Increasing of the main engine efficiency by propeller thrust correction

Суда с винтами фиксированного шага эксплуатируются в широком диапазоне упора гребного винта, который зависит от загрузки судна, обрастания корпуса, ветро-волновых условий плавания, течений и влияния мелководья. Чтобы предотвратить перегрузки главного двигателя при "тяжёлом" винте, уменьшают частоту вращения винта. Однако при этом уменьшается подача воздуха турбокомпрессором и растут температуры газов в начале выпуска. Чтобы не допустить перегрев выпускных клапанов приходится существенно уменьшать частоту вращения главного двигателя, то есть существенно "жертвовать" скоростью движения судна.
В результате исследования режимов работы малооборотного двухтактного главного дизеля с изобарным наддувом показано, что при "тяжёлом" винте за счёт регулировки параметров дизеля можно добиться только небольшого улучшения эффективности его работы:
изменение геометрической степени сжатия не приводит к существенному изменению рабочих процессов;
перерегулирование угла опережения впрыска не позволяет устранить проблему повышенных температур газов и не даёт экономии топлива, сравнимой с экономией от использования экономической скорости судна;
при более раннем выпуске видна тенденция повышения температуры газов перед турбиной; при более позднем выпуске температура газов перед турбиной несколько уменьшается одновременно с небольшим уменьшением суммарного индикаторного КПД;
за счёт более раннего начала сжатия воздуха в цилиндре можно немного исправить недостатки рабочего процесса и увеличить мощность дизеля на 5,6 %;
при уменьшении проходного сечения соплового аппарата турбины температура в цилиндре в момент начала выпуска уменьшается незначительно, а температура газов перед турбиной увеличивается, что не позволяет признать корректировку проходного сечения эффективным способом улучшения рабочих процессов;
на частичных ходовых режимах судна целесообразно стремиться к максимальному охлаждению воздуха наддува, так как уменьшение температуры воздуха в рабочем диапазоне на 5 К приводит к уменьшению температуры газов перед турбиной на 4 ... 9 К и уменьшению температуры в цилиндре в момент начала выпуска на 20 ... 22 К;
за счёт создания подпора воздуха в машинном отделении можно уменьшить температуру газов перед турбиной до 10 К.
Однако, если "облегчить" гребной винт, например, на 3 %, то мощность двигателя можно повысить на 7 % при условии не превышения температуры в цилиндре в момент начала выпуска. При этом температуры газов на линии расширения уменьшаться, а средняя температура газов перед турбиной повысится в допускаемых пределах.
Для корректировки упора гребного винта предложена система управления, которая в случае "утяжеления" винта подаёт воздух или газы на всасывающую поверхность винта, что приводит к уменьшению упора и соответственно момента сопротивления винта.
Система содержит датчик частоты вращения гребного винта и датчик хода рейки топливных насосов главного двигателя. Сигнал от датчика частоты вращения поступает в функциональный преобразователь, который для каждого значения частоты вращения вырабатывает желательное значение нагрузки двигателя, то есть фактически воспроизводит паспортную винтовую характеристику. Если сигнал от датчика хода рейки (фактической нагрузки) превысит сигнал функционального преобразователя, система открывает клапан, который регулирует подачу воздуха или газов к гребному винту. Момент сопротивления винта уменьшится и регулятор частоты вращения главного двигателя начнёт уменьшать ход рейки топливных насосов до тех пор, пока сигналы хода рейки и функционального преобразователя не станут равными, что прекратит увеличение открытия клапана, регулирующего подачу воздуха (газов) к гребному винту.
Применение предложенной системы обеспечивает улучшение рабочих процессов дизеля на ходовых режимах судна. Это позволяет эксплуатировать суда с винтами фиксированного шага с бóльшими скоростями при их движении в грузу и при повышенном сопротивлении движению корпуса судна.

