Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

11.3.Мало , средне

ивысокооборотные судовые двигатели

Малооборотные двухтактные (МОД) и среднеоборотные (СОД) дизели являются основными судо выми двигателями. Их высокая экономичность обусловила переход на флоте от паротурбинных устано вок к дизелям. Главным направле нием в развитии судовых двигате лей является повышение эконо мичности и расширение области применения тяжелых топлив, вследствие чего особо важное зна чение приобретает дальнейшее по вышение надежности работы узлов и деталей двигателя. Обязательным условием стало соответствие вновь создаваемых двигателей экологиче ским нормам.

Малооборотные двухтактные дви гатели отличаются высокой эконо мичностью и небольшими затрата ми на техническое обслуживание. При максимальном давлении сгора ния рz = 14,5 МПа удельный расход топлива у дизелей с электронным управлением достиг 155 г/(кВт3ч). Малооборотные двигатели характе ризуются умеренным уровнем шу ма, не превышающим в среднем 100 дБА. Основные параметры МОД приведены в табл. 1.2. Следует отметить повышенный интерес к длинноходным (S/D > 2) конструк циям малооборотных двигателей. Увеличение S/D дает возможность уменьшить удельный расход топли ва и частоту вращения, повысить пропульсивный КПД установки и

еедолговечность. Среднеоборотные двигатели в

настоящее время получили более широкое распространение. Их мощность составляет свыше 30 % мощности всех судовых двигате лей. Основным преимуществом

этих двигателей является относи тельно небольшая высота, что де лает их в некоторых случаях единственно возможным типом дизелей для установки на судне. Среднеоборотные дизели отлича ются высокими значениями сред него эффективного давления, дос тигающего в отдельных случаях 2,5 МПа и более. Обладая доста точно высокой экономичностью [160–166 г/(кВт3ч)], тронковые среднеоборотные двигатели одно временно характеризуются повы шенным по сравнению с мало оборотными двигателями расхо дом смазочного масла. Другим не достатком среднеоборотных дви гателей является наличие значи тельно большего числа деталей и редукторной передачи, повышен ный уровень шума, более высо кие затраты на техническое об служивание.

При выборе энергетической си ловой установки дедвейтом менее 2000 т предпочтение отдается СОД, однако и на более крупных судах среднеоборотные двигатели успеш но конкурируют с МОД.

11.3.1. Малооборотные двигатели

Принципиальные компоновоч ные схемы малооборотных главных судовых двигателей в настоящее время достаточно определены. Это двухтактные дизели простого дей ствия с газотурбинным (часто двух ступенчатым) наддувом, рядным вертикальным расположением ци линдров и крейцкопфным меха низмом, имеющие частоту враще ния коленчатого вала 60–250 мин 1 при диаметре цилиндра, достигаю щем 1060 мм. Наибольшая агрегат ная мощность современных МОД приближается к 100 тыс. кВт. Ве дутся работы по созданию на базе

хорошо зарекомендовавших себя конструкций малооборотных дви гателей их модификаций, предна значенных для работы на газе.

Форсирование судовых мало оборотных двигателей по среднему эффективному давлению до ре = = 1,9–2,0 МПа обусловило необхо димость повышения прочности и жесткости элементов корпуса, де талей цилиндропоршневой группы, коленчатого вала и подшипников.

Остов современных малообо ротных двигателей включает фун даментную раму с расположенны ми на ней подшипниками коленча того вала и картерную коробку, ко торые являются сложными сварны ми конструкциями. Сверху остов заканчивается блоком цилиндров, состоящим из отдельных литых секций, соединенных между собой болтами. Нижняя стенка этого бло ка с манжетами для штоков отделя ет полость картера от подпоршне вого пространства цилиндров. Блок цилиндров целесообразно выпол нять неохлаждаемым, при этом втулки цилиндров своими верхни ми частями выводятся из блока и снабжаются отдельными тонко стенными рубашками охлаждения. Фундаментную раму двигателей больших габаритных размеров де лают сборной, скрепляя болтами отдельные секции, так же как и блоки цилиндров. В вертикальном направлении детали остова стяги ваются анкерными связями.

Повышение прочности при сни жении массы фундаментных рам достигается в результате примене ния решетчатых конструкций, представляющих собой каркас, на бранный из отдельных балок, рас полагаемых в направлении дейст вия максимальных усилий и закре пляемых сваркой или болтами. Ис пользование вместо А образных

стоек блок картерной конструк ции, состоящей из одной или двух деталей с горизонтальным разъе мом, позволяет повысить проч ность и жесткость корпуса. При этом уменьшается число болтовых соединений и упрощается монтаж двигателя. С переходом на сварную

исварно литую конструкцию рам и станин в некоторых случаях отка зываются от использования тради ционных сквозных анкерных свя зей и заменяют последние двойны ми короткими связями, закреплен ными в верхней части фундамент ной рамы.

