Regimurile de funcionare si caracteristicile motoarelor navale

13511.2.1.4. Caracteristicile de

regulator Caracteristicile de regulator fac parte din categoria caracteristicilor de turatie, fiind prti constitutive ale acestora. Prin urmare, ele reflect variatia unuia dintre parametrii functionali ai motorului

n functie de turatie, regimurile respective de functionare a motoarelor navale pentru o pozitie fix a organului de reglare (cremaliera pompei de injectie), determinndu-se prin intersectia dintre o caracteristic partial corespunztoare pozitiei respective a organului de reglare si caracteristica de sarcin.

(P M p ce e e e, , , )

Determinarea regimului se poate face att dup curbele de moment, ct si dup cele de putere. Notm:

( )-curba momentului motor efectiv (caracteristic partial);

-momentul rezistent efectiv necesar (pentru motoarele navale momentul efectiv reclamat de propulsor).

eM motM

sarcM

Din figura 1 se observ c, odat cu modificarea alurii curbei momentului , turatia de functionare a motorului se modific foarte mult; de aici se poate deduce conditia functionrii stabile sub forma:

sarcM

0

Procese, caracteristici i supraalimentarea motoarelor cu ardere intern navale

136 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 P 17 P 18 P 19 P 20 P 21 P 22 P 23 P 24 P 25 P 26 P 27 P 28 P 29 P 30 P 31 P 32 P 33 P 34 P 35 P 36 P 37 P 38 P 39 P 40 P 41 P 42

unde -turatia nominal a motorului,

-turatia de mers n gol si : nn

gn cn

2gn

cnn

n+= . (3).

Pentru motoarele de propulsie naval se prefer ns relatia:

n

ng

nnn = [%]. (4)

Dac caracteristica de regulator se numeste static. n cazul cnd prezentat n

0>0=

figura 2,b, caracteristica de regulator se numeste astatic (izodrom). La pornire, datorit frecrii uscate din mecanismul regulatorului si din organul de reglare, nu este posibil mentinerea ntr-o pozitie fix a organului de regalare, stabilit pentru o anumit turatie n . Acest lucru se re pe o anumit gam de turatii

alizeaznn n jurul valorii

, de aceea se impune definirea gradului de insensibilitate al regulatorului:

n

nnn = [%]. (5)

La motoarele moderne, cu o ungere bun si datorit vibratiilor mecanismului regulatorului, frecarea uscat dispare rapid, astfel nct gradul de insensibilitate are valori foarte reduse. Pentru a prentmpina ambalarea motorului la scderea brusc a sarcinii (iesirea elicei din ap), n sensul limitrii cantittii maxime de combustibil injectat, motoarele sunt prevzute cu un dispozitiv special numit opritor, care e montat pe motor sau ncorporat n regulatorul de turatie. Astfel, regimurile de functionare ale motoarelor se situeaz pe portiunea descendent a curbei de regulator si pe o caracteristic partial corespunztoare pozitiei

respective a organului de reglare fixat de regulator (fig. 3). Pentru motoarele stationare si pentru motoarele auxiliare navale intereseaz mentinerea constant a turatiei, un asemenea dispozitiv fiind folosit numai pentru protectia contra suprasarcinilor, motoarele respective functionnd pe caracteristica de regulator. Motoarele principale cuplate direct cu propulsorul (MP+EPF-elice cu pas fix) functioneaz pe o caracteristic partial, iar la iesirea propulsorului din ap, cnd sarcina scade brusc si motorul tinde s se supratureze, functionarea acestuia se situeaz pe caracteristica de regulator. n acest caz, acesta se numeste regulator limitator. n unele cazuri, pe lng acest regulator mai poate fi prevzut si un regulator suplimentar de decuplare a alimentrii cu combustibil, n cazul n care sarcina scade brusc. La unele motoare n doi timpi, pentru mrirea sigurantei opririi automate a motoarelor, se prevede un dispozitiv special care, la scderea brusc a sarcinii, obtureaz alimentarea cu aer de baleiaj. La motoarele auxiliare navale, rolul opritorului este acela de preveni supraturarea motorului la scderea brusc a sarcinii si doar n unele cazuri pentru oprirea automat a motorului.

