Русско-английский и англо-русский технический и деловой словарь судового механика

СОВРЕМЕННЫЕ МАЛООВОРОТНЫЕ ДВУХТАКТНЫ! ДВИГАТЕЛИ

Возницкий И. В.

СОВРЕМЕННЫЕ МАЛООБОРОТНЫЕ ДВУХТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Автор — Возницкий Игорь Витальевич, професор Государственной Морской Академии им. адмирала С. О. Макарова, заслуженный работник высшей школы России

ISBN: 903080-08-1 © Возницкий И.В., 2007 г. © Издательство ООО «Моркнига» 2007 г. e x p e r t 2 2 для http://rutracker.org

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие

5

1. МАЛООБОРОТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ 1-1. 1-2. 1-3.

Системы газообмена 2-х тактных двигателей Газотурбинный наддув Пожар в подпоршневых полостях,взрывы в картерах

6 10 20 22

2. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД ДВИГАТЕЛЕЙ ЗУЛЬЦЕР-RTA 2-1. Особенности конструкции 2-2. Топливо-впрыскивающая аппаратура 2 - 2 - 1 Топливные насосы высокого давления 2 - 2 - 2 . Система VIT двигателей RTA 2 - 2 - 3 . Форсунки двигателей RD, RND-M и RTA 2 - 2 - 4 . Форсунки двигателей RTA

24 26 30 30 35 36 37

3. ДВИГАТЕЛИ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ - RT FLEX

40

3-1. Двигатели с электронным управлением RT — flex

40

А. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД ДВИГАТЕЛЕЙ Ф И Р М Ы «МАН & БУРМЕЙСТЕР И ВАЙН» - МС 4-1. Особенности конструкции 4-2. Топливовпрыскивающая аппаратура

46 50 54

Г). ДВИГАТЕЛИ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ«МАН & БУРМЕЙСТЕР И ВАЙН» ME

57

(i. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД ДВИГАТЕЛЕЙ «МИТСУБИШИ» UEC И UEC-LSE

64

7.

ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПУСКЕ И НА МАНЕВРАХ, ПОМПАЖ ГТК expert22 для http://rutracker.org

67

8. ВЛИЯНИЕ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 9. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ 9-1. Использование энергии выхлопных газов в силовых газовых турбинах 9-2. Использование энергии выхлопных газов в утилизационных паровых котлах 9-3. Горение сажи в утилизационных котлах 10. НАДЕЖНОСТЬ И МОТОРЕСУРС 2-Х ТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 10-1. Виды износа 10-2. Износы ЦПГ, организация технического обслуживания двигателей 10-3. Конструкции поршневых колец, практические рекомендации 10-3-1. Требования, предъявляемые к морским топливам. Стандарт ISO 8217:2005

70 72 75 78 79 83 83 85 88 95

И. ДИНАМИКА КРЕЙЦКОПФНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 11-1. Неуравновешенность двигателей 11-2. Аксиальные колебания 11-3. Крутильные колебания

105 105 112 113

12. ПРОПУЛЬСИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 12-1. Уравнения мощности и логарифмическая шкала 12-2. Нагрузка главных двигателей, винтовые и ограничительные характеристики

115 115

expert22 для http://rutracker.org

116

ПРЕДИСЛОВИЕ Прошло 100 лет со дня появления первого дизеля, но он не только I it- утратил своего значения среди тепловых двигателей, преобразующих тепловую энергию топлива в механическую работу, но благодаря сноей высокой экономичности до сих пор занимает лидирующее положение. Если первые дизели имели КПД, равный 12-15%, то сегодня КПД малооборотных двухтактных двигателей достиг 50,5%, а при утилизации тепла 58%. КПД современных паровых турбин, сопоставимых по мощности с малооборотными дизелями, достигает максимум 35%. Высокая экономичность, а также большая агрегатная мощность (до 80000 кВт), малые износы, высокий моторесурс и надежность ставят малооборотный двигатель на первое место при выборе пропульсивной установки морского судна. Низкие обороты (50-90 1/мин) гарантируют не только высокую надежность и ресурс, но одновременно существенно упрощают передачу к гребному винту и обеспечивают высокий пропульсивный кпд винта. За истекшие 25-30 лет в конструкцию двухтактных двигателей Гнили внесены радикальные изменения. Фирмы-производители «Зульцер» и «МАН» отказались от контурных схем газообмена, и перешли на более перспективную прямоточную схему. Это позволило реализовать в новых моделях двигателей чисто газотурбинный наддув, Гимгодаря которому был достигнут высокого уровень форсировки рабочего процесса (Ре = 19 бар). I) новейших моделях внедрена система электронного управления, существенно повысившая эксплуатационные качества двигателей и упростившая их конструкцию и эксплуатацию. Н предлагаемой читателям книге автор стремился подробно 1ип;»комить их с перечисленными усовершенствованиями и, тем Н1мым, оказать посильную помощь в эксплуатации двигателей нового поколения. Литор благодарит своих выпускников: Представителя отдела I'rlrolcum Services Классификационного Общества DNV. А. С. Бедай за написание весьма полезного раздела 10-3-1 и за помощь в издании книги. liiM директора СПб отделения BP «Baltic Petroleum» В. Журавского и менеджера фирмы «Cocket Marine Oil - Russia» С. Лунева. Л мтор будет рад замечаниям и предложениям по совершенствованию последующих изданий, которые просит направлять по адресу: e-mail voz4£ctinet.ru.

1. МАЛООБОРОТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ. ХАРАКТЕРИСТИКИ Высокая надежность, большой моторесурс, простота конструкции и высокая экономичность (см. рис. 1-1) являются отличительными чертами малооборотных двигателей. Этим, а также возможностью обеспечить высокие агрегатные мощности (80000 кВт) определяется их преимущественное использование в пропульсивных установках морских судов.

20

I 1

I I I I I II 5

10

I

I

I I I 50

Рис. 1-1. КПД тепловых двигателей. К классу малооборотных двигателей относятся мощные двухтактные дизели с числом оборотов до 300 в минуту. Двигатели 2-х тактные, так как использование 2-х тактного цикла в сравнении с 4-х тактным позволяет при равенстве размеров цилиндров и оборотов получить в 1,4-1,8 раза большую мощность. Диаметр цилиндров находится в диапазоне 260 — 980 мм, отношение хода поршня к диаметру цилиндра в двигателях ранних моделей лежало в пределах 1,5-2,0. Однако стремление повысить мощность путем увеличения объема цилиндра, не увеличивая его диаметр, а также обеспечить лучшие условия для 6

развития факелов топлива и, соответственно, создать лучшие условия для смесеобразования в камере сгорания за счет увеличения ее высоты, привело к росту отношения S / D . Тенденцию к увеличению S/D можно проследить на примере двигателей Зульцер RTA: 1981 г. - RTA S/D=2,9; 1984 г. - RTA М S / D = 3,45; 1991г. - RTA Т S / D = 3,75; 1995г. - RTA48 Т S / D = 4,17. Цилиндровая мощность современных малооборотных двигателей и зависимости от размеров цилиндров и уровня форсировки лежит в пределах 945-5720 кВт при Ре= 18-18,6 бар (Зульцер RTA), 400-6950 кВт при Ре = 18-19 бар (МАН ME и МС). Частота вращения лежит в пределах 57-127 1 \ мин. и лишь в двигателях с размерами цилиндров менее 50 см. п= 129-250 1 \ м и н . Важно отметить, что в 50-60 годы стоимость топлив была низкой и находилась на уровне 20-30 $ /тонну, и поэтому задача достижения максимальной экономичности двигателя и пропульсивного комплекса в целом не являлась превалирующей. Этим можно объяснить, что выбор частоты пращения двигателя, а, следовательно, и гребного вала, определялся двиI ателестроителями без учета кпд гребного винта. В восьмидесятые годы стоимость топлив выросла в 10 и более раз, и задачи повышения экономичности работы всего пропульсивного комплекса встали на первое место. Известно, что кпд гребного винта растет с уменьшением скорости вращения, кстати, уменьшение скорости вращения двигателя способствует и снижению удельного расхода топлива. Это обстоятельство при создании современных дизелей, несомненно, учитывается и, если у двигателей ранних поколений частота вращения не спускалась ниже 100 1\мин, то в новом поколении дшп ателей диапазон оборотов лежит в пределах 50-190. Снижение мощности при уменьшении оборотов компенсируется увеличением объема цилиндров за счет роста S / D и дальнейшей форсировкой рабочего процесса по наддуву. Среднее эффективное давление увеличилось до 19,6-20 бар. И настоящее время малооборотные двигатели производят три фирмы: Вяртсиля МАН & Бурмейстер и Вайн, Митсубиши (MHI). И 2002 г. Вяртсиля -Зульцер и Митсубиши заключили договор, ни которому фирмы объединяют усилия по совершенствованию двиппслей. * С 01 января 2006 г. наименовании 2-х тактных двигателей «ВяртсиляНульцер» имя Зульцер исключено и для всех двигателей введен единый Лр:шд — «Вяртсиля». 7

Таблица 1-1. Параметры двигателей МАН-Бурмейстер и Вайн Модель двигателя K45GF

Ne кВт

i

488

4-

D/S mm 450/1200

n 1/мин

Ре Бар

г\кВтч

165

11,1

-

500/1100

170

9,5

-

10 50VTB2F

515

512

K62EF

897

512

620/1400

140

9,3

220

K74EF

1250

74/1600

120

9,3

215

К90МС & К90МСЕ S50MC-C & S50ME-C К42МС

3940

512 4-

900/2550

90

171

S35MC

12 1053

6-8

500/2000

127

171

995

412

420/1360

176

177

740

4-

350/1400

173

178

260/980

250

179

12 S26MC

400

412

8

Таблица 1-2. Параметры двигателей Вяртсиля-Зульцер Модель двигателя

Ne цил кВт

i

D/S mm

n 1/мин

Ре Бар

г\кВтч

RD76

1176

4-

760/1600

119

8,6

215

900/1550

112

12,7

208

10 RND90M

2340

612

RTA48T RTA50&

1455

5 - 8 480/2000 12

127

19

171

RT-flex50 RTA62U RT-flex60C RT-flex84T RTA84C

1620 2285 2360 4200 4050

5-8 5-8 5-9

124 115 114 76 102

19,5 18,4 19,5 19 17,9

171 170 167 163 168

102

18,6

166

500/2050 620/2150 600/2250 5 - 9 840/3150 6 840/2400 12

RT6-

flex96C& RTA96C

5720

14

960/2500

9

Таблица 1-3. Параметры двигателей Митсубиши UEC Модель двиг.

UEC SOLS It

UEC 52LSE

UEC 60LSII

UEC 68LSE

UEC 75LSII

UEC 85LSII

UEC 85LSC

1

4-9

4-8

4-8

5-8

4-10.12

5-10.12

5-10.12

D mm

500

520

600

680

780

850

850

S mm

1950

200

2300

2650

2800

3150

2360

S/D

3.90

3.85

3.89

3.96

3.73

3.71

2.78

Ne кВт/эле.

1445 [1965]

1705 [2320]

2040 [2780]

2940 [4000]

2940 [4000]

3860 [3250]

3900 [3300]

n 1/мин

127

127

106

95

84

76

102

Ре бар

17.8

19.0

17.9

19.0

17.0

17.1

17.1

Cm м/с

8.26

8.47

8.05

8.52

7.84

7.98

8.02

g е r/квтч (г/элсч)

167 [124]

167 [123]

167 [123]

165 [1211

165 [121]

163 [120]

165 [121]

1-1. Системы газообмена двухтактных двигателей Первый судовой 2-х тактный двигатель имел 4 цилиндра диаметром 175 мм и ходом поршня 250 мм, его мощность при 325 о б / м и н составляла 90 элс и, ориентировочно, в два раза превосходила мощность 4-х тактного двигателя с аналогичными размерами и скоростью вращения. Двигатель имел прямоточную схему газообмена с расположенным в крышке цилиндра впускным клапаном и выхлопными окнами в нижней части втулки цилиндра. Клапаны имели механический привод от кулачков распределительного вала и работали в благоприятных условиях, обусловленных низкими температурами проходящего через них воздуха. Однако дросселирование воздуха в щели под клапаном отрицательно отражалось на величине заряда воздуха в цилиндре и фирма Зульцер в дальнейшем перешла на более простую и, в то же время, более надежную контурную поперечно-щелевую схему газообмена. В двухтактных дизелях в отличие от четырехтактных отсутствуют такты наполнения воздухом (всасывания) и очистки от продуктов сгорания (выталкивания поршнем). Поэтому процессы очистки цилиндров от продуктов сгорания и наполнение 10

воздухом в них осуществлялось принудительно под давлением 1,12-1,15 ата. Д л я сжатия воздуха использовались поршневые продувочные насосы. Они устанавливались в р я д с рабочими цилиндрами в носовой части двигателя и приводились от одного или д в у х дополнительных кривошипов коленчатого вала. Это увеличивало длину двигателя и ухудшало распределение воздуха между кормовыми и носовыми цилиндрами. В1940 г. был разработан вариант бокового расположения поршневых насосов с приводом от крейцкопфов с помощью жестких рычагов и тяг. Насосы располагались у каждого ц и л и н д р а и работали на общий ресивер. Внедрены они были на двигателях SD ( Р е = 4 , 9 5 бар), SAD ( Р е = 6 , 3 6 бар) и RSD ( Р е = 5 , 3 6 бар). Внедрение газотурбинного наддува в 2-х тактных двигателях м сравнении с 4-х тактными двигателями заняло значительно больше времени. По этой причине среднее эффективное давление долго оставалось на уровне 5 - 6 бар. и д л я увеличения цилиндровой и агрегатной мощностей конструкторам приходилось прибегать к увеличению диаметра цилиндров и хода поршня. 1>ыли построены двигатели с D=980-1080MM. И ходом поршня S= 2 4 0 0 - 2 6 6 0 м м . Однако этот путь вел к увеличению габаритов п весовых характеристик двигателей и дальнейшее его применение было нерациональным. Причины затруднений при внедрении газотурбинного наддува з а к л ю ч а л и с ь в том, что в 2-х тактный цикл д л я р е а л и з а ц и и продувки цилиндров требовал на 2 0 - 3 0 % больше воздуха, температура выпускных газов, представляющая собою смесь продуктов сгорания и продувочного воздуха, Спила существенно ниже и энергия газов была недостаточна д л я привода ГТК. Лишь в 1954г. были построены первые 2-х тактные двигатели с газотурбинным наддувом, при этом, в помощь турбонаддувочмому агрегату фирмы М А Н и Зульцер стали использовать подноршневые полости — см рис. 2 - 1 . Как видно из этого рисунка иоздух из турбокомпрессора через воздухоохладитель 2 поступает к первый отсек ресивера 3 и оттуда при поднимающемся вверх поршне через невозвратные пластинчатые к л а п а н ы 4 во второй и н о к 5,и в подпоршневое пространство 6

11

Рис. 2-1. Двигатель RD76 с ГТН и подпоршневыми полостями. При опускании поршня воздух в полости 2 дополнительно сжимается от 1,8 до 2,0-2,2 бар и при открытии поршнем продувочных окон поступает в цилиндр. В рассматриваемом варианте подпоршневые полости создают лишь кратковременный импульс давления в начальной стадии продувки, тем самым, исключая заброс газов из цилиндра в ресивер и одновременно повышая импульс давления газов, поступающих на газовую турбину, что способствует увеличению ее мощности. Давление в отсеке 5 постепенно падает и дальнейшая продувка, и зарядка цилиндра происходят при давлении, создаваемым наддувочным агрегатом. В этот период, чтобы исключить потерю заряда воздуха, золотник дозарядки перекрывает выхлопной канал. Фирма МАН для решения этих задач прибегала к более сложным решениям использования подпоршневых полостей, ряд ППП включалась последовательно с ГТК и ряд параллельно. 12

Переход фирмы Зульцер к более поздней модификации двигателей RND с увеличенным давлением наддува до 2,4 бар потребовал замены импульсной системы наддува на более эффективную систему наддува мри постоянном давлении. Существенно, что дальнейшее развитие газотурбинного наддува, увеличение производительности и КПД ГТК, рост давлений наддува и располагаемой энергии выхлопных газов позволило в двигателях с контурными схемами газообмена отказаться от подпоршпевых полостей, так как продувка и зарядка цилиндров воздухом полностью обеспечивалась ГТК. Двигатели Бурмейстер и Вайн с ирямоточно-клапанной схемой газообмена с самого начала не нуждались в иодпоршневых полостях, гак как необходимая для ГТК энергия газов легко обеспечивалась за счет более раннего открытия выхлопного клапана. Но при пуске двигателя и работе на маневрах, когда ГТК практически еще не работает, приходится прибегать к электроприводным центробежным насосам. Схемы газообмена дизелей в зависимости от направления движения потоков воздуха внутри цилиндра подразделяются на два основных типа — контурные и прямоточные. Размеры окон и выпускных клапанов, фазы их открытия и закрытия даны в табл. 1-2 и 1-3. Контурные схемы Контурные схемы газообмена благодаря своей простоте были широко распространены в судовых малооборотных дизелях, выпускавшихся до 80-х годов фирмами МАН, Зульцер, Фиат, Русский Дизель и др. Типичная для контурной схемы организация газообмена заключается м том, что поступающий через продувочные окна поток продувочного тидцха и вытесняемые им выпускные газы в своем движении описыittiiom контур цилиндра. Сначала воздух по одной стороне цилиндра поднимается вверх, у крышки поворачивается на 180° и спускается к выпускным окнам. 1.1 к организован газообмен в односторонней щелевой (петлевой) | хгмо фирмы МАН (А) или в близкой к ней схеме фирмы Зульцер (II) (рис. 3-1). Здесь для прохода воздуха и газов служат окна, иыфрезерованные во втулке на одной стороне цилиндра, верхний рмд - выпускные (2), нижний — продувочные. Моментами их шкрытия и закрытия управляет поршень. Первыми открываются ныпускные, в период свободного выпуска под действием перепада А1П1ЖЧ1ИЯ (Рц—Р вып.) продукты сгорания покидают цилиндр. Затем 13

открываются продувочные окна, и продувочный воздух устремляется вверх, вытесняя продукты сгорания из цилиндра через открытые выпускные окна. В своем движении воздух описывает петлю, поэтому такой тип продувки называют петлевой. Существенным недостатком подобного газообмена в двигателях МАН KZ является наличие заброса газов из цилиндра в ресивер в начале продувки, когда только открываются продувочные окна. В ряде случаев возникает пожар в ресивере. Качество очистки цилиндров хорошее (уг = 0,05-0,09 и <ра= G e / G n p = 1,6).

А

В

Рис. 3-1. Схемы газообмена двигателей МАН KGF — (А) и Зульцер RD - (В). 14

В двигателях Зульцер продувочные окна занимают большую часть окружности цилиндра, поэтому петлевой характер тока воздуха менее выражен, наблюдается большее перемешивание воздуха с вытесняемыми им продуктами сгорания (у = 0,1 и <ра= 1,62). Перемешиванию способствует и интенсивное поступление воздуха » цилиндр в начале продувки из-за создаваемого подпоршневым насосом в этот момент большого перепада давления, необходимого во избежание заброса газов в ресивер в начале продувки. Подпоршненой насос в двигателях серии RD к моменту открытия продувочных окон поднимает давление перед ними с 0,17 МПа (давление наддува) до 0,21 МПа. В конце газообмена, поднимающийся вверх поршень первыми закрывает продувочные окна, но остаются открытыми выпускные и через них теряется часть поступившего в цилиндр поздушного заряда. Эта потеря нежелательна и фирма стала устанавливать в канале за выпускными окнами вращающиеся заслонки 3 (рис. 3 - 1 В). Задача которых состояла в том, чтобы после закрытия поршнем продувочных окон каналы выпускных окон перекрывались заслонками. В двигателях МАН подобные заслонки также устанавливались, но, в отличие от Зульцера с индивидуальным приводом заслонок, заслонки МАН имели общий привод и в связи с частой его поломкой, происходившей при заклинивании хотя бы одной заслонки, от установки заслонок в последующих модификациях двигателей фирма отказалась. При этом пришлось отказаться от короткого поршня и заменить его на поршень с длинной юбкой. И противном случае при подъеме поршня вверх продувочный воздух через открывающиеся им окна уходил бы в выпускную систему. Такое решение, с одной стороны, было вынужденным, так как было сопряжено с потерей некоторой части воздушного заряда. С другой стороны, улучшалась продувка цилиндров и, главное, воздух уносил с собой часть тепла, отбираемого от стенок цилиндра, особенно в юпе расположения выхлопных окон. Потеря воздуха компенсировалась увеличением производительности ГТК. Фирма Зульцер, форсируя двигатели, перешла на более эффекшвпый наддув при постоянном давлении. Это позволило увеличить количество поступающего в цилиндры воздуха и согласиться с потерей его некоторой части в конце газообмена. В новых моделях двигателей RND, RLA, RLB по аналогии с двигателями МАН также убрала заслонки и удлинила юбки поршней.

15

Прямоточные схемы Характерным для прямоточной схемы газообмена является наличие прямого тока воздуха вдоль оси цилиндра, преимущественно с послойным вытеснением продуктов сгорания. Это обусловливает низкие значения коэффициента остаточных газов у г = 0,05 — 0,07. 16

В переходе от контурных схем газообмена к прямоточным решающую роль сыграли следующие недостатки контурных схем: • больший расход воздуха на продувку, увеличивающийся с ростом наддува и плотности воздуха; несимметричное распределение температур у втулки цилиндра и поршня, а отсюда и неравномерная их деформация — в зоне выпускных окон температура выше, чем в зоне продувочных; • худшее качество очистки верхней части цилиндра, особенно при увеличении его высоты в связи с увеличением отношения S / D . С ростом наддува и необходимостью более раннего отбора газов на газовую турбину, что пришлось делать путем увеличения высоты выпускных окон, фирмы столкнулись с увеличением уровня и неравномерности температурных полей втулок и головок поршней, а это приводило к учащающимся задирам в ЦПГ и появлению трещин в перемычках между выпускными окнами. Рис. 5—1. Прямоточно-клапанная схема газообмена «Бурмейстер и Вайн». Это ограничивало возможность увеличения энергии газов, отбираемых на ГТК, и, соответственно, увеличения их производительности н давления наддувочного воздуха. Фирма Зульцер убедилась в этом на примере последних двигателей I контурными схемами газообмена RND, RND-M, RLA и RLB, производство их прекратила и в новых двигателях RTA с более высоким уровнем форсировки по наддуву перешла на прямоточно-клапанные | м'мы газообмена — 1983 г. Переходу способствовало также желание увеличить отношение хода поршня к диаметру цилиндра, при контурных схемах это было невозможно, так как ухудшало качество продувки и очистки цилиндров. Отказ от контурных схем и переход ни прямоточно-клапанную схему газообмена осуществила и фирма МАП. Фирма Бурмейстер и Вайн, традиционно придерживавшаяся прямоточных схем газообмена, испытывала финансовые трудности 17

и фирма МАН, основываясь на этом, приобрела контрольный пакет акций, прекратила выпуск своих дизелей и, вложив дополнительное финансирование в разработку нового модельного ряда МС, в 1981 г. приступила к его производству. С этого момента все двигатели, совместно выпускаемые МАН и Бурмейстер и Вайн, получили наименование «MAN&Burmeister Wain».

