БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам
23.08.2020
Преимущества и недостатки дизель-электрической гребной установки
1. Возможность автоматизации гребной установки. На всех электроходах применяется дистанционное управление с нескольких мест, автоматически поддерживается постоянство мощности при изменении нагрузки на винте, применяются всевозможные автоматические системы защит и контроля за нарушением нормального режима эксплуатации. В конечном счете на электроходе проще осуществить комплексную автоматизацию всех производственных процессов в машинном отделении.
В последние годы на теплоходах используется дистанционное автоматизированное управление дизелем ДАУ и автоматическое управление процессами в машинном отделении, однако все это удалось осуществить на определенном уровне развития электроники и автоматики. Отбор мощности на уровне, близком к 100%, при изменении скорости судна возможен на теплоходе при использовании ВРШ.
2. Возможность применения на электроходах различных типов унифицированных дизель-генераторов, ГЭД и другого оборудования. На всех электроходах отечественной постройки используются серийные дизель-генераторы двух типов; 5ДГ 50 М мощностью 815 кВт, с частотой вращения 740 об/мин, общей массой 24,6 т и ЗД100, мощностью 1325 кВт, с частотой вращения 810 об/мин, общей массой 28,3 т. Этими дизель-генераторами оборудованы суда различных типов с мощностью на валу от 1600 до 5300 кВт: ледоколы, сухогрузные суда, танкеры, спасательные буксиры, рефрижераторы, китобойцы, паромы, земснаряды. На всех судах применяются ГЭД нескольких типов и унифицированные распределительные щиты, возбудительные агрегаты и т. п. Выпуск таких судов большими сериями снижает единичную стоимость каждого судна.
3. Применение нереверсивных дизелей. На электроходах реверсируется ГЭД, а первичные двигатели работают при неизменном направлении вращения, при этом сокращается объем баллонов для сжатого воздуха и может быть уменьшена мощность компрессора. Низкооборотные реверсивные двигатели теплоходов имеют более сложную конструкцию высокую стоимость и большую массу. Количество реверсов ограничено для предотвращения износа и перегрева. Среднеоборотные дизели теплоходов с ВРШ должны иметь возможность реверса на случай отказа си стемы изменения шага.
4. Применение высокооборотных дизелей. Высокооборотные дизель-генераторы позволяют уменьшить массу и габариты ГЭУ, создают удобство размещения оборудования, что увеличивает грузовместимость и уменьшает стоимость установки. Отношение массы дизеля к частоте вращения 125 об/мин составляет 59 кг/кВт, а отношение массы дизеля к частоте вращения 800 об/мин — всего 9 кг/кВт. Таким образом, масса высокооборотного дизеля, применяемого на электроходе, почти в семь раз меньше массы низкооборотного дизеля той же мощности. Выгода в стоимости электрохода может быть получена при крупносерийном строительстве. Стоимость теплохода с ВРШ может оказаться больше, чем электрохода. Следует отметить, что современные электроходы с ГЭУ двойного рода тока имеют массу установки и стоимость больше, чем серийные теплоходы с такими же параметрами.
5. Дробление мощности ГЭУ. На дизель-электроходах число генераторных агрегатов обычно превышает число винтов. Существуют электроходы, где число агрегатов составляет 8, 6, 4, 3 и 2. При необходимости снижения хода часть агрегатов отключается, а оставшиеся работают с полной нагрузкой. При дроблении мощности установки, состоящей из четырех агрегатов, как показано на рис. 1, можно получить 91 % скорости хода при работе трех генераторов, 78% — при работе двух генераторов и 63% — при работе одного генератора. Такие же значения скорости хода можно получить на теплоходе с ВФШ при изменении частоты вращения дизеля, однако при уменьшении скорости хода на 25% удельный расход топлива увеличивается на 4%, а при снижении скорости на 50% — увеличивается примерно на 30-35%.
На теплоходе с ВРШ дизель работает при различных скоростях хода судна с минимальным удельным расходом топлива. При работе двух дизелей через редуктор на ВРШ может работать один дизель в экономическом режиме.
Дробление мощности электрохода позволяет производить ремонты на ходу судна, сберегать моторесурс неработающего дизеля; малогабаритные генераторные агрегаты удобно размещать. В заводских условиях возможна замена агрегата, выработавшего моторесурс.
