Для определения необходимых параметров в процессе испытаний и для контроля за тепловыми процессами, происходящими в установке во время ее эксплуатации, применяют приборы теплотехнического контроля. В зависимости от назначения они делятся на приборы для измерения: мощности или крутящего момента расхода пара, воды, топлива и масел; давления и разрежения; температуры воды, масла, топлива, газов и воздуха.
Кроме того, есть приборы для анализа газов, воды, топлива и масел.
По способу показания приборы каждой из перечисленных групп разделяются на указывающие, самопишущие, суммирующие и сигнализирующие.
Указывающие приборы определяют измеряемую величину в данный момент при помощи подвижного указателя (стрелки).
Самопишущие приборы автоматически непрерывно записывают результаты измерений.
Суммирующие приборы (счетчики) позволяют определить расход газа или жидкости, частоту вращения за определенный промежуток времени.
Сигнализирующие приборы предназначены для подачи светового или звукового сигнала в случае отклонений заданных параметров от предельно допустимых величин.
Контрольно-измерительные приборы должны удовлетворять следующим основным требованиям:
иметь надежную защиту от возможных повреждений; показания должны быть хорошо видимы на расстоянии; надежно работать в течение длительного времени; иметь достаточную для практических целей точность; быстро реагировать на изменение измеряемых параметров, т. е. быть достаточно чувствительными.
Ниже изложены способы определения основных показателей двигателя.
Конструкции приборов теплотехнического контроля в книге не рассматриваются, так как они подробно освещены в специальной литературе.
Определение мощности двигателя. Индикаторную мощность
определяют по среднему индикаторному давлению и частоте вращения двигателя:
Ni = рі 0,785DSni/ 60 х 75 z и.л.с.
где рі—среднее индикаторное давление, кг-с/см2;
D—диаметр цилиндра, см;
S—ход поршня, см; п —частота вращения вала, об/мин; і—число цилиндров двигателя;
г — тактность (2 — для четыре тактных, 1 — для двухтактных двигателей).
Среднее индикаторное давление определяют по индикаторной диаграмме, которую снимают с помощью механического индикатора. Индикатор регистрирует в определенном масштабе давление газов в цилиндре в зависимости от положения поршня или угла поворота мотыля. Иными словами, индикаторная диаграмма представляет собой (в координатах р—V) кривую изменения давления газов в цилиндре в зависимости от хода поршня. Такие диаграммы называют нормальными.
Электрические индикаторы позволяют получить диаграммы, развернутые по углу поворота мотыля или по времени (в координатах р—ф, р—^.
Во время индицирования следует обеспечить постоянную частоту вращения и нагрузку на двигатель. На режиме номинальной нагрузки при установившемся тепловом режиме двигателя снимают обычно по 2—3 индикаторные диаграммы.
При подготовке к индицированию необходимо:
ознакомиться с инструкцией по обслуживанию прибора, проверить индикаторные приводы, следить, чтобы не было слабины или мертвых ходов;
отрегулировать шнур таким образом, чтобы диаграмма занимала центральную часть на бумажном листке;
проверить соответствие резьб и конусов индикатора и индикаторного крана;
пружину индикатора выбрать такую, чтобы рz не превышало обозначенного давления, и диаграмма не выходила за верхнюю границу барабана;
убедиться в том, что сила трения поршня и штока в цилиндре индикатора позволяет поршню под действием собственной массы опускаться медленно;
отрегулировать винт пишущего механизма для того, чтобы карандаш оставлял четкие, сплошные линии;
продуть индикаторный кран;
создать предварительный натяг пружины барабана с таким расчетом, чтобы разница натяжения в начале и конце поворота барабана была незначительной;
проверить прямолинейность движения карандаша и его перпендикулярность образующей барабана.
Атмосферную линию наносят при закрытом индикаторном кране. Затем необходимо быстро открыть индикаторный кран и на короткое время передвинуть рукой карандаш к поверхности бумаги, натянутой на барабан.
