой вращения гребного винта существует линейная зависимость. Поэтому можно при­нять, что в рабочем диапазоне частоты вращения к_р = const. Так как K2 = f(h_P,H/D), то можно считать, что /C₂ = const.

Таким образом, винтовая характеристика (любого главного двигателя) может быть выражена уравнением кубической пара­болы

где с — коэффициент пропорциональности.

Уравнение динамической взаимосвязи главного двигателя с корпусом судна при установившемся движении имеет вид

В условиях эксплуатации винтовые характеристики изменя­ются в широких пределах в зависимости от состояния корпуса судна, гребного винта и влияния других факторов па сопротив­ление движению судна и его пропульсивный коэффициент. Можно считать, что предельные винтовые характеристики соот­ветствуют режимам эксплуатации судна при работе двигателя на швартовах и при плавании судна в порожнем состоянии с чи­стым свежеокрашенным корпусом в условиях безветрия. По мере увеличения сопротивления и уменьшения пропульсивного коэффициента увеличивается коэффициент с в формуле (3.107) и характеристики становятся более крутыми. Наиболее крутой, соответствующей наиболее тяжелому режиму работы двига­теля, является швартовная винтовая характеристика при и₆ = 0 (судно уперлось в лед, село на мель, стаскивает другое судно с мели). Сопротивление движению судна увеличивается при плавании на мелководье (как было показано ранее в § 13), а также при движении во льдах. Винтовые характеристики изменяются вследствие коррозии корпуса и вспучивания краски, а также, в значительной степени, в результате увеличения со­противления при обрастании корпуса.

Сопротивление трения обросшего корпуса может быть оце­нено по экспериментальной формуле Дэбута:

где f — коэффициент трения, зависящий от веса обрастателей, отнесенного к площади обросшей поверхности.

Влияние шероховатости корпуса на изменение винтовых ха­рактеристик несколько уменьшается за счет вызванного ею уве­личения коэффициента попутного потока, а следовательно, и иропульсивного коэффициента.

Сопротивление движению судна увеличивается при ветре и полпенни. Например, в Северной Атлантике при силе ветра до 6 баллов это увеличение достигает в среднем 22—25%. При более сильном ветре, и особенно при встречном волнении, оце­пить увеличение сопротивления трудно, так как судоводители вынуждены изменять курс и снижать скорость судна. Измене­ние курса связано со стремлением избежать опасной бортовой пли килевой качки. Намеренное снижение скорости вызывается необходимостью избежать явлений слеминга, разгона винта (при плавании в балласте) и заливаемости палубы (при пла­вании с грузом).

Существенное увеличение крутизны винтовых характеристик вызывается повышением шероховатости лопастей гребных вин­тов, обусловленным изменением структуры металла, коррозией, эрозией и т. д.

Относительное влияние основных из перечисленных факто­ров на изменение винтовых характеристик может быть проил­люстрировано следующими примерами. Если суммарную потерю скорости за 24 мес эксплуатации судна принять за 100%, то при бронзовом гребном винте доля влияния шероховатости кор­пуса составит 60%, а шероховатости гребного винта — 25%. При гребном винте из углеродистой стали и прочих равных условиях суммарная потеря скорости возрастает на 50%, при­чем доля влияния шероховатости корпуса составит 30%, а доля потерь за счет гребного винта — 60%.

При плавании на волнении амплитуды колебаний упора и момента на винте находятся в линейной зависимости от высоты волны. Аэрация лопастей вблизи свободной поверхности и их оголение приводят к периодическому снижению упора и момента и в конечном счете к разгону двигателя, который носит характерных резких забросов частоты вращения, являющихся следствием мгновенных скачков момента на гребном винте. При разгоне двигателя винтовые характеристики уходят резко вправо, даже правее винтовой характеристики порожнего судна, принятой ранее в качестве одной из предельных; однако при этом воз­никает потеря скорости, которая достигает 20% потери, вызван­ной ростом сопротивления воды па волнении. Если же нет аэрации иоголения лопастей, то изменение винтовых характеристик следует рассматривать только как следствие увеличения сопро­тивления на волнении.