6. Повышенные маневренные качества. ГЭУ постоянного тока применяются на судах с наиболее тяжелым режимом работа: при частом реверсировании, резком изменении момента на гребном винте вплоть до заклинивания, необходимости создания большого вращающего момента на винте при очень малой частоте его вращения. Как уже говорилось выше, регулировочные, перегрузочные и реверсивные качества электрохода постоянного тока лучше, чем теплохода. Количество реверсов теплохода ограничено до 18 — 20 из-за ограниченной емкости баллонов сжатого воздуха. Реверсирование с полного хода для теплохода является аварийным режимом и доится значительно дольше, чем на электроходе. При заклинивании гребного винта на теплоходе необходим новый воздушный запуск дизеля. Минимальная устойчивая частота вращения дизеля ограничена и составляет 30 — 40% от номинальной. Маневренные качества теплохода с ВРШ значительно лучше, однако перегрузочные возможности и быстрота реверсирования хода судна остаются бесспорными преимуществами электродвижения.
7. Возможность отбора мощности для питания собственных нужд. Эта задача полностью разрешается на электроходах двойного рода тока управляемыми выпрямителями. Иногда генератор постоянного тока используется для питания мощных насосов. На теплоходах с ВРШ применяется валогенератор, который работает на ходу судна и приводится от гребного вала через редуктор. Мощность валогенератора используется для питания собственных нужд. На стоянке судна работают вспомогательные дизель-генераторы. На электроходе с единой станцией на стоянке работает один из главных дизель-генераторов.
8. Отсутствие жесткой связи первичного двигателя с винтом. На электроходе винт непосредственно связан с ГЭД, причем длина валопровода значительно сокращается благодаря размещению ГЭД в кормовом отсеке. Отсутствует туннель гребного вала, уменьшаются потери на трение в подшипниках гребного вала, уменьшается вибрация кормы судна, возникающая при длинном валопроводе во время дифферента судна, удары льда о винт на первичном двигателе не отражаются. На судах с горизонтальной погрузкой (ро-ро) размещение ГЭД в корме судна позволяет уменьшить высоту машинного отделения.
Дизель-генераторы могут быть размещены в самом носу судна т. е. в месте, неудобном для грузовых помещений.
9. Бесперебойная работа ГЭУ при оголении гребного винта. В штормовую погоду при килевой качке происходит частичное оголение винта. Дизель, работая практически вхолостую, повышает частоту вращения, что может привести к срабатыванию предельного регулятора скорости и к остановке дизеля, после чего необходим новый запуск. При попадании винта в воду на нем возрастает момент сопротивления пропорционально квадрату возросшей частоты вращения и дизель вследствие внезапной перегрузки может остановиться. На дизель-электроходе оголение винта не вызывает перебоев в работе гребной установки, так как ГЭД быстро приспосабливается к изменению нагрузки с помощью системы автоматического регулирования.
10. Возможности получения максимального к. п.д. винта путем подбора наивыгоднейшей номинальной частоты вращения ГЭД. При выборе оптимального гребного винта необходимо знать следующие основные данные судна: осадку, скорость хода, буксировочную мощность и частоту вращения винта. Различные судовые дизели одинаковой мощности имеют примерно одинаковую номинальную частоту вращения, поэтому винты подбираются по буксировочной мощности, а оптимальной частотой вращения приходится пренебрегать. ГЭД электроходов выпускаются на заданные мощности, и их номинальная частота вращения обеспечивает оптимальную частоту вращения винта, что дает возможность получить максимальные к. п. д. гребного винта.
1. Высокая стоимость и большая масса установки. Современные ГЭУ двойного рода тока с неуправляемыми и управляемыми выпрямителями; имеют стоимость и массу установки больше, чем энергетическая установка теплохода. В то же время стоимость энергетической установки теплохода с классом автоматизации А1 и А2 (безвахтенное обслуживание машинного отделения) достаточно велика. Благодаря преимуществам ГЭУ с единой станцией во время эксплуатации большие строительные расходы полностью окупаются.
2. Недостатки высокооборотного дизеля. Основным недостатком высокооборотного дизеля следует считать малый моторесурс до капитального ремонта. Для дизелей ГЭУ моторесурс составляет 20 тыс. — 30 тыс. ч. Низкооборотные дизели имеют моторесурс до 100 тыс. ч. Однако объем и стоимость ремонта дизелей ГЭУ во много раз меньше, чем низкооборотных дизелей теплоходов. Уровень шума высокооборотных дизелей значительно выше, чем низкооборотных. Высокооборотные дизели требуют более дорогого и высококачественного топлива и масла. В настоящее время поставлены очень высокие требования в отношении незагрязнения среды обитания. Высокооборотные дизели, работающие на качественном топливе, в меньшей степени загрязняют атмосферу.
3. Увеличенный штат машинной команды. На отечественных электроходах при полном штате механиков и мотористов ГЭУ и электрооборудование обслуживают три-четыре электромеханика и несколько электриков. На теплоходе электрооборудование обслуживает один электромеханик и один — три электрика. На зарубежных ГЭУ штат машинной команды меньше, чем на теплоходе, благодаря сокращению числа механиков и мотористов.
