Метод_практ_СДВЗ

- горизонтальные одновальные с двумя рядами противопо- ложно-расположенных цилиндров, или так называемые оппозит-ные (рис. 4, г), представляют собой по существу V-образные двигатели с углом развала 180°. Двигатели этого типа лучше уравновешены, чем V-образные, и применяются при малой высоте машинного отделения.

В форсированных легких дизелях иногда находят применение следующие типы:

W-образные (рис. 4, д) с тремя рядами цилиндров, работающих на один вал; двигатели этого типа распространения не получили из-за малой доступности среднего ряда цилиндров и больших габаритов по ширине;

Х-образные (рис. 4, е) с четырьмя рядами цилиндров, работающих на один вал, по существу являются двумя сдвоенными V-образными двигателями.

Звездообразные (рис. 4, ж) с рабочими цилиндрами, расположенными по радиусам, сходящимся на оси коленчатого вала образуют симметричную звезду и работают на одно и то же колено вала. В 4-тактных двигателях, по условиям уравновешенности и равномерного чередования вспышек, число цилиндров в одной звезде делают нечетным: 3, 5, 7; в 2-тактных двигателях число Цилиндров может быть и четное. Больше семи цилиндров в одной звезде расположить трудно. Для увеличения агрегатной мощности число звезд увеличивают до шести и более, что дает возможность значительно увеличить число цилиндров, например до 7 x 8 = 56 и осуществить мощные, легкие и компактные двигатели на базе одного освоенного и хорошо проверенного в работе стандартного цилиндра.

Общим органическим недостатком V, W, X и звездообразных двигателей является работа всех цилиндров на один и тот же коленчатый вал, что значительно увеличивает нагрузку на него и на подшипники и вынуждает усиливать размеры вала, а также прибегать к специальным конструкциям головок шатунов для уменьшения удельных давлений на мо-тылевых шейках.

Помимо V-образных дизелей иногда применяют двухвальные тронковые двигатели - (рис.5), выполняемые в следующих модификациях:

1)сдвоенные двигатели с двумя рядами параллельно расположенных цилиндров (рис. 5, а), работающих на два коленчатых вала, соединенных между собой зубчатой передачей;

2)Н-образные двигатели (рис. 5, б) и другие типы двухвальных двигателей с четырьмя и более рядами цилиндров.

Двухвальные двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с одновальными, а именно: а) возможность использовать большую часть деталей одновального двигателя; б) умеренные нагрузки на подшипники; в) возможность применения центрального сочленения шатунов; г) возможность быстрого создания более мощных двигателей на базе однорядной модификации.

Все рассмотренные выше типы двигателей могут изготовляться 4- и 2-тактными, с контурной или прямоточно-клапанной системой продувки.

11

Вчетырехтактном двигателе наполнение цилиндра свежим зарядом

ивыпуск отработавших газов происходят через клапаны. Эти клапаны приводятся в движение механизмом газораспределения.

На распределительном валу двигателя устанавливают комплекты кулачковых шайб (отдельно для впускных и для выпускных клапанов). При их вращении в определенные моменты в соответствии с фазами газораспределения поднимаются (опускаются) толкатели, которые с помощью коромысел открывают клапаны или дают возможность пружинам клапанов закрыть их. Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала и имеет вдвое меньшую частоту вращения, чем коленчатый вал.

Вдвухтактном дизеле наполнение рабочего цилиндра происходит только через окна, которые открывает и закрывает поршень. Если отработавшие газы выпускаются через клапан, то он открывается также механизмом газораспределения, причем частота вращения распределительного вала в двухтактном двигателе равна частоте вращения коленчатого вала.

Комбинированные судовые двигатели (дизели с наддувом) по виду связи между поршневым двигателем и наддувочным агрегатом можно разделить на три группы: с механической, газовой и комбинированной связями.