Обычно записывают не более двух циклов. После этого закрывают индикаторный кран, снимают бумагу с диаграммой и записывают на ней дату и время индицирования, номер цилиндра, частоту вращения двигателя и масштаб пружины. После окончания индицирования индикатор необходимо тщательно осмотреть и смазать.
По нормальной индикаторной диаграмме подсчитывают среднее индикаторное давление рі и индикаторную мощность Мі цилиндра. Для этого с помощью планиметра определяют площадь нормальной индикаторной диаграммы / с погрешностью измерения не более 1%.
Величину площади диаграммы определяют по формуле
f=ka мм2,
где k—постоянная планиметра;
а — разность отсчетов планиметра до и после обвода диаграммы, мм2.
На диаграмме записывают результат как среднее трех обводов диаграммы.
В случае отсутствия планиметра площадь индикаторной диаграммы
вычисляют известным приближенным графическим методом (по средней высоте диаграммы).
Среднее индикаторное давление определяют по выражению
pi = f/ml=hi /т
где т—масштаб индикаторной диаграммы, мм/(кг-с/см2);
1 —длина диаграммы, мм;
hi — средняя высота диаграммы, мм.
Для определения индикаторной цилиндровой мощности применяют упрощенные формулы:
для четырехтактных двигателей простого действия N =FS/9000pi п и.л. с.
для двухтактных двигателей простого действия
N = FS/4500 pi п и. л. с.
Для получения N (в кВт) необходимо полученное значение N1 (в и. л. с.) умножить на 0,736.
Определение крутящего момента и эффективной мощности двигателя. Мощность на валу двигателя Ые непосредственно измерить невозможно. Но зная величину крутящего момента Мкр, можно определить мощность, потребляемую гребным винтом, и определить соответствие винта корпусу судна и главному двигателю.
С другой стороны, определив Мкр и проиндицировав двигатель, можно определить величину механических потерь, наметить пути повышения экономичности установки.
Для определения Мкр на заводских стендах и в лабораториях применяют тормоза различной конструкции (гидравлические, электрические и иногда механические). На морских судах для определения Мкр используют переносные или штатные торсиометры, измеряющие непосредственно не крутящий момент, а параметры, которые его характеризуют. Например, Мкр часто определяют по углу скручивания ф вала.
Крутящий момент можно определить из выражения
Мкр=фG1p/ 1 кгс.м, а
эффективную мощность
№=0,0014 в 1р п ф/1 э. л. с.,
где ф—угол закручивания вала между сечениями, расположенными на расстоянии 1м, град.;
1—расстояние между сечениями, принятыми для измерения, м; G—модуль сдвига материала вала, кг-с/м2;
т 4
1р—полярный момент инерции сечения вала, м .
Точность измерения Мкр зависит от внешних факторов (вибрации подшипников, температуры воздуха), а также от конструкции торсиометра, схемы измерений, состояния его механической и электрической частей.
Торсиометр следует устанавливать подальше от фланцев, шпоночных канавок и соединительных муфт на промежуточном валу возможно ближе к двигателю. Датчик торсиометра надо устанавливать как можно ближе к узловой точке крутильных колебаний вала, т. е. там, где амплитуда крутильных колебаний вала минимальна.
Для того чтобы показания торсиометра были стабильными, необходимо обеспечить надежное крепление опорных колец, исключающее их смещение.
В процессе подготовки, монтажа и настройки элементов торсиометра необходимо точно следовать рекомендациям инструкции, так как отступление от нее может привести к искажению показаний прибора из-за появления дополнительных погрешностей.
При отсутствии на двигателе индикаторных приводов, а на валу— торсиометра эффективную мощность можно определить по косвенным показателям (расходу топлива, частоте вращения, температуре выпускных газов, среднему давлению газов). Эти способы определения мощности дизеля применяют только при наличии на судне графических зависимостей
основных параметров (характеристик), построенных по результатам стендовых или ходовых испытаний.
Например, анализируя результаты замеров на судне, скажем, температуры выхлопных газов tr и частоты вращения п, и используя график зависимости Мкр построенный в процессе испытаний двигателя, можно определить Мир, а затем и Ne.
