Техническое развитие в эксплуатации судовых двигателей

Развитие современного мирового транспортного теплоходостроения характеризуется непрерывным ростом суммарной мощности. Наименьшая себестоимость эксплуатации судовых дизелей является определяющим фактором в развитии теплоходостроения. Широкий диапа­зон агрегатной мощности выпускаемых судовых дизелей (от 3 до 50 000 э. л. с.) полностью обеспечивает потребность судостроительной про­мышленности. На судах внутреннего плавания главным образом применя­ются четырехтактные дизели с газотурбинным наддувом среднеоборотные (275—750 об/мин) и многооборотные (больше 750 об/мин). При одинаковых рабочих объемах и мощности и, следовательно, разных средних эффектив­ных давлениях тепловая нагрузка цилиндра у двухтактных дизелей на 30% больше, а поршня на 50%, чем у четырехтактных дизелей. Таким обра­зом, четырехтактные дизели при одинаковой литровой мощности с двухтакт­ными имеют меньшую тепловую нагрузку стенок цилиндра, чем двухтактные дизели. При форсировке современных дизелей по среднему эффектив­ному давлению последнее обстоятельство имеет весьма важное значение

Двухтактные среднеоборотные дизели с контурными системами продув­ки вследствие худшей очистки цилиндра имеют более высокий удельный расход топлива, чем четырехтактные дизели.

Указанные преимущества и определили более широкое применение- четырехтактных дизелей на судах внутреннего плавания как у нас в Совет­ском Союзе, так и за границей.

Следует отметить, что в качестве судовых находят применение и тепло­возные дизели, форсированные как по среднему эффективному давлению, так и по числу оборотов. Малые габаритные размеры и малый вес тепловоз­ных дизелей с мощностью 3000—4000 л. с. определяют перспективу их применения на мощных буксирах-толкачах. Наряду с дизелями с одноряд­ным расположением цилиндров находят применение дизели с многорядным расположением цилиндров. При таком расположении цилиндров число их достигает 16, 18, 24 и больше. Дизели с таким большим числом цилиндров имеют малые размеры цилиндра, а потому допускают высокое максималь­ное давление цикла, сохраняя допустимые удельные давления на подшип­ники шатунно-мотылевого механизма. Высокое максимальное давление цикла, как результат интенсификации процесса сгорания, позволяет уве­личить теплоиспользование в цилиндре и тем самым снизить удельный расход топлива.

Средняя скорость поршня в значительной мере определяет срок службы дизеля (моторесурс). С повышением средней скорости поршня возрастают тепловые и динамические напряжения в деталях его. Однако в последние годы наблюдается некоторый рост средней скорости поршня судовых дизе­лей.

Дизели с непосредственной передачей мощности на гребной винт имеют среднюю скорость от 5,5 до 6,6 м/сек.

Дизели с промежуточной передачей мощности на гребной винт имеют среднюю скорость поршня от 6 до 9 м/сек.

Увеличение плотности воздушного заряда путем повышения давления и понижения температуры наддувочного воздуха не только позволяет уве­личить цикловую подачу топлива и соответственно увеличить среднее эффек­тивное давление, но и повышает теплоиспользование в цилиндре, а следо­вательно, также способствует увеличению среднего эффективного давления. У современных дизелей с наддувом среднее эффективное давление достигает значения 18 кГ/см².

Применение газотурбинного наддува и совершенствование процессов смесеобразования и сгорания топлива позволили в судовых дизелях зна­чительно снизить удельный расход топлива.

У современных четырехтактных дизелей с газотурбинным наддувом удельный эффективный расход топлива составляет 0,140—0,155 кг/э. л. с. ч и у двухтактных малооборотных дизелей с наддувом — 0,155— 0,160 кг/э. л. с. ч.

Применение наддува позволило значительно снизить удельный вес судового дизеля.

Современные судовые дизели имеют следующий удельный вес

Дальнейшее совершенствование процессов смесеобразования и сгора­ния топлива, теплоизоляционные покрытия донышка поршня и крышки цилиндра повысят теплоиспользование в цилиндре дизеля.

Использование тепла выпускных газов в газотурбонагнетателе, а затем в утилизационном котле повышает к. п. д. дизеля и всей установки судна. Применение повышенных давлений наддувочного воздуха (Р_к = 1,8? 2,5 кГ/см²) позволит повысить механический к. п. д. дизеля и соответ­ственно снизить удельный эффективный расход топлива.