Взаимодействие главных двигателей с гребными винтами определяется взаимодействием характеристик, свойственных данному типу двигателя, с винтовыми характеристиками. Ха­рактеристики главных двигателей представляют собой зависи­мости определенных параметров от частоты вращения вала дви­гателя (так называемые скоростные характеристики).

Рассмотрим особенности взаимодействия главных двигате­лей различных типов с гребными винтами как взаимодействия скоростных характеристик этих двигателей с винтовыми харак­теристиками.

Взаимодействие гребных винтов с двигателями внутреннего сгорания.Двигатели внутреннего сгорания имеют различные скоростные характеристики, которые определяют при стендо­вых испытаниях и представляют графически в форме следую­щих зависимостей:

Ni = f(n)—скоростная характеристика индикаторной мощ­ности;

N_e=f(n)—скоростная характеристика эффективной мощ­ности;

Mi=f(n)—скоростная характеристика индикаторного кру­тящего момента;

M_e—f(n)—скоростная характеристика эффективного крутя­щего момента.

В дальнейшем в качестве характеристики двигателя будем рассматривать зависимость N_e = f{n).

Стендовые испытания проводятся по режимам внешних и ограничительных характеристик.

Внешними характеристиками называются зависимости мощ­ности или крутящего момента от частоты вращения при постоян­ном ходе плунжера топливного насоса, т. е. при постоянной по­даче топлива.

Различают:

внешнюю характеристику номинальной мощности N_ell = f(n), т. с. характеристику при постоянной максимальной подаче топ­лива, соответствующей максимальному ходу плунжеров топлив­ного насоса, т. е. максимально достижимой мощности для всего диапазона частоты вращения;

внешнюю характеристику эксплуатационной мощности — ха­рактеристику Ne3 = f{n) при постоянной подаче топлива и час­тичном, соответствующем эксплуатационной мощности, ходе плунжера топливного насоса;

внешние частичные характеристики, под которыми понимают характеристики N_e=f(n) при постоянной, но частичной подаче топлива, т. е. постоянном, но частичном ходе плунжера топлив­ного насоса.

Детали двигателя внутреннего сгорания испытывают высо­кие механические нагрузки, обусловленные воздействием сил инерции поступательно движущихся масс, центробежной силы инерции вращающихся масс коленчатого вала и шатуна, сил давления газов на поршни. Механическая напряженность, т. е. напряжения, деформации и удельные давления вдеталях и узлах двигателя, не должна превосходить некоторого предела, обусловленного особенностями конструкции, применяемыми ма­териалами и условиями протекания рабочего процесса в цилинд­рах двигателя. Например, одна из ответственных деталей дви­гателя— коленчатый вал — испытывает сложные напряжения, вызванные крутящим моментом двигателя

где с — постоянная двигателя; р_е — среднее эффективное давле­ние в цилиндрах, кгс/м² [кН/м²]; я —частота вращения, об/мин.

Таким образом, чтобы предотвратить рост механической на­пряженности выше допустимых пределов и обеспечить, приме­нительно к коленчатому валу, постоянный крутящий момент, двигатель должен работать по ограничительной характеристике M_e=f(p_e) = const. Эта характеристика представляет собой пря­мую линию, проведенную из начала координат через точку, со­ответствующую номинальной мощности N_en и номинальной ча­стоте вращения п„.

Ограничение нагрузки M_e=f(p_e) = const для четырехтактных двигателей без наддува полностью определяет уровень возмож­ной перегрузки двигателя.