Фазы газообмена Таблица 1 - 4 Момент газораспределения °п. к. в. Закрытие органов

Открытие органов

Двигатель

Доля потерянного хода поршня к моменту закрытия органов продувочных

выпускных

56 55 78 80

0,0967

0,178

-

-

48 51

60 67

0,126 0,14

0,218 0,25

48 42

68 62

0,079 0,096

0,26 0,27

продувочных

выпускных

продувочных

выпускных

41 41 41 41

92 95 72 70

41 41 41 41

48 51

68 67

48 42

68 62

МАН — Бурмейстер и Вайв (БМЗ): VT2BF (ДКРН2) KGF (ДКРН4) LGFCA(ДКРН7) LMC (ДКРН10) Зульцер: RD RND МАН: KZ KSZ

0,086 0,086

—

-

Таблица 1 - 5

Размеры органов газообмена Продувочные окна

Схема газообмена Контурная Прямоточная

К

**

(0,08— 0,15)5 (0,080,15)S

Примечание:

(0,2— 0,4)яD (0,55— 0,78)я D

h — высота

окон;

Выпускной клапан

Выпускные окна

h

Ь

Ь

(0,16— 0,25)5 (0,16—0,2)5

Ь — ширина

метр н ход клапана; О — диаметр цмлиндрл

окон

DKa!D

(0,180,25)nD (0,5— О,62)д0 (суммарная);

_ 0,5

... .

0,22— 0,27

Окя, /1 к л — диа-

Таким образом, прямотпочно-клапаннйя схема (рис. 5—1) применяется фирмами МАН — Бурмейстер и Вайн, ее лицензиатом — БМЗ, 18

фирмой Вяртсиля-Зулыдер (начиная с двигателей RTA), MHI - Мицубиси. В прямоточной схеме продувочные окна расположены в нижней части втулки равномерно во всей окружности цилиндра, что обеспечивает большие проходные сечения и малое сопротивление окон, а также равномерное распределение воздуха по сечению цилиндра. Тангенциальное направление окон в плане способствует закручиванию потоков воздуха в цилиндре, которое сохраняется до момента впрыскивания топлива. Частицы топлива захватываются вихрями и разносятся по пространству камеры сгорания, что существенно улучшает смесеобразование. Выпуск газов из цилиндра происходит через клапан 1 в крышке, привод его осуществляется от распределительного вала посредством механической или гидравлической передачи. Рис. 6-1. Схема газообмена двигателя с расходящимися поршнями (Д100).

Фазы открытия и закрытия клапана определяются профилем купим ка распределительного вала, в двигателях с электронным управлением в целях их оптимизации применительно к конкретному режиму работы двигателя могут автоматически изменяться. Преимущества прямоточных схем: • лучшая очистка цилиндров и меньшие потери воздуха на продунку; • наличие управляемого выпуска, благодаря чему имеется возможность варьирования энергией газов, направляемых на газовую турбину; • симметричное распределение температур и тепловых деформаций | цементов ЦПГ. Прямоточно-щелевую схему газообмена имеют тепловозные и I удоиые двигатели Д100 — (рис. 6-1), а также ранее выпускавшиеся питатели Доксфорд. Для них характерной особенностью является рш'ноложеиие продувочных и выпускных окон по концам цилиндра. Продувочные окна управляются верхним поршнем, а выпускные — нижним. 19

Поскольку для обеспечения фазы свободного выпуска выпускные окна должны открываться раньше продувочных, то управляющие ими нижние поршни движутся с опережением по отношению к верхним. Это достигается взаимным смещением кривошипов верхнего и нижнего рядов поршней на угол 6-12 °п. к. в. Организация потоков воздуха и газов аналогична ранее рассмотренной, качественные показатели продувки также подобны.

1-2. Газотурбинный наддув Внедрение газотурбинного наддува в 2-х тактных двигателях началось с использования импульсной системы наддува, к преимуществам которой относятся: • более полное использование энергии выпускных газов, что упрощает задачу балансирования мощностей турбины и компрессора; • лучшее снабжение двигателя воздухом при пуске и на режимах малых частот вращения и нагрузок, в связи с чем в двигателях с прямоточной схемой газообмена исключается необходимость в использовании подпоршневых полостей; • быстрое реагирование на изменение режима работы двигателя обеспечивает его хорошую приемистость; • лучшая продувка цилиндров благодаря более низкому давлению в выпускных патрубках в период продувки.

двухступенчатый надцув при постоянной давлении

Рис. 7-1. Варианты систем газотурбинного наддува. 20

e x p e r t 2 2 для http: //rutracker.org

Импульсный наддув ориентирован на использование кинетической (импульсной) составляющей Et выхлопных газов в дополнение к ее потенциальной составляющей Е2 (см. рис. 7-1). С этой целью: • увеличивают предварение открытия выпускных органов, чтобы отбирать газ при более высоких давлениях и температурах; • во избежание расширения газов в выпускной системе их подводят к газовой турбине по коротким патрубкам малого сечения и турбину ио возможности приближают к цилиндрам; • чтобы импульсы не накладывались один на другой и не мешали продувке в соседних цилиндрах, выпускную систему разделяют на несколько самостоятельных трубопроводов, подводящих газ к одному или нескольким цилиндрам. К каждой турбине подключают не более трех цилиндров. Недостатки импульсной системы наддува: • сложность выпускного тракта; • необходимость установки нескольких турбин на один двигатель; • более низкий КПД турбины с импульсным подводом в связи с непостоянством скорости газа и давления на входе в турбину, перетекания газов из-за наличия разделенного соплового аппарата и пр. Представленный на рис. 7-1 двухступенчатый наддув позволяет полнее использовать энергию выхлопных газов, но конструктивно сложнее и дороже, и поэтому фирмами не использовался. С ростом давления наддува доля импульсной составляющей Е, и гумме с потенциальной составляющей сокращается и область использования импульсного наддува ограничивается зоной Р к в пределах I — 1,8 бар. Поэтому с ростом форсировки двигателей наддувом фирмы перешли на наддув при постоянном давлении газов перед турбиной. Примером может служить двигатель Зульцер RND90, приведенный на рис. 4-1. В этом двигателе выпускные газы направляются в общий иынускной коллектор большого диаметра, в котором из-за его большого объема пульсирующие потоки газов выравниваются и к турбине (одна пли две) поступают при постоянном.давлении. Кинетическая энергия I азов теряется на дросселирование в окнах, на перетекание из цилиндра в коллектор, а часть переходит в потенциальную составляющую. Постоянство потока газа в турбину позволяет получить более высокие шачения КПД ГТК (66-70%), что, в свою очередь, дало возможность полностью перейти на воздухоснабжение 2-х тактных двигателей от ITK и отказаться от использования подпоршневых полостей (двигатели Лульцер RND). Фирма МАН приобрела акции фирмы Бурмейстер и Наин, прекратила выпуск двигателей с контурными схемами газообмена и также перешла на производство двигателей с прямоточно-клапанной 21

продувкой, в которых необходимость в нодиоршневых полостях с самого начала отсутствовала.

1-3. Пожар в подпоршневых полостях, взрывы в картерах Условия возникновения пожара в подпоршневых полостях — наличие: • горючего материала — стоков цилиндрового масла и несгоревшего топлива из цилиндров, циркуляционного масла из картера — пропуск сальника штока, • окислителя — продувочный воздух в избытке, • температуры, достаточно высокой для воспламенения — прорыв из цилиндра в подпоршневое пространство горячих продуктов сгорания и искр или заброс выхлопных газов в ресивер.

Признаки появления пожара: • падение мощности и оборотов двигателя, неравномерная работа; • высокая температура выхлопных газов соответствующего цилиндра и местное повышение температуры ресивера в зоне пожара; • помпаж турбокомпрессора; • появление дыма и искр в системе дренажа подпоршневой полости и в выхлопной трубе.

Действия:

прорыв газов ч скопление несгоревш. топлива, , масла Рис. 8-1 Пожар в ППП. 22

• если пожар продолжается, то во-избежание серьезных повреждений необходимо перевести двигатель на режим самого малого ^ода; • На цилиндре, в котором произошло возгорание, отключить подачу топлива; • Во-избежание задиров в ЦПГ увеличить подачу масла на смазку этого цилиндра и перекрыть вентиль спуска дренажа из его подпоршневой полости. В противном случае не исключается распространение огня в сточной цистерне.

Небольшое возгорание должно быстро прекратиться и не принести к серьезным последствиям для двигателя. До момента, когда удастся вскрыть ресивер и обследовать состояние ЦПГ, некоторое время рекомендуется на этом цилиндре поддерживать пониженную нагрузку. В случае серьезного и длительного возгорания рекомендуется остановить двигатель и гасить пламя подачей в ресивер и подпорпшевую полость углекислого газа или мягкого пара. Одновременно охлаждать стенки ресивера водой. В этом случае после окончания пожара необходима более серьезная очистка и проверка ресивера и ППП, проверка состояния ЦПГ и, особенно, поршневых колец, сальников штоков. Рекомендуется также проверить затяжку болтовых соединений.

Воспламенение и взрывы в картерах При перегреве подшипников, поршня, прорыве газов через сальник штока, перегреве диафрагмы из-за пожара в подпоршневой полости и т. н. происходит испарение разбрызгиваемого из подшипников масла. При конденсации масляных паров образуется множество маленьких капель, образующих с воздухом «молочно-белый масляный туман». При контакте с «горячим местом» происходит его воспламенение и изрыв. При взрыве в картере возникает высокое давление, с силой открывающее предохранительные клапаны на лючках. В редких случаях, когда туман заполняет весь картер, взрывом срывает картерные мючки и пожар распространяется по машинному отделению. Для контроля и своевременного предупреждения образования в картере масляного тумана на двигателях устанавливаются «Детекторы масляного тумана», последовательно отбирающие пробы воздуха из каждого отсека картера и своевременно предупреждающие о достижении нижней границы предельно допустимой концентрации. Детектор может автоматически снизить обороты двигателя, что ниляется предупреждением о необходимости остановки двигателя и иыявлении причин образования тумана. После остановки двигателя необходимо: • Остановить вспомогательные воздуходувки, • Открыть световые люки, • Дать двигателю остыть не менее 20 минут, • Остановить циркуляционный масляный насос и осторожно открыть люки картера с одной стороны, • Найти «Горячие места», послужившие интенсивному испарению масла. Принять меры к их устранению. 23

2. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД ДВИГАТЕЛЕЙ ЗУЛЬЦЕР-RTA В 1960-1970 годы фирма Зульцер вела интенсивную работу по увеличению цилиндровой, а с ней и агрегатной мощностей двигателей. При этом обороты не менялись, а в конце 70-х годов были даже понижены, форсировка осуществлялась за счет повышения давлений наддува и, соответственно, среднего эффективного давления с 7 до 19 бар (см. рис. 1-2). Снижение оборотов определялось стремлением, в первую очередь, увеличить пропульсивный кпд гребного винта, а также достигнуть более низких удельных расходов топлива и высокой экономичности двигателей. Мощность

bhp 4000 т 3500I гчю-. 3000 i 2500 RD 90 2000-3 и»— РгЬ» 120 «0

RLB9Q RLA 90 и.

100-

'

16-

rl^' L

m м\с

П 1\ мнн

- ЕI -F

S/bhph gk/Wh 210

1« 190130 170 180-

120

ВчЬ» airific fuel coniumption

" I'

R R14-

РИС. 1-2 Тенденция изменения параметров двигателей Зульцер. 24

Как уже отмечалось ранее, форсировка рабочего процесса в двигателях с контурными схемами газообмена влечет за собой рост температур в поясе выхлопных окон и их неравномерное распределение по окружности цилиндра. В двигателяхИИО , RLA и RLB в ряде случаев отмечалось возникновение в цилиндрах задиров и трещин. Это послужило основанием тому, что в 1981 году фирма Зульцер прекратила производство двигателей с контурными схемами и приступила к производству нового модельного ряда двигателей RTA с прямоточноклапаиной схемой газообмена. Чертеж поперечного разреза двигателя RTA представлен на рис. 2-2 .

25

Чтобы удовлетворить требованиям рынка судостроения фирмой на основе базовой модели RTA были разработаны б модификаций двигателей разной размерности с диаметрами цилиндров от 48 до 96 см и оборотов от 67 до 127 1\мин. При этом, чтобы при уменьшении оборотов не снижать цилиндровую мощность, фирма прибегала к увеличению хода поршня — увеличению отношения S / D с 2,9 (RTA) до 3,45 (RTA M,U), 3,75 (RTA Т) и 4,17 (RTA Т с диаметрами 48 и 58 см.). Увеличение хода поршня не только увеличивало рабочий объем цилиндра, но и благоприятно сказывалось на смесеобразовании в камере сгорания и, тем самым, способствовало снижению расхода топлива.

2-1. Особенности конструкции Остов двигателя состоит из чугунной литой фудаментной рамы гондольного тина, отдельных для каждого цилиндра сварных колон, соединенных между собой болтами и индивидуальных литых чугунных рубашек цилиндров, связываемых болтами в жесткий единый блок. Растягивающие усилия воспринимаются анкерными связями. Упорный подшипник сегментного типа интегрирован в фундаментную раму. Коленчатый вал полусоставной, включает элементы, состоящие из поковок — мотылевая шейка и две щеки, в которые запрессовываются рамовые шейки. Вкладыши рамовых подшипников залиты белым металлом. Крейцкопфные подшипники имеют тонкостенные вкладыши, залитые белым металлом. Смазка их осуществляется под давлением, обеспечивающим работу подшипников в условиях гидростатического трения, при котором исключается касание шейки металла подшипника. Сальники штоков поршня позволяют существенно уменьшить потери циркуляционного масла (в среднем они составляют 5-15 литров/цил./день в зависимости 100 200 300 °С от размерности двигателя, скороРис. 3-2. Температурные поля камеры сгорания. 26

гидр, толкатель клапана

Bore-cooled __ cylinder covec

втулка цилиндра

неохлажд. рубашка

импеллер, - вращающий клапан охлаждение седла клапана

-охлажд. головка поршня короткая "юбка поршня

Рис. 4-2. Камера сгорания двигателей RTA. ггных режимов работы) и предотвратить загрязнение циркуляционного масла отработавшим цилиндровым, стекающим из подпоршневого пространства. Камера сгорания в современном высокофорсированном двигателе нпляется одним из важнейших элементов двигателя, определяющих его надежность. Хорошо зарекомендовавший себя в предыдущих моделях ирнпцип охлаждения посредством сверлений в элементах, образующих камеру и воспринимающих основные тепловые потоки, после ряда усоигршенствований нашел применение и в двигателях ряда RTA. Подбор 11"|спий отверстий, использование теплоизоляции на отдельных участках позволяют управлять их температурами и термическими напряжениями, и гакже напряжениями от механических нагрузок. Уровень температур па поверхности элементов камеры сгорания показан на рис. 3-2 и консфукция камеры — рис. 4-2. Стальная цельнокованая крышка крепится к блоку восемью эласшчными шпильками. В центре крышки располагается размещаемый в 27

отдельном корпусе выхлопной клапан, изготавливаемый из жаростойкого сплава Нимоник 80А, обладающего хорошими антикоррозионными свойствами. Температуры клапана в зоне уплотнительного конуса и седла не превышают 450°, что предотвращает высокотемпературную натрийванадиевую коррозию. Установленный на штоке клапана импеллер под действием обтекающих его потоков газа вращает клапан, обеспечивая равномерность распределения температур по его поверхности и ее чистоту. Открытие клапана осуществляется гидравлическим актюатором, приводимым в действие кулачком на распределительном валу. Взамен геликоидальной пружины, которая под воздействием вибраций периодически ломалась, для возвращения клапана в закрытое положение используется воздушная пружина. В отличие от ранее применявшейся стальной пружины воздушная пружина вкупе с гидравлическим актюатором обеспечивает мягкую посадку клапана на седло, что существенно улучшает состояние посадочного пояса. В двигателях RTA-T в целях улучшения условий для сгорания топлива и повышения экономичности при переходе на нагрузки менее 50% увеличивается степень сжатия в цилиндрах. Это достигается путем более ранней посадки выхлопного клапана и, соответственно, более ранним началом сжатия воздуха. Посадка клапана осуществляется путем разгрузки полости над гидропоршнем актюатора от давления масла и тогда пневматическая пружина сажает его на седло.

Цилиндро-поршневая группа Период времени между моточистками в современных малооборотных двигателях в большой степени определяется состоянием рабочей поверхности поршня и ее воздействием на износ поршневых колец и втулок цилиндров. По этой причине фирма Зульцер разработала и внедрила в модельный ряд RTA пакет трибологических мероприятий, включающий (см. рис. 5-2): • Двухуровневую подачу масла на зеркало цилиндра; • Тщательную обработку рабочей поверхности втулок с глубоким хонингованием по всей их длине; • Тепловую изоляцию втулок в середине хода поршня а также установка изолированных трубок в охлаждающие сверления в верхней части цилиндровых втулок; • Предварительное профилирование всех поршневых колец; • Хромо-керамическое покрытие верхних колец; • Обкаточное покрытие всех остальных колец; • Установку анти-полировочного кольца в верхней части втулок; • Увеличение толщины хромового покрытия канавок поршневых колец. Ключевым элементом в этом пакете является глубокое хонингование, придающее оптимальную микроструктуру и идеальное состояние поверхности втулок для работы поршневых колец. 28

Рис. 5-2. Пути повышения ресурса ЦПГ. Анти-полировочное кольцо на втулке препятствует отложению нагаров на верхней поверхности головки поршня, разрушающего пленку масла на втулке и способствующего полированию цилиндра. Особо важным является поддержание температуры рабочей поверхности втулки цилиндра на уровне, превышающем температуру конденсации паров воды. В противном случае неизбежна холодная (сернистая) коррозия, приводящая к интенсивным износам. Применяемая изоляция втулки в ее средней части и установка изолированных трубок в сверления во^фланце втулки позволяют повысить температуры до уровня, при котором исключается конденсация. Борьба с конденсацией воды в цилиндрах не исключает необходимости отделения влаги из надувочного воздуха после воздухоохладителя. Для этого за ним устанавливается высокоэффективный сепаратор воды лопаточного типа. Примененная многоуровневая система смазки цилиндров аккумуляторном ) типа предоставляет возможность создать необходимую толщину масляной пленки и ее обновление на всем протяжении хода поршня. Одновременно осуществляется автоматическое регулирование количества подаваемого масла в функции нагрузки двигателя, что дает существенное снижение его I исхода. Расход цилиндрового масла укладывается в 1,4 г/кВтч. Износ цилиндров в двигателях RTA лежит в пределах 0,1 мм/1000 •мпж, поршневых колец < 0,4 мм/1000 час. Малые износы и высокая надежность позволяют эксплуатировать двигатели RTA между моточистьамп и течение трех лет. Головки поршней двигателей RTA 48 и 50 охлаждаются маслом, поступающим в шток поршня и из него во вставленные в головку сопла, 29

дз которых струи масла направляются в сверления в головке (рис. 5-1-2). Слив масла из головки осуществляется по вставленную в шток трубу. В двигателях большей размерности в качестве охлаждающей жидкости используется вода, обеспечивающая более эффективный теплообмен. Поршень в НМТ: охл. струйное

Поршень s ВМТ: охлвэВашыванием

сопло поверха масла

Преимущества: Низкая темп, донышка гоповки Г^едотращвние отложений кокса

Рис. 5-1-2. Подвод воды к крейцкопфиому узлу и отвод от него происходит по телескопическим трубам. При эксплуатации двигателей прежних моделей отмечалось попадание в охлаждающую воду масла через сальники телескопических труб. В двигателях RTA по утверждению фирмы эта проблема снята путем модернизации сальников. Однако это не исключает необходимости систематического контроля за состоянием охлаждающей воды. Особое внимание было обращено надежности и ресурсу поршневых колец, так первое (верхнее) кольцо имеет износостойкое хромо-керамическое покрытие и заранее приданный профиль рабочей поверхности, остальные кольца также спрофилированы и снабжены покрытием, обеспечивающим хорошую прирабатываемость и отсутствие задиров при обкатке.

2-2. Топливо-впрыскивающая аппаратура 2-2-1 ) г

Топливные й

ч

насосы г

высокого давления Насосы клапанного типа использовались фирмой Зульцер в двигателях RND и RND-M (см. рис. 7-2). Привод насоса осуществляется от Рис. 6-2. Кулачная шайба топливного насоса двигателя RND. 1 — втулка, 2 — кулачная шайба, 3 — гайка, 4 — шпонка, 5 —распределительный вал, 6 — штифт.