Основные схемы судовых дизелей с наддувом представлены на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схемы комбинированных судовых двигателей:

---------- - воздух; - - - - - - - отработавшие газы

При механической связи (рис. 1.8 а), компрессор 4 воздуха приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя 1 через

12

механическую передачу — мультипликатор, повышающий частоту вращения вала компрессора. Такая схема применяется в дизелях с низкой степенью наддува, а также в двухтактных дизелях без наддува. Основным недостатком рассмотренной схемы является то обстоятельство, что на привод компрессора затрачивается значительная работа (мощность) двигателя, полученная в рабочем цилиндре. Это, в свою очередь, приводит не только к снижению мощности двигателя, но и к падению его экономичности.

Газовая связь турбокомпрессора с поршневым двигателем показана на рис. 1.8,б-д. В схеме двигателя с импульсным наддувом (рис. 1.8,6,в) отработавшие газы из рабочих цилиндров поступают непосредственно в турбину 5, которая называется импульсной, так как в ней срабатывает импульс давления газов, поступающих из цилиндра. В схеме с изобарным газотурбинным наддувом (рис. 1.8, г) отработавшие газы из цилиндров выходят в выпускной коллектор 6, а затем практически при постоянном давлении идут в изобарную турбину 7. В схеме двигателя с двухступенчатым газотурбинным наддувом (рис. 1.8, д) изобарной 7. Во всех схемах воздух после сжатия в компрессоре перед подачей его в наддувочный (продувочный) ресивер 2 обычно охлаждается в специальном охладителе 3.

В двухтактных судовых дизелях широкое распространение получила и комбинированная связь. При такой связи воздух сжимается как в турбокомпрессоре, так и в приводном компрессоре. В малооборотных крейцкопфных дизелях в качестве приводного компрессора нередко используют подпоршневые полости (рис. 1.8, е). В этом случае воздух после компрессора поступает в подпоршневые полости (ПП) 8, где он дополнительно сжимается, затем поступает в наддувочный ресивер. В заключительной стадии продувки давление воздуха в ПП падает и воздух от компрессора идет непосредственно в ресивер.

При изобарном наддуве в некоторых схемах на режимах малых нагрузок турбокомпрессор не обеспечивает потребное двигателю количество воздуха. Тогда на этих режимах включаются электроприводные компрессоры 9, специально установленные на двигателе (см. рис. 1.8,г).

Рис. 5. Схемы тронковых двухвальных дизелей:

а — сдвоенные; б — Н-образные.

13

Одним из прогрессивных типов двигателей являются 2-тактные двигатели с противоположно-движущимися поршнями (ПДП). По конструкции и по архитектурным формам они представляют собой самостоятельный класс двигателей, имеющих разнообразные модификации, которые различаются в зависимости от количества и расположения коленчатых валов.

Основные преимущества двигателей с ПДП: а) увеличение мощности в одном и том же цилиндре (примерно в два раза по сравнению с двигателями простого действия); б) отсутствие рабочих крышек; в) возможность осуществления совершенного типа продувки — прямоточно-бесклапанной; г) полная уравновешенность в каждом отдельном рабочем цилиндре (при отсутствии сдвига фаз поршней, при одинаковых отношениях и весах верхней и нижней поршневых групп).

У одновальных двигателей с ПДП, кроме того, передача усилий от газов замыкается в каждом цилиндре через поршни, шатуны и 3-коленчатые валы, разгружая почти полностью станину и рамовые подшипники; у таких двигателей с ПДП полная уравновешенность в каждом цилиндре обычно не обеспечивается (вследствие необходимости сдвига фаз поршней).

Основные недостатки двигателей с ПДП:

а) сложная конструкция двигателя; б) неблагоприятные условия (высокие температуры) для поршня, управляющего выпуском газов; в) увеличенная высота двигателя; г) трудность осуществления реверса.

Рис. 6. Схемы одновальных дизелей с ПДП:

а — тронковые; б — крейцкопфные; в — горизонтальные.