Сростом форсирования двига телей значительно изменилась кон струкция цилиндропоршневой груп пы. Уменьшение циклических на пряжений от давления газов за счет повышения толщины стенок вызы вает увеличение температурных на пряжений, что обусловило созда ние конструкций с относительно тонкими стенками деталей цилин дропоршневой группы, которые образуют камеру сгорания и опира ются на массивные элементы, вос принимающие нагрузки от давле ния газов (бандаж втулок цилинд ра, массивные крышки цилинд ров и др.).

Коленчатые валы малооборот ных двигателей выполняются со ставными. С повышением форси рования МОД по среднему эффек тивному давлению при росте мак

симального давления газов рz тре буется увеличение прочности и жесткости коленчатого вала. С этой целью по возможности умень шают межцилиндровые расстояния

иувеличивают диаметры шеек ва ла. Рамовые (коренные), мотыле вые (шатунные) подшипники вы полняют с тонкостенными вклады шами с олово алюминиевым анти фрикционным слоем.

Выемку поршня (со штоком) производят через верхнюю часть втулки цилиндра, поэтому ограни чение высоты МОД, особенно в связи с повышением отношения S/D, является важным требованием к конструкции с разных точек зре ния, включая техническое обслу живание. Для этого уменьшают длину шатунов и используют более компактные крейцкопфы.

Тип механизма газораспределе ния определяется схемой газообме на. Практически повсеместный пе реход к клапанно щелевой схеме с выпуском отработавших газов че рез один центрально расположен ный клапан предопределил и кон струкцию механизма. При этом привод клапана осуществляется гид равлическим способом. Давление масла, действующее на выпускной клапан, создается плунжерными устройствами, приводимыми в дви жение кулачковым валом. В двига телях с электронным управлением необходимость в распределитель ном вале отпадает.

Турбонаддув современных МОД осуществляется с помощью турбо компрессоров с центробежным ком прессором и осевой турбиной, имею щими высокий КПД, достигающий 0,70–0,72. Высокий КПД турбо компрессоров и применение до полнительного электропривода для воздухоснабжения двигателя на ре жимах малой мощности позволило отказаться от использования под поршневых полостей для осущест вления процессов газообмена.

Для сокращения длины трубо проводов топливные насосы и пус ковые воздухораспределители вы полняют отдельными для каждого цилиндра. Число форсунок при од ном выпускном клапане обычно равно двум на цилиндр. Системы охлаждения – циркуляционные:

цилиндры, крышки и турбоком прессор, а также выпускные клапа ны охлаждаются пресной водой, поршни – маслом или водой. Под вод и отвод охлаждающей жидкости в поршень производится через крейц копф и шток. При охлаждении мас лом применяются как шарнирные, так и телескопические устройства, а при охлаждении водой – преиму щественно телескопические во из бежание попадания воды в картер через зазоры в шарнирах. Смазоч ные системы – двойные: циркуля ционная система – для смазывания подшипников и других деталей дви жения и лубрикаторная – для сма зывания поршней и некоторых дру гих ответственных деталей.

Насосы систем охлаждения и смазочных систем двигателей дан ного типа, как правило, не устанав ливаются на двигатель и приводят ся в движение от электродвигателя. Для облегчения проведения ре монтных работ турбокомпрессоры также часто не навешиваются на двигатель, а монтируют на верхней площадке.

Сильная конкуренция заставля ет непрерывно искать пути улучше ния потребительских свойств мало оборотных судовых двигателей. Од ним из эффективных направлений развития МОД является внедрение электронного управления. В этом случае процессами впрыска топли ва, подачи масла и газораспределе ния управляет компьютер. Для обеспечения впрыска топлива и от крывания выпускных клапанов пре дусмотрен специальный контур, давление масла в котором около

20МПа.

Система впрыска топлива с элек

тронным управлением позволяет согласовывать начало впрыска с его продолжительностью в зависи мости от сорта применяемого топ

Рис. 11.8. Поперечный разрез малооборотного дизельного двигателя типа 6S50МС С

лива, в результате чего улучшается экономичность и снижается мини мально допустимая частота враще ния коленчатого вала.

