2 Морская механика на уровне управления

2.1 Оценка эффективности термодинамических процессов двигателя внутреннего сгорания

Дизель типа VBF это двухтактный, тронковый, реверсивный двигатель с прямоточно-клапанной продувкой и с импульсным газотурбинным наддувом. Наддув двигателя осуществляется газотурбонагнетателями, которые установлены на каждые три цилиндра.

Выпускные газы поступают к турбине при переменном давлении с температурой около 450 °С по индивидуальным патрубкам от каждого цилиндра, имеющим защитные решетки, которые в случае поломки поршневых колец должны предохранять проточную часть газовой турбины от попадания обломков. Двигатель обеспечивается воздухом на всех режимах от полного хода до пусков и маневров только газотурбонагнетателем за счет раннего открытия выпускного клапана.

Раннее открытие клапана дает возможность получить мощный импульс давления, обеспечивающий баланс мощности между турбиной и компрессором на всех режимах работы, однако фирма дополнительно установила аварийную воздуходувку. Прямоточно-клапанная продувка в двигателе традиционно осуществляется с помощью одного клапана большого диаметра, расположенного в центре крышки 2 цилиндра. По этой причине для равномерного распределения распыливаемого топлива по объему камеры сгорания установлены три форсунки с односторонним расположением сопловых отверстий по периферии крышки, которая имела ранее конусообразную форму, что позволило вынести плохо охлаждаемую область стыка крышки с цилиндровой втулкой из зоны камеры сгорания вверх. Использование такой схемы продувки дало возможность применить простую симметричную конструкцию цилиндровой втулки, в нижней части которой расположены продувочные окна, равномерно распределенные по всей окружности втулки. Оси каналов, образующих продувочные окна, направлены по касательной к окружности цилиндра, что создает закручивание потока воздуха при его поступлении в цилиндр. Это обеспечивает очистку цилиндра от продуктов сгорания с минимальным перемешиванием продувочного воздуха и остаточных газов, а также улучшает смесеобразование в камере сгорания, так как вращение воздушного заряда сохраняется и в момент впрыска топлива. Простая конфигурация и возможность обеспечения равномерной температурной деформации втулки по длине обеспечивают благоприятные условия работы деталей цилиндропоршневой группы.

Поршень двигателя имеет стальную головку, выполненную из молибденовой жаростойкой стали, и очень короткий чугунный тронк.

В связи с периферийным расположением форсунок днище поршня имеет полусферическую форму. Равномерный обдув днища поршня холодным воздухом при продувке позволил фирме сохранить масляное охлаждение поршня во всех моделях своих двигателей.

Применение масляной системы охлаждения значительно упрощает как конструкцию, так и эксплуатации двигателя. Для повышения ремонтопригодности поршней в канавках поршневых колец двигателей VBF и двух последующих модификаций установлены противоизносные чугунные кольца. При износе или поломке их заменяют. При этом восстанавливают первоначальную высоту канавки.

Осуществив сварную конструкцию фундаментной рамы и картерных стоек, фирма попыталась в этих двигателях применить укороченные анкерные связи, проходящие от верхней плоскости блока цилиндров до верхнего края картерных стоек, вместо традиционных длинных анкерных связей. Однако опыт эксплуатации показал, что при коротких анкерных связях не обеспечивается необходимая жесткость остова, поэтому в последующих моделях вернулись к длинным анкерным связям.

Двигатель VBF имеет два распределительных вала. Реверс распределительных валов выпускных клапанов и топливных насосов производится с помощью кулисных сервомоторов с планетарными передачами, смонтированных внутри приводных звездочек. При реверсе каждый распределительный вал фиксируется с помощью тормозного клапана и остается неподвижным в течение заданного угла при развороте коленчатого вала в новом направлении. При этом распределительный вал топливных насосов оказывается развернутым относительно коленчатого вала на 130° п. к. в. С целью уменьшения угла реверса распределительные валы разворачиваются в разные стороны.

Коленчатый вал двигателей этой серии составной, то есть и мотылевая, и рамовая шейки запрессованы в щеки. Мотылевые подшипники смазываются по каналам в шейках и щеках.

От мотылевого подшипника масло по отверстиям в шатуне поступает на смазку головных подшипников. Отработавшее масло из поршня сливается по трубе, расположенной внутри штока поршня и далее по системе труб масло поступает в сточную цистерну.