Мощность дизеля, работающего на электрический генератор, можно определить штатными приборами по величинам напряжения и силы тока:
на генератор постоянного тока
Ne = nr IU/1000 кВт;
на генератор переменного тока Ne = V3 cos ф Hr IU/1000 кВт,
где I и U—сила тока и напряжение на клеммах генератора, А, В;
Цг и соєф—к.п.д. генератора и коэффициент мощности, определяемые по паспортной характеристике.
Определение расхода топлива и смазочного масла. Расход топлива является основной величиной, характеризующей экономичность работы двигателя, качество регулирования рабочего процесса, состояние трущихся поверхностей и топливной аппаратуры.
Эффективный к. п.д. двигателя определяют по выражению 1> = 632/ ge Q
ge— расход топлива;
Q—теплота сгорания топлива.
В судовых условиях расход топлива определяют весовым и объемным способами. Однако в большинстве случаев при проведении
теплотехнических испытаний пользуются объемным способом.
Количество расходуемого топлива обычно измеряют расходными мерными баками, снабженными мерительным устройством. Объем мерного бака подбирают так, чтобы время расхода топлива при полной мощности двигателя составило не менее 5 мин.
Расход топлива определяют при установившихся частоте вращения и режиме двигателя. Одновременно замеряют другие параметры. Плотность топлива определяют денсиметром. На каждом режиме производят последовательно 2—3 замера.
Средний расход топлива находят по формуле
G= V Z Z 3600 / t кг/ч,
где V., — объем мерного бака, м3;
Z — плотность топлива при данной температуре, кг/м3; z—число баков израсходованного топлива;
Т — суммарное время расхода топлива, сек.
Весовой способ определения расхода топлива более точен, но он требует наличия десятичных или двух плечих весов, применение которых в судовых условиях затруднительно. Поэтому этот способ применяют лишь в стационарных условиях.
Расход циркуляционного смазочного масла определяют так же, как и расход топлива, при помощи расходного бака.
Расход смазочного масла у современных дизелей сравнительно невелик, поэтому определить его можно только при постоянном режиме работы двигателя в течение 8—10 ч.
Расход цилиндрового масла определяют, измеряя количество масла, доливаемого в лубрикаторы.
Определение расхода воды, воздуха и газов. Для измерения расхода воды, поступающей на охлаждение двигателей, компрессоров, холодильников и т. д., пользуются обычно скоростными водомерами. Жидкость, проходя через прибор, вращает вертушку, частота вращения которой фиксируется.
Принцип работы водомера основан на пропорциональности скорости потока (следовательно, и количества протекающей жидкости) и частоты вращения вертушки, вращаемой проходящей через прибор жидкостью.
Для определения расхода воздуха и газов используют газомеры и дроссельные шайбы, принцип действия которых основан на измерении перепада давлений в сужении потока.
Количество подаваемого в цилиндры двигателя воздуха, состав и количество выхлопных газов определяют на судах анализом химического состава выхлопных газов при помощи химических и электрических газоанализаторов.
Наиболее просты по устройству и надежны в работе (хотя и не очень точны) химические газоанализаторы Орса и Норзе, распространенные на морском флоте.
Определение давлений. В двигателях внутреннего сгорания и их системах наблюдается большое разнообразие жидких и газообразных сред с различной величиной и скоростью нарастания давлений.
В процессе испытания двигателей возникает необходимость измерения давления газов в цилиндрах и в системе выхлопа, а также давления пускового воздуха, топлива, масел и охлаждающей воды.
Наиболее трудно измерение давления газов в цилиндрах двигателей. Для этой цели используют механические и электрические индикаторы, пиметры и максиметры.
Механические индикаторы, снабженные цилиндрическими или стержневыми пружинами, индицируют двигатель, а в отдельных случаях замеряют давление в воздушном и выпускном коллекторах.