На рис. 11.8 и 4.25 показаны со ответственно поперечный разрез и цилиндропоршневая группа двига теля 6S50МС С фирмы МАN, вы пускаемого Брянским машино строительным заводом. Вследствие увеличенной протяженности жаро вого пояса поршня положение сты ка втулки и крышки цилиндра ока зывается ниже верхней кромки поршня, что снижает тепловую на пряженность втулки, улучшает ус ловия работы поршневых колец и цилиндрового масла. При этом те пловая нагрузка в б льшей степени воспринимается крышкой цилинд ра, выполненной из специальной стали, обладающей более высокой термопрочностью по сравнению с чугуном, из которого выполнена втулка цилиндра.

11.3.2. Среднеоборотные судовые двигатели

Большая часть среднеоборот ных двигателей представляет со бой четырехтактные дизели про стого действия с газотурбинным наддувом постоянного давления, с рядным или V образным располо жением цилиндров. Частота вра щения коленчатого вала этих дви гателей n = 350–750 мин 1 и диа метр цилиндра D = 260–650 мм. Число цилиндров среднеоборот ных двигателей, используемых в качестве главных судовых двигате лей, составляет 6–20. За последнее десятилетие удельная мощность среднеоборотных двигателей воз росла более чем в 2 раза. Компо новка среднеоборотных двигателей должна способствовать уменьше нию высоты машинного отделе ния, высокой взаимозаменяемости основных деталей в условиях экс плуатации, сокращению затрат на техническое обслуживание.

Высокий уровень форсирования современных среднеоборотных дви гателей, достигаемый благодаря по вышению давления наддува (до 0,44 МПа), и использование тяже лых топлив с повышенным содер жанием серы, ванадия и других аг рессивных компонентов обусловли вает значительную тепловую и ме ханическую напряженность их ос новных узлов и деталей.

Конструкция деталей двигателя должна быть такой, чтобы обеспе чивалось равномерное распределе ние нагрузок по их элементам, эф фективное охлаждение теплона груженных участков. Остовы сред необоротных двигателей выполня ют литыми из чугуна, а также сварно литыми. В последнем слу чае снижается удельная масса дви гателя.

Стальные цельнокованые ко ленчатые валы изготовляют из ка чественной (например, хромомо либденовой) стали. Прогрессив ным является метод гибки с высад кой. Вал вращается в подшипни ках, расположенных в фундамент ной раме. Наряду с этим широкое распространение получили конст рукции с подвесным расположени ем вала. Тонкостенные вкладыши коренных и шатунных подшипни ков в этом случае заливают свинцо вистой бронзой с нанесением до полнительного приработочного по крытия, а крышки подшипников в картере укрепляют стяжками и по перечными болтами. Высокие тре бования к точности изготовления элементов узла коренных опор и качеству обработки поверхности обусловливают применение высо коточного станочного оборудова ния, обеспечивающего соответст вующую обработку с одного уста нова при нормах на допуски, близ ких к 1 му классу. Высоки требова ния к точности обработки резани ем и других элементов остова, в ча стности, расточек под втулки ци линдров.

Шатуны, кроме обычной конст рукции, часто с косым разъемом, также могут иметь отъемную ниж нюю головку, что уменьшает требуе мую для выемки поршня высоту ма шинного отделения. В случае V об разных среднеоборотных двигателей применяют смещенные шатуны.

Поршни тронкового типа, как правило, интенсивно охлаждают. Часто применяется составная кон струкция с головкой из жаропроч ной стали и корпусом, изготовлен ным из легкого сплава. Юбку таких поршней выполняют овально боч кообразной формы.

Втулки цилиндра должны обла дать высокой жесткостью, износо

стойкостью и интенсивно охлаж даться. Последнее достигается, в частности, применением сверленых каналов. Крышки цилиндров имеют обычно два впускных и два выпуск ных клапана. Последние устанавли ваются в стальных или чугунных корпусах, охлаждаемых водой. Вы сокая тепловая напряженность обу словливает необходимость выпол нения чугунной отливки крышки с точно выдержанной заданной тол щиной ее элементов. Клапаны при водятся в действие рычагами и штангами от распределительного вала, расположенного с боковой стороны в средней по высоте части блока цилиндров; предусматривает ся применение механизма поворота клапана при работе. Для удобства изготовления и сборки распредели тельный вал выполняют составным. Передача движения от коленчатого вала к распределительному, как правило, осуществляется цилинд рическими зубчатыми колесами, преимущественно от приводного конца коленчатого вала.