Внутри цилиндров двигателя происходит процесс сгорания топлива при высоких значениях температуры и давления. Не­равные условия подвода тепла от газов, неравномерное охлаж­дение водой или маслом, различные толщины, коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи деталей цилиндропоршневой группы и даже их отдельных поверхностей приводят к значи­тельному перепаду температур в различных местах одной и той же детали и между деталями. Поэтому помимо механических напряжений детали цилиндропоршневой группы испытывают значительные тепловые нагрузки. Надежность и работоспособ­ность этих деталей определяется в значительной степени уров­нем указанных тепловых нагрузок, т. е. уровнем теплонапряженности двигателя, который не должен превосходить некоторого предельного значения.

У наиболее распространенных в настоящее время двигателей с газотурбинным наддувом тепловая напряженность зависит от условий совместной работы системы двигатель — турбовоздухонагнетатель.

При повышении сопротивления движению судна (увеличении нагрузки на гребной винт) и ограничении нагрузки двигателя по р_е=const снижается частота вращения двигателя и одно­временно снижается частота вращения газовоздухонагнетателя. Вследствие этого изменяется рабочий процесс двигателя и соот­ветственно процесс теплообмена между газами и стенками де­талей ЦПГ, что может привести к возрастанию тепловой на­пряженности двигателя. Поэтому для двигателей с наддувом характеристика M_e = const или р_е=const не ограждает детали двигателя от повышенной тепловой напряженности и не может рассматриваться как ограничительная. Для таких двигателей условия ограничения от тепловой перегрузки превалируют над условиями ограничения по механической напряженности.

Для двигателей с наддувом ограничительные характеристики по тепловой напряженности имеют больший наклон к оси абс­цисс, чем характеристика р_е= const. Современные дизелестроительные фирмы «Зульцер», «Бурмейстер и Вайн» и МАН ре­комендуют в качестве ограничительной характеристики по тепловой напряженности ломаную прямую. В диапазоне частот вращения от 90до 100%номинальной допускается работа по ограничительной характеристике р_е—const, а при снижении ча­стоты вращения вследствие утяжеления винтовой характери­стики ограничительная характеристика резко изменяет угол на­клона. Длину начального прямого участка характеристики р_е=const и угол ее излома каждая фирма регламентирует по-разному. Ограничительные характеристики двигателей различ­ных фирм могут быть построены по приближенным аппрокси­мирующим зависимостям, например:

фирма «Зульцер»

В случае внезапного возрастания центробежных сил, которое может иметь место в результате рез­кого уменьшения момента на винте, вызванного его оголением при килевой качке или аэрацией при плавании в балласте, обло­мом всех лопастей и т. п.

Для избежания аварии двигателя в результате заброса ча­стоты и повышения механических наг-рузок двигатель оборуду­ется автоматическими регуляторами частоты вращения. Регуля­торы пре-дельной частоты вращения ограничивают переход заноминальную частоту до n _мах = 1,03 n_ном,воздействуя на органы подачи топлива по рсгуляторной ограничительной характери­стике. Однако на современных судах чаще устанавливают всережимные регуляторы, обеспечивающие поддержание необхо­димой постоянной частоты вращения.

В целях упрощения схемы взаимодействия характеристик гребного винта и двигателя далее в качестве регуляторной рас­сматривается характеристика предельной частоты вращения.

На рис. 3.40приведены характеристики двигателя внутрен­него сгорания, определяющие поле его устойчивой работы, в от­носительных координатах N_e/N_eu—п/п_н.

Однако диапазон устойчивых режимов значительно сужа­ется при работе двигателя внутреннего сгорания с прямой или редукторной передачей на гребной винт как потребитель мощ­ности.

Представим себе, что гребной винт спроектирован на номи­нальную мощность N_en и номинальную частоту вращения глав­ного двигателя п_н, которые должны быть получены в условиях сдаточных испытаний на мерной линии при чистом свежеокрашенном корпусе, на глубокой воде и при штилевой погоде (пра­вомерность выбора такого режима рассмотрена далее, в § 30). В указанных условиях главный двигатель будет работать по винтовой характеристике АО (рис. 3.41).