4. Повышенный расход топлива из-за потерь в электропередаче в режиме полного хода. Потери в электропередаче и кабеле достигают 12—17%, поэтому перерасход топлива на электроходе по сравнению с теплоходом должен быть в таких же пределах. Однако на электроходе средний и малый ход создаются при отключении части агрегатов и полной загрузке оставшихся в работе.
Источник
Судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС)
Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива
ИА Neftegaz.RU. Первые судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) появились в начале 20-го века. Датское судно Зеландия, построенное в 1912 г, имело дизельную установку с 2-мя дизелями мощностью по 147,2 кВт.
В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС.
Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт.
Дизельная энергетическая установка состоит из 1-го или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов.
В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на 4-тактные и 2-тактные.
Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.
По частоте вращения ДВС разделяются на:
В 60-х гг одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.
Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами).
Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке.
Кроме главного двигателя предусмотрены еще 2 вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы.
Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов.
Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю.
При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей.
Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла.
Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла.
Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла.
Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.
Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения.
Принцип действия 4-тактного ДВС показан на рисунке ниже.
В 4-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 поворота коленчатого вала, т. е. за 4 хода поршня.
Механическая работа совершается только за время 1-го такта, 3 остальных служат для подготовки.
При 1-м такте поршень движется в направлении коленчатого вала.
Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр.
В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время 2-го такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление.
Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива.
При достижении давления 19,62-39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94-3,43 МПа и температура 550-600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92-4,91 МПа и 600-700°С.
Принцип действия 4-тактного дизеля.
Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения.
Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. 3-й такт является рабочим.
Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу.
Во время 4-го такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.
4-тактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.
Принцип действия 2-тактного дизеля.
В рабочий цикл 2-тактного дизеля входят 2 такта, или 1 оборот коленчатого вала.
1-й такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении.
Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисунке.
Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в 4-тактном ДВС.
В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова.
Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.
Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания.
Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за 1 рабочий цикл.
Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.
Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром.
Во всех выпускаемых 4-тактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.
Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.
В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14-0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.
2-тактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами.
Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт.
В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах.
2-тактные дизели имеют очень большие размеры и массу.
Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600-800 т.
Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:
— увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);
— уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);
— уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).
Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.
Источник
Обзор конструкций судовых дизелей
Содержание
С ростом наддува обычно увеличиваются максимальные давления цикла, что неизбежно влечет за собой рост механических нагрузок, вызывающих повышение напряжений и деформацию конструктивных элементов.
Это потребовало изменений в законе подачи топлива, ее продолжительности и качества распыливания (давления впрыска увеличены с 500-700 бар до 1200-1500 бар).
Дымная работа двигателей обычно отмечается на режимах малых нагрузок и на переходных режимах. Чтобы это устранить, потребовалось улучшить воздухоснабжение двигателей на этих режимах путем реорганизации системы наддува, применения ГТК с более высокими кпд, перенастройки их на эффективную работу на пониженных нагрузках и пр.
Ниже приводится информация по судовым двигателям, выпускаемым ведущими фирмами мира. К великому сожалению, отечественная промышленность сегодня находится в тяжелом положении, новые разработки практически не ведутся, а ранее производившиеся модели двигателей не удовлетворяют требованиям современного судостроения. Исключение составляют лишь 2-тактные малооборотные двигатели модели МС, производимые Брянским машиностроительным заводом по лицензии фирмы MAN Diesel.
Четырехтактные среднеоборотные двигатели фирмы «МАН Дизель»
На двигателе установлены радиальные турбонагнетатели. Для увеличения давления воздуха при переходе на частичные нагрузки предусмотрено байпасирование наддувочного воздуха на вход в газовую турбину (рис. 15.2). В дополнение к отмеченному, при необходимости увеличить крутящий момент на пониженных оборотах прикрывается клапан байпаса выхлопных газов. На газовую турбину поступает большее количество газов, и это увеличивает производительность турбокомпрессора.
Следует отметить следующие интересные особенности конструкции этой модели двигателя. Так, максимальное давление сгорания может быть отрегулировано сразу по всем цилиндрам путем изменения угла опережения подачи топлива разворачиванием венца шестерни распределительного вала.
Способность двигателя воспринимать быстро возникающую нагрузку зависит от реакции турбокомпрессора, его способности быстро поднимать давление наддувочного воздуха и его количество, необходимые для сгорания увеличивающегося количества впрыскиваемого топлива. С целью увеличения реакции турбокомпрессора на двигатель устанавливается автоматически действующий Лямбда-регулятор, который быстро разгоняет турбокомпрессор и тем самым создает необходимую подачу воздуха. Это не только повышает реакцию турбокомпрессора на изменение нагрузок, но и устраняет дымление двигателя на переходных режимах.