Одновальные двигатели с ПДП имеют валы с тремя коленами на каждый цилиндр, причем два боковых колена, расположенных под углом 180° к основному, приводятся в движение от верхнего поршня через траверсу и длинные тяги — шатуны (тронковые двигатели быстроходного типа), или через тяги, крейцкопф-ный механизм и шатуны (крейцкопфные тихоходные двигатели). Тронковые двигатели с ПДП (рис. 6, а) быстроходного типа применяются в качестве главных двигателей на катерах, а также в качестве вспомогательных (дизель-динамо).

Крейцкопфные малооборотные двигатели с ПДП (рис. 6,б) нашли применение на гражданских судах для мощностей от 3000 до 10 000 э. л. с. и выше (например двигатели типа Доксфорд).

В двигателях с ПДП асимметричное распределение может быть получено за счет смещения кривошипов верхнего и нижнего поршней на угол

14

5—15°. Значительное смещение кривошипов затрудняет работу на задний ход; поэтому в реверсивных двигателях иди ограничиваются углом смещения равным 5°.

На рис. 6,в показана компактная конструкция двигателя с ПДП с горизонтально-расположенными цилиндрами и балансирной передачей на коленчатый вал.

Органическим недостатком одн-вальных двигателей являлось увеличенное расстояние lц между цилиндрами lц ≈ (3 - 4)D вследствие наличия

трех колен для одного цилиндра, приводящее к общему удлинению всего двигателя. В современных модификациях, благодаря использованию внешних щек боковых кривошипов (например в типе J Доксфорда) в качестве шеек (см. гл. II), помимо упрощения коленчатого вала, уменьшается относительное

расстояние между цилиндрами до lц = (2,3 - 2,5) D и обеспечивается большая

жесткость колена.

Двухвальные двигатели с ПДП (рис. 7) имеют отдельные коленчатые валы для привода верхнего и нижнего поршней. Валы соединены между собой набором цилиндрических шестерен или вертикальным валом_с коническими (геликоидальными) шестернями. Угол смещения кривошипов верхнего и нижнего составляет от 5 до 25°. Вследствие этого поршень, управляющий выпуском, передает соответствующему коленчатому валу значительно большую мощность — 60 - 70%, чем впускной поршень — 40 – 30 % ).

Двигатели этого типа с вертикальным расположением цилиндров (рис. 7, а) широко применяются (например, типы Д100,58) при повышенных числах оборотов и необходимости уменьшить габариты и веса.

Сравнительно редко применяется модификация двухвальных двигателей с ПДП со сдвоенными ромбообразно-расположенными цилиндрами (рис. 7, б).

Дальнейшим развитием двигателей с ПДП являются многовальные конструкции, а именно двигатели:

а) - образные с тремя коленчатыми валами и тремя рабочими

15

полостями (рис. 8, а); б) сдвоенные с параллельно расположенными цилиндрами и

Все эти модификации, в свою очередь, могут выполняться в несколько рядов, что позволяет получить значительные мощности при малых габаритах и весах.

Рассмотренные выше архитектурные формы двигателей дают представление о многообразии возможных форм выполнения мощных комбинированных дизелей многооборотного и форсированного типов.

При выборе архитектурных форм двигателя необходимо учитывать, помимо указанных выше, ряд других факторов, как, например, особенности динамики двигателя, возможность осуществления выбранного типа продувки (2-тактные), наличие наддува, особенности установки в машинном отделении судна, расположение вспомогательных агрегатов.

Для получения представления о внешних архитектурных формах дизелей на рис. 9 показаны общие виды некоторых типичных комплектных двигателей.

Рис. 9. Типичные внешние архитектурные формы некоторых дизелей.

Основная задача конструктора при проектировании нового типа двигателя — правильный выбор наиболее целесообразной архитектурной формы двигателя, соответствующей классу и назначению судна и удовлетворяющей всем технико-экономическим и эксплуатационным условиям.

16

Двигатель внутреннего сгорания — одна из наиболее сложных тепловых машин, для действия которой необходимо большое число агрегатов, устройств, сборочных единиц (узлов), деталей. Эти составляющие оказывают влияние друг на друга и вместе с тем каждая из них выполняет определенную функцию. Рассматривать такие сложные машины наиболее удобно по определенной схеме как совокупность взаимосвязанных элементов различного уровня сложности.