Как было условлено, диапазон возможных винтовых харак­теристик ограничен швартовной характеристикой D'D и винто­вой характеристикой порожнего судна В'В. Совместим эти ха­рактеристики с характеристиками двигателя — внешней харак­теристикой номинальной мощности AD, ограничительной характеристикой по механической напряженности AGO, огра­ничительной характеристикой по тепловой напряженности AEF, ограничительной регуляторной характеристикой АВ и линией минимально устойчивой частоты вращения D'B'. Точка J на

кривой АО соответствует эксплуатационной мощности и экс­плуатационной частоте вращения. Поле AEFGDA на рисунке характеризует зону работы двигателя при повышенных тепло­вых нагрузках, что влечет за собой повышенный износ деталей ЦПГ, а продолжительное время работы за пределами ограни­чительной AEF может привести к выходу из строя деталей ЦПГ и к аварийной остановке двигателя.

Через некоторое минимальное время после сдаточных ходо­вых испытаний, вследствие увеличения шероховатости обшивки корпуса, шероховатости лопастей гребного винта и влияния ме­теорологических условий, двигатель будет работать по винто­вой характеристике OR. Даже в точке Т, при относительной мощности N_eT/N_cli и относительной частоте п_т/п_и, двигатель бу­дет работать на границе допустимой тепловой напряженности. При желании увеличить частоту вращения и мощность до их номинальных значений необходимо повысить цикловую подачу топлива и обусловить тем самым еще более тяжелую в тепловом отношении работу двигателя. Поэтому все винтовые характе­ристики, лежащие выше (левее) расчетной OA, называются «утяжеленными», а гребные винты, их обеспечивающие,— гидро­динамически «тяжелыми». Наоборот, если расчетная винтовая характеристика соответствовала судну с грузом, а оно вышло в рейс после ходовых испытаний в балласте, то в этом случае двигатель будет работать по винтовой характеристике 0Z. При этом он не сможет развить поминальную мощность, так как в этом случае частота вращения вала превысила бы допустимое значение я„. Регулятор, воздействуя на топливные насосы, огра­ничит подачу топлива и обеспечит работу двигателя по регуля-торной характеристике в точке L при п_ь/п_п= 1,04-1,03 и при пониженной мощности N_eL/N_m. С уменьшением цикловой по­дачи топлива двигателю будет легче работать в тепловом отно­шении. Поэтому все винтовые характеристики, расположенные ниже (правее) расчетной (OA), называются «облегченными», а соответствующие им гребные винты — гидродинамически «легкими».

Изложенное выше позволяет сделать следующие выводы:

1. Работая на гребной винт фиксированного шага, двигатель внутреннего сгорания развивает номинальную (или в общем случае расчетную) мощность только в одном рабочем режиме, на который рассчитан гребной винт.

2. Во всех остальных случаях ВФШ будет либо «тяжелым», либо «легким» и не обеспечит развития номинальной мощности двигателя в эксплуатации.

3. При проектировании гребного винта для судна с ДВС очень важное значение приобретает правильный выбор расчет­ного режима.

4. Для обеспечения развития номинальной (расчетной) мощ­ности и предотвращения тепловой перегрузки двигателя в эксплуатации необходимо следить за чистотой поверхности лопа­стей гребных винтов, состоянием обшивки корпуса и другими факторами, гидродинамически «утяжеляющими» винтовые ха­рактеристики.

Система главный двигатель — гребной винт является устой­чивой, обладая в определенном диапазоне свойством самовы­равнивания.