Судна з гвинтами, крок яких фіксований, експлуатуються в широкому діапазоні упору гребного гвинту, який залежить від їх завантаження, обростання корпусу, вітро-хвильових умов плавання, течій і впливу мілководдя. Щоб запобігти перевантаженню головного двигуна при "важкому" гвинті, зменшують частоту його обертання. Однак при цьому зменшується подача повітря турбокомпресором і ростуть температури газів на початку випуску. Щоб не допустити перегріву випускних клапанів доводиться істотно зменшувати частоту обертання головного двигуна, тобто "жертвувати" швидкістю руху судна.
У результаті дослідження режимів роботи малообертового двухтактного головного дизеля з ізобарним наддуванням показано, що при "важкому" гвинті за рахунок регулювання параметрів дизеля можна домогтися тільки невеликого поліпшення ефективності його роботи:
зміна геометричної ступеня стиснення не приводить до істотної зміни робочих процесів;
перерегулювання кута випередження впорскування не дозволяє усунути проблему підвищених температур газів і не дає економії палива, порівнянної з економією від використання економічної швидкості судна;
при більш ранньому випуску помітна тенденція підвищення температури газів перед турбіною; при більш пізньому випуску температура газів перед турбіною декілька зменшується одночасно з невеликим зменшенням сумарного індикаторного ККД;
за рахунок більш раннього початку стиснення повітря в циліндрі можна трохи виправити недоліки робочого процесу і збільшити потужність дизеля на 5,6 %;
при зменшенні прохідного перетину соплового апарату турбіни температура в циліндрі в момент початку випуску зменшується незначно, а температура газів перед турбіною збільшується, що не дозволяє визнати коригування прохідного перетину ефективним способом поліпшення робочих процесів;
на часткових ходових режимах судна доцільно прагнути до максимального охолодження повітря наддування, тому що зменшення температури повітря в робочому діапазоні на 5 К призводить до зменшення температури газів перед турбіною на 4 ... 9 К і зменшення температури в циліндрі в момент початку випуску на 20 ... 22 К;
за рахунок створення підпору повітря в машинному відділенні можна зменшити температуру газів перед турбіною до 10 К.
Однак, якщо "полегшити" гребний гвинт, наприклад, на 3 %, то потужність двигуна можна підвищити на 7 % за умови не перевищення температури в циліндрі в момент початку випуску. При цьому температури газів на лінії розширення зменшаються, а середня температура газів перед турбіною підвищиться в допустимих границях.
Для коригування упору гребного гвинту запропонована система управління, яка у разі "обважнення" гвинту подає повітря або гази на всмоктувальну поверхню, що призводить до зменшення упору і відповідно моменту опору гвинту.
Система містить датчик частоти обертання гребного гвинту і датчик ходу рейки паливних насосів головного двигуна. Сигнал від датчика частоти обертання надходить до функціонального перетворювача, який для кожного значення частоти обертання виробляє бажане значення навантаження двигуна, тобто фактично відтворює паспортну гвинтову характеристику. Якщо сигнал від датчика ходу рейки (фактичного навантаження) перевищить сигнал функціонального перетворювача, система відкриває клапан, який регулює подачу повітря або газів до гребного гвинта. Момент опору гвинту зменшиться і регулятор частоти обертання головного двигуна почне зменшувати хід рейки паливних насосів до тих пір, поки сигнали ходу рейки і функціонального перетворювача не стануть рівними, що припинить збільшення відкриття клапана, який регулює подачу повітря (газів) до гребного гвинта.
Застосування запропонованої системи забезпечує поліпшення робочих процесів дизеля на ходових режимах судна. Це дозволяє експлуатувати судна з гвинтами, крок яких фіксований, з більшими швидкостями у завантаженому стані і під час підвищеного опору руху корпусу судна.

Vessels with fixed-pitch propellers are operated in a wide range of propeller thrust, which depends on the loading of the vessel, hull fouling, wind-wave sailing conditions, currents and the influence of shallow water. To prevent overload of the main engine with a "heavy" propeller it needs to reduce the speed of propeller. However, this reduces the air supply of the turbocharger and increases the temperature of the gases at the beginning of exhaust process. In order to prevent overheating of the exhaust valves, it is necessary to reduce the speed of the main engine considerably, that is, to substantially “sacrifice” the speed of the vessel.
The result of research of the operating modes of low-speed two-stroke main diesel engine with isobaric supercharging is demonstrated that with a “heavy” propeller, by tuning the diesel parameters, only a slight improvement in its efficiency can be achieved:
a change in the geometric degree of compression does not lead to a essential change in the operating processes;
retuning of injection timing does not allow to eliminate the problem of elevated gas temperatures and does not give fuel savings comparable to the savings from using the economical speed of the vessel;
with earlier gas releasing there is a tendency of increasing the temperature of the gases before the turbine; with later releasing the temperature of the gases before turbine decreases simultaneously with a slight decreasing of total indicator efficiency;
due to the earlier air compression in the cylinder, it is possible to slightly correct the weak points of the operating process and increase the diesel power by 5,6 %;
with a bore decreasing of the turbocharger nozzle ring the temperature in the cylinder at the beginning of exhaust process decreases slightly, and the temperature of the gases before turbine increases, which does not allow to recognize the correction of the bore as an effective way to improve operating processes;
on partial vessel operating modes it is advisable to strive for maximum cooling of the charging air, since a decrease in air temperature in the operating range by 5 K leads to a decrease in gas temperature before turbine by 4 ... 9 K and a decrease in temperature in the cylinder at the beginning of exhaust process by 20 ... 22 K;
by creating air back-up in the engine room, the temperature of the gases before turbine can be reduced up to 10 K.
However, if the propeller would be “lighter”, for example, by 3 %, then engine power can be increased by 7 % provided that the temperature in the cylinder is not exceeded at the beginning of exhaust process. In this case, the gas temperatures on the expansion line decrease, and the average gas temperature before turbine rises within the permissible limits.
The proposed control system for thrust correction of the propeller which in the case of a “heavier” propeller delivers air or gases to the suction surface of the propeller and thus leads to decrease of thrust as well as the resistance moment of the propeller.
The system comprises a propeller speed sensor and a fuel rail sensor of the main engine fuel pumps. The signal from the speed sensor enters a functional converter, which for each value of the speed generates the desired value of the engine load. Moreover, it actually reproduces the passport propeller characteristic. If the signal from the fuel rail sensor (actual load) exceeds the signal of the functional converter, the system opens a valve that regulates the flow of air or gases to the propeller. The moment of propeller resistance will decrease and the governor of the main engine will reduce the fuel supply to fuel pumps until the signals of the fuel rail and the functional converter become equal, which will stop the opening of the flow regulating valve of air (gases) to the propeller.
The application of the proposed system provides an improvement in the operating processes of a diesel engine on the vessel operating modes. This makes it possible to operate vessels with fixed-pitch propellers with higher speeds during their movement in the load conditions and with increased resistance to the movement of the vessel's hull.