30

разъемной кулачной шайбы (рис. 6-2), конструкция которой позволяет менять угол опережения индивидуально для каждого цилиндра. Реверс привода достигается поворотом распредвала на определенный угол. Регулирование фаз топливоподачи обеспечивается изменением моментов открытия впускного 2 и отсечного 3 клапанов. Привод клапанов связан с движением плунжера 1 посредством рычагов 8 и 9, сидящих на эксцентриковых валиках 10, 11, и регулируемых толкателях 6 и 7. Начало подачи происходит в момент посадки впускного клапана на седло. Высота подъема клапана определяется величиной зазора S1, с ее уменьшением клапан поднимается выше и сядет на седло, соответственно, позже. Начало подачи сместится в зону более высоких скоростей плунжера, что обеспечит более активный впрыск в его начальной фазе. Одновременно, уменьшится угол опережения. Величина зазора S1 определяется положением эксцентричного валика, разворот которого зависит от положения топливной рейки, связывающей насосы с регулятором и рукояткой управления двигателем. < )днако фирма Зульцер в двигателях RND эту возможность управлять отсечкойвначалеподачинеиспользует и привод эксцентрикового валика 10 разобщен с рукояткой поста управления и регулятором оборотов. Чтобы избежать вялого впрыска в начале подачи, валик установлен в

Рис. 7-2. ТНВД клапанного типа двигателей Зульцер RND и RND-M. 31

заранее заданное положение, гарантирующее смещение начала подачи в сторону достаточно высоких скоростей плунжера. Таким образом, на начальном участке хода плунжера происходит перепуск топлива и лишь только затем начинается подача. При этом момент начала подачи на всех режимах остается неизменными (см. рис. 8—2). Конец подачи происходит в момент открытия отсечного клапана 3, но предварительно, при движении плунжера вверх, выбирается зазор S2. Его величина зависит от положения эксцентрикового валика Н и может индивидуально регулироваться путем изменения длины толкателя 14. Для увеличения подачи топлива необходимо увеличить зазор S2. Это приведет к более позднему концу подачи и увеличению активного хода плунжера.В рассматриваемом насосе полный ход плунжера

h полн. пл. = h пер. нп. + h акт + h пер. кп. iinepen.jcn

hnn.M

Накт.пх (шолн.пл

В М Т поршня

Рис. 8-2. Фазы подачи ТНВД с регулированием по концу подачи. Величина цикловой подачи определяется значением активного хода плунжера Ьакт и его увеличение в рассматриваемом насосе, как это следует из вышеприведенного уравнения, может быть обеспечено уменьшением h пер. нп и h пер. кп. Однако, как уже рассматривалось ранее, в двигателях RND используется только регулирование подачи за счет конца, изменение которого достигается разворотом эксцентрика И. Если необходимо изменить нагрузку (мощность), развиваемую в конкретном цилиндре, следует прибегнуть к изменению зазора S2. Для изменения максимального давления в цилиндре, как известно, зависящего от угла опережения подачи топлива, следует прибегнуть к развороту кулачной шайбы привода плунжера. При повороте шайбы в сторону вращения она раньше 32

будет набегать на ролик толкателя плунжера, плунжер раньше начнет свое восходящее движение, раньше начнется подача — угол опережения увеличится. При повороте шайбы против направления вращения угол опережения уменьшится. Конструкция шайбы представлена на рис. 6-2. Насосы клапанного типа имеют гладкие цилиндрические плунжеры, без каких бы то ни было выточек на их рабочей поверхности и уплотнение обеспечивается на всей длине. Этим достигается большой ресурс плунжерных пар, что дает клапанным насосам большое преимущество перед золотниковыми. Но наличие клапанов и частый выход их из строя из-за эрозии и нарушения плотности посадочных поверхностей, поломки пружин, коррозии и заедания толкателей клапанов, зачастую отмечаемое в эксплуатации насосов клапанного типа, свидетельствует об их низкой надежности. С целью сокращения кавитационно-эрозионных разрушений клапанов фирма Зульцер на штоке впускного клапана 2 поместила поясок, дросселирующий поток перепуска при посадке клапана, а на шток отсечного клапана 3 посажен обратный клапан, при открытии клапана 3 снижающий кинетическую :>пергию перепускаемого потока. ТНВД двигателей RTA Принцип и конструкция рассмотренного насоса двигателей RND были использованы фирмой при разработке модельного ряда двигателей 1\ТА (Рис. 7-2) В этом насосе впускной клапан при наличии VIT (устройства автоматического изменения угла опережения) используется по пюему назначению — для изменения угла опережения подачи топлива, а нагнетательный клапан — для изменения конца подачи. Фазы подачи устанавливаются в зависимости от задаваемой мощности (нагрузки). RTA68

конец подачи при нагрузке:

начало подачи при нагрузке:

L угол п.к.в.

ВМТ

Рис. 9-2. Фазы подачи топлива. 33

Здесь видно, что с переходом от 100% нагрузки на 75% угол опережения увеличивается, что дает возможность сохранить максимальное давление рабочего цикла и, тем самым, повысить экономичность работы двигателя на частичных нагрузках. Небезынтересно отметить, что фирма Зульцер в своих новых разработках малооборотных двигателей, несмотря на малую надежность клапанного узла, продолжает оставаться приверженной насосам клапанного типа.

Рис. 10-2. ТНВД двигателей RTA. Обозначения на рисунке см. текст к рис. 7-2. Согласно утверждениям специалистов фирмы клапанные насосы в сравнении с насосами золотниковыми обладают следующими преимуществами: 1. Плунжерные пары имеют существенно большую уплотняющую длину и поэтому лучше уплотняют и дольше сохраняют свой ресурс; 2. Насосы обеспечивают более стабильную подачу при самых малых нагрузках и это позволяет обеспечить самые малые обороты двигателя вплоть до 15% от номинальных; 3. Фазы подачи в течение длительного срока сохраняются неизменными в связи с меньшими износами и отсутствием кавитационных разрушений плунжерных пар. 34

2 - 2 - 2 . Система VIT двигателей RTA Система VIT, используемая в двигателях Зульцер RTA (рис. 11-2), функционально аналогична системы VIT двигателей L-MC. В ней величииа подачи топлива, контролируемая регулятором Вудворд, механически связана с углом опережения. Изменение последнего происходит при изменении подачи топлива и достигается вращением эксцентрика 11 (рис. 10-2), управляющего рычагом 9 впускного клапана ТНВД. Программа связи в целях сохранения высокой экономичности при переходе на нагрузки менее 100% предусматривает увеличение угла опережения, обеспечивающего поддержание максимального давления сгорания на допустимом для двигателя уровне. При уменьшении нагрузки ниже 75% сохранение угла опережения может привести к росту отношения Р м а к с / Р с , что, в свою очередь, илечет за собой увеличение ударности нагрузок в подшипниках. Поэтому на этих режимах предусмотрено уменьшение угла опережения — см. рис. 9-2.

утлом опереж.

двигателем

Рис. 11-2. Система VIT DENIS-1 двигателя RTA 62. В системе VIT предусмотрено также ручное воздействие на угол опережения (см. рисунок), необходимость в котором возникает при изменении характеристик воспламенения и сгорания топлива. 35

Опыт эксплуатации показывает, что узлы сочленения рычагов и реек быстро изнашиваются и это приводит к рассогласованию механизма VIT. При больших зазорах в подшипниковых узлах сочленений наблюдается перегрузка двигателя — фактическая подача топлива оказывается больше, чем на это указывает индикатор нагрузки. Происходит увеличение задержки впрыска (уменьшение фип), что сказывается на увеличении температуры выпускных газов и увеличении расхода топлива. Следует помнить, что длительная тепловая перегрузка двигателя приводит к выходу из строя компонентов камеры сгорания, к числу которых относятся крышки цилиндров, распылители, поршни, поршневые кольца и втулки цилиндров. При слишком больших износах возникают затруднения в остановке двигателя посредством сервомотора остановки или гидроусилителя регулятора. Поэтому особенно важно следить за состоянием сочленений системы VIT, рекомендуется еженедельно их смазывать смазкой MOLICOTE-G. Проверку состояния рекомендуется проводить до проверки фаз топливоподачи ТНВД и в следующей последовательности (рис. 11-2): • Установите индикатор нагрузки (2) промежуточного вала и индикатор гидроусилителя (1) в положение 0; • Установите указатель VIT (3) и указатель (4) ручного изменения фн п в положение 0; • Индикатор нагрузки на эксцентриковом валу отсечного клапана должен находиться в положении 0. Повторите перечисленные операции при положении индикатора нагрузки в позиции 5, a VIT и ручной привод фнпв позициях 0. Тогда все рычаги должны занимать горизонтальное или вертикальное положения. Если отмеченные условия не соблюдаются, то необходимо заменить изношенные сочленения. т

2 - 2 - 3 . Форсунки двигателей RD, RND-M и RTA Форсунки двигателей RD и RND охлаждаемые. На сопло форсунок RD и RND напрессован стакан 7, внутри которого (полость 8) циркулирует охлаждающая вода, поступающая по каналу 2. В процессе эксплуатации двигателей отмечались случаи просачивания воды в поясе 9, вызывавшие его коррозию, усиление протечек и попадание их в рабочий цилиндр. 36

Рис. 12-2. Распылители двигателей RD, RND — а и RNDM - б. Поэтому в модернизированном варианте форсунки двигателей KND-M распылитель выполнен более массивным и в него запрессован сомловый наконечник 10. Массивность конструкции направляющей позволила создать больший натяг и, тем самым, избежать ослабления посадки в процессе эксплуатации. Распылители форсунок двигателей 1Ш крепились накидной гайкой, ослабление ее затяга вызывало пропуски воды в плоскости притираемого стыка распылителя 5 с корпусом форсунки 3 и его коррозию. В новых конструкциях (рис. 12-2-6) соединение обеспечивается болтами 4. Сопловые отверстия в распылителях RND располагаются в два ряда; верхние отверстия 5x0,бмм и нижние 10x0,Эмм. В двигателях UND-M необходимость в двухрядном размещении отверстий отпала и сиязи с изменением формы камеры сгорания. В связи с отмечавшимися в эксплуатации случаями коррозии распылителей при их охлаждении водой, большинство фирм для охлаждения форсунок используют топливо или масло. Позднее ряд фирм отказались от охлаждения форсунок. В своем решении они основывались на изложенных ниже соображениях.

2-2-4. Форсунки двигателей RTA В конструкции форсунок двигателей RTA (рис. 13-2) практически m пользованы те же идеи, что и у фирмы МАН — уменьшение лобоной поверхности соплового наконечника и осуществление циркуляции пшлива между впрысками и в период стоянок, что позволило также in казаться от охлаждения. 37

впрыск топлива

циркуляция

5,6,7-подвод топлива на охлаждение корпуса, 8-отвод протечек, 9-выход циркулирующего охлаждающего топлива. Клапан 5переключения режимов впрыск-циркуляция размещен в штуцере 3 подвода топлива к форсунке. Давление топлива, поступающего от топливоподкачивающего насоса в ТНВД и далее к форсунке в период между впрысками и при остановленном двигателе не превышает 0,1 МПа и пружина 11 (рис. 14-2) прижимает клапан 10 к седлу (см позицию D). Через боковое нижнее отверстие топливо поступает на циркуляцию в каналы 6 и 7 корпуса форсунки, тем самым, поддерживая ее температуру на уровне 120-140° (температура подогрева топлива перед двигателем). Выход циркулирующего топлива из форсунки осуществляется через отверстие 9. 38

;

4

к на

игле

С у щ е с т в е н н о отметить,что при стоянке, вне зависимости от ее продолжительности, вся система нагнетания,включая ТНВД и форсунку, остается з а п о л н е н н о й топливом с необходимой д л я впрыска вязкостью и температурой.

на циркуляцию

впрыск Рис. 14-2. Клапан циркуляции.

Это при последующем пуске двигателя исключит возникновение повышенных нагрузок на привод ТНВД, его корпус и прочность распылителя, исключается обрыв сопловых наконечников. Исключается также деформация распылителей, часто, при резких сменах п'мператур, являющаяся причиной зависания игл. Когда начинается очередной впрыск топлива, давление поступающего из ТНВД топлива растет, и клапан циркуляции 10 поднимается (см. рис. 14—2), окно в верхней части клапана 12 перекрывается и циркуляция прекращается. По центральному каналу топливо движется вниз под него и далее к игле форсунки. Топливо поступает вод иглу в сопловый наконечник и через распыливающие отверстия мцилиндр. 39

3. ДВИГАТЕЛИ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ - RT FLEX Бурное развитие электроники в последние десятилетия позволило сначала в двигателях малой размерности, а затем и в судовых средне- и малооборотных дизелях внедрить микропроцессорную технику, на которую была возложена задача контроля за работой двигателя и дистанционного управления, а затем — управления процессами тоиливоиодачи, газораспределения, смазки цилиндров и пр. Первые двигатели с электронным управлением рабочим процессом были введены в эксплуатацию фирмой «Зульцер» в 2001 году, фирмой МАН& Б и В в 2003 году. Исторически распределительный вал с кулачками, служащий для регулирования фаз топливоподачи и газообмена, появился при создании первых поршневых двигателей. С тех пор его конструкция неоднократно подвергалась модернизации. Однако, кулачек с заранее заданным профилем и, зафиксированный на валу, несмотря на введение различных усовершенствований, направленных, в первую очередь, на оптимизацию угла опережения впрыска топлива применительно к меняющимся режимам работы двигателя, оставался определенной преградой на этом пути. Даже введение системы VIT полностью не решало проблемы. Более того, не было возможности менять в процессе работы двигателя давление впрыскивания, закон подачи топлива. В двигателе Зульцер с электронной системой управления, в его новой модификации RT-flex, взамен распределительных валов с их приводом, традиционных ТНВД и гидроприводов выхлопных клапанов (рис. 1—3) была применена аккумуляторная система впрыска топлива и управления выхлопными клапанами (см. рис. 2-3), что существенно упростило его конструкцию. В двигателе с электронным управлением привод гидронасосов сервомеханизмов размещен непосредственно рядом с коленчатым валом. На уровне крышек цилиндров находятся аккумуляторы давления масла и топлива. Там же располагаются сервоприводы топливных насосов высокого давления и выхлопных клапанов. 40

e x p e r t 2 2 для http://rutracker.org

Задача внедрения электронного управления заключалась в дальнейшей оптимизации рабочего процесса двигателей RTA, сокращении вредных выбросов с выхлопными газами и снижении удельного расхода топлива. Электроника позволила повысить гибкость в управлении углом опережения впрыска топлива, законом подачи топлива и их оптимизации на всем диапазоне рабочих режимов (VIT - рис. 3-3).

Также было реализовано управление фазами закрытия выхлопного клапана (VEC -Variable Exhaust valve Closing — рис. 4-3). Более раннее закрытие клапана на режимах малых нагрузок

Рис. 2-3. Аккумуляторные системы управления топливоподачей и выхлопным клапаном. 41

позволило повысить действительную степень сжатия в цилиндрах и, тем самым, создать лучшие условия для сгорания топлива и избежать дымления. Одним из важнейших изменений в двигателе явилось внедрение аккумуляторной системы топливоподачи, состоящей из ТНВД, создающего давление в 1000 бар, аккумулятора топлива и электронно-управляемых клапанов, распределяющих топливо по форсункам (рис. 3-3). Аккумулятор представляет собой толстостенную трубу, идущую по всей длине двигателя на уровне крышек цилиндров, в которой размещается необходимый для впрыска объем топлива, находящегося под давлением 1000 бар и устройство демпфирования возникающих в ней волн давления. Подача и сжатие топлива до отмеченного давления осуществляется в обычных ТНВД, плунжеры которых приводятся в действие многокулачковым валиком. Из аккумулятора топливо поступает к стандартным форсункам, открытие и закрытие игл которых происходит обычным путем под давлением топлива, попадающего к каждой из них от управляющего клапана. Последний устанавливает момент открытия иглы -угол опережения, количество впрыскиваемого топлива и форму кривой подачи топлива (закон подачи).

Три форсунки в каждом цилиндре управляются независимо одна от другой — программируются на работу каждая по отдельности или 42

но мере необходимости в унисон (см. рис. 3 - 3 - 1 и 3-3-2). Управление клапаном осуществляется посредством микропроцессорной системы электронного управления WECS 9500,имеющей модульное исполнение с отдельным микропроцессором для каждого цилиндра. На эту же систему возложены функции контроля за всем двигателем. Ключевыми чертами аккумуляторной фирмы Зульцер являются:

системы

топливоподачи

• отмеривание величины объемной подачи топлива с высокой точностью, что обеспечивает более равномерную работу двигателя и низкий уровень вибраций, вызываемых неуравновешенными силами и моментами; • возможность менять форму кривой подачи (закон подачи) и величину давлений впрыска; • идеально соответствует использованию тяжелых топлив с различными характеристиками; • обеспечивает устойчивую работу на самых малых оборотах (10-12 1/мин); • полное сгорание топлива без видимых следов дыма на выхлопе. 1st generation RTX-1

—I19611

2nd generation RTX-2

ft

3rd generation RTX-3

990 \

Рис. 3-1-3. Как уже отмечалось, электронная система включает также управление гидроприводом выхлопного клапана и системой пуска двигателя. (Рис. 4-3). 43

Suber ЯТ-ЯеХ SiizerOT-flexwith Commw Яе» iejection

шокЫм operate* downto10to12% ipn R1 (12rpm for 6RT-flex58T-B)

Рис. 3-2-3. Управление работой форсунок.

Рис. 4-3. Система управления выхлопным клапаном. Открытие и закрытие выхлопных клапанов осуществляется аналогично тому, как это реализовано в двигателях RTA, но гидро-толкатель приводится в действие гидромаслом, предварительно сжатым до 200 бар и находящимся в аккумуляторе. Сжимается масло специальным насосом, расположенным в одном блоке с ТНВД. Электронно- управляемый блок гидроусилителя клапана позволяет для каждого клапана в широких пределах менять фазы его открытия и закрытия. Как уже отмечалось, фирма в целях увеличения давления сжатия в цилиндрах прибегает к сокращению продолжительности открытия клапана. Благодаря этому, как видно 44

из рис. 5 - 3 , давление в цилиндре на частичных нагрузках существенно увеличивается, и это положительно отражается на полноте сгорания топлива. давл. в цил. 100% натр. Частлягр. с VEC ч Част.ннгр.без VEC ' Подъем клапяня 100% натр, без VEC t 100% натр. cVEC/j

нмт

ВМТ

Рис. 5-3. Раннее закрытие выхлопного клапана посредством системы VEC.

45

4. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД ДВИГАТЕЛЕЙ ФИРМЫ «МАН & БУРМЕЙСТЕР И ВАЙН» - МС Необходимость увеличения цилиндровой и агрегатной мощностей, повышения экономичности и снижения эмиссии выхлопных газов являлись доминирующими факторами в развитии двигателестроения в последние 30 лет. За этот период фирма достигла значительных успехов, в частности, удельный расход топлива снижен до 171г\кВтч, но это потребовало двукратного увеличения максимального давления рабочего цикла (до 150 бар). Среднее эффективное давление возросло с 10 до 19 бар. Повышению экономичности способствовало также повышение эффективности газотурбинного наддува (переход на наддув при постоянном давлении, повышение кпд турбокомпрессоров), увеличение отношения хода поршня к диаметру цилиндра с 2 до 4, совершенствование топливной аппаратуры и пр. Увеличение S / D также способствовало снижению оборотов и повышению пропульсивного кпд. Столь высокая форсировка не могла не отразиться на уровне тепловых и механических напряжений в элементах камеры сгорания. Понижения механических напряжений можно достигнуть путем увеличения толщины стенок камеры сгорания, но это приводит к росту в них температурных перепадов и, соответственно, увеличению температурных напряжений. Чтобы этого избежать, фирмы Зульцер и МАН, увеличивая толщину стенок, одновременно приблизили к тепловоспринимающим поверхностям потоки охлаждающей воды, снизив, тем самым, создаваемый в них температурный перепад, а с ним и температурные напряжения. Для этого воду направили по сверлениям в стенках головки поршня, верхней фланцевой части втулки и огневого днища крышки цилиндра. Распылители форсунок расположили ближе к центру камеры сгорания, где находится наибольшая концентрация необходимого для сгорания воздуха. Это увеличило расстояние распылителя от головки поршня и в сочетании с изменением геометрии факела распыла привело к понижению температуры донышка поршня на 100° С. Надежность элементов камеры сгорания в большой степени зависит от качества работы пакета поршневых колец, поэтому материалам и 46

конструкции колец было уделено большое внимание. В частности, верхнее поршневое кольцо стали изготавливать с газоплотным замком, это позволило уменьшить прижатие последующих колец к стенке цилиндра за счет снижения давления газов в этой зоне (см. рис. 7-8). Небезынтересно отметить, что за последние 30 лет мощность большеразмерных двигателей удвоилась, в то время как их длина осталась неизменной и даже сократилась, но увеличилась масса. Это было вызвано необходимостью усилить конструкцию в связи с ростом механических нагрузок, как уже отмечалось, максимальные давления сгорания возросли в два раза. Фирма планирует в ближайшие годы довести среднее эффективное давление до 21 бар, максимальное давление сгорания до 180 бар, среднюю скорость поршня до 9,1 м / с и отношение S / D до 4,4 при сохранении одноступенчатого наддува. Программа производства ряда двигателей МС была развернута с начала 80-х годов. Общий диапазон мощностей, представленный 19 моделями, охватывает диапазон мощностей от 1470 до 80000 кВт в одном агрегате (двигатель с диаметром цилиндров 980мм).

кВт

,оос

45

торм. лс

"-в0

30--40

60

70

Ю

9 0 >30 ПО 125

150

175

•

гбо'

Рис. 1-4. Мощностной ряд двигателей МС 47

Рис. 2-4. Двигатель LMC фирмы МАН — Бурм.и Вайн 48

Щ

Exhaust gas

II

Scavenge air

•

Lub. oil

Ф

Jacket water

Characteristic features of the Compact engines are: « « * »

Lower engine height Shorter cylinder distances Longer stroke (stroke/bore ratio of 4:1) Shorter aft end with integrated chain drive and thrust bearing i Single bottom uncnoled cylinder frames * Twin staybolts to top of bedplate > Improved bearng material 4 Optimised cylinder liner cooling High piston topland » Nimomc exhaust valves for S70MC-C and S80MC-C < Upper piston ring ol "Conlro?led Pressure Relier type л "Umbrella" type fuel pump* • Compliance with IMO NO, limits * Single level cylinder lubrication * Uni-kibricating oil system • Еачу deamng of scavenge air cooler elements • Easy access to holding down bolls • Reduced r j m b n ol чие .-Jmos

№ Рис. 3-4. Двигатель S50MC — С фирмы МАН — Бурм. и Вайи. 49

4-1. Особенности конструкции Фундаментная рама больших двигателей стальная сварная и состоит из продольных балок с приваренными к ним стальными поперечными балками с литыми стальными постелями рамовых подшипников. В двигателях малой размерности используются чугунные литые рамы. Рамовые подшипники залиты белым металлом. Упорный подшипник встроен в кормовой конец рамы. Станина, образующая картер, стальная цельносварная. В малоразмерных двигателях чугунная литая. Блоки, представляющие собой рубашки цилиндров, отливаются из чугуна и соединяются в цельную жесткую конструкцию болтами. Все элементы остова связаны анркерными связями, освобождающими их от напряжений растяжения, возникающих от давления газов. Втулки цилиндров имеет массивный фланец, охлаждаемый с помощью сверлений, по которым пропускается вода (рис. 4-4). Массивная крышка цилиндра опущена вниз и воспринимает на себя большую часть тепловых потоков, тем самым, в известной мере разгружая от них втулку. В зависимости от величины двигателя и нагрузки, с которой он эксплуатируется, вставляемые в сверления трубки могут быть с изоляцией или без нее. Расположение охлаждающих каналов, наличие или отсутствие изоляции служат целям поддержания температуры втулки, при которой отсутствовала бы сернистая коррозия (температура должна быть выше точки росы) и, одновременно, — не выше температур, при которых будет нарушаться режим смазки рабочей поверхности. -Н I !

—w

. . . т .

