Эксплуатационные режимы дизеля

Рис. 51. Усилия, действующие в кривошипно-шатунном механизме
В продолжение нескольких лет между эксплуатационниками, учеными и специалистами Регистра СССР шла дискуссия о том, на какой мощности должен работать главный дизель: построечной (номинальной) или так называемой эксплуатационной.
И. В. Евреинов отмечает, что до настоящего времени эксплуатационная мощность не имеет своего узаконенного определения и поэтому может истолковываться различно. Существующие рекомендации по назначению эксплуатационной мощности научно недостаточно обоснованы, так как теоретический анализ взаимосвязи всех влияющих на нее факторов довольно затруднителен и выполненные исследования в этом направлении носят чисто академический характер. Экспериментальных исследований, устанавливающих связь параметров рабочего процесса дизеля, его тепло- -вой и динамической напряженности с условиями работы дизеля на судне, выполнено очень мало из-за их сложности, большой трудоемкости и стоимости.
Вполне естественно стремление получать от дизеля максимально возможную мощность, не рискуя в то же время длительной прочностью его узлов и деталей. С этой точки зрения даже кратковременные перегрузки по мощности, предписываемые Регистром СССР и соответствующими ГОСТами при испытании нового дизеля, отдельными специалистами считались вредными.
Аргументами при возражениях против испытаний дизеля с перегрузками были предположения о том, что в деталях, и прежде всего в деталях ЦПГ, могут зародиться микротрещины и очаги будущих задиров, в результате чего механики получат дизель с дефектами. Аргументы эти были чисто предположительными и никакими фактами не подтверждались.
Специалисты Регистра СССР [26, 40] отстаивали свою точку зрения более убедительно, утверждая, что независимо от серийности выпуска дизелей испытание их на режиме с перегрузкой имеет цель установить надежность, выносливость и безаварийность работы каждого отдельного дизеля в условиях и режимах, которые могут встретиться в эксплуатации. В новых дизелях могут скрываться дефекты, обнаружить которые возможно лишь при полной нагрузке и перегрузке.
При эксплуатации нередко встречается распределение мощности по цилиндрам с постоянными отклонениями от номинальной в пределах 10%, которые требует Регистр СССР. Дело в том, что до сих пор дизели -работают без автоматической защиты от перегрузки каждого цилиндра, при нормальной нагрузке всего дизеля. Регуляторы, или ограничители нагрузки, не допускают лишь суммарную перегрузку дизеля, да и то только по частоте вращения. Отдельные же цилиндры вследствие самопроизвольного разрегулирования подачи топлива на ходу и по другим причинам могут перегружаться значительно больше номинальной мощности.
До сдачи дизелей заказчику завод-строитель также испытывает их на стенде с перегрузкой в 10 и даже в 20% и разрешает краткосрочные 10%-ные перегрузки при дальнейшей эксплуатации, оговаривая в инструкции их длительность.
Теперь возвратимся к понятию о номинальной мощности. До сих пор под номинальной мощностью подразумевают эффективную мощность дизеля при определенной частоте вращения, указанной в паспорте. Но такую мощность удавалось получить не от всех дизелей.
Так, например, установленные на большой группе танкеров типа «Казбек» дизели 8ДР43/61 с первых же дней эксплуатации не могли надежно работать на полной мощности с номинальной частотой вращения 250 об/мин. Значительное количество деталей и узлов быстро выходило из строя или требовало замены. Ори паспортной мощности 2000 э. л. с дизель оказывался явно перегруженным и гарантировать надежность его работы было невозможно. Наблюдались многочисленные случаи аварий этих дизелей при нагрузке их всего 75% паспортной.
В 60-х годах был предложен проект ГОСТа, по которому номинальной мощностью называлась полезная эффективная мощность дизеля, рассчитанная для его неограниченной по времени работы, при температуре окружающего воздуха 15°С и избыточном давлении на выпуске газов 300 мм вод. ст., замеренном за выпускным коллектором или после газовой турбины у дизелей с турбонаддувом. Этим определением номинальная и паспортная мощности уже разграничивались как разные понятия.
Многие крупные дизелестроительные фирмы номинальную мощность называют наибольшей, но для длительной эксплуатации предлагают работать на мощности, равной 85—90% наибольшей.
Наибольшей мощностью фирмы считают мощность, полученную в идеальных условиях без превышения контролируемых параметров, т. е. ту самую, которую до сих пор часть специалистов называет паспортной или номинальной, считая, что дизель и должен развивать эту мощность длительное время.
И.даже более, высказывалось мнение, что разница между номинальной и эксплуатационнной мощностями является резервом, который необходимо использовать. Это мотивировали гарантиями заводов-строителей, обеспечивающими длительность моторесурса дизеля именно при номинальной мощности, а также ошибочностью ориентации на пониженные мощности, которые не увеличивают моторесурса.
Л. П. Бурышкин  полагает, что эксплуатационная мощность должна быть равна номинальной и дизель должен длительно развивать номинальную мощность в пределах установленного моторесурса. На износе втулок ц поршневых колец практически это не отразится, так как он зависит не только от мощности, но главным образом от частоты вращения и от средней скорости поршня. Но при работе дизеля по винтовой характеристике и повышении мощности на 10% частота вращения возрастает лишь на 3%, что не повлияет на увеличение износа деталей.
