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 67 %. 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 1,21,25, для внешних винтов коэффициентами 1,11,15. 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; а
0
1
1
2
0
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 312 (при всходе на волну) и 213 (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 b
о
121
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 657 и обратно 756.
При использовании всережимных регуляторов с ограничениями подачи топлива по повышению тепловой напряженности и понижению давления наддува работа будет происходить по линиям 647 и 746.
При сильном волнении моря судно движется с малой скоростью, частота вращения коленчатого вала часто не превышает 2540 % 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 b
1
2
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 135140 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 b
1
1
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 (647).
По опытным данным, степень утяжеления винтовой характеристики и увеличение нагрузки на двигатель в условиях плавания на 45-х бальной волне достигает 1,131,16 (при той же частоте вращения) по сравнению с плаванием в штилевую погоду. Пределы колебания нагрузки при всходе на волну и сходе с волны составляют 1,250,9 [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) 3545 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 «1260». 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 2440. Был предложен способ эффективного последовательного маневрирования танкера в шторм «1260». 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.