Более широкую область применения имеют электрические индикаторы, которые по типу датчика делятся на пьезоэлектрические, емкостные и осциллографы. Они универсальны и точны при испытаниях на стенде и в процессе эксплуатации. С помощью таких индикаторов быстро измеряют величины при переменных режимах работы двигателя, а также совместно измеряют несколько величин. Причем, эти приборы пригодны для дистанционных измерений.
С помощью пиметров определяют среднее давление в цилиндре по времени, служащее для обеспечения равномерности нагрузки по цилиндрам.
Максиметры используют для определения максимального давления в цилиндре за цикл в процессе эксплуатации. По принципу действия они делятся на механические и пневмоэлектрические. Более широко используют механические (манометрические) и пружинные максиметры.
При испытании воздушных и гидравлических систем пользуются широко распространенными манометрами и вакуумметрами для измерения постоянного или медленно меняющегося давления во времени.
В практической работе широко используют пружинные и жидкостные манометры, которыми определяют абсолютное или избыточное давление в системах.
Определение температуры. Для измерения температуры воды, пара, газа, топлива, масла, воздуха в процессе испытаний применяют группы приборов, принцип работы которых основан на изменении свойств тел при изменении их температуры.
На принципе использования способности тел расширяться основаны:
жидкостно-стеклянные термометры, в том числе ртутные. Их применяют для измерения температуры жидкости или газа до 300° С. При температуре 300—600° С используют термометры, пространство капилляра у которых над ртутью заполняется азотом или углекислотой под давлением 25 кг-с/см2;
манометрические термометры, в которых при повышении температуры рабочая жидкость (метиловый спирт, ксилол или ртуть), имеющая низкую точку кипения, испаряется и создает давление, которое измеряется манометром с температурной шкалой; их используют для измерения температур в интервале от —60 до +550°С в зависимости от типа прибора;
стержневые и биметаллические указатели температур.
Другие приборы работают на принципе использования изменения омического сопротивления металлов с изменением их температуры (электрические термометры сопротивления). Чувствительным элементом у них является платиновая или медная проволока диаметром 0,05—0,07 мм.
В последнее время для измерения температуры стали применять сопротивления из полупроводников, называемые термисторами. Изготовляют их прессованием из окислов кобальта, никеля, марганца и других металлов.
Термисторы применяют в основном для измерения температур поверхности тел или измерения небольших температурных перепадов.
Термоэлектрические термометры или термопары основаны на появлении электродвижущей силы в цепи двух спаянных концами проволок, изготовленных из различных металлов, при нагревании места спая.
Для изготовления термопар применяют металлы и сплавы, имеющие химическую стойкость, механическую прочность при высокой температуре, высокой теплопроводности, малом температурном коэффициенте сопротивления (платину, хром, алюминий, железо, константан).
На современных двигателях устанавливают пирометрический прибор, который состоит из нескольких термопар, переключателя и гальванометра с температурной шкалой.
Определение частоты вращения вала. Для измерения частоты вращения применяют специальные приборы: тахометры и суммирующие счетчики.
По конструкции и принципу действия тахометры разделяются на центробежные, электрические и импульсные. Выбор прибора определяется задачей испытаний и требованиями точности измерения.
Среднюю угловую скорость вращения вала в. течение определенного промежутка времени измеряют с помощью суммирующего счетчика и секундомера. Среднюю частоту вращения измеряют при установившемся режиме работы двигателя, когда колебание скорости вращения вала по времени отсутствует.
Для измерения средней частоты вращения средне- и высокооборотных двигателей применяют тахоскопы, представляющие. собой комбинацию суммирующего счетчика и секундомера.
Для оценки пусковых и реверсивных характеристик дизеля, для снятия регуляторных характеристик вспомогательных двигателей применяют электрические тахометры с индукционными преобразователями — генераторами постоянного или переменного тока.
Индукционные тахометры или тахогенераторы переменного тока позволяют производить местный и дистанционный контроль за частотой вращения дизеля в широком диапазоне.
Колебания частоты вращения вала, как при нестационарных, так и при установившихся режимах регистрируют обычно при помощи тахографов.