глубокая крышка

Рис. 4-4. Каналы охлаждения компонентов температуры камеры сгорания. 50

В двигателях малой размерности массивный фланец и охлаждающие сверления отсутствуют. Крышка цилиндра. Массивная стальная, снабженная сверлениями для прохода охлаждающей воды. В крышке устанавливаются выхлопной клапан, форсунки (две или три), пусковой и предохранительный клапаны, и индикаторный кран. Выхлопной клапан. Открытие клапана осуществляется посредством гидропривода, закрытие-пневматической пружиной. Вращение клапана обеспечивается устанавливаемым на штоке импеллером (крылаткой). Устранению ударов при посадке клапана на седло служит масляный демпфер, мягкая посадка продлевает ресурс седла. Изготовлен клапан из нимоника, интенсивно охлаждаемое седло устанавливается в крышку цилиндра. Образующаяся полость охлаждения уплотняется силиконовыми кольцами, которые через 1,5-2 тыс. часов начинают пропускать воду. В более поздних модификациях нижнее кольцо заменено на разрезное, подпружиненное, фторопластовое кольцо, ресурс которого увеличился в 3 раза. А)

Рис. 5-4. Выхлопной клапан, А) — W — образная рабочая поверхность седла . Рабочая поверхность седла имеет стеллитовую наплавку, хорошо протпиостоящую высокотемпературной коррозии. Появление на седле пятен прогара не рекомендуется устранять до тех пор, пока не появятся сквозные канавки, обычно ресурс пары клапан-седло составляет 20-25 тыс. часов. 51

В целях повышения ресурса клапана фирма начала производство клапановОигасе1 с наплавкой на посадочную поверхность хромо- никелевого сплава (Inconel), выдерживающего высокие температуры. По своим показателям этот сплав превосходит такие известные сплавы, как Нимоник, и позволяет продлить срок службы клапана на период между очередными докованиями судна. Одновременно с использованием сплава Inconel фирма перешла на конструкцию седел с двумя камерами (W — образная посадочная поверхность седла. Клапаны из Нимоника могут быть заменены на клапаны Duracel. Корпус клапана устанавливается на крышку и охлаждается водой. Коленчатый вал полусоставного типа, с прессовой посадкой рамовых шеек в щеки вала. В кормовой части вала имеется упорный гребень, на наружном диаметре которого в целях экономии длины располагается звездочка цепного привода распределительного вала. В двигателях с размерностью более 80 см и с большим числом цилиндров цепной привод размещается в середине двигателя между двумя цилиндрами. На носовом свободном конце вала устанавливается демпфер продольных колебаний. Шатун (рис. 6-4) В целях экономии высоты шатун сделан относительно коротким, нижняя половинка крейцкопфного подшипника, несущая основную нагрузку, изготовлена более широкой, чем верхние, нагружаемые только силами инерции. Мотылевые подшипники на всех двигателях тонкостенные, залитые белым металлом.

ЛОТОК МАСЛА

—

Рис. 6-4. Шатун с крейцкопфом. Рис. 7-4. Поршень и шток шток. 52

Шток поршня (рис. 7-4)шлифован и термически обработан для придания ему большей твердости и износостойкости, что позволяет увеличить удельное давление уплотнительных колец сальника и однонременно увеличить его долговечность при истирании. Сальник штока предназначен для уплотнения, как со стороны картера, так и со стороны подпоршневой полости (исключить попадание отработанного цилиндрового масла в картер). Распределительный вал приводит в действие топливные насосы иысокого давления и гидравлические приводы выхлопных клапанов. Кулачки посажены на вал на горячей посадке, но могут быть индивидуально подрегулированы разработанным фирмой методом с использованием масла высокого давления. Как и в предыдущих моделях, привод вала цепной, доказавший свою высокую надежность п долговечность. Провисание цепи исключается, т. к. она находится иод постоянным натяжением с помощью гидроцилиндра (рис. 8-4), смазка цепи осуществляется чистым маслом и это определяет ее высокий ресурс.

Турбокомпрессор. В последних модификациях двигателей фирма перешла на использование ГТК NA 70, имеющего КПД=65%, в то премя как у ранее применявшихся ГТК КПД не превышал 60%. Это позволило поднять давление наддува на 0,25 бар и удельный расход кшлива снизить на 2г/кВтч. Газовая турбина осевого типа, размещена 53

в неохлаждаемом корпусе, что позволяет избежать его коррозии. Срок службы подшипников увеличен до 20тыс. часов.

4-2. Топливовпрыскивающая аппаратура Топливные насосы высокого давления. Фирма МАН применяет насосы золотникового типа с регулированием по концу подачи (см. рис. 9-4), но в конструкции насоса предусмотрена возможность изменения угла опережения путем перемещения втулки плунжера вверх или вниз. При опускании втулки движущийся вверх плунжер раньше перекроет впускное отверстие во втулке, раньше начнется сжатие топлива и подача его к форсунке и в цилиндр. При подъеме втулки плунжера начало подачи сместится в сторону запаздывания — угол опережения уменьшится. Перемещением втулки управляет рейка (рис. 9 - 4 ) , в свою очередь приводимая через талреп поршнем пневмоцилиндра. На пневмоцилиндр воздух поступает от управляющего клапана, перемещение которого происходит при изменении положения рычага в зависимости от положения вала от регулятора числа оборотов двигателя. Количеством подаваемого топлива управляет нижняя рейка, разворачивающая плунжер ТНВД. Одновременно по заданной программе меняется угол опережения, что позволяет поддерживать высокую экономичность двигателя при изменении оборотов и нагрузки. Конструкцией предусмотрена возможность изменения величины подачи и угла опережения одновременно по всем цилиндрам и индивидуально по каждому с помощью талрепов.

Рис. 9-4. Топливный насос и система VIT. 54

Реверсирование топливоподачи осуществляется путем углового смещения ролика привода ТНВД в одно из фиксированных положений — вперед или назад. Перемещение достигается изменением положения поршня пневматического сервопривода.

Форсунки Интенсификация охлаждения крышек цилиндров в зоне форсунок, обеспечение хорошей теплопередачи благодаря плотной посадке корпуса форсунки в крышке и уменьшение торцевой тепловоспринимающей поверхности распылителя (выступающей в камеру сгорания) дали возможность фирмам Зульцер и МАН-Б.В. отказаться от специального охлаждения форсунок. В то же время, работа на тяжелом горячем топливе, особенно на режимах маневрирования, требует для предотвращения зависания иглы при кратковременных остановках двигателя сохранения постоянства температур в зоне распылителя. С этой целью в новых конструкциях (форсунки двигателей KGF и МС — рис. 10-4) предусмотрено постоянное прокачивание топлива через них. Топливо из форсунки по каналу b поступает под иглу 4, нагруженную пружиной 1. В период между впрысками топливо находится под давлением топливоподкачки в 0,1 МПа, поэтому преодолеть силу пружины 2 не может, и клапан- золотник 3 остается в нижнем положении, запирая проход топлива в полость с. Отверстие d в шпинделе остается открытым, горячее топливо поступает во внутреннюю полость корпуса форсунки и отводится из нее через отверстие а. 'ис. 10-4 Форсунка двигателя МАН — Б. В. LMC 55

Таким образом, при неработающем дизеле и в промежутках времени между впрысками температура всех элементов форсунки благодаря циркуляции топлива в ней остается на уровне, близком к температуре самого топлива. В начале впрыска давление топлива повышается и при Р > 0,1 МПа золотник 3, преодолевая силу пружины 2, поднимается, перепускное отверстие d перекрывается и топливо поступает в полость с и, воздействуя на конус иглы, ее поднимает. Циркуляция топлива прекращается, и с подъемом иглы начинается впрыск топлива в цилиндр. Форсировка двигателей по Ре подразумевает увеличение объема топлива, впрыскиваемого через форсунку, в конечном счете, это влечет за собой рост объема соплового наконечника (под иглой). Результат -увеличивается количество топлива, вытекающего из внутренней полости соплового наконечника в конце подачи, плохо распыливаемого и, как следствие, — создающего дым на выхлопе, неполное сгорание СН и образование углеродистых отложений в камере сгорания. В результате поисков фирма пришла к конструкции распылителя, в котором объем под иглой практически отсутствует, на конце иглы образован поршенек, выполняющий функцию золотника, перекрывающего распыливающие отверстия в своем нижнем положении и открывающего их при подъеме. Такие распылители фирма устанавливает на двигатели большой размерности. Результат — снижение эмиссии продуктов неполного сгорания топлива.

56

5. ДВИГАТЕЛИ С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ «МАН & БУРМЕЙСТЕР И ВАЙН» МЕ» Первый двигатель с электронным управлением фирмой МАН& Б. В. был создан на базе модели МС в 2003 году. В этом двигателе фирма отказалась от распределительного вала с его приводом и ввела электронное управление: процессом топливоподачи, регулированием числа оборотов, заменив механический регулятор на электронный, процессами пуска и реверсирования двигателя, выхлопным клапаном и смазкой цилиндров. гидроусилитель насос гмфоцюида

насос

сервомасло

Рис. 1-5. Схема гидросистемы. Управление впрыском топлива и выхлопными клапанами осуществляется посредством гидравлических сервоприводов. Масло, используемое в гидросистеме (рис. 1-5), забирается из циркуляционной системы смазки, пропускается через фильтр тонкой очистки и насосами с приводом от двигателя или с электроприводом (при пуске) сжимается до давления в 200 бар. Далее сжатое масло поступает к мембранным аккумуляторам и от них к гидроусилителям давления впрыска топлива и насосам гидропривода выхлопных клапанов (см. рис. 2-5 и 7-5). Из мембранных аккумуляторов масло попадает к электронно — управляемым пропорциональным клапанам ELFI и ELVA, открываются которые под действием сигнала, поступающего от электронных модулей (CCU), установленных для надежности на каждом цилиндре. Гидроусилители давления впрыска представляют собой поршневые сервомоторы, в которых поршень большого диаметра подвергается действию масла, находящегося под давлением 200 бар, а 57

поршень малого диаметра (плунжер), являющийся продолжением поршня большого диаметра, при движении его вверх сжимает топливо до давлений в 1000 бар (отношение площадей поршня сервопривода и плунжера равно 5). Момент поступления масла под поршень сервомотора и начало сжатия топлива, определяется поступлением управляющего импульса от электронного модуля CCU. Когда давление топлива достигнет давления открытия иглы форсунки, произойдет впрыск топлива в цилиндр. Закрытие иглы форсунки и прекращение впрыска происходят при падении давления топлива, последнее определяется моментом закрытия управляющего клапана и сбросом давления масла в сервомоторе. Труб* виеовгого дшиш

Г

^вход топлива 8 бар

Мембранный аккумулятор

сброс давл.

серво-мвсло выс. давл.

Рис. 2-5. Сервопривод системы впрыска топлива. Система впрыска и электронное управление позволяют не только оптимизировать фазы подачи топлива, но и по необходимости обеспечивать более высокие давления впрыска и менять закон подачи. На рис. 3~5 показаны кривые давлений впрыскивания, полученные в двигателе 7S50MC-C и в двигателе 7S50ME-C. В последнем двигателе впрыск осуществляется при более высоком давлении и подача более концентрированная. На рис. 4 - 5 приведены соответствующие рассмотренным законам подачи кривые тепловыделения.

2,0

215

22D

Рис. 3-5. Кривые давлений впрыскивания двигателей МЕ-С и МС-С. 58

Из них видно, что в двигателе МЕ-С больше теплоты выделяется в районе ВМТ и меньше на участке расширения, что свидетельствует о более экономичном использовании тепловой энергии.

Рис. 4-5. Кривые тепловыделения в двигателях МС и МЕ-С. Рис. 5—5. демонстрирует возможности электронной системы управления подачей топлива. Здесь представлены три реализуемых варианта законов подачи топлива в цилиндр — классический 2, подача при постоянном давлении 1 и двухступенчатая подача 3.

Рис. 5-5 Варианты законов подач топлива.

вые д а в я .

Рис. 6-5. Гидропривод выхлопного клапана. 59

Как уже отмечалось, сервоприводы, и электронная система управления ими применяются и для приведение в действие выхлопных клапанов, только здесь в сервомоторе сжимается масло, поступающее к гидротолкателю клапана (см. рис. 6-5). Закрывается клапан при падении давления масла в сервомоторе по прекращении управляющего импульса от CCU. Программа CCU предусматривает возможность менять фазы открытия и закрытия клапанов в зависимости от режима работы двигателя. Так при переходе двигателя на режимы частичных нагрузок фирма прибегает к более раннему закрытию выхлопного клапана. Это способствует тому, что сжатие в цилиндре начинается раньше, действительная степень сжатия растет и соответственно увеличивается давление конца сжатия (Рис. 7-5) . Условия для самовоспламенения топлива улучшаются, и это обеспечивает более экономичную и устойчивую работу на малых ходах. На переходных режимах, когда турбокомпрессор не обеспечивает необходимого количества воздуха для сгорания больших подач топлива предусматривается более раннее открытие выхлопного клапана, позволяющее направить на газовую турбину газы с более высокой энергией и, тем самым, придать ей большее ускорение.

лав л. в цил. 100% натр. част, натр с V. " част.нагр.без подъем клапана 100%нагр.шш част. натр.без VEC част. натр, с VE1

ВСЮ

t..

erankangl* Рис. 7-5. Влияние раннего закрытия выхлопного клапанана давление в цилиндре. Электронное управление впрыском топлива и работой выхлопного клапана дает ряд преимуществ, которые могут быть объединены в следующие три группы: 60

expert22 для http://rutracker.org

• характеристики тоиливоиодачи могут быть оптимизированы применительно к различным условиям нагружения двигателя, в то время как в двигателях классического исполнения оптимизация гарантируется лишь для нагрузок 90-100% MCR; • постоянство максимального давления сгорания в зоне высоких нагрузок может быть достигнуто комбинацией в подборе угла опережения впрыска топлива и момента закрытия выхлопного клапана. Это позволяет поддерживать постоянство Рмакс в широком диапазоне нагрузок без перегрузок и работы с минимальными расходами топлива в зоне малых нагрузок. • непрерывный мониторинг рабочего процесса в цилиндрах обеспечивает контроль за равномерностью распределения нагрузки между цилиндрами и уровнем максимального давления сгорания в них. При рассогласованиях система автоматически вносит корректировки в процессы топливоподачи. Отмеченные преимущества наглядно демонстрируются рис. 3-5. уд. расход топлива

1

SFOC МЕ-С 2 - SFOC МС-С

S.0

Relative NO, emission

н а г р у з к а двигателя

Рис. 8-5. Сопоставление параметров двигателей МС-С и МЕ-С.

Организация смазки цилиндров Классическая схема организации смазки цилиндров малооборотпых двигателей основывается на использовании многоплунжерных насосов (лубрикаторов) с механическим приводом от распределительного нала ТНВД. Насосы заполнялись цилиндровым маслом с вязкостью 1 в—20 сСт, с высокими детергентными и щелочными свойствами для аффективной борьбы с сернистой коррозией. От каждого плунжерного 61

элемента масло по длинным трубкам направлялось к масляным штуцерам, ввернутым в отверстия во втулках цилиндров, через которые оно поступало на смазку рабочих поверхностей. Величина подачи масла могла регулироваться путем изменения количества ходов плунжеров всего лубрикатора или за счет изменения величины активного хода каждого плунжера. Для того чтобы масло попадало непосредственно на зеркало цилиндра, а не впрыскивалось струей из отверстия и скапливалось на головке поршня, и в последующем сгорало или стекало в подпоршневую полость, необходимо было синхронизировать подачу лубрикатора с движением поршня. Синхронизацией преследовалась цель обеспечить поступление масла на зеркало цилиндра в пространство между 1 и 2 поршневыми кольцами, когда они находятся в плоскости расположения смазочного отверстия. Тогда поршень при своем движении вверх и вниз будет растаскивать масло по втулке, и его нерациональная потеря будет исключена. д а т ч и к хода

сигнал: от упр.контроля ера

винт регул м а с л а \ сервомасла хода гщунж. mot, \ спуск наела

Рис. 9-5. Лубрикатор с электронным управлением «Альфа». К сожалению, как показали предшествующие исследования и, в том числе, и исследования автора, реализовать эту идею при классической схеме организации подачи масла не удавалось. Исследованиями ОВИМУ было установлено, что масло поступает в цилиндр, когда поршень находится под масляными отверстиями в процессе его нисходящего движения. В этот период давление в цилиндре относительно низкое и не препятствует вытеканию масла из отверстий. Большая же часть масла вытекала под поршень, когда он поднимался вверх и открывал окна. В это время давление в цилиндре было близко к давлению продувочного воздуха и масло не выдавливалось из отверстий, а впрыскивалось струей. В итоге большая часть масла не попадала на стенки цилиндра, а сдувалась в ресивер или выхлопной коллектор. Таким образом, 62

значительная доля подаваемого на смазку цилиндров масла эффективно не использовалась. Лишь с внедрением электронной системы управления, в которой синхронизация нагнетательного хода плунжера лубрикатора с движением поршня рабочего цилиндра достигается путем подачи в необходимый момент электрического сигнала на соленоидный клапан лубрикатора от CCU (управляющего электронного модуля). Соленоидный клапан (рис. 9 - 5 ) открывает доступ серво-маслу к поршню сервомотора, перемещающего плунжеры лубрикатора. Ход поршня, а с ним и величина подачи масла могут изменяться регулировочным винтом вручную или автоматически, в частности, при переходе на малые нагрузки за счет изменения частоты подач (1 подача через каждые 4 , 5 или 6 оборотов двигателя). Возможна настройка подачи в зависимости от содержания серы в топливе и уровня щелочного числа масла. При недостаточной щелочности масла она может быть в известной мере компенсирована увеличением подачи. Напомним, что выбор щелочности определяется соотношением ОЩЧ > 10 S%. давление впрыска Альфа лубр.

давл. впрыска в механ. лубрикаторе

20

30

40

50

60

70

80

90

время

Рис. 10-5. Давления масла после лубрикаторов. Из рисунка со всей очевидностью видны преимущества Альфа — Лубрикатора. Давление впрыска в 10 раз выше (25 и 2,5 бар). Подача короткая и укладывается в 25 миллисекунд, что при ЮОоб/мин соответству ет 0,25° пкв. Расход масла существенно ниже. 63

6. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД ДВИГАТЕЛЕЙ «МИТСУБИШИ» UEC И UEC-LSE Фирма Митсубиши первоначально начала производство 2-х тактных малооборотных двигателей по лицензии фирмы Бурмейстер и Вайн. В 1955году перешла на производство двигателей UEC на основе собственной технологии. Первый двигатель UEC 75 LSII выпущен фирмой в 1987 г., затем последовал выпуск дизелей UEC- ЕСО и в 2001 г. UEC — LSE с электронной системой управления

«

Н

ТО

130

ИС

160

1ДО200220

обороты 1 ' м и н

Рис. 1-6 Мощностной ряд двигателей Митсубиши UEC. Параметры двигателей Митсубиши UEC Модель даиг.

UEC SOLS II

UEC 52 LSE

UEC 60LS II

UEC 68LSE

UEC 75LS II

UEC 85LSII

UEC 85LSC 5-10. 12

1

4-9

4-8

4-8

5-8

4-10.12

5-10.12

Omm

500

520

600

680

780

850

850

S mm

1950

200

2300

2650

2800

3150

2Э60

3.90

3.85

3.89

3.96

3.73

3.71

2.78

1445 [1965]

1705 [2320]

2040 [2780]

2940 [4000]

2940 [4000]

3860 {3250]

3900 [3300]

S/D Ne кВт/эле. n 1/мин

127

127

108

95

84

78

102

Ре бар

17.9

19.0

17.9

19.0

17.0

17.1

17.1

Cm

м/с

g 9 r/квтч (r/элсч)

8.26

847

80S

8.52

7.84

7.98

8.02

167 [124]

167 [123]

t67 [123]

165 [121J

185 [121]

163 [120]

165 [121]

Концепция системы управления дизелей UEC- Есо и LSE та же, что и у дизелей с электронным управлением фирмы МАН& Бурмейстер и Вайн. — процессы подачи топлива, открытия и закрытия выхлопных клапанов и подачи масла на зеркало цилиндра осуществляются пос64

редством гидравлических сервомоторов с электронным управлением от микропроцессоров. Главное преимущество электронного управления, по мнению фирмы, заключается в снижении выброса NOx и дымности выхлопных газов. Гибкое управление позволяет на 1—2 % снизить удельный расход топлива на частичных режимах при одинаковой с традиционным дизелем эмиссии NOx или уменьшить на 10-15% выброс NOx при сохранении расхода топлива неизменным (см Рис. 2-6). Уд.

расх.

Рис. 2-6 Режимы мин. NOx и экономичной работы. Подача топлива в цилиндры осуществляется с использованием ТНВД, имеющего гидравлический привод плунжера. Давление сервомасла, влияющее на давление топлива и скорость его подачи (закон подачи) регулируется двумя (главным и вспомогательным) управляющими клапанами с соленоидными приводами — см. Рис. 3—6. Управление соленоидами осуществляется по программе, заложенной в микропрцессор. ллоссепмр. шве peine бол. дианащг пврвичи.даол.иасла

к ТНВД

Рис. 3-6. Клапаны регулирования давления гидромасла

65

Независимое управление вспомогательным и главным клапанами позволяет менять давление масла, воздействующего на поршень гидротолкателя плунжера ТНВД и, тем самым, менять закон подачи топлива (см Рис. 4 - 6 и 5 - 6 ).

д

В

в п

р

традиц.впрыск

управл.впрыск

^ ^ ^ r f :

№/ г

I; угол П.К.В.

Рис. 5-6. Законы подачи топлива при традиционном впрыске и управляемом

Рис. 6-6. Гидропривод выхлопного клапана. На Рис. 6 - 6 дано схематичное изображение гидропривода выхлопного клапана. Привод самого гидротолкателя клапана сохранен традиционным. Отличие — в первичном сервоприводе, в котором перемещение поршня сервомотора осуществляется не от кулака распредвала, а под давлением гидромасла. Давление по аналогии с гидроприводом ТНВД регулируется главным и вспомогательным соленоидными клапанами. Управление этими клапанами осуществляется по программе, заложенной в микропроцессор и предусматривающей изменение фаз открытия и закрытия клапана в зависимости от режима работы двигателя. Это позволяет уменьшить расход топлива на 1-2 %. 66

7. ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПУСКЕ И НА МАНЕВРАХ, ПОМПАЖ ГТК Воздухоснабжение при пуске Опыт эксплуатации первых поступивших на флот двигателей с импульсной схемой наддува показал, что они при пусках и работе на маневровых режимах они не нуждаются в использовании установленных электроприводных нагнетателей. Объясняется это следующим. Импульсы на выхлопе, создаваемые сжатым в цилиндрах пусковым воздухом, поступают в газовые турбины. Их достаточно, чтобы раскрутить ротор ГТК и создать подпор воздуха, необходимый для сгорания первых порций топлива. Дальнейшая работа на маневрах тем более не нуждается в дополнительной подаче воздуха, так как поступающие на турбину импульсы выхлопных газов обеспечивают ее необходимой энергией. Успеху импульсной системы способствовала не только возможность использования кинетической составляющей энергии газов, но и ранний отбор газов из цилиндра на газовую турбину. В двигателях Бурмейстер и Вайн VT2BF, VTBF и KGF открытие выпускного клапана происходит с большим опережением — 95 градусов поворота коленчатого вала за ВМТ. (для справки, в двигателях LMC этот угол составляет 106 градусов). Устанавливаемые фирмой электроприводные центробежные воздуходувки играют роль аварийных и включаются только при выходе из строя газотурбокомпрессоров. Переход малооборотных двигателей на наддув при постоянном давлении лишил их возможности пуска и работы на маневрах только с использованием ГТК. Опытные данные, приведенные в работе доц. А.Л. Лемещенко, показывают, что для работы 2-х тактного двигателя необходим перепад давления между ресивером и выхлопным коллектором не менее 100-120 мм.вод.ст. В новом модельном ряде двигателей МАН-Бурмейстер и Вайн — МС при снижении оборотов ниже 0,5 от п при CMCR , что соответствует относительной мощности 0,125, турбокомпрессор прекращает подачу воздуха и, вращаясь, пропускает через себя только воздух, засасыиаемый двигателем. Поэтому требуется обязательное включение приводных ноздуходувок. В двигателях этого тина турбокомпрессор через фильтр 67

засасывает воздух из машинного отделения и подает его в воздухоохладитель. В корпусе охладителя расположен влагоотделитель. Затем воздух через клапанную коробку поступет в ресивер. В коробке расположены невозвратные клапаны, открываемые давлением надувочного воздуха. При пуске двигателя или снижении оборотов ниже 0,5 п, соответствующей контрактной мощности, автоматически включаются две резервные электроприводные воздуходувки. Сигналом включения служит падение давления наддува. Воздуходувки просасывают воздух через компрессор ГТК и его воздухоохладитель к клапанной коробке. В коробке находятся заслонки, пропускающие воздух в воздуходувки, от которых воздух поступает непосредственно в ресивер. Если одна из воздуходувок вышла из строя, то оставшаяся воздуходувка обеспечивает пусковой режим, работу на нагрузках до 18 % и свыше 50%. Длительная работа на режимах 18-50% не рекомендуется. У двигателей малой размерности используется одна воздуходувка с двумя электродвигателями, в корпусе турбокомпрессора встроены сопла, к которым подается воздух от судовой системы сжатого воздуха. При выходе из строя вспомогательной воздуходувки используется эта система аварийного пуска. Для этого она включается на 20 секунд, после чего двигатель может продолжать работать на нагрузках свыше 50% с использованием ГТК. Двигатели Зульцер RTA имеют аналогичную систему наддува. Воздушный ресивер делится сплошной переборкой на две камеры «Н» и «Р» — см. Рис. 1-7.