Однако автор предупреждает, что работа дизеля со средним индикаторным давлением, превышающим номинальное, безусловно, недопустима и тем самым сводит на нет свое предложение об эксплуатации дизеля только на номинальной мощности, так как при изменившихся внешних условиях среднее индикаторное давление Pi будет достигнуто ранее, чем номинальная частота вращения, поэтому дизель не будет развивать номинальной мощности.
Но может наблюдаться и обратное явление. Во время плавания в балласте при относительно тихой погоде и неполностью погруженном гребном винте номинальная частота вращения может быть достигнута ранее, чем номинальное давление, и дизель не будет развивать номинальной мощности уже по другой причине. Обычно в таких случаях ограничиваются номинальной частотой вращения, редко кто из механиков отваживается ее превышать.
Л. П. Бурышкин, ссылаясь на длительные наблюдения за несколькими разнотипными судами во время балластных переходов, делает вывод о том, что в таких случаях номинальная мощность дизеля может быть получена при частоте вращения, превышающей паспортную не более чем на 2—8%, без превышения номинального давления pi. В результате скорость балластного перехода судна при благоприятных условиях увеличится также примерно на 2—8%.
Обычно большинство эксплуатационников возражают против превышения номинальной частоты вращения дизеля, ссылаясь на увеличение при этом инерционных усилий в деталях и на усиление ударной нагрузки в узлах дизеля. Однако убедительно доказано, что крутящий момент вследствие роста частоты вращения на 2—8% уменьшится на такую же величину, а следовательно;.
и уменьшатся напряжения кручения в коленчатом валу и ва-лопроводе. Уменьшится также степень неравномерности вращения коленчатого вала, так как она обратно пропорциональна квадрату изменения частоты вращения вала.
Инерционные нагрузки на детали при увеличении частоты вращения на 2—8% увеличатся примерно на 4—16%, но с увеличением сил инерции уменьшится и наибольшее давление, действующее на поршень и подшипники ЦПГ (У —развернутая индикаторная диаграмма; 2, 3— диаграммы сил инерции при п=пНОм и п=1,05лном). Кроме того, вследствие снижения наибольшего давления цикла уменьшатся и ^максимальные давления в подшипниках. При этом вследствие увеличения частоты вращения улучшатся условия смазки подшипников, т. е. увеличится долговечность их работы.
С такими доводами нельзя не согласиться, и при благоприяных условиях плавания следует пользоваться рекомендациями J Л. П. Бурышкина. Но при этом нужно строго контролировать давление pi по отдельным цилиндрам. Ни В ОДНОМ ИЗ НИХ ОНО ; не должно превышать номинальное или рекомендованное.
Таким образом, от номинальной мощности мы опять возвратились к давлению pi. Однако при ухудшении состояния смоченной поверхности корпуса и условий плавания давление рг окажется в этих случаях чрезмерным.
У современных дизелей наиболее важное значение имеют не механические нагрузки на детали, а тепловые, и прежде всего -тепловое состояние поршня, которое пока не контролируется ни одним штатным прибором дизеля. Это и является основной причиной, заставляющей фирмы-строители рекомендовать эксплуатировать дизель на мощности, составляющей 85—90% номинальной.Но и по этому вопросу единодушного мнения не составилось. В. Семенов на основании расчетов температуры поршня в зависимости от температуры воздуха в МО полагает, что эксплуатационная мощность, которую он называет номинальной, при плавании в тропиках должна составлять 80% от длительной максимальной мощности, полученной на стенде завода.
По мнению Л. Ланда не следует вообще устанавливать эксплуатационную мощность в процентном отношении от номинальной. Если ориентироваться по установленной мощности и придерживаться ее при всех условиях плавания, то дизель может оказаться в отдельных случаях перегруженным. Анализ эксплуатации теплоходов типа «Углеуральск», «Джанкой» и «Симферополь» показал соответственно следующие различия давлений 6,4—8,96; 6,32—7,9 и 6,58—7,6 кгс/см2. Аналогичные данные имеются и по другим сериям судов.
В связи с этим автор полагает более целесообразным ввести нормирование среднего индикаторного давления, которое будет определяющей величиной, а мощность дизеля и скорость судна станут при этом производными величинами.
Такого же мнения придерживается и И. В. Евреинов. Ссылаясь на теоретические и экспериментальные исследования, проведенные ЦНИИМФом для различных модификаций дизелей Бурмейстер и Вайн, он делает вывод о том, что в качестве нормировочного и контролируемого параметра нагрузки дизеля, который следует поддерживать постоянным во всех условиях эксплуатации, целесообразно принять эксплуатационное давление ри определяемое на основе ограничительных характеристик дизеля и анализа фактических режимов его работы. При этом автор предлагает дифференцировать среднее индикаторное давление в зависимости от района плавания судна, т. е. для тропиков оно должно устанавливаться меньшим, чем для зон умеренного климата.
Таким образом, понятие и определение величины эксплуатационной мощности отпадают и заменяются эксплуатационным давлением рг, что, безусловно, имеет большее обоснование. Следует отметить, что уже давно пароходства ММФ придерживаются; именно этого параметра.
Для всех типов главных дизелей установлены эксплуатационные давления рг, превышать которые ни в одном из цилиндров не разрешается ни при каких обстоятельствах. Это если и не гарантирует детали ЦПГ, и прежде всего поршень, от тепловых перегрузок, то, во всяком случае, снижает вероятность их появления.
Судовые механики должны тщательно контролировать распределение мощностей по цилиндрам, так как чем большее число цилиндров одновременно достигает заданного давления ри тем больше будет общая мощность дизеля при том же положении топливной рукоятки.