Двигатели внутреннего сгорания состоят из узлов и систем, которые имеют различное функциональное назначение.

Остов поддерживает и направляет движущиеся детали, воспринимает все усилия при работе двигателя; представляет собой совокупность неподвижных деталей — фундаментной рамы (в двигателях с подвесным коленчатым валом отсутствует), картера, цилиндров, крышек цилиндров, а также анкерных связей, шпилек и болтов, стягивающих эти детали.

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает усилие от давления газов и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основные детали КШМ в крейцкопфных двигателях — поршень, шток поршня, крейцкопф, шатун, коленчатый вал; в тронковых двигателях — поршень, поршневой палец, шатун, коленчатый вал.

Механизм газораспределения открывает и закрывает впускные и выпускные органы в соответствии с принятыми фазами газообмена; состоит из рабочих клапанов и деталей, передающих к ним движение от коленчатого вала,— шестерен, распределительного вала, толкателей, штанг, рычагов.

Топливная система необходима для подготовки и подачи топлива в цилиндр; состоит из устройств для очистки и подогрева топлива, вискозиметра, насосов высокого давления и подкачивающего, форсунок, топливопроводов низкого и высокого давления;

Система воздухоснабжения служит для подачи в цилиндр воздуха, необходимого для сжигания топлива. Основные элементы системы — наддувочный компрессор, впускной ресивер, воздуховоды, воздухоохладитель, глушитель шума впуска.

Система газоотвода предназначена для отвода отработавших газов из цилиндра; состоит из выпускного коллектора, утилизационных газовых турбин (турбокомпрессора и силовой), газоотводов, устройств для утилизации теплоты и глушения шума отходящих газов.

Система охлаждения служит для отвода теплоты от деталей двигателя и других рабочих тел (масла, воздуха, топлива); состоит из водяных насосов, охладителей, расширительной цистерны, трубопроводов.

Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся и нагретым деталям для отвода теплоты трения и сгорания. В нее входят циркуляционные насосы, фильтры, охладители, цистерны, лубрикаторы, трубопроводы.

Система управления предназначена для пуска и остановки двигателя, изменения направления и частоты вращения коленчатого вала. В ее состав входят специальные устройства и механизмы;

17

Система регулирования и контроля обеспечивает поддержание заданного режима работы и контроль параметров, характеризующих режим и состояние работающего двигателя.

Конструктивные схемы остова. Основные неподвижные детали образуют остов двигателя, являющийся опорой для различных узлов и движущихся деталей. Он состоит из фундаментной рамы, картера, цилиндров и их крышек. Все эти элементы соединены связями в единую конструкцию.

Конструктивное оформление деталей остова определяется назначением и типом двигателя, количеством и расположением цилиндров, схемами КШМ и механизма газораспределения.

Силы от давления газов, инерции движущихся масс и предварительной затяжки связей при сборке, действующие на остов, вызывают деформацию его элементов. При достаточной механической прочности элементов для нормальной работы двигателя остов должен обладать необходимой продольной и поперечной жесткостью, при которой сохраняются линия укладки коленчатого вала, перпендикулярность осей цилиндров к оси коленчатого вала, геометрическая форма рабочих цилиндров.

На рис. 2.1 показаны конструктивные схемы остовов судовых рядных двигателей, различающиеся между собой числом разъемов между его деталями и способами укладки коленчатого вала. Эти различия вызваны особенностями требований к габаритам, массе, технологии изготовления, удобству обслуживания и ремонта двигателя. Остовы У-образных двигателей

ис ПДП (и подобные им) более сложные и выполняются по схожим между собой схемам.

Остов крейцкопфных двигателей, имеющих обычно большую высоту (рис. 2.1, а), состоит из фундаментной рамы 1, картера 2, цилиндров 3 с установленными в них цилиндровыми втулками 4 и крышек цилиндров 6, закрепленных шпильками 5. Из технологических соображений и удобства монтажа остов выполняют, как минимум, с тремя горизонтальными разъемами и с коленчатым валом, уложенным в подшипники фундаментной рамы. Жесткость его обеспечивается за счет увеличения сечений продольных

ипоперечных связей рамы, применения картеров коробчатой конструкции, соединения деталей длинными анкерными связями 7.