Лямбда-регулятор включает: цилиндр, поршень которого нагружен пружиной; рычаг, связанный с рейками ТНВД (индекс ТНВД); клапан, управляющий связью с баллонами сжатого воздуха и сопла подачи воздуха в рабочий аппарат ГТК (рис. 15.4).
Задачи Лямбда регулятора:
Двухтактные малооборотные судовые двигатели фирмы «МАН Дизель»
Фирма МАН на своем заводе в Аугсбурге совместно с Р. Дизелем в 1893 г. создала первый в мире одноцилиндровый дизель. В дальнейшем она развивала конструкции мощных 4- и 2-тактных дизелей. В 1960 г. двигатели модели КZ имели ре = 5,2 бар, pz = 50 бар и ge = 220 г/кВтч. В результате модернизаций в модельном ряду KSZ-C (1979 г.)pe удалось повысить до 14,3 бар и уд. расход топлива снизить до 189 г/кВтч. Последующие работы показали, что применяемая фирмой контурная схема газообмена 2-тактных двигателей является неперспективной для дальнейшей их форсировки, с ростом которой существенно повышались температуры втулок в зоне выхлопных окон, и это приводило к задирам ЦПГ, поэтому фирма отказалась от дальнейшего развития и производства своих двигателей с контурной схемой газообмена. Был приобретен контрольный пакет акций фирмы «Бурмейстер и Вайн» и фирма перешла на производство двигателей с прямоточными схемами газообмена. С этого времени (1984 г.) объединенная компания получила наименование «MAN&BW». С 01 сентября 2006 г. ее наименование изменилось на «МАН Дизель».
Первый модельный ряд двигателей компании с прямоточно-клапанной продувкой получил наименование МС. Выше приводится таблица параметров этого модельного ряда.
Наряду с переходом на прямоточно-клапанную схему газообмена в конструкцию двигателей модельного ряда МС был внесен ряд усовершенствований. Так, была увеличена высота головки поршня и снижено расположение поршневых колец относительно поверхности донышка поршня, что повысило надежность и ресурс поршневой группы. В двигателях с большими диаметрами цилиндров перешли с двух форсунок на три, это позволило равномернее распределить тепловые потоки в камере сгорания (рис. 15.7), что было особенно важно в связи с дальнейшей форсировкой рабочего процесса (среднее эффективное давление увеличилось с 15,1 до 19,1 бар). Для непрерывного контроля температур верхней части втулок цилиндров в них были установлены датчики температуры. По изменению температур обслуживающий персонал получает информацию о возможных нарушениях в работе форсунок и поршневых колец. В целях получения информации о протекании рабочего процесса в цилиндрах двигателя на двух шпильках крепления крышек каждого цилиндра по желанию заказчика могут быть размещены тензодатчики. Чтобы избежать влияния нагрузок от нормальных сил, подбираются шпильки, расположенные ближе к диаметральной плоскости. Датчики утапливаются в канавки и покрываются защитным покрытием. Сигналы направляются для обработки на компьютер, туда же поступают сигналы от двух оптических датчиков.
Двигатели с электронным управлением MCE
В целях дальнейшего упрощения конструкции, повышения надежности и экономичности, снижения эмиссии вредных составляющих выхлопных газов и пр. фирма, взяв за основу модельный ряд двигателей МС, провела их модернизацию с использованием средств электроники.
Введение электронного управления и гидравлических приводов взамен механических позволило отказаться от:
Взамен на двигатели были установлены:
Четырехтактные двигатели фирмы «Вяртсиля»
В течение последнего десятилетия фирмой «Вяртсиля» были разработаны и с 1992 г. представлены на рынок судовые двигатели нового поколения, включающего семь типоразмеров. Был увеличен уровень форсировки рабочего процесса до рe = 22-27 бар и рz = 165-175 бар, повышены экономичность и моторесурс (до 24 000 часов), снижена эмиссия выхлопа и двигатели приспособлены к сжиганию тяжелых и легких топлив. Это потребовало установки новых, более эффективных газотурбокомпрессоров и реорганизации рабочего процесса путем внедрения аккумуляторной системы топливоподачи или установки двухплунжерных топливных насосов высокого давления (см. рис. 15.9).
Расширение образующихся продуктов сгорания начинается сразу же за ВМТ, и продолжительность периода повышенных температур и образования NOх таким образом существенно сокращаются. Этот метод используется в двигателях «Вяртсиля 46».