На двигателях VBF традиционно применяют ТНВД золотникового типа с регулированием по концу подачи. В двигателях VBF трубопроводы к обеим форсункам подсоединены непосредственно к головке топливного насоса. Насос не имеет нагнетательных клапанов, а угол опережения подачи топлива регулируется разворотом кулачной шайбы относительно распределительного вала. Форсунки этих двигателей - закрытого типа, охлаждаются дизельным топливом, давление начала впрыскивания 30 МПа. Характерной осо­бенностью форсунок является торцовое уплотнение иглы.

Опыт эксплуатации дизелей типа VBF на судах рыболовного флота показал, что для них характерны следующие дефекты и неисправности: интенсивные износы цилиндровых втулок, ослабление шпилек крепления головки и тронка поршня, частные поломки и интенсивные износы поршневых колец, выход из строя противоизносных колец, растрескивание и отслаивание баббита головных и мотылевых подшипников, прогорание выпускных клапанов, растрескивание деталей и зависание плунжеров ТНВД, частые отказы форсунок из-за зависания игл, растрескивание распылителей и т. д. Однако в целом двигатели показали достаточную надежность при коэффициенте использования мощности 0,8-0,9.

На смену дизелей данного типа пришла следующая модель двигателей VT2BF ( крейцкопфный). Она сохранила основные черты предыдущей модели: импульсный ГТН 2, прямоточно-клапанную продувку, масляное охлаждение поршня, составную конструкцию коленчатого вала, привод распределительного вала и т. д. Однако в новой серии среднее эффективное давление увеличилось с 0,7 до 0,85 МПа, примерно на 20%. Для повышения мощности турбины была увеличена фаза открытия выпускного клапана .

В целях упрощения конструкции и снижения массы двигателя фирма отказалась от использования двух распределительных валов. Начиная с этой модели, для привода ТНВД и выпускных клапанов используется один распределительный вал.

Для повышения жесткости остова двигателя фирма вернулась к длинным анкерным связям, проходящим от верхней плоскости блока цилиндров до нижней плоскости фундаментной рамы.

Реверс распределительного вала осуществляется его разворотом на 130° п. к. в. в сторону реверса кулачных шайб выпускных клапанов, поэтому фирма была вынуждена использовать для привода ТНВД кулачную шайбу с негативным профилем. В связи с резким сокращением времени наполнения насоса фирма установила в головке ТНВД всасывающий клапан.

Кроме того, в двигателях этой серии применен эксцентриковый механизм изменения угла опережения подачи топлива, регулирующий максимальное давление сгорания без остановки двигателя, что является несомненным преимуществом такой конструкции.

От ТНВД топливо подается по нагнетательному трубопроводу к распределительной коробке, от которой отходят трубопроводы к форсункам. Сохранив торцовое уплотнение иглы с распылителем, фирма опустила форсуночную пружину вниз, уменьшив тем самым массу подвижных частей.

Отсутствие нагнетательного клапана в системе впрыскивания при мощной отсечке топлива в конце подачи зачастую приводило к образованию вакуумных каверн в топливопроводах высокого давления, вызывая неравномерность цикловых подач по цилиндрам.

В настоящее время в мире существует много компаний, занимающихся производством судовых дизелей. В течение всего времени фирмы совершенствуют дизели по экономичности, мощности, надежности и другим показателям. Между ними постоянно идет жесткая конкурентная борьба за рынок сбыта.

В течении следующих десятилетий фирма стала выпускать дизели типов K-EF, K-FF, K-GF, L-GF, L-GA и др.

Таким образом, можно сделать вывод, что двигатель B&W 650-VBF-90 в свое время был на лидирующих позициях, на ряду с другими дизелями, но со временем утратил свою актуальность. В настоящее время такие судовые дизели не производятся. Однако данный дизель отвечает параметрам мощности, экономичности, эффективности и другим, для обеспечения движения судна и выполнению задач по назначению и по массо-габаритным показателям двигателей отвечает заданным параметрам. Установка данного дизеля на судно типа "Грумант" целесообразна.

2.2 Рабочие жидкости элемента судовой энергетической установки

Топливо. Дизельное топливо, используемое для работы главного и вспомогательных дизелей на заданном судне должно быть маловязким и соответствовать требованиям, приведённых ниже в таблице 2.1.

Данные характеристики соответствуют топливу марке ДМА MS IPO - 8217.

Дистиллятное судовое топливо не требует дополнительной подготовки для использования, поэтому присадки, как правило, не добавляются.

