1.9.2. Затраты энергии при страгивании судна с места и разгоне.

Режимы страгивания и разгона в процессе эксплуатации судна встречаются очень часто. Характерным и часто встречающимся примером разгона судна является работа траулеров на промысле в период травления ваеров (тросов). Здесь главные двигатели за сравнительно короткий промежуток времени (менее 1 мин) должны обеспечить увеличение скорости с малого хода до полного.

При страгивании с места и разгоне судна кроме сопротивления воды необходимо преодолеть еще силу инерции массы судна. Поэтому движущаяся сила и момент винта в этих случаях могут быть больше, чем при установившемся движении судна с заданной скоростью.

Возможны два случая разгона судна: с превышением и без превышения максимально – допустимого крутящего момента.

В момент страгивания скорость судна равна нулю, следовательно, и относительная поступь винта близка к нулю ( ). Поэтому коэффициент момента имеет почти максимальное значение. Двигатель и винт уже работают с некоторой частотой вращения . Поэтому крутящий момент на ступице винта будет равен

.

Поскольку (в момент страгирования, пока ) то момент винта будет зависеть только от частоты вращения , принятой на режиме страгивания. При очень высоком значении вращающий момент может оказаться, как и при работе на швартовах, чрезмерно большим, и двигатель будет перегружен, потребляя завышенное для данной ситуации количество топлива.

Разгон судна обычно идет с нарастанием частоты вращение гребного винта во времени. В зависимости от интенсивности нарастания устанавливается и характер изменения вращающегося момента во времени.

Уравнение движения судна в период разгона имеет следующий вид:

где - суммарный эффективный упор гребных винтов;

R - общее сопротивление воды и воздуха;

G - масса судна;

-присоединенная масса воды;

- скорость движения судна.

При разгоне судна › 0, тогда

С увеличением повышается , при этом, растут эффективная мощность двигателя и потребление топлива.

Увеличение скорости судна в процессе разгона вызывает повышение R и ,растет КПД винта, уменьшаются коэффициент упора К и коэффициент момента К ,что может привести к снижению вращающегося момента.

Изменение нагрузки на двигатель в период разгона судна можно продемонстрировать графически рис.13.

Рис.13. Графическое представление периода разгона судна.

В судовой энергетической установке с прямой передачей на винт фиксированного шага при отсутствии разобщительных муфт во время пуска начинает работать гребной винт. В первый момент скорость судна близка к нулю, поэтому нагрузка на дизель будет изменяться по швартовной винтовой характеристике до пересечения ее с регуляторной характеристикой (участок 1-2), соответствующий определенному положению рычага управления всережимным регулятором. Далее, в результате преодоления сил инерции, скорость судна увеличивается и разгон идет по регуляторной характеристике (участок 2-3).

В точке 3 судно заканчивает разгон до скорости, определяемой нормальной винтовой характеристикой //. Дальнейший разгон до достижения требуемой скорости часто осуществляется по ступеням скорости или частоты вращения гребного вала (участки 3-5…..13-14). Для этой цели рукоятка управления всережимным регулятором устанавливается в ряд промежуточных положений соответствующим регуляторным характеристикам. На рис. 13 показан график разгона по ступеням скорости. Обычно на каждой ступени делается выдержка, необходимая для достижения судном соответствующей скорости и для составления теплового состояния двигателя. Заштрихованные площадки соответствуют дополнительной работе, затрачиваемой на разгон судна. Дополнительная работа требует дополнительного расхода топлива.

В случае экстренного разгона рукоятка управления всережимным регулятором после запуска двигателя сразу переводится из положения (точка 3) в положение, соответствующее полной частоте вращения коленчатого вала. Рейка топливного насоса передвигается регулятором в положение максимальной подачи. Это приводит к тому, что изменение мощности и частоты вращения в период разгона идет по винтовой характеристике, соответствующей относительной скорости =0,4. В точке 15 двигатель выходит на внешнюю характеристику / и по этой характеристике идет дальнейший разгон (участок 15-14). При быстром разгоне судна двигатель перегружается по моменту, тепловому состоянию, увеличивается дополнительная работа на разгон судна (пропорциональная площади 3-15-14-3) и, соответственно дополнительный расход топлива.

Таким образом, работа судна с переменными нагрузками требует больших затрат топлива по сравнению с установившимися режимами.

1.9.3. Затраты энергии при работе судна в штормовых условиях.

Работа судна в штормовых условиях сопровождается повышением нагрузки на двигатели, так как под воздействием качки растет сопротивление подводной части корпуса судна. При волнении моря происходит периодическое погружение носа (во время всхода на волну) и кормы(при сходе с волны). Скорость судна при этом падает. Относительное снижение скорости судна в зависимости от направления его движения по отношению к ветру и волне показан на рис.14.

Рис. 14. Относительное снижение скорости судна в зависимости от направления и силы ветра.

При движении судна против волны происходит наибольшее падение скорости. При движении судна с попутным ветром и волной до определенного значения силы ветра (4-5 баллов) происходит небольшое увеличение скорости, затем она падает. Снижение скорости объясняется периодическим изменением крена судна, в результате чего осевая составляющая упора винта уменьшается, падает КПД винта, который работает в пульсирующем потоке. Увеличение сопротивления ходу судна оказывает тормозящее действие руля, который в условиях сильного волнения и ветра часто выводится из диаметральной плоскости для удержания судна на корпусе.

На рис.15 показано влияние силы ветра на сопротивление движению судна и частоту вращения винта.

Рис.15. Характер изменения сопротивления судна и частоты вращения винта в штормовых условиях.

Не зависимо от загрузки плавание в штормовую погоду характеризуется возрастанием момента винта , а это требует ограничения нагрузки двигателя путем снижения частоты вращения. Волнение моря приводит к возникновению динамических нагрузок на винт, которые вызывают изменения частоты вращения и отрицательно сказываются на работе приводов газораспределения, головных, мотылевых, упорных и дейдвудных подшипников.

Наибольшие значения при работе двигателя в штормовых условиях соответствуют не повышенным значениям цикловых подач топлива, когда рейка находится на ограничителе, а повышенным значением коэффициента избытка воздуха. Это обусловлено тем, что при использовании топливных насосов высокого давления с регулированием на конец подачи угол опережения вспрыска остается неизменным, а начальный этап горения является неуправляемым и его протекание зависит в основном от количества топлива , подготовленного к сгоранию за период задержки самовоспламенения и качества смесеобразования.

При увеличении степени неравномерности момента сопротивления винта снижается давление поддувочного воздуха, а цикловая подача топлива может быть равна подаче на номинальном установившемся режиме при выходе регулятора на ограничитель. При этом увеличивается температура уходящих газов и КПД двигателя снижается. Поэтому необходимо ограничивать цикловую подачу топлива соответствующей настройкой регулятора и выводить двигатель на новую регуляторную характеристику.

При плавании в балласте или с неполным грузом во время шторма можно балластировкой обеспечить большее погружение винта. Для предотвращения срыва потока охлаждающей воды забортную воду следует принимать через донный кингстон и периодически выпускать воздух из приемных фильтров.