Fig. 1

Analiznd caracteristica de regulator, se poate observa c modificarea pozitiei organului de comand conduce la modificarea alurii caracteristicii de regulator, deci la variatii de turatie. Motoarele auxiliare ce antreneaz generatoare de curent alternativ sunt prevzute cu posibilitatea varierii reglrii pozitiei organului de comand folosind un mic motor electric reversibil, care poate fi comandat din postul central de comand (PCC) sau local. Aceast reglare poate fi realizat manual sau de ctre sistemele de automatizare si este necesar din mai multe motive: obtinerea frecventei de sincronism

50 Hz, (eventual 60Hz): p

fns60=

[rot/min], unde [Hz]-frecventa curentului din retea 50 Hz, (60Hz), iar p-numrul de poli ai generatorului;

f

Regimurile de funcionare si caracteristicile motoarelor navale

137

cuplarea n paralel a generatoarelor;

distributia uniform a sarcinii pe generatoare.

Astfel modificarea caracteristicii de regulator, n functie de mrirea sau micsorarea sarcinii (sarcina generatorului este functie de consumul energetic la bord), se realizeaz fr ca turatia generatorului s nregistreze variatii sensibile. n practic se utilizeaz pentru diesel-generatoare regulatoare de turatie pentru un regim si reglarea turatiei de lucru cu precizie de %5 . Motoarele de propulsie sunt echipate cu regulatoare de turatie pentru toate turatiile din exploatare si toate regimurile, care realizeaz reglarea turatiei impuse cu precizie de %10 . Motoarele principale care antreneaz si generatoare (asa numitul generator de arbore) sunt prevzute cu dispozitive speciale, care modific alura caracteristicii de regulator prin modificarea gradului de neuniformitate al reglrii . La functionarea generatoarelor n paralel, motoarele functioneaz pe caracteristici de regulator asemntoare, ceea ce conduce la repartizarea sarcinilor pe generatoare proportional cu puterea nominal a acestora. Acest lucru nu este ns de dorit, generatoarele cu puterea instalat cea mai mare fiind cele mai solicitate. Este de dorit ca toate motoarele s functioneze la regimul economic si s fie ncrcate cu sarcin relativ constant si doar unul dintre ele s preia toate vrfurile de sarcin care apar n retea. Pentru aceasta ns este necesar ca motorul generatorului s functioneze pe o caracteristic de regulator astatic (caracteristic izodrom ) de tipul celei prezentate in figura 2,b.

0= Exist posibilitatea realizrii de agregate care pot s functioneze dup o caracteristic izodrom, dar acest lucru nu este de preferat pentru

generatoare cuplate n paralel, cnd sarcina este foarte mare. Un alt caz mai deosebit ntlnit n practic este acela al regulatoarelor de turatie pentru motoarele supuse n exploatare la variatii mari de sarcin (remorchere, mpingtoare, etc.), acestea fiind de un tip mai deosebit, indicndu-se utilizarea regulatoarelor pentru toate regimurile. Motoarele cuplate cu propulsorul prin intermediul unui reductor-inversor folosesc frecvent regulatoare de turatie pentru dou regimuri (turatie minim si turatie maxim). Figura 4 prezint caracteristicile de moment ale unui motor echipat cu regulator de turatii pentru dou regimuri. Curba 1 este caracteristica exterioar de moment, iar 2, 3, 4 sunt caracteristici partiale. Caracteristicile de moment sunt limitate de cele dou caracteristici de regulator cvasiverticale. Caracteristicile de regulator sunt si ele caracteristici de turatie, fiind parte integrant a acestora. Extrapolnd analiza fcut asupra curbelor de moment, se pot realiza reprezentri asemntoare pentru puterea efectiv , care sunt de altfel mult mai des folosite si mai usor de interpretat n exploatare.