Наметившееся осуществление автоматической оптимизации режимов работы судового дизеля (самонастраивающийся дизель) значительно по­высит технико-экономические показатели работы его.

Важнейшей задачей судового дизелестроения на ближайшие годы яв­ляется повышение моторесурса быстроходных дизелей до 10 тыс.—12 тыс. ч и дизелей средней оборотности до 35 тыс. —45 тыс. ч.

Моторесурс дизелей в значительной степени обусловливается сортом используемого в них топлива. В настоящее время все дизели судов внутрен­него плавания эксплуатируются на дизельном, сернистом топливе (за исклю­чением двигателей судов на подводных крыльях). Это обстоятельство, вместе с увеличением форсировки двигателей является серьезным препят­ствием на пути повышения их моторесурса. Проведенные исследования на серийных дизелях средней оборотности с замкнутой системой охлаждения показали, что при увеличении содержания серы в топливе с 0,2 до 0,7% скорость изнашивания основных деталей возрастает примерно на 30%.

Поэтому для повышения моторесурса судовых дизелей является необ­ходимым правильный выбор сорта смазочного масла и топлива. Примером этого могут служить результаты исследований, выполненных на кафедре судовых ДВС ЛИВТа по подбору масел с высокоэфффективными присад­ками для дизелей 8NVD36, получивших широкое распространение на флоте. При переводе этих дизелей с масла ДСП-11 на масло М-12В с присадками 1-й серии скорости изнашивания цилиндровых втулок и поршневых колец снижаются в среднем соответственно в 2,1 и 1,6 раза. Нагароотложение на деталях снижается также примерно в 2 раза, а угар масла — на 10—15%. Помимо этого, в отличие от масла ДСП-1, масло М-12В обеспечивает нор­мальную подвижность поршневых колец в течение всей навигации.

В общем случае выбор сорта масла производится на основании резуль­татов лабораторных (с применением радиоиндикаторного метода контроля скоростей изнашивания деталей) и последующих натурных испытаний по указанным выше четырем показателям: антиизносным и моющим свойствам, величине угара и влиянию на состояние поршневых колец. При этом для однотипных дизелей, эксплуатируемых в различных условиях, могут быть рекомендованы разные сорта масел. В частности, для судовых вспомога­тельных двигателей, эксплуатируемых преимущественно на долевых нагруз­ках, целесообразно применять масло ДС-11+4% БФК-1 : 0,25% ЛАНИ-317, которое обеспечивает на этих режимах меньшие скорости изна­шивания деталей цилиндро-поршневой группы по сравнению с маслом М-12В (с присадкой ВНИИ НП-370) при одинаковых моющих свойствах, величинах угара и влияния на состояние поршневых колец с по­следним.

Улучшение качества смазочного масла обусловливает возможность продления службы в дизелях, что является в настоящее время весьма важ­ным, так как стоимость высококачественных современных масел в 5—6 раз выше стоимости дизельного топлива.

Результаты исследования возможности продления сроков службы масел в дизелях заставили пересмотреть установившиеся взгляды на изменение их эксплуатационных качеств в процессе работы. Анализ скоростей изнаши­вания деталей показал, что в процессе работы масел с высокоэффективными присадками антиизносные свойства их до определенного периода улучша­ются за счет возрастания количества смолистых веществ при практически неизменных моющих свойствах. Это позволило увеличить для главных судо­вых двигателей средней оборотности сроки службы масел до 24000 ч и тем самым обеспечить их работу без смены масла в течение навигации.

Значительного снижения скоростей изнашивания деталей можно до­стигнуть путем уменьшения скорости нарастания давления в процессе сго­рания топлива в цилиндре дизеля. Для судовых дизелей последнее наибо­лее целесообразно осуществлять применением двухфазного способа пода­чи топлива, уменьшением на долевых нагрузках угла опережения подачи топлива и применением форсунок с гидравлическим закрытием игл, так как эти мероприятия одновременно обеспечивают заметное повышение экономич­ности.

Исследования, проведенные на дизелях 6NVD48 и 6ЧС15/18, показали, что при осуществлении подачи топлива в цилиндр в две фазы скорость нара­стания давления снижается до 20%, а удельный расход топлива уменьшается до 10%. При сохранении удельного расхода топлива неизменным скорость нарастания давления уменьшается более значительно.