Рассмотрим взаимодействие гребного винта с двигателем в случае плавания судна на волнении при килевой качке, когда вследствие оголения лопастей и подсоса воздуха с поверхно­сти произойдет заброс частоты вращения за пределы допусти­мой (рис. 3.42). Предположим, что двигатель работает в уста­новившемся режиме, определяемом точкой В винтовой ха­рактеристики // (при несколько повышенном сопротивлении движению судна). При внезапном сбросе нагрузки вследствие оголения винта винтовая характеристика переместится в поло­жение II]. Ввиду нарушения баланса энергии, развиваемой дви­гателем и поглощаемой гребным винтом, ее избыток будет расходоваться на увеличение частоты вращения. Мощность двигателя будет изменяться по линии ВВ_и причем в точке В₁ вступит в действие регулятор частоты вращения, который, воз­действуя на орган управления подачей топлива, снизит ее та­ким образом, что изменение мощности произойдет по регуляторной характеристике В₁С. Приращение частоты вращения, равное разности абсцисс точек С и В₁, зависит от степени инер­ционности регулятора. Вблизи точки В₂ будут созданы условия для нового равновесного режима. Далее, при погружении винта винтовые характеристики будут последовательно зани­мать положения //₄—//₆ и, наконец, снова //. В этот момент опять нарушается баланс энергии и регулятор компенсирует это нарушение повышением подачи топлива в диапазоне ха­рактеристик //₂—//₄. При достижении номинального скорост­ного режима в точке В₁ регулятор прекращает свое воздейст­вие на орган подачи топлива и в дальнейшем изменение мощ­ности определяется постоянным положением рейки топливного насоса, соответствующим точке В.

Как уже было указано, в настоящее время, в связи с повы­шением требований к автоматизации энергетических устано­вок, внедрением ВРШ и дистанционного автоматического уп­равления ДВС, двигатели обычно оборудуются всережимными регуляторами, которые поддерживают частоту вращения в диа­пазоне n_мин—n_мах,отвечающем заданному режиму.

Из изложенного очевидны основные недостатки ВФШ и преимущества гребных винтов регулируемого шага. При «утя­желении» или «облегчении» винтовых характеристик, перело­жив лопасти ВРШ на другой шаг, т. е. уменьшив или соответ­ственно увеличив угол установки лопастей, можно во всех случаях изменения внешних условий плавания обеспечить по­стоянство мощности и частоты вращения гребного винта. При необходимости экономии топлива и наличии запаса времени на переход лопасти ВРШ устанавливаются на шаг, соответствую­щий наиболее экономичному ходу, а взаимосвязанные единой программой двигатель и ВРШ будут работать с оптимальной частотой вращения.

Взаимодействие гребных винтов с электрогребными уста­новками.Электрогребная установка состоит из первичных дви­гателей— внутреннего сгорания или паровых турбин, вращаю­щих главные генераторы, которые связаны с помощью элек­тропередачи с гребными электродвигателями. Такая форма передачи энергии от главного первичного двигателя к гребному пииту называется электродвижением. По сравнению с прямой п редукторной передачами электропередача обладает как пре­имуществами, так и недостатками. Вследствие своих специфических свойств этот вид передачи энергии нашел применение главным образом на судах с переменными режимами движе­ния: ледоколах, судах активного ледового плавания, плавучих крапах, землесосах и т. п.

Электродвижение характеризуется повышенными тяговыми и маневренными качествами. Оно позволяет использовать пол­ную мощность гребного электродвигателя в широких пределах изменения тяги, обеспечивает плавный режим работы при бук­сировке и натяжении тросов, возможность выполнить большое количество реверсов в единицу времени, выдерживать безава­рийно заклинивание гребного винта во льду в течение 1 —10 с и т. д.

Взаимодействие гребных винтов с электрогребными уста­новками рассматривается как взаимодействие их характери­стик, причем характеристики электрогребной установки, вклю­чая винтовые характеристики, принято рассматривать в коор­динатах момент —частота вращения, так как момент М_р на гребном винте и соответственно па гребном электродвигателе пропорционален силе тока.