Совершенно новой является разработка фирмы в области снижения NOх (рис. 15.11).
Задача предлагаемой установки WETPAC состоит в увлажнении воздуха, подаваемого в рабочие цилиндры. Этим достигается снижение температур сгорания и образования NOх. Предварительно сжатая вода впрыскивается в воздух, поступающий из ГТК. Благодаря высокой температуре воздуха вода испаряется, и она в виде пара поступает в рабочие цилиндры.
На выходе из WETPAC установлен улавливатель находящейся в жидкой фазе воды, так как она может интенсифицировать процессы коррозии рабочих поверхностей цилиндра. WETPAC не входит в стандартную комплектацию двигателя и поставляется по дополнительному соглашению.
Двигатель «ВЯРТСИЛЯ 20»
В отличие от ранее выпускавшихся моделей фирма пошла на снижение частоты вращения при одновременном повышении среднего эффективного давления, и это позволило одновременно с рядом конструктивных усовершенствований адаптировать новый модельный ряд к использованию тяжелых топлив при одновременном повышении моторесурса.
Во избежание сернистой коррозии поднят уровень температур рабочей поверхности втулок цилиндров.
Втулки отлиты из сфероидального графита, обладающего высокой износостойкостью. Во избежание полировки цилиндра нагаром, откладывающимся на боковых стенках поршней и вызывающим местные износы и увеличение расхода масла, в верхней части втулки вставляется антиполировочное кольцо.
Поршни композитного типа со стальной головкой и тронком, отлитым из износостойкого сфероидального графита.
Исследования показали, что этот материал наилучшим образом удовлетворяет требованиям современных двигателей, работающих в условиях высоких давлений и температур в камере сгорания. Малые потери на трение обеспечиваются применяемой «Вяртсиля» подачей масла на тронк непосредственно через отверстия в тройке (см. рис. 15.13).
Известно, что 70-80% потерь на трение в поршневых двигателях приходится на трение поршней. Этим объясняется, что фирма пошла на сокращение количества уплотнительных колец до двух и покрытия их специальным антифрикционным составом. Отложения нагара в канавках поршневых колец отрицательно сказывается на их ресурсе. Чтобы этого избежать, нужно обеспечить необходимый баланс давлений над и под каждым кольцом. Как показали исследования фирмы, этому балансу способствует снижение числа колец до двух.
Поскольку максимальное давление в цилиндрах достигает 200 бар, верхняя половинка шатунного (мотылевого) подшипника выполняется без маслораспределительной канавки и благодаря применению косого разъема увеличен диаметр шейки. Это позволило увеличить толщину масляной пленки, хорошо противостоять высоким нагрузкам. Аналогично увеличены размеры шеек коленчатого вала. В тронковых двигателях ранних моделей при работе на тяжелых топливах имела место коррозия подшипников. Чтобы этого избежать, в новом поколении двигателей в подшипниках применяются коррозионно-стойкие материалы.
В топливовпрыскивающей аппаратуре все элементы высокого давления рассчитаны на 2000 бар при рабочем давлении не более 1500 бар. ТНВД золотникового типа с регулированием по концу подачи. Форсунки неохлаждаемые, но для противостояния износам при высоких температурах подвергнуты специальной термообработке.
Турбонагнетатели импульсного типа, при числе цилиндров свыше шести применяются конвертеры.
Двигатель «Вяртсиля 64»
Двигатели моделей 32, 38, 46 и 64 имеют сходные конструктивные решения. Ниже показаны основные решения, принятые в двигателях В64. Упоминавшееся ранее решение подвода масла на смазку тройка поршня иллюстрируется рис. 15.13.
Как видно из рис. 15.14, мощный развитый фланец втулки обеспечивает ей высокую прочность и жесткость, способность противостоять высоким давлениям в цилиндре, достигающим 200 бар. Охлаждающая вода входит в радиальные отверстия в нижней части фланца и поднимается вверх по вертикальным сверлениям до верха фланца.
Положение сверлений рабочей поверхности втулки выбрано таким образом, чтобы ее температуры исключали лако- и нагарообразование и в то же время минимизировали сернистую коррозию при работе на тяжелых топливах.
Охлаждение крышки цилиндра организовано также с помощью сверлений, способствующих интенсификации охлаждения огневого днища и седел выхлопных клапанов (рис. 15.15).
Шатуны двигателей большой размерности с нижней головкой морского типа, что позволяет увеличить диаметр мотылевого подшипника и одновременно обеспечит выем шатуна через цилиндр. Верхняя головка шатуна ступенчатого типа с развитой нижней, в основном, рабочей поверхностью головного подшипника (рис. 15.16).