В последние годы двухфазная подача топлива все больше и больше находит применение в судовом дизелестроении, так как наряду с указан­ными выше достоинствами она обеспечивает вполне удовлетворительное сжи­гание в дизелях средней оборотности дешевых топлив повышенной вязкости.

Результаты испытаний главного судового двигателя 6NVD48 позво­лили установить, что за счет уменьшения угла опережения подачи топлива до оптимальных для каждого скоростного режима работы значений можно добиться на долевых нагрузках снижения удельного расхода топлива до 5% и скорости нарастания давления до 30% Уменьшение угла опережения подачи топлива с 26 до 16—18° п. к. в. у вспомогательных двигателей типа Ч10,5/13 обеспечило на режиме 25% нагрузки, при практически неизменной экономичности, снижение скоростей изнашивания деталей цилиндро-порш­невой группы на 20—25%. Приведенные цифры свидетельствуют о том, что в ближайшее время судовые дизели необходимо снабдить устройствами, обес­печивающими автоматическое поддержание оптимальных величин углов опережения подачи топлива на всех эксплуатационных режимах работы.

Большой экономический эффект дает внедрение на флоте форсунок с гидравлическим закрытием игл. Испытания в лабораторных и натурных условиях позволили установить, что замена ими штатных пружинных фор­сунок позволяет повысить экономичность работы серийных дизелей до 5%, значительно уменьшить скорости изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы и во много (8—10) раз увеличить срок службы распылителей фор­сунок. Одновременно, что очень важно, применение указанных форсунок позволяет значительно снизить минимально-устойчивое число оборотов судо­вого дизеля.

Большое положительное влияние на экономичность и моторесурс дизе­лей, особенно эксплуатируемых на сернистом топливе, оказывает поддер­жание высоких (75—80° С на выходе из двигателя) температур охлаждаю­щей воды на всех режимах их работы.

Исследования, выполненные на наиболее распространенных на флоте дизелях, показали, что при работе на топливе с содержанием серы до 1% повышение температуры воды примерно с 50 до 80° С на выходе из двига­теля (переход с проточных систем охлаждения на замкнутые) снижает ско­рости изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы в среднем на 35— 40%. Одновременно с этим наблюдается уменьшение удельного расхода топ­лива, причем тем значительнее, чем ниже нагрузка дизеля. Например, у дизелей типа Ч10,5/13 при повышении температуры охлаждающей воды с 50 до 80° С удельный расход топлива на номинальном режиме снизился примерно на 5,5%, а на режиме 25% нагрузки — на 10,2%.

Следует отметить, что в последние годы вообще вопросам улучшения показателей работы дизелей на долевых нагрузках уделяется большое вни­мание. Связано это с тем, что в ряде бассейнов главные судовые двигатели значительную часть времени эксплуатируются на долевых нагрузках, а для судовых вспомогательных двигателей указанные режимы являются преоб­ладающими. Исследования, выполненные на вспомогательных двигателях,

показали, что, помимо отмеченных выше повышения температуры охлаж­дающей воды и уменьшения угла опережения подачи топлива, эффектив­ными путями повышения экономичности и моторесурса дизелей на долевых нагрузках являются подогрев подаваемого в цилиндры топлива, регулиро­вание по нагрузке величины затяга пружины форсунки и «утепление» каме­ры сгорания. В частности, для дизелей 4NVD24 подогрев воздушного заряда с 30 до 50° С путем перепуска части отработавших газов на всасывание поз­волили снизить часовой расход топлива на режиме 25% нагрузки с 6,16 до 5,84 кг/ч. Одновременно с этим, перепуск части отработавших газов на вса­сывание в период подогрева двигателя уменьшает его примерно в 2 раза и тем самым оказывает большое положительное влияние на срок службы деталей. Приведенные данные свидетельствуют о необходимости создания в ближайшие годы судовых дизелей, снабженных устройствами для автома­тического поддержания оптимальных показателей работы на всех эксплуа­тационных режимах.

Значительное влияние на экономичность малоразмерных вспомогатель­ных двигателей без наддува оказывает замена в них разделенных камер сго­рания на полуразделекные. Так, например, замена вихревой камеры сгора­ния в дизелях 64 12/14 на камеру в поршне обеспечила снижение расхода топлива на номинальном режиме с 200 до 180 г/э. л. с. ч.