Под рабочими характеристиками электрогребной установки подразумеваются, с одной стороны, характеристики изменения момента на гребном винте в зависимости от частоты его вра­щения в различных режимах работы и, с другой стороны, ме­ханические характеристики гребного электродвигателя в тех же режимах. Последние должны удовлетворять как основным режимам работы гребной установки — номинальному и пере­грузочному (пуск, реверс, швартовный), так и промежуточным (аварийным) режимам, возникающим при выпадении из схемы отдельных генераторов и электродвигателей. Мощности греб­ного электродвигателя, генераторов и первичных двигателей выбираются при расчете ходкости судна: для транспортных су­дов из условия обеспечения заданной скорости свободного хода, для буксиров — буксировки определенного воза, для ле­доколов— форсирования льдов заданной толщины.

Мощность на валу первичного двигателя определяется сле­дующими выражениями:

где N_r— мощность электрогенераторов; ц_г — КПД электрогенераторов;М_дв — мощность на валу гребного электродвигателя; г)д_В — КПД гребного электродвигателя; N_p — мощность на гребном винте; ц_в—'КПД валопровода.

При рассмотрении характеристик электрогребной установки (ЭГУ) наибольший интерес представляет зависимость момента на гребном винте от частоты вращения винта в различных ре­жимах. Эта зависимость для каждого данного режима выра­жается графически квадратичной параболой М_р = K₂pn²D^s = C\n².

В общем случае рассматривают характеристики ЭГУ в диапа­зоне, охватывающем все возможные режимы работы судна от швартовного режима до самого облегченного свободного хода (без воза на чистой воде).

Рассмотрим характеристики ЭГУ в координатах момент-частота вращения с самой простой так называемой жесткой ра­бочей характеристикой гребного электродвигателя (рис. 3.43). В этих координатах механическая характеристика шунтового электродвигателя в системе генератор—двигатель представляет собой прямую линию АВ (жесткая характеристика). Эта прямаяимеет малый наклон к оси моментов. Точка В (М_н, м_н) соответствует скорости судна в свобод­ной воде при номиналь­ных значениях мощности и частоты вращения греб­ного винта; точка А пере­сечения этой характери­стики со швартовной вин­товой характеристикой соответствует практи­чески постоянному мо­менту электродвигателя, по частота вращения его в этой точке будет суще­ственно отличаться от поминальной. В диапа­зоне режимов от точки В до точки А гребной электродвигатель, иичный двигатель будут недогружены гельно, жесткая характеристика ЭГУ имуществ перед характеристикой дизельной энергетической установки, если принять ее ограничительную характеристику

М_е = Const.

Для буксиров, ледоколов и промысловых судов необходимо обеспечить постоянную мощность в широком диапазоне изме­нения винтовых характеристик, т. е. мощность па фланце элек­тродвигателя должна сохраняться постоянной при возрастании или уменьшении момента па винте. У этих судов механическая характеристика электродвигателя АВ в пределах от точки А на иинтовой характеристике свободного хода до точки В швартов­ной винтовой характеристики должна изменяться в соответст­вии с выражением для номинальной мощности электродвига­теля Nдв = М_нnн/716,2 [М„п_н/9,54], т. е. произведение крутящего момента на частоту вращения должно оставаться постоянным:

Таким образом, механическая характеристика электродви­гателя будет представлять собой гиперболу АВ (рис. 3.44).

Если магнитный поток электродвигателя остается постоян­ным, то увеличение крутящего момента происходит за счет уве­личения тока в главной цепи. Поэтому для сохранения посто­янства мощности электродвигателя номинальная мощность ге­нератора также должна оставаться постоянной и его внешняя характери­стика .,

где U и I — напряжение и сила тока в сети, также будет представлять со­бой гиперболу.

Внешняя характеристика электро­двигателя должна предусматривать ограничение тока при заклинивании гребного винта, ударах, а также при работе на холостом ходу или при ого­лении винта. Сила тока при остановке винта обычно принимается в 1,5—2раза больше номинальной; ограниче­ния тока соответствующими характе­ристиками приведены на рис. 3.44.Как правило, на буксирах, ледоколах и других аналогичных судах постоян­ство мощности обеспечивается путем автоматического регулирования маг­нитного потока.