Распределительный вал разделен на секции (рис. 15.17), отдельные для каждого цилиндра. Это упрощает его демонтаж и при необходимости заменять те секции, кулачки которых требуют замены.
С 2000 г. фирма «Вяртсиля» перешла на топливные системы аккумуляторного типа, предоставляющие неограниченные возможности по настройке процесса впрыска в соответствии с режимом работы двигателя, что обеспечивает высокую экономичность и низкий уровень эмиссии выхлопных газов в широком диапазоне оборотов и нагрузок, включая переходные режимы и режимы малых оборотов.
Двигатели оборудованы газотурбокомпрессорами с высокой производительностью, способными обеспечить давление наддува до 4,5 бар. Сжатый воздух направляется в воздухоохладитель, в котором в качестве охладителя используется пресная вода, применяемая для охлаждения цилиндров. В отличие от обычно используемой в воздухоохладителях забортной воды, в рассматриваемом варианте исключается коррозия трубок охладителя. На входе воздуха в ресивер установлен влагоотделитель. ГТК работают при постоянном давлении, в отличие от моделей двигателей малой размерности выпускные газы направляются в один общий коллектор.
Двигатель ZA40S («Вяртсиля-Зульцер»)
Производство двигателей Z-40 было начато фирмой «Зульцер» в 1967 г., первоначально это были 2-тактные двигатели с цилиндровой мощностью 440 кВт, в середине 70-х годов двигатель был модифицирован в 4-тактную конструкцию, цилиндровая мощность была поднята до 530-550 кВт при ре = 18,24 бар и n = 600 об/мин.
При модернизации двигателя степень сжатия потребовалось увеличить, чтобы поднять температуры в конце сжатия и тем самым улучшить условия воспламенения тяжелых топлив. Максимальное давление сгорания рz в ранних моделях двигателей составляло 132 бар, в последних моделях за счет увеличения степени сжатия pz поднято до 150-155 бар.
Нужно отметить, что проблеме экономичности работы в зоне малых нагрузок разработчиками уделялось большое внимание, так как с самого начала двигатели этого ряда создавались для использования на паромах, круизных судах, ледоколах, буксирах, где существенную долю времени занимают долевые нагрузки. Поэтому в двигателях была реализована идея «VIT», обеспечивающая при уменьшении нагрузки сохранение Pz на достаточно высоком уровне путем увеличения угла опережения подачи топлива с помощью косой кромки на плунжере ТНВД.
Наличие двухступенчатого воздухоохладителя позволяет осуществлять подогрев наддувочного воздуха на режимах малых нагрузок, что также улучшает работу двигателя в этих условиях.
При переходе на малые нагрузки был организован перепуск части наддувочного воздуха в поток поступающих в ГТК газов.
Использование высокоэффективного турбокомпрессора VTR4A предопределило наличие избытка воздуха на нагрузках свыше 85% от номинала (MCR). Это позволило ограничить рост максимального давления в цилиндрах путем ограничения роста давления в ресивере стравливанием излишнего воздуха в атмосферу.
К конструктивным особенностям двигателя прежде всего необходимо отнести оригинальное решение соединения поршня с шатуном, верхней головке которого придана сферическая форма. Это в сопоставлении с традиционным решением, основанным на использовании поршневого пальца, дает следующие преимущества:
Обычно смазка ЦПГ 4-тактных тронковых двигателей осуществляется маслом, поступающим путем разбрызгивания из кривошипной камеры, и единственным и не всегда достаточным средством регулирования количества масла, остающегося на поверхности цилиндра в зоне колец, являются маслосъемные кольца.
Гораздо надежнее смазка поршневой группы осуществляется при принудительной и, что важно, регулируемой подаче с использованием лубрикаторов. Это решение, хорошо зарекомендовавшее себя в двухтактных двигателях фирмы, применено и в двигателях Z40.
В привод лубрикатора встроен механизм, позволяющий изменять подачу масла в зависимости от нагрузки и тем самым уменьшать его расход на частичных нагрузках. От лубрикатора масло подводится по трубкам к нижней части втулок цилиндров, по сверлениям поднимается вверх и выводится на рабочую поверхность в зазор между поршнем и втулкой. Принудительная подача позволила переместить маслосъемное кольцо в нижнюю часть юбки и расположить его в зоне, где втулка цилиндра при всех положениях поршня практически не изнашивается, и это, естественно, существенно улучшает условия работы кольца и его износ. Отмеченные мероприятия стабилизировали и уменьшили расход масла до 0,7-1,5 г/кВтч.
Поршень составной, головка охлаждается маслом, поступающим из верхней головки шатуна. В последней модификации ранее существовавшие полости охлаждения заменены на сверления, обеспечившие интенсификацию охлаждения за счет взбалтывания в них масла (коктейльный эффект).