eP

Aceste caracteristici sunt situate n diverse zone de turatie ale motorului, n functie de tipul regulatorului cu care este dotat motorul. Astfel, dac este necesar doar limitarea turatiei maxime, pe motor se monteaz un regulator pentru un singur regim, iar caracteristicile de regulator sunt reprezentate prin curbele situate n zona Cr maxnom nn (fig. 5,a). Dac este necesar limitarea si a turatiilor reduse, se utilizeaz regulatoare pentru dou regimuri, iar caracteristicile de regulator vor fi situate si n zona

(curbele C din fig. 5,a). n nmin r

P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 P 17 P 18 P 19 P 20 P 21 P 22 P

Procese, caracteristici i supraalimentarea motoarelor cu ardere intern navale

138 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 P 17 P 18 P 19 P 20 P 21 P 22 P 23 P 24 P 25 P 26 P 27 P 28 P 29 P 30 P 31 P 32 P 33 P 34 P 35 P 36 P 37 P 38 P 39 P 40 P 41 P 42

domeniul naval, motoarele auxiliare sunt dotate cu regulatoare pentru un regim, n timp ce regulatoarele pentru dou regimuri echipeaz unele motoare de propulsie. n majoritatea cazurilor, ns, motoarele principale sunt dotate cu regulatoare pentru toate regimurile. n acest caz, caracteristicile de regulator sunt situate pe ntregul domeniu de turatie al motorului (fig.5,b). 11.2.2. Caracteristicile de sarcin

Caracteristicile de sarcin exprim dependenta grafic dintre indicatorii de performant ai motorului si sarcin, la turatie constant ( ), reprezentat n figura 6. Sarcina este definit prin coeficientul de sarcin :

.constn =

n

expl

e

e

P

P= , (6) cu -puterea efectiv nominal, -puterea efectiv la un regim oarecare de exploatare, de unde:

neP expleP

nexpl ee PP = . (7)

Determinarea variatiei puterii necesare nvingerii rezistentelor proprii : mecP

6012

4

2

= nSDipP mecmec [kW], (8)

unde -este presiunea corespunztoare lucrului mecanic necesar nvingerii rezistentelor mecanice care pate fi exprimat empiric prin formule de genul (cap. 9):

mecp

pmec wbanbap +=+= [kN/m2]; (9)

bba ,, -coeficienti determinati

experimental, iar pw este viteza medie a pistonului; depinde ns complex de toti parametrii motorului si n mod deosebit de sarcin si turatie. Din bilantul de puteri al motorului se poate scrie:

mecP

mecei PPP += . (10)

Fig. 4

139Regimurile de funcionare si caracteristicile motoarelor navale Explicitm randamentul mecanic nominal:

nn

n

n

nn

i

mec

i

meci

i

em P

PP

PPPP === 1 , (11)

unde, dac notm cu

ni

meci P

P= , putem

exprima pe sub urmtoarea form: nm

imn = 1 . (12)

Dac notm

ne

mece P

P= si exprimm nm

se obtine o nou form:

e

e

mecmece

e

i

em

n

n

n

n

n

n

PPPP

PPP

+=+=+== 1

1

1

1 . (13)

Din relatiile (12) si (13) prin egalare se obtine:

i

ie

ei

=+= 1111 . (14)