Рис. 1-7. Схема подключения аварийных воздуходувок к ресиверу двигателей RTA. 1 — камера поступления воздуха от ГТК и водоотделитель, 2 — невозвратные клапаны пропуска воздуха к аварийным воздуходувкам 3, 4 — невозвратные клапаны в продольной переборке 5, соединяющей камеры ресивера Р и Н. 68

Наличие в ресивере RTA продольной переборки способствует уменьшению его объема и объема, подключенных к нему подпоршневых полостей, что в сопоставлении с двигателями МС обеспечивает при пуске и на режимах долевых нагрузок наличие в нем более высоких давлений продувочного воздуха.

Помпаж газотурбокомпрессоров Помпаж турбонагнетателя проявляется в появлении при его работе воющего звука, возникновение которого определяется срывами подачи воздуха компрессором. При срыве подачи появляется поток обратного направления от ресивера к компрессору. Когда воздух обратного направления заполняет рабочий аппарат компрессора, подача в прямом направлении возобновляется. Затем прямой поток снова срывается, и такая циклическая смена направлений потоков будет продолжаться, пока не будет устранена причина. Для устранения помпажа рекомендуется открыть предохранительный клапан на ресивере, чтобы снизить в нем давление и исключить обратные потоки. При работе с открытым клапаном обязательно снизить нагрузку двигателя, недостаточное поступление к нему воздуха приведет к росту температурных напряжений. Все случаи помпажа можно разделить на три основные категории: • Загрязнение систем воздухоснабжения и газовыхлопа, • Неполадки в работе системы топливоподачи, отключение 1—2 цилиндров, • Быстрое изменение режима работы двигателя.

Причины Система топливоподачи: • Появление в топливе воды или воздуха в ТНВД; • заедания или заклинивание плунжерной пары, иглы форсунки; • существенное нарушение в подачах топлива по отдельным цилиндрам. Система газовыхлопа • Загрязнение решеток перед ГТН; • Увеличение противодавления за ГТН. Система воздухоснабжения • Загрязнение воздухоохладителя; • Увеличение сопротивления продувочных окон вследствие их 1акоксовывания. Турбонагнетатель • Загрязнение или повреждение турбинной стороны; • Загрязнение или повреждение компрессорной стороны; • Загрязнение воздушного фильтра, глушителя; • Выход из строя подшипников ротора. 69

8. ВЛИЯНИЕ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ Контролю и снижению эмиссии выхлопных газов дизелей придается особо важное значение в связи с растущим загрязнением атмосферы. В целях ограничения эмиссии с 15 мая 2005 г. введено в действие Приложение 6 «Предотвращение загрязнения атмосферы с судов» Международной Конвенции MARPOL 73-78 , подтвержденное требованиями IMO. Выхлопные газы дизелей включают: (объемн.) азот N2 75-78% кислород 11,5-15,5% о2 двуокись углерода со2 4-6,5% вода н2о 4-6% 0,8% Аг аргон > 99,7 % Всего Дополнительные компоненты: NOx 1000-1500 ррш об. окислы азота SOx 30-900 ррш окислы серы 20-150 ррш окись углерода СО 20-100 ррш гидрокарбоны НС 20-100 ррш летучие орган, компоненты 20-100 мг/Nm 3 РМ несгор. частицы дым типичен для малых нагрузок, переходных процессов и пуска. Содержание в выхлопных газах NOx. Газ токсичен, потенциально опасен для растительности и здоровья, поэтому его содержанию в выхлопе придается особое значение. Эмиссия NOx прямым образом связана с высокими температурами в камере сгорания, источником является участвующий в сгорании воздух. Снижение содержания окислов азота достигается уменьшением температур рабочего цикла и сокращение избытка воздуха. Скорость образования NOx в функции температуры носит экспоненциальный характер, а поэтому даже 70

небольшое снижение температур может дать значительный эффект. Внедрение аккумуляторной системы топливоподачи в двигателях RTflex дало довольно умеренное снижение эмиссии NOx. Но возможность ири наличии аккумуляторной системы топливоподачи осуществлять селективный подбор закона подачи топлива, при котором удается снизить температуру в камере сгорания, позволяет в ущерб экономичности уменьшить выброс NOx на 20%. К этому решению судовладельцы могут прибегать в тех районах, где существуют особенно жесткие требования к содержанию NOx. Непосредственный впрыск воды в камеру сгорания позволяет сократить NOx до 50% от нормы, диктуемой IMO. Столь существенное снижение объясняется тем, что уменьшается температура цикла, а это тормозит образование NOx. Наибольший эффект может быть достигнут когда вода впрыскивается в должный момент и в необходимом количестве. При использовании аккумуляторной системы отдельно для воды эти задачи решаются довольно легко. Интересные результаты можно получить путем рециркуляции охлажденных выхлопных газов. Присадка газов к поступающему в цилиндр воздуху замещает часть кислорода и, тем самым, создает условия, неблагоприятные для окисления азота. Если уменьшить высоту продувочных окон, то это увеличит степень расширения газов в цилиндре и, в известной мере, скомпенсирует падение экономичности. По предположениям специалистов фирмы этот путь позволит снизить NOx до 70%. Интересный путь по снижению температуры в камере сгорания и соответственно содержания NOx открывается с использованием принципа Миллера. Суть его состоит в том, что надувочный воздух сжимается в турбокомпрессоре до давлений, значительно превышающих необходимую для реализации рабочего процесса величину. Это необходимо, чтобы компенсировать потерю заряда за счет более раннего закрытия впускного клапана. Последующее расширение воздуха в камере сгорания, сжатого до высоких давлений, приводит к его существенному охлаждению и снижению температуры цикла. Содержание NOx в выхлопных газах малооборотных дизелей согласно международным требованиям MARPOL 7 3 / 7 8 не должно превышать 17г\кВтч. Содержание в выхлопных газах С0 2 , являющегося продуктом сгорания топлива. Поэтому может быть понижено только путем уменьшения расхода топлива. Поэтому реально достижимое снижение расхода на 1-2 г \ к В т ч вряд ли даст ощутимый эффект. Содержание в выхлопных газах SOx ( S 0 2 h S0 3 ) прямо пропорционально количеству сжигаемого топлива и содержанию в нем серы. В 71

ряде регионов, в том числе на Балтике, внедрены правила, согласно которым допускается на судах использовать топлива с содержанием серы не более 1,5%. Ожидать общего снижения содержания серы в топливах в обозримом будущем не приходится. Достаточно сказать, что уменьшение S на !,5% удорожает топливо на 45$/тонну. В открытом море вдали от берегов содержание серы в топливах не ограничивается, так как перенос окислов серы в атмосфере не превышает 10-100км. и морская вода благодаря своей щелочности поглощает и нейтрализует SOx. Дымный выхлоп, наличие в продуктах сгорания НС и несгоревших частиц сажи является следствием неполного сгорания углеводородов. Повышение давлений впрыскивания топлива и удержание высоких давлений в широком диапазоне нагрузок, последовательное отключение из работы отдельных форсунок (из 3-х остаются 2 или 1), оптимизация фаз выхлопного клапана, позволяющая увеличить давление сжатия и энергию газов, отбираемых из цилиндра на ГТН, существенно улучшили сгорание топлива. Это, в свою очередь, дало возможность избежать дымления, особенно, на переходных режимах и режимах малых нагрузок. Положительную роль сыграла также замена распылителей на модернизированные, в которых был уменьшен объем внутренней, расположенной под иглой камеры.

72

9. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В течение длительного времени двигателестроители стремились поднять тепловую эффективность дизелей и достигнуть вехи в 50%. Наконец эта веха достигнута и даже превзойдена. Как видно из теплового баланса современного малооборотного двигателя (рис 1-9) 50,8 тепловой энергии, получаемой при сгорании топлива, сегодня превращается в полезную работу, обеспечивающую движение судна. Порядка 50 % отработанного тепла представляет дополнительный ресурс энергии, который теоретически можно использовать на судне для производства пара и электроэнергии, необходимых для

Рис. 1-9. Тепловой баланс современного малооборотного двигателя. обогрева и работы вспомогательного оборудования. Из всех представленных потерь тепла сегодня реально использовать следующие 4 источника: • Выхлопные газы (темп, уровень 220-260° С при MCR) • Наддув, воздух (темп, уровень 150-170° С) 73

• Охл. вода ( темп, уровень 80° С) • Масло охл. поршней ( темп.уровень примерно 55° С). Наиболее емкой (25,5%) и привлекательной остается тепловая энергия, заключенная в выхлопных газах. Однако в связи с совершенствованием рабочего процесса двигателей и уменьшением удельного расхода топлива температурный потенциал газов неуклонно снижается (см рис 2-9) и это создает определенные затруднения в его использовании.

9/BHPh 158 154 154.7 150

150.6

146

иг

138.5 - Q 3 9 . S

138 134

134,5

130,

130 126 122

118

импульс. ГТК

ПОСТОЯННОГО

ГТК

давления

114 110

K-GF 1973

L-GF 1976

L-GFC 197В

Длинноходн. °С 375 350

'129 125- . 123

K-GF

116-..Li—

L-GrCA 1979/80

I -GBE 1981-83

1 поколен.

2 поколение

L - M C E L-MCE L - M C E - T C S 1903 1984 19В5

3 локол. 4 покол

L-GF

375°С

375°С" L-GFCA

325

325 °С

300

.L-GBE

290 °С

275

L-MCE

L-MCE(TCS:

L-MCE,

250

/L-MCE

245

225 1972

74

76

78

ао

240 ° С

year

82

04

86

Рис. 2-9. Тенденции изменения расходов топлива и температур выхлопных газов за ГТК. Следует еще раз отметить, что в старых моделях двигателей энергии выхлопных газов не хватало для привода ГТК. Введение ряда усовершенствований в организацию рабочего процесса двигателей, в систему газообмена (переход на прямоточные схемы и введение управляемого выпуска), совершенствование газотурбонаддувочных 74

комплексов (переход на наддув при постоянном давлении и повышение кпд ГТК) позволили не только форсировать двигатели путем наддува, но и обусловили существенное увеличение энергии выхлопных газов. Это дало возможность ее использовать не только в ГТК, но и в дополнительно устанавливаемых газовых турбинах.

9-1. Использование энергии выхлопных газов в силовых газовых турбинах Фирма Зульцер разработала и применила в двигателях RTA бустерную систему (Sulzer Efficiency — Booster System), которая позволила повысить кпд двигателей до 54% . Удельный расход топлива снижен на 5 г \ кВт ч, поскольку мощность двигателя увеличивается за счет силовой турбины, не требующей увеличения расхода топлива. Она работает с использованием отработавших газов. Схема системы представлена на рис. 3-9 . воздух

/

\

\|

/

I ГТК ВВС VTR-4A I

выхл. коллектор авар.байпас r X { L с дроссел. > L—' отверстием | Г)1 I 1 • заслонка

-^ф-^пв^-ф

силовая турбина

ш

редуктор _J

прод. ресивер

привод отбора мощности 1_ гидр.муфта

Рис. 3-9. Бустерная система двигателей RTA. В рассматриваемом варианте выхлопные газы двигателя из выхлопного коллектора параллельными путями направляются к наддувочному турбокомпрессору и к силовой турбине, присоединенной через гидравлическую муфту к приводу отбора мощности двигателя. Таким образом, силовая турбина работает в параллель с ГТК, утилизируя часть энергии газа и превращая ее в работу, передаваемую валу двигателя. Прибавка мощности, тем самым, позволяет снизить мощность самого двигателя за счет уменьшения Ре, одновременно сохраняя передаваемую на винт общую мощность в пределах ее контрактной 75

величины (CMCR). Снижение мощности двигателя влечет за собой уменьшение часового расхода топлива, если этот расход отнести к суммарной мощности двигателя и силовой турбины, то будет иметь место уменьшение удельного расхода топлива. Анализ, проведенный фирмой, показал, что прибавка мощности, получаемая от силовой турбины, в многоцилиндровой машине равноценна мощности одного цилиндра и, поэтому, можно, не уменьшая нагрузки цилиндров, сохранив ту же CMCR, уменьшить число цилиндров на один. Соответственно уменьшается длина двигателя. Опыт показывает, что Бустерная Система эффективно работает на нагрузках до 50%. В случае выхода турбины из строя она с помощью гидравлической муфты отключается от двигателя. Поступление на нее газа перекрывается заслонкой и направляется по байпасной ветви в общую выхлопную систему. К аналогичному решению по использованию энергии выхлопных газов прибегает и фирма МАН — Бурмейстер и Вайн. Ее система получила наименование турбокомпаундной (Turbo-Compaund System — TCS). В ней на привод силовой турбины используется 10-12% располагаемой энергии выхлопных газов. Соответственно уменьшается мощность ГТК и количество подаваемого им воздуха в цилиндры двигателя приблизительно на 13%. В итоге температура выхлопных газов за турбинами перед утилизационным котлом поднимается в среднем на 30-50°, что открывает возможность увеличить количество пара, вырабатываемого утилизационным котлом. Энергия силовой турбины используется для привода генератора электрического тока или передается на вал двигателя, как это реализовано фирмой Зульцер. Принципиальная схема системы TCS представлена на рис. 4-9.

76

Редукторная передача (рис. 5 - 9 ) позволяет передавать мощность газовой силовой турбины на коленчатый вал двигателя и снимать мощность с двигателя для привода электрического генератора. При этом конструкцией передачи предусмотрена возможность поддержания частоты вращения неизменной и, тем самым, — постоянства частоты тока.

Рис. 5-9. Редукторная передача фирмы РЭНК для привода генератора и передачи мощности от силовой турбины. В новой концепции фирмы МАН-Б.В. (Термо-эффективная система TES — Thermo Efficiency System) силовая газовая турбина стыкуется с паровой турбиной, приводящей генератор электрического тока (см. рис. 6—9). Выработка пара для паровой турбины осуществляется утилизационным котлом, включенным в общую систему в соответствии с рис. 6-9.

Рис. 6-9. Термо-эффективная система (TES) использования энергии выхлопных газов. 77

9-2. Использование энергии выхлопных газов в утилизационных паровых котлах Видотрубный ушли*, котел, конструкция.

1Л0СКМС трубки

выхл. газы Рис. 7-9. Конструкция утилизационных котлов.

8ЫХЛ.Г83Ы

Благодаря простоте и низким капитальным затратам большинство судовых утилизационных котельных установок работают на насыщенном паре с давлением не выше 7 бар, используемом для нагрева помещений, подогрева тяжелого топлива в танках запаса и расходных цистернах, перед топливными и масляными сепараторами и для пр. технических целей. Давление пара чувствительно к температурам выхлопных газов на входе и выходе из котла, в свою очередь, зависящим от режима работы двигателя. Поэтому, чтобы избежать нарушений в поставке пара судовым потребителям, утилизационные котлы включаются в параллель со вспомогательным котлом (рис. 8-9). В случае необходимости выработки перегретого пара утилизационный котел оборудуется EKh.eu 4 Rnl.r W экономайзером, испарителем и пароперегревателем. Высокая скорость питательной воды через экономайзер, поддерживаемая циркуляционным насосом и действием смесительного клапана, позволяет обеспечивать высокую теплопередачу даже при низких температурах выхлопных газов на выходе из котла. Вырабатываемый котлами перегретый пар направляется на турбогенератор, а основная доля насыщенного пара с низкими давлениями и температурами направляется в различные системы подогрева. Рис. 8-9. Схема включения вспомогательного и утилизационного котлов в единую систему пароснабжения. 78

9-3. Горение сажи в утилизационных котлах Воспламенение сажи в утилизационных котлах и последующий пожар, вызывающий повреждение котлов, к сожалению, происходит довольно часто. Об этом свидетельствует статистика Классификационного Общества Det Norske Veritas, приведенная на рис. 9 - 9 .

1982

84

86

00

2002

2004 Year

Рис. 9-9. Количество пожаров в утилизационных котлах по годам, зарегистрированная на судах, имеющих класс DNV. Характерно, что пожары в утилизационных котлах участились начиная с 80-х годов и пик пожаров приходится на 1998 г.

пиличесши и«учаев пшкарив тсповрежд

без поврежд.

Ш и«

i d i i DLL

fc-MD (ГО РТС*. О С ЫИС1С HL

M A N B W

Sulzer

П

L

V

L РЧ

" ^ Н ^ Ы и *

Рис. 10-9. Распределение случаев пожаров по моделям двигателей. 79

В этот период на суда пришли новые высокофорсированные двигатели (LMC, RTA) с существенно улучшенным теплоиспользованием и уменьшенным расходом топлива (см. рис. 10-9), чему сопутствовало снижение температуры выпускных газов за ГТК двигателей. Это, в свою очередь, потребовало повышения эффективности утилизационных котлов путем расширения их тепловоспринимающих поверхностей и соответствующего снижения в них скорости движения газов. Пониженные скорости движения газов в котлах провоцируют отложение в них сажи и продуктов неполного сгорания. Этому также способствовало ухудшение качества используемых в дизелях топлив и их неполное сгорание, особенно при работе двигателей на пониженных и переходных нагрузочных режимах. Для воспламенения и горения необходим также кислород, но он содержится в достаточно больших количествах в находящемся в выхлопных газах воздухе. Горячим источником воспламенения является сама сажа, так как ее температура для этого достаточно высокая. Влажная промасленная сажа (впитавшая в себя продукты неполного сгорания) может воспламениться при температурах 120-150 0 С. Сажа, откладывающаяся в котлах, состоит из: • агломератов частиц углерода, образовавшегося при крекинге сгорающего в цилиндрах топлива; • золы, входящей в состав топлива и масла; • частиц несгоревшего в цилиндрах топлива и масла, пропитывающих сажу, испаряющихся и воспламеняющихся; • частиц нагара, отколовшегося от поршня и стенок камеры сгорания. Исследования показали, что не менее 70% сажи являются горючим материалом.

Стадии развития пожаров / стадия — воспламенение сажи Вид сажи потенциальная температура: • сухая сажа 300-400° С • влажная сажа 150° С (120° С) 2 стадия — небольшое возгорание Наиболее вероятно в период маневров или работе на малых нагрузках, когда имеет место неполное сгорание топлива и активное отложение сажи на трубках котла. Возможно возгорание и после остановки двигателя, когда циркуляция воды прекращается, и температура трубок растет. Повреждения котла отсутствуют или незначительны. 3 стадия — высокотемпературный пожар Небольшое возгорание может перейти в пожар, сопровождающийся диссоциацией паров воды, образующейся при сгорании топлива или попадающей в зону пламени при тушении пожара паром. g0 expert22 для http://rutracker.orq

a) Горение водорода, температуры выше 1000° С 2 Н 2 0 ->2 Н2+ 02 Н2 О + С -> Н2 + СО Горение водорода сопровождается большим выделением тепла и достижением в зоне пламени высоких температур, что провоцирует плавление металла трубок котла и развитие реакций окисления металла с выделением дополнительного количества тепловой энергии. b) Горение металла трубок котла, температуры выше 1100° С 2Fe + 0 2 -> 2 F О + тепло Fе+ Н,2 О F еЪ + Н,2 + тепло.

Практические рекомендации Во избежание возникновения интенсивного сгорания сажи в котлах рекомендуется: а) Сажеобдув. При наличии системы сажеобдува проверять эффективность ее действия и соответственно устанавливать количество ежесуточно проводимых операций обдува. б) Предварительный подогрев питательной воды перед пуском. Чтобы предотвратить конденсацию составляющих выхлопных газов, подогрев питательной воды обязателен перед пусками и работе на малых нагрузках до температур выше 140° С. в) Циркуляция воды. Систематически проверять, что система циркуляции воды в котле и ее автоматика функционируют нормально. После остановки двигателя циркуляционный насос должен продолжать работать, пока температура котла упадет ниже 120° С, иначе влажная сажа может воспламениться. Еще лучше, если при стоянке в порту циркуляционный насос не будет остановлен, по крайней мере, до того, как будет осуществлена детальная оценка состояния котла и его очистка. г) Дымный выхлоп. Если отмечается постоянное дымление двигателя или в периоды наброса нагрузок, то это свидетельствует о нарушениях в системе впрыска топлива или воздухоснабжения. Необходимо принять меры к устранению неисправностей. Эксплуатация котлов при наличии утечек воды. В информации DNV проводится следующий поучительный случай. В рейсе была обнаружена утечка воды в трубках водотрубного утилизационного котла. Перед приходом в порт циркуляция воды в котле была прекращена и в порту было обнаружено возгорание сажи с развитием высоких температур, приведших к оплавлению и горению трубок. Этот случай еще раз подтверждает необходимость в процессе эксплуатации охлаждать трубки путем циркуляции воды. При обнаружении протечек воды, необходимо было: при выключении циркуляции воды остановить и двигатель. Последующий пуск 81

двигателя произвести не ранее того, как остынет котел и тление сажи в нем прекратится: • поверхности нагрева котла должны были быть тщательно осмотрены, промыты водой для очистки и охлаждения; • циркуляцию воды в котле следовало осторожно прекратить и последующую работу двигателя с сухим котлом желательно было осуществлять на малых нагрузках; Действия при эксплуатации сухого котла: • увеличьте частоту сажеобдува и особенно перед началом маневров; • чаще проверяйте состояние котла и при наличии сажи включайте промывку и участите сажеобдув; • следуйте инструкциям по эксплуатации котла.