Таблица 2.1. Характеристики топлива марки ДМА MS IPO - 8217

Показатели	Значение
Вязкость: - условная при 20 °С, °ВУ, не более - соответствующая ей кинематическая, мм2/с, не более	2,0 11,4
Цетановое число, не менее	40
Температура, °С:  - вспышки в закрытом тигле °С, не ниже  - застывание, не выше	62 -10
Массовая доля, %, не более:  - серы  - меркаптановой серы - воды - механических примесей	1,5 0,025 следы 0,02
Коксуемость, %, не более	0,2
Зольность, %, не более	0,01
Содержание водорастворимых кислот и щелочей	-
Плотность при 20 °С, г/м3, не более	890
Йодное число, г йода на 100 г топлива, не более	20

Масло. В качестве основного масла для смазки трущихся деталей и отвода теплоты на судне используются маловязкое масло марки М14-Г2 ЦС и средневязкое масло М14-Д2 ЦС.

Масло моторное М-14Г2ЦС (ГОСТ 12337-84) состоит из смесей дистиллятного и остаточного компонентов, вырабатываемых из сернистых и малосернистых нефтей и композиции эффективных присадок. Обладает хорошей влагостойкостью, малой эмульгируемостью с водой и легким отделением воды при сепарации. Технические характеристики масла М-14Г2ЦС приведены ниже в таблице 2.2

Таблица 2.2 Характеристики масла

Наименование показателя	Норма по ГОСТ (ТУ)
Вязкость кинематическая, мм2/с, при температуре 100°С	13,5-15,92
Индекс вязкости, не менее	92
Щелочное число, мг КОН/г, не менее	9,0
Зольность сульфатная, %, не более	1,5
Массовая доля механических примесей, %, не более	0,01
Температура, °С: вспышки в открытом тигле, не ниже застывания, не выше	215 -10
Степень чистоты, мг/100 г масла, не более	600
Плотность при 20°С, кг/м3, не более	910
Трибологические характеристики при температуре (20±5)°С: индекс задира, кгс критическая нагрузка, Н, не менее	34 823
Вымываемость присадок водой: снижение щелочного числа, %, не более снижение зольности, %, не более эмульгируемость с водой, см3, не более	10 10 0,5

Масло моторное М-14Д ЦС (ТУ 38.301-19-147-2009) вырабатывается на основе минеральных базовых масел с добавлением импортного пакета присадок.

По сравнению с маслом М-14Г2ЦС обладает более высокими моющими свойствами, стойкостью к высокотемпературному окислению, а также нейтрализующей способностью и противоизносными свойствами.

Технические характеристики масла М-14Г2ЦС приведены ниже в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Технические характеристики масла М-14Г2ЦС

Наименование показателя	Норма по ГОСТ (ТУ)
Вязкость кинематическая, мм2/с, при температуре 100°С	14,1
Индекс вязкости, не менее	90
Щелочное число, мг КОН/г, не менее	13,7
Зольность сульфатная, %, не более	1,9
Температура, °С: вспышки в открытом тигле, не ниже застывания, не выше	242 -15
Плотность при 15°С, кг/м3, не более	903

В случае отсутствия масел данных марок возможно использование масел зарубежных производителей. В качестве замены могут использоваться масла, приведённые ниже (таблица 2.4).

Таблица 2.4 Аналоги масел зарубежных производителей

Аналог	М-14Г2ЦС	М-14Д2 ЦС
Shell	GADINIA 40	ARGINA S 40
MOBIL	MOBILGARD 412	MOBILGARD 424
Teboil	WARD SIOT SAE 40	WARD S25T SAE 40

Охлаждающая вода. Качество охлаждающей воды, определяемое содержанием солей и общей жесткостью, оказывает непосредственное влияние на процессы коррозии и образования шлама. Для охлаждения дизелей может использоваться береговая пресная вода или дистиллят, получаемый в испарителях. Предотвращение охлаждаемых поверхностей блоков и втулок от коррозионно-кавитационных разрушений должно осуществляться с помощью применяемых в настоящее время эмульсионных масляных и других типов присадок отечественного и иностранного производства. При их применении пресная вода, предназначенная для заполнения систем охлаждения дизелей, должна удовлетворять требованиям, приведённым ниже в таблице 2.5.

Таблица 2.5 Характеристики охлаждающей воды

тип дизеля	хлориды, мг/л	жесткость общая, мг-экв/л
650-VBF-90	15,0	0,15

В процессе эксплуатации предельные показатели качества охлаждающей воды должны удовлетворять требованиям, указанным в таблице 2.6.

Таблица 2.6 Требования предъявляемые к охлаждающей воде

тип дизеля	хлориды, мг/л, не более	жесткость общая, мг-экв/л, не более	содержание присадки,%
650-VBF-90	100	1,5	0,5 +/- 0,2

При достижении указанных предельных значений показателей охлаждающая вода подлежит замене.