В рассмотренных выше направлениях совершенствования судовых дизе­лей в настоящее время ведутся большие работы. Одновременно с этим успеш­но разрешается ряд важных проблем по улучшению надежности отдельных узлов, пусковых качеств некоторых двигателей, снижению уровня их шума и т. д. Поэтому есть все основания полагать, что в ближайшие годы на судах внутреннего плавания будут эксплуатироваться дизели, полностью отве­чающие современным требованиям.

Специфическими особенностями эксплуатации судовых дизелей явля­ются широкий диапазон изменения чисел оборотов и нагрузки, непрерыв­ная и длительная работа при мощности, соответствующей полному ходу судна, длительная работа на задний ход, а также при кренах и дифферен­тах, пуск в ход под нагрузкой и при низких температурах воздуха, быстрые и частые пуски и реверсы при маневрировании и расположение двигателей в стесненных условиях машинных отделений.

Эффективным средством, способствующим обнаружению недостатков в работе силовых установок и разработке мер по их устранению, а также поддержанию нормальных заданных режимов работы и эксплуатационно- технических показателей судов, является их теплотехнический контроль.

Необходимым условием нормальной эксплуатации двигателей являются планово-предупредительные осмотры, профилактические работы и ремонты. Поэтому осмотры, вскрытия, проверки, дефектация, ремонт и замена изно­шенных деталей и узлов должны производиться систематически и своевре­менно. В то же время необходимо иметь в виду, что необоснованно частые разборки отдельных узлов, как и преждевременный ремонт и замена деталей, вредны, так как при этом приработанные поверхности подвижных деталей меняют свое взаимное положение, увеличивается вероятность возрастания отдельных погрешностей сборки, недоиспользуется располагаемый мото­ресурс деталей и увеличиваются объем и стоимость ремонта.

Наиболее объективным критерием для оценки уровня технической экс­плуатации дизелей является скорость изнашивания их деталей. Одновре­менно она является одним из основных критериев, определяющих необхо­димость и объем ремонта.

В настоящее время планирование ремонта двигателей осуществляется по суммарному количеству отработанных им часов. При этом количество часов работы двигателя на разных нагрузках и удельный вес последних в общей продолжительности работы во внимание не принимаются. Это при­водит к необоснованному сокращению межремонтных периодов у ряда дви­гателей. В частности, у вспомогательных двигателей, эксплуатируемых на

теплоходах ряда проектов, вследствие преимущественной их работы на доле­вых нагрузках скорости износа деталей значительно выше, чем предусмо­трены установленными заводами-изготовителями сроками службы деталей. Поэтому моторесурс этих двигателей (и сроки между их ремонтами) должны быть увеличены примерно в 1,5 раза.

Наиболее достоверным показателем, на который можно ориентироваться при нормировании сроков ремонта двигателей, следует считать величины пре­дельно допустимых износов основных деталей, а также обусловленное ими отклонение параметров работы двигателей от номинальных, и в первую оче­редь изменение величины коэффициента избытка воздуха при сгорании.

Выполненные исследования показывают, что минимально допустимое значение коэффициента избытка воздуха при сгорании на номинальном ре­жиме работы дизеля равно

Коэффициент ?_ном? находится по значению суммарного коэффициента избыт­ка воздуха ?_?, определяемого по анализу выпускных газов:

Производя анализ выпускных газов и определяя суммарный коэффи­циент избытка воздуха, можно осуществлять контроль технического состо­яния дизеля и, не вскрывая цилиндров, установить срок ремонта деталей его. Контроль за работой дизеля по изменению коэффициента избытка воздуха при сгорании топлива не только позволяет объективно оценить его техни­ческое состояние, но и значительно увеличить период его работы до ремонта. Для этого необходимо, чтобы дизель работал на номинальном режиме при неизменном ?_ном. По мере изменения технического состояния судового дизеля (вследствие износа деталей цилиндро-поршневой группы и деталей топливной системы) сохранение ?_ном неизменным достигается уменьшением цикловой подачи топлива. Уменьшение мощности дизеля при этом на 5—8% не имеет существенно практического значения, а продолжительность ра­боты его до ремонта значительно возрастет.

В заключение необходимо отметить, что дальнейшее совершенствование технической эксплуатации судовых дизелей имеет большое значение в повы­шении рентабельности работы транспортного флота.