Точки пересечения механических характеристик гребного электродвигателя М_дв = /(я) с винтовыми характеристиками M_p = f(n) определяют установившиеся статические режимы ра­боты установки при различных сочетаниях числа и мощности генераторов, работающих на гребные электродвигатели. Таким образом, винтовые характеристики определяют момент, кото­рый должен развивать электродвигатель для получения задан­ной скорости или тяги судна.

На рис. 3.45представлены винтовые характеристики для ледокола. При переходе с чистой воды в ледовые условия и далее в швартовный режим нужно для получения одной и той же частоты вращения приложить к гребному винту разные кру­тящие моменты. Так, для получения номинальной частоты вра­щения в ледовых условиях двигатель должен развить момент около 150%номинального (точка Б), а в швартовном режи­ме— около 250%номинального (точка А). Естественно, что ни­какой электродвигатель не в состоянии развивать такой мо­мент в течение длительного времени. Кроме того, перегрузка электродвигателей влечет за собой также перегрузку генераторов и первичных двигателей. Следовательно, механические ха­рактеристики гребной установки нужно подобрать так, чтобы исключить эти нежелательные явления.

Если подобрать гребной электродвигатель по номинальному моменту (как ДВС), то в ледовом (точка Д) и в швартовном (точка Г) режимах также будет обеспечен только номинальный момент, тогда как по условиям работы во льдах требуется его увеличение. Применение электродвижения позволяет обеспе­чить повышенные моменты при пониженной частоте вращения в ледовых условиях и в швар­товном режиме и пониженные моменты при повышенной ча­стоте вращения на чистой воде с сохранением постоянного зна­чения мощности. На рис. 3.45 представлены такие «мягкие» характеристики гребного элек­тродвигателя (5, 6) и гипербола постоянной мощности СВ, пока­зывающие, какую мощность мо­гут отдавать электродвигателю генераторы и их первичные дви­гатели при переменном значении момента. Так, в швартовном ре­жиме '(точка С) электродвига­тель не перегружается и, не пе­регружая генераторы и первич­ные двигатели, развивает момент около 130% номинального при снижении частоты вращения на 70—80%. Такой результат обес­печивается противокомпаундной характеристикой. Чем круче на­клон характеристик, тем меньшее числовое значение имеют мо­мент при остановке гребного винта (точка Ж) и частота вра­щения холостого хода (точка 3), которые определяют габарит­ные размеры двигателя. Противокомпаундную характеристику применяют для ледоколов, судов ледового плавания и буксиров. Чли транспортных судов принимают жесткую шунтовую харак­теристику, рассчитывая мощность и момент на валу электро шпателя исходя из режима нормальной работы судна.

Все изложенное выше относилось к гребным электроуста­новкам на постоянном токе, имеющим КПД около 85%. Для получения более высокого КПД используют установки на пе­ременном токе. У таких установок КПД электрической передачи составляет около 95%, т.е. соизмерим с КПД механических передач, но асинхронные и синхронные двигатели, применяемые

в этом случае, имеют рабочие характеристики М_р = const (ана­логичные характеристикам ДВС). Однако эти установки более сложные, чем установки с ДВС, и на транспортных судах при­меняются крайне редко. В перспективе применение полупро­водниковой техники позволит использовать двигатели перемен­ного тока с сохранением характеристик ЭГУ на постоянном токе N_p = const, но с обеспечением общего КПД около 95%.

Взаимодействие гребных винтов с турбозубчатыми установ­ками.Работу турбозубчатой установки (ГТЗА), как и любой другой энергетической установки, можно характеризовать эко­номическими, эксплуатационными и энергетическими показа­телями.

К экономическим показателям можно отнести удельный и часовой расходы пара; к эксплуатационным — характеристики тепловой и механической напряженности узлов и деталей турбозубчатого агрегата; к энергетическим — эффективную мощ­ность и эффективный крутящий момент на выходном фланце редуктора.