Действия в случае обнаружения воспламенения сажи Уровень 1, когда обнаружено воспламенение сажи в первоначальной фазе. • Остановите двигатель и тем самым прекратите поступление в котел воздуха с содержащимся в нем кислородом; • Продолжайте работу циркуляционного насоса; • Никогда не применяйте сажеобдув, который принесет с собой в зону пламени кислород; • Остановите циркуляцию воздуха в двигателе, так как это также будет способствовать притоку воздуха в котел; • Для гашения огня не применяйте подачу пара, так как это приведет только к усилению огня в связи с диссоциацией паров воды и горению водорода. Подача холодной воды в целях тушения не исключается. При выполнении перечисленных рекомендаций пламя должно быстро прекратиться, а циркуляция воды в котле понизит температуру трубок и опасность повторения пожара. К числу мер, позволяющих предотвратить самовозгорание в котлах, относятся: • регулярный и адекватный сажеобдув; • увеличение температуры питательной воды, чтобы исключить конденсацию на трубках содержащихся в газах продуктов неполного сгорания; • систематическая проверка работы системы циркуляции воды и сохранение циркуляции после остановки двигателя. Уровень 2, когда произошло прогорание и оплавление трубок. Остановите главный двигатель. • Остановите циркуляционный насос. • Закройте клапаны на циркуляционной магистрали. • Спустите оставшуюся воду из секций котла. 82

10. НАДЕЖНОСТЬ И МОТОРЕСУРС 2-Х ТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 10-1. Виды износа Высокий приоритет, отдаваемый малооборотным двигателям при использовании их на морских судах в качестве главных, определяется, прежде всего, их высокой надежностью и экономичностью. В начале 80-х годов, когда разразился нефтяной кризис и цены на топлива резко возросли, на первое место встала экономичность двигателя. За прошедшие годы совершенствование рабочего процесса в дизелях позволило поднять их КПД до уровня 50 и более %, стоимость топлив несколько понизилась и требования судовладельцев к надежности, долговечности и минимуму расходов на техническое обслуживание вновь встали на первое место. Произошедший за последнее десятилетие рост максимальных давлений цикла, среднего эффективного давления, приведший к росту тепловых и механических нагрузок, потребовал дополнительных усовершенствований в конструкцию двигателей. Надежность и долговечность в большой степени определяются степенью износа деталей ЦПГ. В дизелях имеют место три вида износа — коррозия, адгезия (задиры) и абразивный. Коррозионный износ определяется образованием при низких температурах на втулке цилиндра серной кислоты, провоцирующей сернокислотную коррозию. Скорость износа увеличивается в 5 и более раз, максимальный износ отмечается в зоне 10% верхней части хода поршня. Процесс коррозии усиливается при увеличении содержания серы в топливе и давлений в цилиндре, которые повышают температуру точки росы продуктов коррозии. С подвергнутой коррозии поверхности в первую очередь удаляются твердые фазы -цементит и стеадит, которые, в свою очередь, находясь в зоне трения, вызывают абразивный износ. Эффективные меры — повышение температур рабочих поверхностей ЦПГ и подача на смазку цилиндра масла с высоким щелочным числом. 83

Адгезивный износ возникает при коллапсе (разрушении) пленки масла между поршневым кольцом и зеркалом втулки цилиндра благодаря высоким контактным давлениям, низкой вязкостью масла в связи с высокими температурами, недостаточной подачей масла или его неравномерным распределением по зеркалу. Адгезионный износ является наиболее жестким и серьезным, часто сопровождается местным свариванием контактирующих поверхностей, из них вырываются частицы металла (задир). Типичный рельеф износа — бочкообразность, максимум наблюдается в зоне наличия наибольшей энергии трения (произведения давления на относительную скорость перемещения). Абразивный износ. Абразивные частицы могут транспортироваться в двигатель с топливом. Они попадают на стенки цилиндров при впрыске топлива и его сгорании и работают между трущимися поверхностями поршневых колец и стенки втулки наподобие шлифовочной пасты. Другой источник — абразивные частицы, образующиеся в цилиндре в процессах коррозии и адгезии, и работающие аналогичным образом. Интенсивность абразивного износа может быть снижена качественной очисткой топлива перед двигателем и устранением факторов, вызывающих коррозионный и адгезионный износы. Уже отмечалось, что при низких температурах доминирующим является коррозионный износ, при высоких — адгезионный. Площадка между ними соответствует минимальным износам благодаря тому, что температуры поверхностей выше точки росы и коррозия минимальна, но еще не столь высоки для разрушения масляной пленки и наступления адгезии. С увеличением содержания серы критическая температура наступления адгезии растет и объясняется это использованием цилиндровых масел более высокого качества и вязкости. Величина площадки минимальных износов в итоге увеличивается. Как уже отмечалось при анализе конструкций двигателей, в последних моделях конструкторы уделили большое внимание: • Оптимизации температур втулки цилиндра, исключили охлаждение нижней части и на верхних поясах ввели частичную изоляцию теплопередающих поверхностей; • Применению более износостойких материалов для втулки и поршневых колец, применению специального покрытия рабочей поверхности колец и их профилированию; • Оптимизации смазки цилиндров путем введения электронного управления лубрикаторами, организации 2-х ярусной подачи масла 84

в цилиндр. Использованию масел с высоким уровнем присадок и, в первую очередь, щелочных соединений; • Устранению прорыва газов через кольцевое уплотнение; • Исключению попадания на стенки цилиндра струй распыливаемого форсунками топлива. Приработка ЦПГ. После замены втулки или поршневых колец они обязательно должны пройти взаимную приработку. Нарушение рекомендованных режимов приработки может привести к повышенным износам, в отдельных случаях и к задирам.

10-2. Износы ЦПГ, организация технического обслуживания двигателей Величины износов ЦПГ варьируются в довольно широких пределах и зависят от качества топлив, смазочных масел, режимов работы, уровня технического обслуживания и пр. У большинства малооборотных двигателей износ цилиндров лежит в пределах 0,05-0,15 м м / 1000 часов, это означает, что срок службы цилиндровых втулок составляет 5-15 лет. Величина износа поршневых колец значительно выше и может находиться в пределах 0,2-1,0 мм\1000 часов. Обычно, когда радиальная толщина кольца вследствие износа уменьшается на 15-20%, рекомендуется кольцо менять. В этом случае срок службы кольца составляет 5000-15000 часов. Желательность замены диктуется потерей кольцом упругости в связи с уменьшением толщины и длительным воздействием высоких температур. Эта потеря достигает 50%. Снижение радиальной толщины вследствие износа приводит также к увеличению зазора в замке, увеличению через него прорыва газов, перегреву остального комплекта колец и возникновению опасности потери кольцами уплотняющей функции, и усилению прорыва газов в подпоршневую полость и пожару в ней. Пример: При уменьшении радиальной толщины кольца на 3 мм и износе втулки 2 мм зазор в замке увеличится примерно на 25 мм. Продолжительность работы между моточистками в среднем составляет 10000 часов. Срок службы выхлопных клапанов до переборки и возможной проточки фаски клапана и седла лежит также в пределах 10000—12000 часов. График технического обслуживания двигателей, предлагаемый фирменными инструкциями по эксплуатации, составлен на основе 85

усредненных данных и с определенным запасом в сторону опережения возникновения возможных нарушений в работе двигателя. В этой связи, часто рекомендуемые инструкцией работы выполняются преждевременно. На это тратятся время и денежные ресурсы. Опыт показывает, что суда с одинаковыми силовыми установками зачастую имеют различные показатели по стоимости ТО и надежности двигателей. Это объясняется различием в условиях эксплуатации двигателей — различием используемых топлив и масел, разной степенью нагружения двигателей и качеством выполняемых работ по ТО. В этой связи последние годы все больше внимания уделяется разработке и внедрению систем технического обслуживания по фактическому состоянию, включающих мониторинг состояния, оценку тенденции его изменения во времени, диагностику и программу действий по ТО наиболее важных элементов двигателя. При разработке программы разработчики, естественно, стремятся исходить из желания удлинить время работы до моточистки, минимизировать расходы на запасные части, обеспечить высокую надежность двигателя и исключить непредвиденные потери времени на восстановительные ремонты, требующие вывода судна из эксплуатации. Анализ случаев различных повреждений двигателей показывает, что им, как правило, предшествуют те или иные нарушения в работе узла, изменения отдельных параметров, позволяющие заблаговременно распознать возникающую неисправность предупредить ее дальнейшее развитие и принять соответствующие меры. Нужно отметить, что попытки создания диагностических моделей в целях их использования в решении задач ТО по состоянию неоднократно предпринимались отечественными исследователями. К сожалению, отсутствие необходимого финансирования, должной экспериментальной базы приводило к упражнениям на математических моделях, далеко не учитывающих всех важных условий функционирования двигателей, влияющих на изменение его технического состояние и пр. Поэтому модели не давали точных результатов, создаваемые на их основе таблицы функций неисправностей носили формальный характер и их использование нуждалось в привлечении знаний опытного судового механика, чтобы не придти к ложным выводам. В итоге большинство работ заканчивалось диссертациями без дальнейшего их углубления и продолжения. Многолетний опыт показал, что чисто математическим путем без привлечения многочисленных опытных данных, которыми располагают лишь ведущие двигателестроительные фирмы, без глубокого анализа этих данных опытными специалистами задачу диагностики не решить. 86

Необходимыми для этого знаниями располагают специалисты фирм, но их не посадить на все суда. Остается единственный путь — собрать данные об изменениях технического состояния и поломках дизелей с сопутствующими им обстоятельствами, систематизировать их с помощью высоко квалифицированных специалистов и полученные материалы заложить в базу данных ЭВМ фирмы. Эта база должна автоматически пополняться данными с судов, получаемыми в стандартизованном виде с помощью судовых систем контроля состояния, дополненными судовым механиком сведениями о проведенных проверках и ТО. Для систематизации и эффективности сбора данных в компьютер механика в диалоговом режиме должны быть заложены соответствующие руководства. Сбор данных, прежде всего, должен распространяться на следующие важные функциональные группы: работа поршневой группы, состояние сальников штоков, воздухоснабжение, характеристика сгорания, состояние ТНВД, распределительного вала, приводов, подшипников, коленчатого вала, демпферов, системы контроля и управления. Автоматизация сбора данных избавит механика от бумаготворчества и существенно упростит его работу. В предлагаемой методике оценки технического состояния экспертной системе принадлежит ведущая роль. Прежде, чем перейти от базы данных к советам экспертов необходимо: • построить тренд развития состояния отдельных компонентов двигателя. Здесь нужно отметить, что на основе нашего опыта более или менее надежный результат тенденции изменения состояния можно получить, заглядывая вперед на относительно коротком отрезке времени. Долгосрочный тренд нереален, так как условия работы двигателя могут существенно меняться в непредвиденных направлениях; • диагностировать состояния двигателя путем сравнения измеренных данных с их эталонными значениями и, используя методику анализа, выработанную специалистами фирмы (экспертами), и заложенную в судовой персональный компьютер. Компьютер автоматически выдаст результат сравнений в виде оценки текущего состояния и рекомендаций по ТО. По подобной схеме, или близкой к ней, построена программа управления техническим состоянием 2-х тактных двигателей фирмы Вяртсиля. Аналогичный вариант диагностики технического состояния судового двигателя и управления его техническим обслуживанием по состоянию разработан и предлагается японской фирмой MHI (Митсубиши) — см. рис. 1-10. 87

ц «*

Рис. 1-10. Организационная схема диагностики и управления техническим обслуживанием по состоянию.

10-3. Конструкции поршневых колец, практические рекомендации Поршневое кольцо выполняет функции уплотнения рабочего цилиндра. От того, насколько хорошо оно выполняет эти функции, зависят работоспособность двигателя, полнота сгорания топлива и его экономичность, надежность пуска и устойчивость работы на малых оборотах, и пр. Продолжительность работы современного малооборотного двигателя между моточистками, когда кольца могут быть заменены, составляет 10000-15000 часов. За это время кольцо проходит путь 250-375 тысяч километров, что соответствует 6 - 9 виткам вокруг земного шара. Если учесть, что на этом пути оно трется о не всегда хорошо смазанную поверхность зеркала цилиндра (в районе ВМТ условия смазки носят характер граничного трения, давление прижатия кольца к стенке достигает 100-120 бар) и испытывает высокие тепловые и механические нагрузки, то остается только удивляться достигнутому ресурсу колец. Здесь немалую роль играют материал, технология производства и конструкция колец. Производителем поршневых колец для мощных 2-х тактных двигателей является фирма Дарос (Швеция- Гетеборг). Она производит кольца диаметром от 170 до 1060мм. Материал колец — перлитный чугун Дарос PC, легированный медью и молибденом, обладающий превосходной прочностью на изгиб, хорошей усталостной характеристикой на удар и термостойкостью.

Конструктивные элементы и особенности эксплуатации колец Высота кольца. С увеличением высоты растет прочность и теплопроводность (передача тепла от поршня к стенке цилиндра). Более 88

низкое кольцо обладает большей износоустойчивостью, что объясняется меньшей поверхностью трения. Радиальная толщина определяет податливость, от которой зависит приспособляемость к форме цилиндра, меняющейся в процессе его износа. С уменьшением толщины податливость растет, но теряется прочность и упругость кольца, определяющая силу его первоначального прижатия к стенке цилиндра. Эта сила (сила упругости, возникающая при сжатии кольца из свободного состояния до размера диаметра цилиндра) обычно характеризуется величиной удельного давления, которое должно лежать в пределах 0,3-1,0 к Р \ м м 2 . Наибольшие напряжения возникают в кольцах при их монтаже в спинке (сечении, противоположном замку). Здесь, напряжения не должны превышать 24 к Р \ м м 2 при допускаемом напряжении на изгиб 100 к Р \ м м 2 . Внимание — при надевании кольца на поршень раствор замка не должен превышать 9а, где а-толщина кольца. Поршневые кольца для двухтактных двигателей изготавливаются с отрицательной овальностью — им придается радиальное распределение давления, напоминающее форму яблока (Рис. 2-10). Давление, оказываемое на втулку цилиндра, более низкое и это предотвращает попадание концов в продувочные и выпускные окна и последующую поломку кольца. Для двигателей четырехтактных среднеоборотных используются кольца с позитивной овальностью, это позволяет избежать вибрации концов колец, которая может привести к их поломке.

негативное

позитивное

Рис. 2-10. Радиальное распределение давлений кольца на втулку цилиндра. Какие условия необходимо соблюдать, чтобы хорошее поршневое кольцо правильно функционировало? Первое: Кольцо должно свободно перемещаться в своем кепе. Второе: Должен быть достаточный осевой и радиальный зазоры. Для верхних поршневых колец осевой зазор должен быть как минимум 0,30 мм. 89

При полностью утопленном кольце величина зазора должна быть проверена по всей его окружности. Щуп должен доходить до дна кепа. При работе поршень и кепы деформируются и при недостаточном осевом зазоре кольца могут оказаться зажатыми. Об этом свидетельствуют светлые пятна на верхней и нижней плоскостях колец. Деформация поршня зависит от уровня форсировки двигателя, уровня воспринимаемых им тепловых и механических нагрузок. Поэтому в двигателях с высоким уровнем форсировки и большими диаметрами цилиндров величина осевого зазора должна быть больше. Радиальный зазор. Величина зазора в процессе эксплуатации уменьшается в связи с отложением нагара в кепах и износом поршней. В любом случае поршневое кольцо должно полностью утапливаться в поршневую канавку. Зазор в замке. Проверяется при установке кольца в нижнюю, наименее изношенную часть цилиндра. Для двухтактных двигателей величина зазора принимается: для замков с прямым разъемом S=0,7 О ц и л .для замков с косым разъемом S=0,5 Эцил. Слишком маленькие зазоры — осевой, радиальный и в замке могут привести: • к поломке колец, • увеличению их износа, • увеличению износа цилиндров. Третье. Кольцо должно быть хорошо покрыто достаточным количеством масла. При недостаточной смазке поверхность кольца тускнеет, царапается и шлифуется. На ней появляются следы прорыва газов и местного перегрева, проявляющиеся в виде темных полос. В результате перегрева кольца теряют упругость, и это приводит к прорыву по большей длине прилегания их к цилиндру. С перегревом уменьшается зазор в замке, увеличивается износ и кольцо ломается. Характер нагрузки колец наглядно виден из представленного (Рис. 3-10).

Рис. 3-10. Характер нагрузки на поршневое кольцо. 90

Типы колец. Обычно применяемый тип — кольцо прямоугольного сечения с прямым или косым замком (Рис. 4-10)

Compression

ring

Компрессионное кольцо прямоугольного сечения с косым замком, широко применяемое там, где условия работы не требуют спец. решений.

Рис. 4-10. Кольца прямоугольного сечения.

вертикальный прямоугольный замок, применение то же, что и у кольца 101VJ02. Рис. 5-10. Прямой замок. При использовании обычных прямоугольных колец необходим небольшой износ их рабочей поверхности в целях взаимной приработки колец и втулки цилиндра. Когда кольцо трется всей поверхностью, то увеличивающаяся работа трения приводит к перегреву кольца и далее к цепной реакции — коксование и сгорание масла, потеря сил упругости кольца и пр. При выходе во время приработки на большие нагрузки благодаря деформациям головки поршня и втулки площадь контакта кольца уменьшается (см. Рис. 6-10) и резко растут давления его прижатия к втулке, что может привести к задирам. Чтобы избежать отмеченных явлений, облегчить и ускорить приработку рекомендуется применять компрессионные кольца со слегка конической формой рабо91

чей поверхности. В этом кольце давление в точке контакта не меняется с ростом нагрузки, приработка происходит быстрее.

Прямоугольное кольцо, точка контакта в зависимости от нагрузки

Кольцо конич. формы, точка контакта та же, не зависит от нагрузки

Рис. 6-10. Кольца прямоугольные и конические. Фирма Дарос в целях ускорения приработки колец и устранения неприятных последствий жесткой приработки стала выпускать кольца KN-P, имеющие форму рабочей поверхности, которую кольцо должно было бы приобрести после приработки (см. рис. 7-10). А Обычное кольцо новое

симолическое отображение

Рис. 7-10. Влияние формы кольца на его давление в процессе приработки. Как видим, разница в давлениях весьма существенна (в 5 раз ниже) и этим объясняется существенно более мягкая и быстрая приработка. Наилучшие результаты улучшения приработки дает способ электролитического нанесения на рабочую поверхность кольца слоя меди толщиной 0,2 мм. Благодаря тому, что мягкий слой меди стирается довольно быстро без существенного повышения температуры в зоне 92

трения , удается избежать микроразрушений и быстро достигнуть хорошего уплотнения. Слой меди на верхнем кольце 2-х тактного двигателя стирается примерно через 100 часов работы. Перед покрытием медью на поверхности кольца нарезаются пазы, которые способствуют удержанию смазки и ее лучшему распределению по поверхности.

условий приработки. Рис. 8-10. Кольцо с медным покрытием. Чтобы избежать прорыва газов через кольцевое уплотнение, как в период приработки, так и при последующей работе прибегают к установке одного газоплотного кольца (см. Рис. 9-10). Кольцо устанавливается либо на месте первого, либо последнего. В этом случае его роль сводится к тому, чтобы избежать прорыва газов в подпоршневую полость, когда верхние кольца вследствие износа потеряли свое уплотняющее действие или замки колец выстроились в одну линию. Верхнее расположение кольца уменьшает перегрев ниже расположенных колец от газов, прорывающихся через замок обычного кольца.

кольца с хромированным (пористый хром) или хромо-керамическим покрытием (см. рис. 10-10). 93

Компрессионное кольцо с хромо-керамическим покрытием бочкообразной формы рабочей поверхности

423

Рис. 10-10. Поршневое кольцо с хромо-керамическим покрытием. Придание бочкообразной (сферической) формы рабочей поверхности способствует тому, что кольцо прилегает к поверхности цилиндра узкой поверхностью, что способствует ее более быстрому стиранию и приработке. Однако, учитывая высокую твердость хрома, при приработке рекомендуется не выходить на режимы высоких нагрузок. Срок службы хромового покрытия толщиной 0,3 мм может достигать 10000-20000 часов. Фирме Катерпиллар удалось довести толщину хромового покрытия до 1,0 мм. В последние годы в практику производства колец все больше входит использование метода плазменного покрытия рабочих поверхностей износостойкими материалами. Температура плазменной струи достигает 10000-15000 " С и это позволяет расширить гамму используемых материалов, а главное, обеспечивает прочное сцепление их с основным материалом кольца.

563

Кольцо с плазменным покрытием и слегка скошенои Кольцо с плазм, покрытием раб. поверхности и рабочей поверхностью для уменьшения двусторонним хромированием посад поверхностей абразивного износа и устранения задиров. Используется в совр. двигателях в качестве верхнего кольца для исключения коррозии.