Втронковых двигателях для повышения жесткости остова, снижения его массы отдельные его элементы часто объединяют в одно целое, что технологически вполне приемлемо. Конструктивно это решается объединением цилиндров двигателя с картером в общий блок-картер 1 (рис. 2.1,6), а также применением развитой по высоте фундаментной рамы /, выполненной как одно целое с картером и отдельным блоком цилиндров 2 (рис. 2.1, в). Соединяют эти элементы сквозными анкерными связями 2 (рис.

2.1,6) или укороченными силовыми шпильками 3 (рис. 2.1,8), ввернутыми в

нижнюю часть блока цилиндров.

Остов с подвесным коленчатым валом широко распространен в современных ВОД и СОД в связи с большой жесткостью и меньшей массой

18

конструкции. В однорядных СОД большой мощности применяют блок-картер 1, к которому снизу массивными крышками подшипников 2 подвешивают коленчатый вал (рис. 2.1, г). Часто остовы рядных и V-образных двигателей с подвесным валом выполняют по схеме, где картер 1 и блок цилиндров 2 отлиты раздельно и стянуты силовыми шпильками 3 (рис. 2,д). При этой схеме, несмотря на дополнительный разъем, сохраняется жесткость, упрощается изготовление остова, снижается его масса, так как блок цилиндров разгружен от растягивающих усилий.

В большинстве двигателей крышки крепят к блоку цилиндров короткими силовыми шпильками; устанавливаемыми в верхней его плите. Общая масса деталей остова во многом определяется схемой их нагружения.

Рис. 2.1. Конструктивные схемы остовов дизелей

19

При растяжении остова газовыми силами детали его получаются более тяжелыми. В конструкциях, где остов стянут анкерными связями, детали могут быть облегчены, так как чугун на сжатие работает лучше, чем на растяжение. Для проводки анкерных связей в поперечных балках деталей остова выполняют вертикальные каналы (колодцы). Анкерная связь 7 (см. рис. 2.1, а) представляет собой стержень с резьбой под гайки на обоих его концах. В МОД для удобства при монтаже анкерные связи выполняют из двух частей, соединенных резьбовой муфтой, Для устранения поперечных вибраций длинных анкерных связей используют эластичные стопорные устройства. Затягивают анкерные связи гидравлическим домкратом с усилием, обеспечивающим плотное соединение деталей остова при наибольшем давлении в цилиндре. Анкерные связи изготовляют из углеродистой стали марок 35 и 40, легированной стали марок 20ХЗА, 18ХНМА, 18ХНВА и др.

Все связи, затягиваемые гидравлическим способом, имеют специальную конструкцию: концы их оборудуют нарезным хвостовиком для крепления гидродомкрата, а гайки к ним имеют цилиндрическую форму с отверстиями на боковой поверхности под вороток. Гидравлический домкрат используют в СОД и МОД также для затяжки силовых связей рамовых подшипников, подшипников нижней (кривошипной) и верхней головки шатуна, крышек цилиндров, штоков поршней, насадки кулачных шайб, выкатывания вкладышей рамовых подшипников и др. Домкрат (рис. 2.2) состоит из цилиндра 4 и поршня 5, образующих рабочую полость А, уплотненную резиновыми прокладками.

Рис. 2.2. Гидравлическое приспособление для затяжки анкерных связей:

а – гидравлический домкрат; б – схе ма приспособления

Поршень навинчивают на свободный резьбовой конец связи 1 до соприкосновения со стаканом (проставкой) 2. Удалив через клапан 6 воздух из полости А, специальным прессом 8 поднимают в ней давление масла до требуемого (35...70 МПа), в результате чего связь удлиняется. После этого гайку 3 затягивают или отпускают рукояткой 7, вставленной через прорезь в стакане 2 в отверстие на боковой поверхности гайки.

20