Системы охлаждения обычно циркуляционные: цилиндры и крышки, а также турбокомпрессо ры охлаждаются пресной водой, а поршни – маслом. Смазочная сис тема – циркуляционная, с сухим картером, общая для всех деталей. Двухсекционный масляный насос (с откачивающей и нагнетательной секциями) и два жидкостных насо са (для пресной и забортной воды) системы охлаждения с приводом от коленчатого вала двигателя уста навливаются на торце картера. Во многих конструкциях на двигатель дополнительно навешивают порш невой трюмный насос. Масляные насосы в большинстве случаев шестеренного типа, жидкостные центробежные или поршневые, не требующие заполнения перед нача

лом работы и устройства для ревер сирования.

Система пуска – пневматическая, обычно с управляемыми пусковыми клапанами и воздухораспределите лем, через который проходит только воздух, необходимый для управле ния. Воздушные пусковые компрес соры, как правило, не навешиваются на двигатель, а устанавливаются от дельно с электроприводом.

На среднеоборотных двигателях обычно устанавливают раздельные для каждого цилиндра топливные насосы и реже блочные с двумя плунжерами (не более) на два со седних цилиндра.

Свободные турбокомпрессоры монтируются на торце и над двига телем. Высокофорсированные че тырехтактные, а также двухтактные двигатели этой группы часто имеют двухступенчатую систему наддува для обеспечения работы на малых нагрузках и при маневрах. Главные судовые двигатели этого типа обыч но снабжены устройствами для дис танционного управления и автома тизации обслуживания. Развитие среднеоборотных судовых дизелей направлено, как и малооборотных, на повышение топливной эконо мичности при соблюдении норм по вредным выбросам с учетом перехо

да на тяжелые топлива, а также на увеличение цилиндровых и агрегат ных мощностей.

Снижению расхода топлива спо собствует повышение максималь ного давления газов в цикле до 19 МПа, давления впрыска топлива до 160 МПа и более, S/D, КПД тур бокомпрессоров до 0,7 и более, а также обеспечение механического КПД около 0,92–0,93. Следует от метить внедрение микроэлектро ники и микропроцессорной техни ки для решения задач автоматиза ции и управления отдельными про цессами и работой двигателя в це лом, включая функциональное ди агностирование. В качестве приме ра компоновки среднеоборотных двигателей на рис. 11.9 приведен поперечный разрез четырехтактно го двигателя 12 ЧН57/62 (РС4) фирмы S.E.M.T. PIELSTIK.

11.3.3. Высокооборотные судовые двигатели (ВОД)

Эти двигатели имеют частоту вращения коленчатого вала более 1200 мин 1.

Судовые двигатели с частотой вращения до 1000–1200 мин 1 отно сят к двигателям повышенной обо ротности (ПОД). Направление раз вития двигателей этого класса – это повышение основных технико экономических показателей, свой ственное в целом всем транспорт ным дизелям. Кроме того, намеча ется увеличение степени сжатия до 19, максимального давления цикла до 18 МПа и давления впрыска то плива до 200 МПа, что обеспечива ет высокие цилиндровые и агрегат ные мощности, снижение удельной массы и улучшение топливной эко номичности (до ge = 190 г/(кВт3ч). Последнее частично связано с по лучением механического КПД =

=0,88–0,91. Именно здесь достиг нуты наибольшие значения среднего эффективного давления. Агрегат ная мощность достигает 7400 кВт (двадцатицилиндровый двигатель фирмы МТU). Судовые ВОД долж ны иметь высокую надежность при ресурсе около 50–60 тыс.ч до капи тального ремонта при средней ско рости поршня, достигающей сm =

=12,7 м/с. При этом большое вни мание уделяется работе ВОД на тя желых топливах и проблемам эко логии. Общей является тенденция электронизации ВОД и энергоуста новки в целом, упрощение техни ческого обслуживания.

Развитие судовых высокооборот ных двигателей, в том числе пред назначенных для скоростного фло та, связано не в последнюю оче редь со снижением массы энерге тической установки судна и дове

дением удельной массы до 2– 3 кг/кВт. Этого можно достигнуть применением дизелей облегченной конструкции, примером которых могут служить многочисленные модификации отечественных дви гателей типа ЧН18/20 и ЧН16/17. Альтернативой являются высоко форсированные по наддуву и сред нему эффективному давлению ди зели традиционной конструкции, примером которых могут служить модификации двигателей типа ЧН16,5/18,5 фирмы MTU, в том числе модель ТС/ТЕ в восьми и двенадцатицилиндровом исполне нии, отличающаяся повышенны ми надежностью, экономичностью и улучшенными экологическими показателями. Улучшению эконо мичности способствует примене ние системы наддува с изменени ем числа подключаемых турбо компрессоров (один или два) в за висимости от режима работы дви гателя.