Средствами улучшения качества циркуляционной воды при замкнутой системе являются предварительная обработка, добавление антикоррозионных присадок и применение антифризов.

Предварительная обработка воды производится: 

- дистилляцией, когда практически достигается полное обессоливание;

- кипячением - с целью устранения карбонатной жесткости;

- химической обработкой кислотами и щелочами - с целью полного умягчения воды.

Первоначальное применение антикоррозионного эмульсионного масла в качестве присадки к охлаждающей воде в дизелях, находящихся в эксплуатации, допускается только при условии тщательной очистки охлаждаемых поверхностей цилиндровых втулок и блоков от накипи, шлама, продуктов коррозии, масла и других загрязнений. Перед вводом антикоррозионного эмульсионного масла систему охлаждения необходимо тщательно промывать горячей (50 - 60 град. C) пресной водой до тех пор, пока сливаемая из системы вода не будет чистой по визуальной оценке.

При загрязнении системы охлаждения в процессе эксплуатации отложениями масла, окислами железа, шламом, а также при переходе с одной марки присадки на другую, даже если присадки относятся к одному типу, необходимо произвести очистку системы охлаждения в соответствии с инструкцией по химической очистке замкнутых систем охлаждения дизелей.

Решение о необходимости очистки системы принимает главный (старший) механик в зависимости от количества и характера отложений. Как правило, очищать систему охлаждения следует не реже одного раза в 8 месяцев.

В случае отсутствия антикоррозионного эмульсионного масла или других эффективных типов присадок следует применять присадки на хроматной основе. Основным компонентом присадок является хромпик (двухромовокислый калий по ГОСТ 2652-78Е), который применяется в сочетании с нитритом натрия по ГОСТ 19906-74Е или кальцинированной содой по ГОСТ 10689-75. Лучшие результаты дает присадка из трех компонентов: хромпика, нитрита натрия и кальцинированной соды. Применяя присадки на хроматной основе для обработки охлаждающей воды дизеля, необходимо строго соблюдать их рекомендованные защитные концентрации. При низкой температуре окружающей среды, в случае возможного замерзания воды в замкнутой системе охлаждения, необходимо вместо воды заливать специальные жидкости (антифризы) с низкой температурой замерзания.

Контроль качества воды, охлаждающей дизели, должен не реже двух раз в месяц вторым механиком с соответствующей записью в судовом журнале контроля качества горюче - смазочных материалов и охлаждающей воды.

Хладагенты для судовой холодильной установки. В качестве хладагента для СХУ на рассматриваем судне используется аммиак. Аммиак получается синтетическим путем из водорода и азота воздуха. Относится к сжиженным газам. По термодинамическим свойствам, дешевизне и доступности является одним из лучших хладагентов. Давление испарения аммиака в диапазоне рабочих температур от -40 до 0°С колеблется от 0,8 до 4,4 кгс/см², а давление конденсации не превышает 13-14 кгс/см².

Холодопроизводительность 1 м³ паров аммиака выше, чем у других хладагентов. С понижением температуры кипения объемная холодопроизводительность аммиака падает. Основной недостаток аммиака -высокая токсичность. При любых концентрациях он вызывает сильное раздражение дыхательных путей, глаз, пищевода. При содержании аммиака в воздухе 0,5÷0,6% по объему возможно отравление со смертельным исходом. При концентрациях в пределах 16÷28% аммиак в присутствии открытого пламени разлагается и может взорваться. Аммиак корродирует цветные металлы: цинк, медь и ее сплавы, поэтому в аммиачных холодильных станциях запрещается применять изделия из этих материалов. Масло в аммиаке почти не растворяется, зато в одном объеме воды можно растворить более 1000 объемов аммиака. Благодаря резкому запаху можно легко определить даже незначительные утечки аммиака. Места утечки определяют индикаторами: бумажкой, пропитанной фенолфталеином, или тканью, пропитанной фенолротом. Для определения содержания аммиака в воздухе рабочих помещений холодильных станций используют переносные универсальные газоанализаторы типа УГ-2, показывающие содержание аммиака, начиная с 30 мг/м³ воздуха. Транспортируют аммиак в баллонах и железнодорожных цистернах.

Таким образом, можно сделать вывод, что применённые рабочие жидкости в СЭУ (топлива марки ДМА MS IPO – 8217, масло марки М14-Г2 ЦС и средневязкое масло М14-Д2 ЦС, охлаждающая вода, аммиак) соответствуют требованиям Правил Морского регистра для судов данного типа.