Асимметричная деформация поршней даже при придании им бочкообразной формы нередко при перегрузках является причиной задиров ЦПГ.
При проверке состояния подшипников следить за плотностью их посадки в постелях.
Двухтактные малооборотные судовые двигатели фирмы «Вяртсиля-Зульцер»
Фирмой «Зульцер» за период с 1976 г. по 2000 г. были разработаны и произведены следующие типы двигателей.
Выпускавшиеся фирмой двигатели с поперечно-щелевой продувкой начиная с 1957 г. (двигатели ряда RD) имели ре = 8,6 бар,рz = 75 бар и ge = 214 г/(кВтч). К 1980 г. в двигателях RLB ре удалось поднять до 12,7 бар, pz увеличилось до 120 бар и расход топлива снизился до 186 г/(кВтч). Дальнейшая форсировка двигателей была невозможна, и фирма «Зульцер» по аналогии с фирмой МАН вынуждена была прекратить дальнейшие работы по модернизации двигателей с поперечнощелевой схемой газообмена (см. рис. 15.20) и прекратить их производство. В 1983 г. был разработан новый модельный ряд RT, имеющий прямоточно-клапанную схему газообмена. В этих двигателях, как это видно из нижерасположенной таблицы, среднее эффективное давление было поднято до 15,4 бар (в последних моделях 19 бар) и удельные расходы топлива снижены до 181-173(163) г/(кВтч).
Следует заметить, что по конструктивным решениям двигатели MAH МС и двигатели «Зульцер» RT во многом схожи. Большое внимание в двигателях RT было уделено повышению ресурса цилиндро-поршневой группы. Была введена двухуровневая подача масла на смазку цилиндров, осуществлено глубокое хонингование зеркала цилиндра, для исключения сернистой коррозии отказались от охлаждения нижней и средней части втулки цилиндра и даже применена изоляция трубок, вставленных в сверления фланцевой части втулки.
Головки поршней выполнены со сверлениями, в которые охлаждающее масло для интенсификации подается по соплам (рис. 15.21). Рабочая поверхность всех поршневых колец профилирована (см. — Поршневые кольца ). На первое кольцо нанесено хромо-керамическое покрытие, на остальных кольцах нанесены покрытия, обеспечивающие хорошую обкатку. Увеличена толщина хромового покрытия канавок поршневых колец. Все это обеспечило хорошую микроструктуру рабочих поверхностей и способствовало увеличению ресурса между моточистками до трех лет.
Двигатели с электронной системой управления RT-Flex
Работы по дальнейшему совершенствованию двигателей серии RT привели к внедрению системы электронного управления, и на этой основе был разработан новый модельный ряд двигателей RT Flex.
Параметры первого двигателя RT Flex 50:
Задача внедрения электронного управления заключалась в дальнейшей оптимизации рабочего процесса, 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.
В новой модификации взамен распределительных валов с приводом традиционных ТНВД и гидроприводов выхлопных клапанов была применена аккумуляторная система топливоподачи и управления выхлопными клапанами, что существенно упростило конструкцию и расширило возможности управления.
Привод гидронасосов, необходимых для подачи масла и сжатия его до 200 бар с последующим использованием его в сервомеханизмах, осуществляется от вала двигателя или от электромотора.
На уровне крышек цилиндров располагаются аккумуляторы сжатого масла (200 бар) и топлива (до 1000 бар).
Давления масла и топлива в аккумуляторах в зависимости от режима могут регулироваться.
Двигатели фирмы «Катерпиллар»
Фирма «Катерпиллар» (США) является одним из мировых лидеров по производству высоко- и среднеоборотных дизелей и машин промышленного и транспортного применения, а также для использования на судах речного и морского флота в качестве главных и вспомогательных агрегатов. В продаже и сервисном обслуживании заняты 195 дилеров, размещенных на всех пяти континентах.
Фирма непрерывно модернизировала двигатели, главное внимание уделяя усовершенствованию рабочего процесса в целях снижения эмиссии вредных составляющих выхлопных газов, а также повышению экономичности и надежности двигателей.
Судовые двигатели 3500 и 3600 серий
Важно отметить, что в двигателях «Катерпиллар», обладающих большими запасами по уровням тепловой и механической напряженности, коэффициент момента, представляющий собой отношение максимально развиваемого момента к моменту на номинальном режиме, в зависимости от исполнения двигателя может достигать 1,2-1,5.