Рис. И—10. Кольца с плазменным покрытием. 94

10-3-1. Требования, предъявляемые к морским топливам. Стандарт ISO 8217:2005 При использовании тяжелого топлива в судовых дизелях необходимо помнить следующее: • Нефть различных месторождений существенно отличается по химическому и фракционному составу. Нефть может содержать большое количество разных примесей, например, ванадия и серы, которые после переработки нефти могут остаться в топливе в более концентрированном виде. • Существует много способов переработки нефти (атмосферная и вакуумная дистилляция, различные крекинг-процессы и т.д.). Полученные в результате этих процессов тяжелые топлива могут быть несовместимыми друг с другом. • Тяжелое топливо — побочный продукт переработки нефти. Нефтеперерабатывающие предприятия стараются получить как можно больше различных сортов дистиллятного топлива: бензина, керосина, газойля, дизельного топлива. Остатки, получаемые в результате глубокой переработки нефти, представляют собой горючее вещество, состоящее из тяжелых углеводородов, с высокой плотностью, вязкостью, коксуемостью и, как мы уже говорили, с высоким содержанием различных примесей. Поэтому неудивительно, что тяжелое топливо (продукт переработки нефти) стоит меньше, чем нефть — сырье из которого изготавливается этот продукт. • Для приготовления тяжелых топлив могут быть использованы отходы химической промышленности, отработанное моторное масло, отходы сепарации топлива и различные растворители (для уменьшения вязкости тонлив IFO), которые могут быть высококоррозионными. Современные судовые малооборотные двигатели менее требовательны к таким эксплуатационным свойствам топлива, как, например, вязкость, сера или коксуемость. Однако, использование топлива с высоким содержанием алюмосиликатов — мелкой абразивной катализаторной пыли — приведет к катастрофическому износу деталей топливной аппаратуры и ЦПГ. Для того, чтобы избежать серьезные последствия, необходимо регулярно и своевременно проверять качество топлива на соответствие спецификации ISO 8217:2005, последняя версия которой была принята в качестве официального международного стандарта в ноябре 2005 года. 95

В данное издание внесены некоторые важные изменения для того, чтобы уменьшить количество различных проблем и неопределенностей, связанных с качеством топлива. Стандарт ISO 8217:2005 устанавливает требования к качеству топлива для морских дизелей и котлов до того, как оно будет подвергнуто необходимой обработке / подготовке. В стандарт включены 4 марки дистиллятных топлив (см. ISO 8217: 2005 Table 1 — Requirements for marine distillate fuels) и 10 марок остаточных топлив (см. ISO 8217: 2005 Table 2 — Requirements for marine residual fuels). В обозначение марок остаточного топлива входит вязкость, измеренная при 50 градусах Цельсия (в предыдущей версии — при 100 градусах Цельсия). Это должно уменьшить число недоразумений, которые часто возникали после принятия второго издания ISO 8217:1996. Дело в том, что покупка и поставка топлива на международном бункерном рынке осуществляется на основе кинематической вязкости, измеренной при 50°С. Поэтому, покупатели при заказе топлива, например, «IFO 180, отвечающего требованиям ISO 8217:1996 для марки RME 25» часто предъявляли претензии поставщику, если на судно поставлялось топливо с вязкостью 220 сСт при 50°С, хотя это значение вязкости фактически отвечало требованиям ISO 8217:1996. Буквенные обозначения марок топлива остались без изменения. Было снижено максимальное значение плотности топлива марки RMA 30 с 975 кг/м 3 до 960 кг/м 3 и с 981 кг/м 3 до 975 кг/м 3 для топлива RMB 30. Максимальное содержание золы в топливе RMH 380, RMK 380, RMH 700 и RMK 700 снижено с 0,20% до 0,15%. Это очень существенное изменение, так как ограничивает содержание в топливе элементов, которые вызывают загрязнение и коррозию газовыхлонного тракта и повышенный износ деталей двигателей. Максимальное содержание воды снижено до 0,5% для всех марок остаточного топлива. Это решение было принято в связи с тем, что, с одной стороны, практически выполнить это требование реально, а, с другой стороны, покупатели не должны платить за воду те же деньги, что и за топливо, и нести дополнительные расходы в связи с дополнительной очисткой топлива. Максимальное содержание серы приведено в соответствие требованиям Приложения VI к Конвенции МАРПОЛ 73/78 и не превышает 4,5 % для самых вязких топлив. В течении многих лет участники бункерного рынка обсуждали вопрос о возможности добавления в морское топливо отработанного масла (Used lubricating oil — ULO) и о возможных последствиях. 96

В конце концов было принято решение, что топливо не должно быть загрязнено отработанным маслом. В новом издании ISO 8217:2005 наличие отработанного масла в дизельном топливе DMC и во всех сортах остаточного топлива проверяется по содержанию цинка, фосфора и кальция. Заключение о том, что топливо свободно от отработанного масла делается в том случае, если содержание одного или нескольких из этих элементов ниже или равно установленным пределам. Будет считаться, что топливо содержит отработанное масло только в том случае, если все три элемента превышают те же пределы. Для этих элементов приняты следующие максимальные пределы: цинк — 15 мг/кг, фосфор — 15 мг/кг, кальций — 30 мг/кг. В третье издание стандарта включено также 9 приложений информативного характера. В этих приложениях даются формулы и номограммы расчета высшей и низшей теплоты сгорания топлива; формула и номограмма для определения расчетного углеродно-ароматического индекса (CCAI); допустимые значения вязкости топлива при разных температурах; информация о катализаторной пыли — абразивных частицах; информация о температуре вспышки; примеры точности и интерпретации результатов испытания топлива; информация о натрии и ванадии; разъяснения по поводу включения в стандарт требования того, чтобы топливо не содержало отработанное масло; информация о кислотности топлива. В последнее десятилетие чаще всего наблюдались следующие проблемы, связанные с топливом: • Поставки топлива с высокой плотностью (> 991,0 кг/м 3 ), которые в основном происходили в Северной Америке и Северной Европе. В этих районах находится большое количество заводов с глубокой переработкой нефти, производящих тяжелое и дистиллятное топливо высокой плотности. • Высокое содержание воды в топливе. Если вода находится в виде устойчивой эмульсии, то для обеспечения хорошей очистки топлива рекомендуется использовать деэмульгирующие присадки. • Высокое значение коксуемости топлива, что приводит к загрязнению газовыхлопного тракта и турбины ГТН. Были случаи, когда приходилось останавливать судно каждые 10-12 часов и делать чистку из-за помпажа турбины. Такие поставки наиболее характерны для портов США, Южной Африки, Европы и Сингапура. • Высокое содержание алюмосиликатов, которые вызывают быстрый износ ТНВД, распылителей форсунок, поршневых колец и цилиндровых втулок. Алюмосиликаты — это мельчайшие частицы катализаторной пыли, состоящие из окислов алюминия и кремния, 97

которые используются в процессах каталитического крекинга, в основном имеют размер от 5 до 50 микрон и очень твердые. Стандарт ISO 8217:2005 допускает максимальное содержание алюмосиликатов 80 мг/кг. Однако дизелестроительные фирмы говорят, что содержание алюмосиликатов в топливе, поступающем в двигатель, не должно превышать 15-20 мг/кг. Поэтому, топливо, отвечающее требованиям международного стандарта и содержащее, скажем, 30-80 мг алюмосиликатов на 1 кг топлива, нельзя использовать без тщательного сепарирования. Опыт показывает, что хорошо настроенный сепаратор при минимальной производительности позволяет отделять до 75% алюмосиликатов. Таким образом, максимально допустимое количество алюмосиликатов в топливе до очистки будет снижено до максимально допустимого содержания алюмосиликатов в топливе перед двигателем: 80 мг/кг - 80 х 0,75 = 20 мг/кг. Однако, в самые последние годы часто стали возникать «необычные» проблемы: загрязнение топлива полипропиленом, полиэтиленом и полистиролом; загрязнение химическими веществами с высокой кислотностью; высокое содержание натрия при небольшом количестве воды; плохая воспламеняемость и медленное горение топлива. В первых случаях при предъявлении претензии поставщику приходится ссылаться на общие требования (Раздел 5. ISO 8217:2005): «... Топливо не должно содержать вещества или химические отходы, которые ... угрожают безопасности судна; отрицательно влияют на работу механизмов; опасны для обслуживающего персонала ...». В последнем случае, когда топливо «не горит», разрешить спорную ситуацию намного сложнее, так как топливо отвечает требованиям стандарта ISO 8217:2005, но не пригодно для использования в судовых двигателях. При использовании такого топлива происходит образование твердого нагара на тарелках и зависание выпускных клапанов, стуки при работе двигателя, прорыв газов через поршневые кольца, износ и задиры цилиндровых втулок, прогорание головок поршней, затруднен запуск двигателей. Справедливости ради надо сказать, что крупные малооборотные двигатели менее подвержены проблемам такого рода. Все вышесказанное говорит о том, что судовладельцы и технические операторы судов должны регулярно проверять качество поставляемого бункерного топлива. Важную роль в процессе проверки качества топлива играют судовые механики, которые вместе с поставщиками топлива должны отбирать представительные пробы топлива во время бункеровки судна. Отобранная коммерческая проба топлива (т. е. предназначенная для проверки качества) должна быть разделена на три части и распределена между поставщиком, судном и проверяю98

щей независимой лабораторией. Объем каждой пробы должен быть около 700 мл для того, чтобы можно было выполнить проверку всех стандартных показателей качества топлива. В настоящее время на мировом бункерном рынке работает несколько независимых компаний, которые кроме выполнения стандартного анализа топлива дают рекомендации по эффективной топливоподготовке и оказывают поддержку при разрешении спорных ситуаций. Det Norske Veritas Petroleum Services, независимое подразделение классификационного общества DNV, уже 25 лет успешно работает в области проверки качества и количества бункерного топлива. DNVPS имеет 5 собственных лабораторий, расположенных в наиболее крупных бункеровочных портах и выполняющих помимо стандартного анализа топлива большой объем научно-исследовательской работы. За все время существования лаборатории DNVPS проанализировали более одного миллиона проб топлива. Здесь уместно сказать о том, 19 мая 2005 года вступило в силу Приложение VI к Конвенции МАРПОЛ 73/78. Конвенция МАРПОЛ является основным международным конвенционным документом по предотвращению загрязнения морской среды с судов. Приложение VI к Конвенции МАРПОЛ 7 3 / 7 8 действует в международных и территориальных водах и запрещает использовать топливо с содержанием серы более 4,5 %, а также ограничивает уровень выбросов окислов серы SOx в Районах Контроля Выбросов SOx (SECA). Эти требования должны выполняться в странах, которые ратифицировали Приложение VI к МАРПОЛ, и на судах, государство флага которых ратифицировало Приложение VI. По сведениям DNVPS, среднее содержания серы в пробах топлива, отобранных во всех порта мира в 2003 году, составляет 2,7 %. И только менее чем у 0,2% проб топлива содержание серы превышает 4,5%. Видимо, выполнение данного требования Приложения VI не вызовет особых затруднений. К Районам Контроля Выбросов SOx в настоящее время относятся Балтийское море, Северное море и Ла-Манш. Содержание серы в топливе, используемом в Районах Контроля Выбросов, не должно превышать 1,5 % за исключением тех случаев, когда судно оборудовано одобренной системой очистки выхлопных газов для уменьшения общего выброса окислов серы до величины 6,0 г S O x / к В т Ч ИЛИ менее. На судах, использующих различные виды жидкого топлива, система должна быть полностью промыта от всех видов топлива с содержанием серы более 1,5% заблаговременно до вхождения в SECA. Объем топлива с содержанием серы менее или равного 1,5 99

% в каждом танке, дата, время и местонахождение судна после завершения операции по замене топлива должны быть записаны в судовом журнале. В соответствии с параграфом 7 Правила 14 Приложения VI суда, входящие в Район Контроля Выбросов SOx, освобождаются от выполнения этих требований в течение первых 12 месяцев после вступления в силу настоящего Протокола. Однако следует помнить, что Северное море и Ла-Манш были включены в SECA только в марте 2000 года. Поэтому, суда, входящие в Балтийское море, не обязаны использовать топливо с содержанием серы менее 1,5 % до 19 мая 2006 года, а суда, входящие в Северное море и Ла-Манш, не обязаны использовать топливо с содержанием серы менее 1,5 % до 19 ноября 2007 года. Использование низкосернистых топлив будет связано с некоторыми проблемами: • возможный дефицит низкосернистого топлива в районах SECA; • рост стоимости топлива по оценкам разных источников на 25-100 долларов США за тонну в зависимости от метода производства топлива, наличия топлива и спроса на него; • снижение эксплуатационных свойств топлива: стабильности, совместимости, воспламенения, сгорания и содержания катализаторной пыли; • появление задиров и отложение лакообразного нагара на деталях двигателей; • необходимость использования цилиндровых масел с низким щелочным числом; • увеличение содержание серы в «обычном» топливе за пределами SECA. В дополнение к ограничению содержания серы Приложение VI устанавливает общие требования к качеству жидкого топлива. Эти требования, записанные в параграфе 1 Правила 18, совпадают с требованиями международного стандарта ISO 8217:2005. Сведения о топливе, поставленного на борт судна, должны быть записаны в накладную на топливо (Bunker Delivery Note — BDN), которая должна содержать по меньшей мере следующую информацию: • название и номер IMO судна, принимающего топливо; • порт бункеровки; • название, адрес и номер телефона поставщика топлива; • наименование продукта; • количество в тоннах; 100

expert22 для http://rutracker.org

• плотность при 15° С; • содержание серы. Накладная на топливо должна храниться на борту судна в легкодоступном для поверки месте в течение трех лет со дня поставки топлива. Накладная сопровождается представительной пробой поставленного топлива. Проба топлива должна быть опечатана и подписана представителем поставщика и капитаном или судовым офицером, отвечающим за бункеровку. Проба топлива должна храниться под контролем судна до тех пор, пока топливо не будет в основном использовано, но не менее 12 месяцев с момента поставки. Для уточнения и разъяснения положений Правила 18 IMO приняла резолюцию Комитета по защите морской среды МЕРС.96(47) «Guidelines for the Sampling of Fuel Oil for Determination of Compliance with Annex VI of MARPOL 73/78». В соответствии с этой резолюцией проба должна быть отобрана у приемного фланца судового топливопровода методом непрерывного капания с помощью ручного или автоматического пробоотборника в течение всего времени бункеровки. Объем пробы должен быть не менее 400 мл, бутылка должна быть заполнена на 90% + 5% от полного объема. Капитан судна должен разработать и вести систему учета проб топлива, хранящихся на борту судна. Пробы должны храниться в безопасном месте вне жилых помещений, не подвергаться воздействию высоких температур и прямого солнечного света. Следует обратить внимание на то, что проба, отобранная в соответствии с этим руководством, предназначена не для обычного контроля качества топлива, а для сохранения на борту судна и, при необходимости, последующей проверки со стороны инспекции государственного надзора порта. Большинство конвенций IMO возлагает всю ответственность на суда и судовладельцев. Правило 18 Приложения VI возлагает определенную ответственность и на поставщиков топлива. Компетентные государственные органы порта обязаны: • вести реестр местных поставщиков топлива; • требовать от местных поставщиков предоставлять накладную на топливо и пробу, подтверждающие то, что топливо отвечает требованиям Правил 14 и 18 Приложения VI; • требовать от местных поставщиков сохранять копию накладной на топливо в течение по меньшей мере 3 лет для проверки инспекцией государственного надзора портов; • предпринимать соответствующие действия в отношении поставщиков топлива, которые поставили топливо, не соответствующее указанному в накладной на топливо; 101

• информировать Администрацию о любом судне, принимающем топливо, которое не соответствует требованиям Правил 14 и 18 Приложения VI; • информировать IMO для сообщения Сторонам Протокола 1997 года о всех случаях невыполнения поставщиками топлива требований, установленных в Правилах 14 и 18 Приложения VI; • Таким образом, Международная морская организация IMO установила режим ограничения содержания серы в топливе, используемом во всем мире, включая специальные требования к топливу в Районах Контроля Выбросов SOx. В то же время Европарламент принял Директиву 2 0 0 5 / 3 3 / Е С , которая ограничивает содержание серы в морском топливе, используемом в странах Европейского Союза. • Основные положения этой Директивы, действующей на региональном уровне: • max 1,5 % серы в топливе, используемом в Балтийском море с 11 августа 2006 года; • max 1,5 % серы в топливе, используемом в Северном море и Ла-Манше с И августа 2007 года; • max 1,5 % серы в дизельном топливе (DMB и DMC), поставляемом на бункерный рынок Евросоюза; • max 1,5 % серы на пассажирских судах на регулярных линиях в странах Евросоюза с 11 августа 2006; • 0,1 % в топливе, используемом во внутренних водах Евросоюза и у причалов портов более двух часов, начиная с 1 января 2010 года; • 0,1 % в газойле (DMX , DMA), поставляемом на рынке Евросоюза. В соответствии с требованиями ранее принятой Директивы 1 9 9 9 / 3 2 / Е С с 1 июля 2000 года максимальное содержание серы в газойле, используемом в 12-мильной зоне ЕС, не должно превышать 0,2 %. Для судов, прибывших извне территориальных вод, это требование вступает в силу при выходе судна из порта и действует вплоть до выхода из 12-мильной зоны. С 1 июля 2008 года максимальное допустимое содержание серы будет снижено до 0,1 %. Международная морская организация, Европарламент и другие международные организации уделяют много внимания вопросам ограничения содержания серы в топливе. Поэтому в будущем можно ожидать изменения и дополнения к действующим документам, включая более низкие значения максимального допустимого содержания серы и расширение списка Районов Контроля Выбросов SOx.

102

Table 1 — Requirements for marine distillate fuels Characteristic

Category ISO-F-

Unit

LMt

Density al 15 °C

kgfti 3

так.

Vlscosly at 40 °C

mm 2 /sb

mln. max.

1.40 5,50

Flash point

•C

mki. mln.

43

Pour point (bppar) c — winter qually — summer quality

"C

max. max.

Cloud point

•C

max.

Sulfur Cttane Index Carbon residue on 10 % (V/YJdlstllallon bottoms

-

-

-16"

•MB

DMC°

890.0

900.0

920.0

1.50 6.00

11.0

14.0

60

60

60

ISO 2719 (see also 7.2)

-6 0

0 6

0 6

ISO 3016 ISO 3016

—

—

—

ISO 3015

ISO 3675 or IS012165 (see also 7.1) ISO 3104 ISO 3104

%(MM)

max.

1.00

1.50

2,00 «

2,00 е

_

mln.

45

40

35

—

ISO 4254

0.30

0Д0 0,30

2,50

0.01

0,05

ISO 6245

r

—

See 7.4 and 7.5

0.10

ISO 10307-1 (sea 7.5)

%(mM) % (mM)

max.

Ash

%(mM)

max.

—

—

Total sediment, existent

Чк(яМ)

max.

Water

% (У/У) max.

Vanadium

mg/kg

max.

Aluminium plus silicon

тдЛсд

max.

тдЛсд тдЛсд тдЛсд

max. max. max.

max. 0.01

0,01

ISO 10370

Clear and blight

ISO 10370

-

-

0,10'

—

-

0.3'

0.3

ISO 3733

-

-

-

100

ISO 14597 or IP 501 or IP 470 (see 7.6)

-

-

-

25

ISO 10478 or IP 501 or IP 470 (see 7.9)

-

-

Used kJbricaUna oil fULOl -Zinc - Phosphorus - Calcium

Test method reference

DMA

ISO 8754 or ISO 14596 (see also 7.3)

Carbon residue

Appearance'

DMX

-

Tha fuel shall be free of <JLO»15 15 30

9

Note that althouj^i predominantly consisting of distilatB fuel, the residual oil propoition can be significant.

0

1 i m A s - 1 cSt

IP 501 or IP 470 IP 501 or IP 500 IP 501 or IP 470 (see 7.7)

c

Purchasers should ensure tha this pour point is suitable for the equipment on board, especially if the vessel operates in both the northern and southern hemispheres. "

This fuel is suitable for use without heethg a ambient temperatures down to - 1 6 'C.

e

A sulfur limit of 1.5% {WmJ appty m SO, emission conttd areas designciedty the International Maritime Organization, when its relevant protocol enters into force. There may be local variations. for example the EU requires that sulphur content of certain distillate grades be limited to 0,2 % (m/m) in certain applications. See 0.3 and reference [7].

r

If the sample is clear and with no visible sediment or water, the total sednient existent and water tests shall not be required. See 7.4 and 7 5. g A fuel sha»l be considered to be tree of used lubricating oils (ULOs) if one or more of the elements zinc, phosphorus and calcium are below or at the specified limits. All three elements shal exceed the seme Emits before a fuel shal be deemed to contain ULOs.

103

Table 2 — Requirements for marine residual fuels Category ISO-FCharacteristic

Unit

Limit

RMA 30

RMB 30

RMD 80

kg/m3

max.

960,0

975,0

980,0

991,0

mm2/s a

max.

30,0

80,0

180,0

380,0

700,0

ISO 3104

Flash point

°C

min.

60

60

60

60

60

ISO 2719 (see also 7.2)

Pour point (upper)ь - winter quality - summer qualify

°C

max. max.

30 30

30 30

30 30

30 30

ISO 3016 ISO 3016

Carbon residue

% (m/m)

max.

10

14

15

20

Ash

% (m/m)

max.

0,10

0,10

0,10

0,15

Water

% (V/V)

max.

0,5

0,5

0,5

Sulfur'

% (m/m)

max.

3,50

4,00

4,50

mg/kg

max.

150

350

% (m/m)

max.

0,10

0,10

Density at 15 °C Kinematic viscosity at 50 °C

Vanadium Total sediment potential Aluminium plus silicon Used lubricating oil (ULO) -Zinc - Phosphorus - Calcium a

mg/kg

mg/kg

max. max max. max.

0 6

24 24

80

80

RME 180

RMF 180

200

RMG 380

RMK 380

RMH 700

RMK 700

Test method reference

1010,0

991,0

1010,0

ISO 3675 or ISO 12185 (see also 7.1)

RMH 380

991,0

18

22

22

ISO 10370

0,15

0,15

ISO 6245

0,5

0,5

ISO 3733

4,50

ISO 8754 or ISO 14596 (see also 7 3)

600

ISO 14597 or IP 501 or IP 470 (see 7.8)

4,50 500

0,10 80

300

600 0,10 80

The fuel shall be free of ULO 15 15 30

0,10

ISO 10307-2 (see 7,6)

80

ISO 10478 or IP 501 or IP 470 (see 7.9)

d

IP 501 or IP 470 (see 7.7) IP 501 or IP 500 (see 7.7) IP 501 or IP 470 (see 7.7)

Annex С gives a brief viscosityAemperature table, tor information purposes only. 1 mm2/s - 1 cSt

b

Purchasers should ensire that this pour point is suitable for the equipment on board, especially if the vessel operates in both the northern and southern hemispheres.

c

A sulfur limit of 1.5 % (m/m)

will apply in S O ( emission control areas designated by the International Maritime Organization, when its relevant protocol comes into force. There may be local

variations. d

A fuel shall be considered to be free of ULO if cne or more of the elements zinc, phosphorus and calaum are below or at the specified limits. All three elements shall exceed the same limits before a fuel shall be deemed to contain ULO.

11. ДИНАМИКА КРЕЙЦКОПФНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Целью главы является необходимость ознакомить читателей с причинами возникновения вибраций при работе двухтактных малооборотных двигателей и методами их уменьшения или устранения. К числу источников, возбуждающих и поддерживающих вибрации в двигателях относятся неуравновешенные силы и моменты, аксиальные колебания коленчатого вала и его крутильные колебания, вызывающие благодаря своему циклическому действию вибрации как самого двигателя, так и корпуса судна.