Из эксплуатационных показателей работы турбины опреде­ляющим является показатель механической напряженности, по­скольку изменения мощности и частоты вращения турбины, которые имеют место в эксплуатации, практически не сказыва­ются на тепловом режиме. Температура пара, входящего в тур­бину, и теплоперепады в рабочих деталях ее ступеней при по­вышенной нагрузке будут лишь незначительно отличаться от этих же показателей при нормальной нагрузке. Однако меха­ническая напряженность в корнях лопаток может существенно превышать допустимую, если частота вращения турбины зна­чительно превысит ее расчетное значение, так как напряжения растут почти пропорционально квадрату частоты вращения. Возрастание в этом случае центробежных сил особенно опасно для последней ступени, лопатки которой отличаются большими размерами и массой. Это обстоятельство конструктивно учиты­вается установкой регулятора предельной частоты вращения, отсекающего подачу пара в турбину при частоте вращения, превышающей номинальную.

Характер изменения экономических показателей турбины таков, что по условиям минимального удельного расхода пара наиболее экономичным для ГТЗА является режим работы, обеспечивающий расчетное значение мощности. В качестве та­кого режима при проектировании турбины выбирают ее работу с номинальной мощностью N_en; однако за счет включения дополнительной группы сопел турбина может продолжительное время развивать без тепловой перегрузки мощность, превы­шающую номинальную. Увеличение при этом крутящего мо­мента обусловливает соответствующее возрастание нагрузки на редуктор, которое, как правило, учитывается при назначении его запаса прочности.

Работа турбозубчатого агрегата определяется его внешними характеристиками, к числу которых относятся мощность N_c, крутящий момент на валу М_е, расход пара D, изоэнтропийный перепад энтальпий п_а и другие показатели в функции частоты вращения. Наиболее важными внешними характеристиками яв­ляются зависимости N_e = f(n) и M_e=f(n). При определенном положении органов управле­ния и регулирования, обеспе­чивающем номинальный ре­жим работы турбины, ее внеш­ние характеристики будут иметь вид, представленный на рис. 3.46, из рассмотрения ко­торого следует, что момент выражается линейной зависи­мостью от частоты вращения, а мощность и КПД изменя­ются по симметричной пара­боле.

Если воспользоваться отно­сительными параметрами N_c/N_en, М_е/М_сп, п/п_н и выра­зить относительный пусковой момент как т = М_етах/М_ея, то в соответствии с теорией турбинных установок внешние харак­теристики турбины будут выражаться зависимостями

Максимальная мощность турбины и ее максимальный КПД при постоянных значениях D и h_a могут быть обеспечены, если поминальный режим будет выбран так, чтобы номинальная ча­стота вращения п_я совпала с частотой вращения при r| = iimax-

На рис. 3.46 показана так называемая угонная частота вра­щения п_уг, к которой стремится ротор турбины при снятии на­грузки (потеря гребного винта, поломка муфты и т. д.). Эта частота не может быть развита, так как предельный регулятор остановит турбину во избежание механических перегрузок при достижении предельной частоты n_пр= (1,1-М,15) n_н- Помимо этого, вследствие механических и других потерь, которые резко возрастают сувеличением частоты вращения, равновесный ре­жим наступает ужепри п'_уг= (0,8-=-0,95) /n_уг.

На рис 3.47 приведены внешние характеристики ГТЗА при „иной установке органов регулирования, т. е. при опреде-.iiHOMположении маневровых, сопловых, обводных клапанов, переключателей и т. п. Каждая комбинация положений отдель­ных органов регулирования при различных значениях парамет­ров пара и давления в конденсаторе определяет соответствую­щие комбинации таких характеристик турбины, как расход пара D и перепад энтальпий Н_а. В то же время каждой паре

Рис. 3.47. Диапазон внешних характеристик