Напомним, что чем выше коэффициент момента, тем выше тяговые свойства двигателя, особенно важные для двигателей буксиров, ледоколов и пр. Увеличение крутящего момента при снижении оборотов достигается увеличением цикловой подачи топлива сверх ее номинальной величины, что обычно ограничивается уровнями тепловой и механической напряженности двигателя. Поэтому высокие тяговые свойства могут быть обеспечены лишь в двигателях, имеющих определенные запасы по уровням напряжений. Здесь существенную роль играет характеристика ГТК, который должен обеспечивать двигатель достаточным количеством воздуха не только на режимах полной мощности, но и в условиях пониженных оборотов и высокой нагрузки. Еще раз отметим, что в конструкцию двигателей «Катерпиллар» такие возможности заложены, и цикловая подача, а с ней и ре по отношению к номинальным значениям увеличиваются ориентировочно в 1,3 раза.
Двигатели последней модификации 3500В имеют электронную систему контроля и управления. Благодаря электронному управлению двигатель 3500В по праву можно отнести к новому классу «intelligent engines». Использование микропроцессора для управления двигателем дает ряд неоспоримых преимуществ. Прежде всего управление двигателем переходит от механического регулятора к электронному. Наличие компьютера позволяет осуществлять связь с двигателем и компьютером в офисе через модем по телефону. Обслуживающий персонал, подключив переносной компьютер (lap-top) к компьютеру двигателя (ЕСМ), может получить информацию о предшествующей работе двигателя за весь период его эксплуатации, содержащую сведения о режимах его работы, параметрах обслуживающих систем и всех случаях нарушений (перегревы, недостаточное давление масла, топлива и пр.). В случае выхода контролируемых параметров за установленные пределы автоматически снижается нагрузка либо двигатель останавливается. Кроме того, обслуживающий механик, используя портативный компьютер, может внести изменения в программу, перенастроив ее таким образом, чтобы двигатель лучше реагировал на условия, в которых он эксплуатируется. Помимо функций диагностики двигателя компьютерная программа осуществляет самодиагностику всей электронной схемы.
Двигатели 3600 серии
Двигатели 3600 серии производятся в 6, 8, 12, 16 и 18-цилиндровом исполнении. Двигатели 3600, как и двигатели 3500 серии, нереверсивные и комплектуются ВРШ или реверс-редукторами. Впрыск топлива осуществляется насос-форсунками с механическим приводом и механическим или электронным управлением от устанавливаемого в этом случае микропроцессора.
В двигателе 3618 мощность цилиндра увеличена до 400 кВт путем поднятия скорости до 1050 об/мин и рe до 24,7 бар при ps = 3,2 бар.
Особенности конструкции. Двигатель отличается простотой конструкции,основанной на традиционно используемых решениях, и обладает высоким ресурсом.
Остов двигателя представляет собой монолитный, чугунный, сухой блок-картер. На верхнюю плоскость блока устанавливается высокая рубашка, сверху на нее опирается крышка цилиндра и между ними образована полость охлаждения. Из нее охлаждающая вода переходит в крышку, а часть воды (до крышки) отбирается на охлаждение ГТК. В последней модификации турбокомпрессор не охлаждается, что исключает возможность коррозии его корпуса.
Коленчатый вал цельнокованый, подвесной.
Распределительный вал составной и состоит из секций по числу цилиндров, что существенно упрощает его демонтаж и замену отдельных секций.
С 1992 г. фирма перешла на длиноходные двигатели с S/D = 1,4—1,5.
Топливная аппаратура. Форсунки многодырчатые, охлаждаемые маслом, отбираемым из общей системы смазки.
Турбонаддув ранее был организован по импульсной схеме, в двигателях нового поколения фирма перешла на изобарный наддув. Давление наддува на режиме полной мощности составляет 3,25 бар, температура воздуха за воздухоохладителем 45°С.
Давление наддува на режиме полной мощности составляет 3,25 бар, температура воздуха за воздухоохладителем 45°С.
По своему конструктивному исполнению двигатель подобен ранее выпускавшимся фирмой двигателям МАК20, МАК32 и создавался с использованием опыта их производства и эксплуатации.
К конструктивным особенностям двигателя относится использование шатуна с разъемом стержня с верхней головкой, что позволяет уменьшить монтажную высоту и упростить операции по демонтажу поршня и мотылевого подшипника. Для производства последней операции нет необходимости в демонтаже крышки цилиндра и выемке поршня из цилиндра. Кормовой рамовый подшипник в целях его усиления и упрощения монтажа изготавливается из двух частей. Турбонаддув организован по импульсной схеме, турбокомпрессоры имеют неохлаждаемый корпус, в них применены подшипники скольжения со смазкой от общей системы циркуляционной смазки. Монтаж двигателей на судовом фундаменте осуществляется с использованием патентованных эластичных антивибраторов.
Литература
Источник