11-1. Неуравновешенность двигателя Неуравновешенность двигателя определяется действием в нем сил давления газов Рг и сил инерции вращающихся и поступательно-движущихся масс Pj, а также, создаваемых ими моментов. Сила давления газов носит циклический переменный характер и приложена к донышку поршня и крышке цилиндра. Эти две силы внутри остова двигателя замыкаются и благодаря противоположному направлению действия взаимно уравновешиваются. Однако несбалансированные внешние моменты от совместного действия сил давления газов и инерции существуют и могут вызывать вибрации, к ним относятся моменты опрокидывающей силы N. Вдоль оси цилиндра действует также сила инерции поступательно движущихся масс Pjn = m п R со2 (cos а + X cos 2а) (1), где: шп — масса поступательнодвижущихся частей (поршень, шток, крейцкопф и 1 / 3 массы шатуна), R- радиус кривошипа, ю — угловая скорость вращения вала, а — угол поворота вала и К = R / L — длина шатуна (в крейцкопфных двигателях это отношение ориентировочно равно 1/2). В силу сложности характера действия Pjn её принято представлять в виде двух и более гармонических составляющих: сила первого порядка, меняющаяся с частотой, пропорциональной оборотам двигателя п Pin =m л Rco2cosa и J 1 105

Pjri 2=mnRco2X cos2ct, меняющаяся с частотой в два раза большей. Сила второго порядка меньше силы первого порядка ориентировочно в 2 раза (Х,=1/2). В центре мотылевого соединения действует центробежная сила инерции Pj=m Bp Rco2 (2). Частота ее изменения пропорциональна оборотам двигателя. Силы инерции и создаваемые ими моменты в отличие от сил давления газов в пределах каждого цилиндра не уравновешиваются и возбуждают в двигателе вынужденные колебания. Разложение сил, действующих в пределах одного цилиндра, представлено на рис. 1—11. Свободные колебания возникают под действием приложенной к системе внешней силы или момента, по прекращении действия возбуждающей силы (момента) колебания продолжаются и благодаря наличию внутренних сил сопротивления носят затухающий характер. Частота колебаний зависит от жесткости системы, величины и расположению присоединенных масс и формы колебаний. Формы колебаний. Система, подверженная колебаниям, в зависимости от формы колебаний может иметь несколько частот. На рис. 2-11 показаны встречающиеся на практике формы колебаний — 2-х узловая и 3-х узловая. Точки, где амплитуда колебаний равна нулю, называются узлами колебаний. Зоны, где величина амплитуд колебаний достигает максимума — пучности. В духтактных двигателях неуравновешенные силы, возникающие в каждом цилиндре, 2 узла

3 узла

Рис. 1-11. Разложение сил. Рис 2-11 Формы колебаний. P=PcyM=Pr±Pj, N-норм.сила, S-сост.сила по шат., Т-танг.сила, созд. крут, момент и нагр.кол.вал, Q-сила, нагр. подш. и кол.вал. 106

при сложении внутри остова двигателя полностью замыкаются друг на друга и за пределами остова не действуют. Таким образом, 2-х тактные двигатели в отличие от 4-х тактных в отношении сил являются полностью уравновешенными. К сожалению, этого нельзя сказать о вызываемых ими моментах, которые представляют собой произведение силы на плечо М = Р L. Неуравновешенные моменты, создавая колебания самого двигателя, передаются его фундаменту и корпусу судна. Форма колебаний, типичная для корпуса современного судна представлена на рис. 3-11.

Рис. 3-11. Типичная форма колебаний корпуса судна.

Резонанс происходит при совпадении частот вынужденных и свободных колебаний, когда амплитуды колебаний складываются и могут достигнуть критических значений, сопровождаемых поломкой элементов конструкции. Внешняя неуравновешенность, передаваемая корпусу судна, вызывается неуравновешенными моментами первого порядка (действующими в вертикальной и горизонтальной плоскостях) и моментами второго порядка (действующими только в вертикальной плоскости, т.к. вызываются силами инерции поступательно-движущихся масс) — рис. 4-11. Моменты более высоких порядков обычно не принимаются во внимание, так как величина их невелика. Моменты 1-го порядка действуют с частотой, пропорциональной оборотам и, как правило, проблем с вибрациями не вызывают. Опасный резонанс колебаний, возникающих под действием момента в вертикальной плоскости, может иметь место в 4х цилиндровых двигателях при 2-х или 3-х узловых формах колебаний корпуса судна. Момент, действующий в горизонтальной плоскости, не представляет опасности, поскольку резонанс с колебаниями корпуса судна в горизонтальной плоскости может произойти лишь в зоне, далеко отстоящей от рабочих частот вращения вала двигателя. Объясняется это тем, что колебания корпуса в горизонтальной плоскости происходят лишь при высоких частотах. 107

М1,2 в л

V

Момент 1-го паряды, верпшльный, 1 ЦИКЛ IB оборот. Момент 2-го порядка, ввршкэльмый, 2 цикла га оборот. Момент 1-го порядка,

М-1,2 I

горизонтальный, 1 цикл за оборот. Момент от нормальной силы, действующий в поперечной плоскости Н.опрокидывающий, с частотой.

Г/11,2 N о п р п е и ю в и и и ш ы ю й числу цилиндров, умнохеной на 1 или 1

М1,2 N

Момент от нормальной силы, действующий в плоскости X, с частотой г пропорциональной числу цилиндров умноженой на 1 или 2

Рис. 4-11. Виды моментов, возбуждающих вибрации.

В редких случаях, когда моменты 1-го порядка вызывают в зоне рабочих режимов двигателя вибрации корпуса судна в вертикальной и горизонтальной плоскостях, должны быть применены настраиваемые противовесы — рис 5—11. Настройка противовесов производится путем изменения положения регулируемых противовесов относительно главных. Действие горизонтального момента может быть компенсировано противовесом1-го порядка, устанавливаемым в шестерне натяжителя цепи привода распределительного вала-см рис 6-11. При вращении противовеса его масса создает центробежную силу, вертикальные составляющие, будучи направленными в противоположные стороны, взаимно уничтожаются. Горизонтальные составляющие, умноженные на расстояние до центра тяжести двигателя, создают моменты, по направлению действия противоположные возбуждающим моментам. Сложение компенсирующих моментов с действующими их ослабляет или уничтожает. 108

Рис. 5-11. Противовесы для уравновешивания моментов 1-го порядка.

Моменты 2-го порядка действуют с частотой в два раза большей частоты вращения вала двигателя и только в вертикальной плоскости. По аналогии с ранее рассмотренными компенсаторами моментов 1-го порядка компенсация моментов 2-го порядка осуществляется установкой противовесов на шестерни, вращающиеся с частотой, в 2 раза большей частоты вращения вала (см. рис. 7—11). Моменты, создаваемые нормальной (опрокидывающей) силой N, в отличие от ранее рассмотренных определяются действием не только сил инерции, но и силы давления газов в цилиндрах. Нормальная составляющая N суммарной силы Pc=Pr±Pj через крейцкопф передается на параллели и остов двигателя (рис. 1—11) . Она же в паре с N, приложенной в центре вала, создает момент, опрокидывающий двигатель и момент его скручивающий и сдвигающий с фундамента. Величина и направление действия моментов циклически меняются. Для сил 1-го порядка частота пропорциональна произведению числа оборотов на число цилиндров, для сил второго порядка пропорциональна удвоенному произведению. 109

Рис. 6-11. Противовесы для уравновешивания горизонтального момента 1-го порядка, устанавливаемые на шестернях натяжителя цепного привода р а с п р е д е л и т е л ь н о г о вала. F ) C — сила, создаваемая противовесами.

Рис. 7—11. Уравновешивание момента второго порядка M2V моментом от уравновешивающей силы М = F2C х Lnode. Шестерни с противовесами вращаются с удвоенной угловой скоростью. 110

Опрокидывающий момент стремится раскачивать двигатель в поперечном направлении. Чтобы уменьшить воздействие этого момента на корпус судна, рекомендуется устанавливать связи (распорки) между верхней частью остова и бортовым набором корпуса с встроенными в связи гидравлическими амортизирующими цилиндрами (рис. 8-11). Главный порядок опрокидывающего момента эквивалентен количеству цилиндров. Так, например, для 5 цилиндрового двигателя частота возбуждающих колебаний будет равна произведению числа оборотов на 5.

Рис. 8-11. Связи с гидравлическими амортизаторами — 1 и 2.

Опрокидывающий момент приобретает доминирующее значение в двигателях с числом цилиндров менее 5. Небезынтересно также отметить, что введение связей меняет частоту собственных колебаний системы «корпус судна — двигатель» таким образов, что она сдвигается в сторону частот, лежащих за пределами рабочего диапазона оборотов. Это исключает возможность резонанса в рабочем диапазоне. Скручивающий (сдвигающий) момент преимущественно встречается в двигателях с числом цилиндров более 6. Главный порядок эквивалентен 0,5 от числа цилиндров и его частота будет 0,5 х i х п, где i — число цилиндров. 111

В заключение важно отметить, что наряду с рассмотренной нами внешней неуравновешенностью, всегда существует внутренняя неуравновешенность, вызываемая действующими в пределах каждого цилиндра силами инерции, создающими напряжения и деформации в силовых элементах остова двигателя вне зависимости от того — двигатель внешне уравновешен или нет. 11-2. Аксиальные колебания возникают под действием нагрузок, передаваемых коленчатому валу силами давления газов и вызывающих его деформацию, связанную с раскрытием или сближением щек вала (изменением раскепов). Это приводит к продольным колебаниям вала, передаваемым на упорный подшипник, а от него фундаментной раме двигателя и корпусу судна. Дополнительные колебания передаются по валонроводу от меняющегося упора гребного винта. Колебания вала происходят с частотой пропорциональной произведению числа цилиндров па обороты (при i меньше 7) и произведению 0,5i на обороты (при i больше 7). Для устранения или уменьшения аксиальных вибраций на все двигатели в их носовой части устанавливаются масляные антивибраторы (демпферы), в которых масло демпфирует колебания поршня 2, связанного с коленчатым валом через упорный подшипник 3 (см. рис. 9-11).

без демпфера

К с демпфером

рабочий режим Рис. 9 - 1 1 . Демпфер аксиальных колебаний вала.

Рис. 10-11. Аксиальные колебания вала.

Масло в демпфер подается под давлением из общей магистрали через штуцер 1. В случае превышения давления срабатывает предохранительный клапан 5. Влияние демпфера на величину амплитуды колебаний вала см. рис. 10-11. 112

11—3. Крутильные колебания представляют собой периодические колебания в плоскости вращения навешенных на вал масс, при которых участки вала между массами скручиваются и раскручиваются под действием циклически меняющегося крутящего момента двигателя. Крутильные колебания испытывают коленчатый вал, промежуточный и гребной валы с навешенными на них массами (детали механизма движения отдельных цилиндров, маховик, соединительные муфты, гребной винт), связанные в единую упругую систему валопровода. В судовых установках существенное значение имеют одно- и двухузловые формы колебаний. Каждой форме колебаний соответствуют свои частоты собственных колебаний, зависящие от жесткости вала и моментов инерции присоединенных к нему масс. Вынужденные колебания системы вала вызываются приложенным к нему переменным крутящим моментом, который математически может быть представлен рядом гармонических составляющих. Первенствующее значение имеют гармоники низших порядков, число полных периодов их изменения (порядок гармоники) кратно числу вспышек в двигателе за один оборот. Так в 2-х тактном двигателе с 5 цилиндрами главными и основными гармониками будут 5, 10, 15. При совпадении частот свободных и вынужденных колебаний наступает явление резонанса, при котором амплитуда крутильных колебаний (угла скручивания вала) несмотря на демпфирование, оказываемое силой торможения колебаний гребного винта водой, упругим гистерезисом материала вала и пр., резко увеличивается. Рис. 11-11. Зона критических оборотов.

С ростом амплитуд скручивания вала пропорционально растут действующие в нем дополнительные напряжения кручения. Величина напряжений может превзойти допустимые значения и в районе пучности колебаний, где угол скручивания достигает максимума, вызвать поломку В этой связи Классификационные Общества устанавливают предельно допустимые значения дополнительных напряжений скручи113

вания судовых валов. На рис 11-11 показаны максимально-допустимый предел и ниже расположенный предел напряжений, допускающий кратковременную работу при его превышении. В рассматриваемом случае резонансные колебания находятся в зоне рабочих режимов, но величина возникающих напряжений допускает кратковременную работу. Точки пересечения кривой возникающих при резонансе напряжений очерчивают зону критических оборотов, на которой останавливаться нельзя и ее необходимо быстро переходить. На тахометрах обычно эта зона выделяется красной краской. Рекомендуется, чтобы критическая зона отстояла не ближе, чем на 40-45% оборотов от эксплутационного режима работы двигателя. В этом плане более предпочтителен вариант, представленный на рис 12-11. В ряде случаев, чтобы вывести зону критических оборотов за пределы рабочих режимов (за MCR) увеличивают диаметры гребных валов. Критическая частота вращения устанавливается экспериментально с помощью прибора торсиографа, позволяющего снимать с работающего двигателя графики крутильных колебаний — торсиограммы. Внешние признаки работы двигателя в зоне критических оборотов: Сильная вибрация и резкие стуки в двигателе вследствие периодического изменения угловой скорости вращения отдельных кривошипов; нагрев отдельных участков валопровода (иногда до появления цветов побежалости) вследствие внутреннего трения частиц металла при упругих деформациях кручения. Нагрев может происходить на участках вала, удаленных от опорных подшипников. Вибрации корпуса судна, вызываемые крутильными колебаниями, обычно происходят в зоне критических частот вращения и снижаются или исчезают при увеличении оборотов (уходе из этой зоны)- Вибрации, вызванные неуравновешенностью двигателя, в отличие от случая крутильных колебаний при увеличении оборотов могут только усиливаться, так как растет величина неуравновешенных сил и моментов. Рекоменд. дистанция от резонанса )

114

Рис. 12—11. Зона критических оборотов за пределами рабочего режима.

12. ПРОПУЛЬСИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 12-1. Уравнения мощности и логарифмическая шкала Как хорошо известно, эффективная мощность двигателя пропорциональна среднему эффект, давлению Ре и числу оборотов п Ne = с х Ре х п , где с — постоянная. При сохранении Ре постоянным мощность пропорциональна оборотам. N e = С х п'

А. Прямые

и».

ЛИНИИ

в прямолин. шкалах.

r'loetPtXofllc-n1 '

р , ± мощи, двигателя с

ж постоянная

я обороты

— *

lootPW * i'logln) • у

(\ • с"п'

Ne —С х п3

Рис. 1-12. Логарифмические координаты, (на рисунке Ре обозначает Ne).

x=log(n)

п

При работе на гребной винт постоянного шага зависимость мощности будет соответствовать закону винтовой характеристики

я

ОК

•

Ь

В. Экспонентные кривые в логарифм шкале. 115

На рис. 7—1. показано соотношение между линейными Y=ax + b — см (А), и степенными функциями Ne = С х п1 — см (В). Степенные функции будут линейными, когда используются логарифмические шкалы, подобные Log(Ne) = i х l o g \ ( n ) + log (С) ), что эквивалентно Y= ах + b. Таким образом , с использованием логарифмических шкал винтовые характеристики можно будет представить в виде параллельных линий, имеющих показатель степени i = 3, и линии с постоянным Ре будут параллельны линиям с показателем степени i = 1. Учитывая простоту и наглядность построения степенных зависимостей в логарифмических координатах, в последующем анализе будем им широко пользоваться.

12-2. Нагрузка главных двигателей, винтовые и ограничительные характеристики На рис. 2-12. показаны режимы работы главного двигателя морского судна при различных условиях плавания. МОЩНОСТЬ ДБИГ.,%. « т А

110-

106 • 100-

90-

8Й «о7570-

ао

вб

90

«

100

105

но

обо роты,% от А Рис. 2-12. Условия нагружения двигателя МАН — МС

(1), (2) — Тяжелая винтовая характеристика, судно в грузу; (6) — Легкая винтовая характеристика, не обросший корпус, судно в грузу; (6.1) — Винтовая характеристика, чистый не обросший корпус, в балласте (ходов, испытания); 116

(6-2) — Винтовая характеристика, чистый корпус и в грузу; (6-3) — Шторм и волновое сопротивление; PD — Расчетная точка гребного винта, спокойное море и чистый корпус. Эксплуатационные режимы для плавания с мощностью, эквивалентной 90% MCR при: SO: Чистый корпус и спокойная погода; S1: Чистый корпус и спокойная погода, в балласте (ходов, испытания); S2: Чистый корпус и шторм (встречный ветер), 10% морской запас; SP: Обросший корпус и шторм (встр. ветер), 10% морской запас; S3: Шторм и волновое сопротивление. В этих условиях слэмминг и удары волн о носовую оконечность судна могут привести к ее повреждению. Требуется снижение скорости и оборотов. Точка режима должна переместиться вниз по линии 6-3. Винтовая характеристика, представленная линией 6, строится для условий плавания в спокойную погоду и чистого корпуса, ее принято называть легкая или теоретическая винтовая характеристика. Расчетная точка гребного винта PD лежит на этой линии. Таким образом, фирма подбирает легкий винт. Положение базовой точки А, совпадающей в рассматриваемом примере с контрактной (оговоренной контрактом) максимальной длительной мощностью MCR (точка М). Размещение т.М фирмой МАН & Бурмейстер и Вайн рекомендуется подбирать исходя из тяжелых условий плавания, и размещать на тяжелой винтовой характеристике (1 и 2). Режимы эксплуатационной мощности (точки SO, SI, S2, SP, S3) назначаются исходя из требования иметь 10-15% запас. Последний необходим, так как с переходом на более тяжелые винтовые характеристики и сохранении мощности неизменной, обороты винта уменьшаются, соответственно снижается и скорость судна. Сохранение скорости судна возможно, если не допускать падения оборотов, а это потребует соответствующего увеличения мощности путем использования заложенного 10-15% запаса, но, не выходя за пределы назначенных фирмой ограничений. Современные двигатели имеют высокую форсировку рабочего процесса, определяющую наличие, прежде всего, в деталях ЦПГ высоких уровней тепловых и механических напряжений. Поэтому при назначении режимов работы во избежание перегрузок нужно следить за тем, чтобы режимы не выходили за установленные пределы. 117

Ограничения длительной работы двигателя определены зоной, образованной следующими четырьмя линиями. Линия 3. Представляет максимально допустимые обороты, составляющие 105% пном Длительная работа двигателя за пределами 100% оборотов при низкой нагрузке не рекомендуется. Линия 4. Является ограничением работы двигателя по воздухоснабжению, выход за ее пределы на длительный период недопустим. Линия 5. Представляет собой максимально допустимый уровень среднего эффективного давления. Линия 7. Ограничивает максимально допустимый уровень развиваемой двигателем мощности. Ограничения работы с перегрузками Линия 8. Определяет недопустимые перегрузки. Работа в зоне, ограниченной линиями 4,5,7 и пунктирной линией 8 рассматривается как перегрузка и допускается в пределах 1 часа на протяжении 12 часов. Таким образом, длительная работа двигателя не ограниченная во времени разрешается лишь в зоне между линиями 4,5,7 и 3. Зона между линиями 4 и 1 допустима для плавания на мелководье, в тяжелых погодных условиях и при разгоне судна. При разгоне момент, поглощаемый винтом, резко увеличивается (см. рис. 3-12) и режим работы двигателя временно переходит на тяжелую винтовую характеристику, по завершении разгона возвращается на прежнюю характеристику. МОЩНОСТЬ ЧА

90

«

Рис. 3 — 12. Режимы разгона судна. 118

50

96

too ЩГ.

обороты

«а

Область, используемую для подбора двигателя и гребного винта (layout diagram — рис 4 -12), фирма МАН задает в виде параллелограмма, ограниченного двумя линиями постоянных Ре (L, — L 3 ), (L2—L4) И двумя линиями постоянных оборотов ( L, — L 2 ) и (L3— L4). Точка L, соответствует номинальному режиму двигателя Ш е и о м и пиом). Под номинальной мощностью двигателя понимается мощность, которую двигатель может развивать длительное время при номинальном скоростном режиме яноч нормальных атмосферных условиях (ро = 100 кРа, to = 25° С) и на топливе с QH = 42,7 МДж/кг. Контрактная мощность двигателя (мощность, оговоренная в контракте на поставку двигателя), обозначаемая на графике рис. 4 — 12 и рис. 5 — 12 точкой М, должна лежать в пределах рассматриваемой области.

/

Винтовая характеристика для тяжелых условий ллааамкя

обороты

Рис. 4-12. Область оптимизации подбора контрактной мощности для двигателей МАН & Бурмейстер и Вайн.

При этом, чем ближе она будет располагаться к нижней зоне рассматриваемого параллелограмма ( зоне вблизи L 4 ), тем выше будет экономичность работы двигателя (меньше уд. расход топлива). Так, если в точке L1 расход составляет 173 г/элсч, то в точке L4 он равен 160 г/элсч. Но нужно иметь в виду, что повышение экономичности, сопряжено со снижением мощности. После согласования с заказчиком судна контрактной мощности и режимов эксплуатационной мощности фирма оптимизирует рабочие характеристики двигателя путем настройки оптимального опережения подачи топлива, подбора степени сжатия и перенастройки соплового 119

мощность %

R1

аппарата ГТК. Положение оптимизационной точки (О) определяется таким образом, чтобы она находилась в зоне наиболее часто используемых режимов (в зоне режимов эксплуатационной мощности) — см. рис. 2-12. Аналогичная область оптимизации для двигателей Зульцер представлена на ниже приведенном рис. 5—12.

Рис. 5-12. Область оптимизации подбора мощности двигателей Зульцер RTA.

Точка R1 соответствует номинальной длительной мощности (возможна кратковременная 10% перегрузка), точка R2 лежит на пересечении 100% скорости и 55% мощности, линия Rl — R3 представляет собой Ре ном = 100% = const , точка R4 лежит на пересечении линий 72% скорости и 55% мощности, линия R2 — R4 представляет 55% мощности в диапазоне 72 — 100% скорости, линия R3 — R4 соответствует 72% скорости. В пределах оптимизационной области также, как и в случае с двигателями МАН, представляется возможным выбрать экономичный режим. Для этого надо спускаться по оборотам и по Ре, принимая во внимание, что в точке R1 удельный расход топлива составляет 174 г/элсч, то в точке R4 он уже равен 163 г/элсч. В отличие от рекомендаций фирмы МАН & Бурмейстер и Вайн теоретическая или номинальная винтовая характеристика проводится через точку контрактного номинального режима двигателя CMCR . На рисунке 6-12 приведены легкая винтовая характеристика, характерная для плавания судна с новым и не обросшим корпусом в спокойную погоду, и тяжелая винтовая характеристика, называемая фирмой — эксплуатационная винтовая характеристика, характерная для плавания с повышенными сопротивлениями (в штормовую погоду и с обросшим корпусом). 120

МОЩНОСТЬ

CMCA(Rx)

110 10% яласло деигагелю 15ft морской taiMe

».8

M.S

обороты Г* И»]

Рис. 6-12. Условия нагружения двигателей Зульцер RTA.

Контрактом предусматривается возможность получить контрактную скорость при легких условиях плавания. Для того чтобы иметь запас мощности для сохранения скорости при ухудшении условий плавания рекомендуется установить 10% запас мощности двигателя — переход из точки С в т. CMCR и 15% запас мощности по погодным условиям и состоянию корпуса (морской запас) — переход из точки А в т . С. Наличие этих запасов гарантирует возможность сохранения контрактной скорости при утяжелении условий плавания. Ограничения, накладываемые на мощность и обороты, как и в случае с двигателями МАН& Бурмейстер и Вайн, определяются зоной длительной работы, очерченной линиями 5-1-3. Зона кратковременной перегрузки определяется областью, заключенной между линиями 1-5-3 и 6-2-4 .

e x p e r t 2 2 для http://rutracker.org 121