Dac dorim s exprimm randamentul mecanic din exploatare n functie de

e si coeficientul de sarcin , considerati constanti pentru un anumit motor si un regim de functionare dat se obtine:

e

e

e

e

emece

e

i

em

expl

n

n

mecexpl

expl

expl

expl

l

PP

PPPP

P

P

P

+=

+=+==

1

1exp

. Fig. 6 (15) Aceast relatie poate fi folosit pentru exprimarea variatiei randamentului mecanic n functie de coeficientul de sarcin (fig. 6). Determinarea variatiei consumului specific efectiv de combustibil al motorului , se face considernd c la scderea sarcinii cantitatea de aer admis n motor creste datorit cresterii excesului de aer, ceea ce conduce si la cresterea randamentului. La cresterea sarcinii motorului se nrutteste calitatea pulverizrii, creste cantitatea de cldur cedat fluidului de rcire, ceea ce conduce la scderea randamentului. n concluzie, pe ansamblu, randamentul indicat variaz nesemnificativ cu sarcina. Consumul specific indicat variaz la fel ca si randamentul indicat

ec

ic

i , deci este influentat nesemnificativ de variatia sarcinii. Din relatia de definitie a consumului specific efectiv:

iimiee QQ

c ==360013600 , (16)

se observ c acesta variaz invers proportional cu randamentul mecanic

mec

1 , deoarece ii Q

3600 nu variaz cu

sarcina. Ceilalti parametri: -presiunea medie efectiv, respectiv temperatura gazelor arse, cresc cu cresterea sarcinii. Variatiile de mai sus sunt reprezentate n figura 7.

ge Tp ,

11.2.3. Caracteristicile de reglaj

Fig. 7

[%]

Pe

Procese, caracteristici i supraalimentarea motoarelor cu ardere intern navale

140 Se numesc caracteristici de reglaj acele caracteristici care precizeaz dependenta dintre anumiti indici de performant ai motorului (putere, moment motor, consum specific de combustibil, etc.) si un factor de reglaj considerat drept variabil independent. n domeniul motoarelor diesel se utilizeaz caracteristicile de consum de combustibil si de avans la injectie pentru stabilirea regimurilor optime de functionare. 11.2.3.1. Caracteristica de consum de

combustibil Caracteristica de consum are drept scop precizarea datelor necesare dimensionrii si reglrii sistemului de alimentare cu combustibil. Ea reprezint variatiile puterii efective Pe si a consumului specific efectiv de combustibil ce, n functie de consumul orar de combustibil Ch. Caracteristicile de consum se determin n conditiile mentinerii constante a turatiei (prin modificarea ncrcrii frnei) si a variatiei consumului orar asigurat prin deplasarea cremalierei pompei de injectie. n figura 8 sunt prezentate variatiile Pe=f(Ch) si ce=f(Ch), variatii care, la rndul lor, sunt influentate de valorile coeficientului de dozaj. Se constat c, la cresterea consumului orar de combustibil, dozajul se mbogteste, avnd drept consecint cresterea puterii efective dezvoltate. La dozajul optim opt se nregistreaz consumul specific minim de combustibil. n continuare, la cresterea consu-

sumului orar, creste si ce datorit nruttirii arderii din lips de aer. Valoarea maxim a puterii Pe mm se nregistrea-z, asa cum s-a mai mentionat, n afara limitei de functionare a motorului, limit impus att de aparitia arderii cu fum, ct si de cresterea exagerat a solicitrilor mecanice si termice ale motorului. 11.2.3.2. Caracteristica de avans la

injectie La MAC-uri, caracteristica de avans reprezint dependentele puterii efective Pe si a consumului specific efectiv ce de unghiul de avans la injectie . Caracteristicile se determin n conditiile mentinerii constante a turatiei si a cantittii de combustibil injectat pe ciclu (pozitie fix a cremalierei pompei de injectie). n figura 9 este prezentat variatia celor doi parametri n functie de , la care se adaug si

P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 P 17 P 18 P 19 P 20 P 21 P 22 P

.

Fig. 8 Fig. 10

Fig. 9

141Regimurile de funcionare si caracteristicile motoarelor navale P 2

P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 P 17 P 18 P 19 P 20 P 21 P 22 P 23 P 24 P 25 P 26 P 27 P 28 P 29 P 30 P 31

variatia presiunii medii efective pe. Se constat faptul c pentru un unghi de avans optim opt se obtin simultan puterea maxim si consumul specific efectiv minim. n anumite situatii, avansul real se limiteaz la o valoare 1