книги из ГПНТБ / Соловьев Е.М. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы учеб. пособие

ные значения мощности NeHи частоты вращения пн, то в результате получим графическое изображение точки а номинального режима, а любой режим может быть изображен точкой на этой диаграмме. В эксплуатации частота вращения не может быть выше номиналь­ ной пн или ниже минимальной птіп; поэтому точки реально воз­ можных режимов располагаются между ординатами «т іп и пп.

Особенностью дизеля как энергетического агрегата является следующее интересное обстоятельство: для каждой частоты враще­ ния существует вполне определенное значение предельной мощно­ сти, которую разрешается получать от двигателя в эксплуатации в течение продолжительного времени. Так, при пн это значение со­ ответствует NeH. Но при минимальной частоте вращения предель­ ная мощность значительно ниже (ЛР). Линия ab, соединяющая точки предельных мощностей для каждой частоты вращения, на­ зывается ограничительной характеристикой. Эта характеристика назначается дизелестроительным заводом и обычно имеет вид пря­ мой (а иногда ломаной) линии. При повышении температуры на­ ружного воздуха или снижении атмосферного давления в цилин­ дры двигателя попадает меньше воздуха, поэтому и мощность дви­ гателя должна быть снижена. Для этих условий ограничительная характеристика смещается вниз (a'b' ).

Сравнительная оценка двигателей внутреннего сгорания. Абсо­ лютное большинство судов рыбопромыслового флота (98%) имеет дизельные и дизель-электрические установки. Такое широкое при­ менение ДВС объясняется их высокой экономичностью, компакт­ ностью, малой массой и простотой обслуживания. Кроме того, су­ довые энергетические установки с ДВС имеют более высокий эф­ фективный коэффициент полезного действия. Так, если к. п. д. установки с паровой машиной составляет около 12%, а паротур­ бинной установки — 30%, то у дизельной установки он равен при­ мерно 40%.

Минимальное количество обслуживающего персонала и воз­ можность управления с централизованных постов — также одно из преимуществ ДВС. К недостаткам дизельных установок отно­ сятся: сложность конструкции и высокая стоимость изготовления, чувствительность к перегрузкам, высокий уровень шума и нерав­ номерность работы, в результате чего возникают вибрации кор­ пуса судна.

§13. Устройство основных деталей, узлов

исистем двигателя

Как видно из схемы, приведенной на рис. 38, двигатель состоит из неподвижных деталей, образующих остов, и подвижных, обра­ зующих кривошипно-шатунный механизм. Кроме этих основных деталей каждый двигатель снабжен рядом систем и устройств. Для своевременного впуска воздуха и выпуска отработавших га­ зов (открытия и закрытия клапанов) двигатели оснащают меха­ низмом газораспределения. Для подачи топлива в цилиндры дви­ гатель оборудуют топливной системой. К трущимся деталям для

80

уменьшения трения необходимо подводить смазочное масло из масляной системы двигателя. Для предотвращения перегрева дета­ лей, нагревающихся горячими газами (поршень, цилиндр, крыш­ ка), служит система охлаждения. Пуск двигателя осуществляется при помощи различных пусковых устройств. Для обеспечения зад­ него хода судна двигатели оборудуют реверсивными устройствами.

К основным неподвижным деталям двигателя, составляющим остов, относятся: фундаментная рама, станина, цилиндры и крыш­ ки. Фундаментная рама служит основанием для двигателя. Ци­ линдры вместе с крышками (и поршнем) образуют рабочие поло-

а) 5

2

1

Рис. 44. Детали остова двигателя: а — большой мощности; б — средней и малой мощности.

сти. Станина связывает фундаментную раму с цилиндрами и обра­ зует полость, где движется кривошипно-шатунный механизм. Остов двигателя воспринимает силы давления газов в цилиндрах, по­ этому он должен быть достаточно прочным, а чтобы не нарушать взаимного расположения деталей — достаточно жестким. Все де­ тали остова прочно соединены в единую конструкцию.

Конструкции остова различаются в зависимости от мощности двигателя. Обычная схема остова двигателя большой мощности показана на рис. 44, а. Сварная стальная фундаментная рама 1 имеет гнезда 2, в которых установлены рамовые подшипники, служащие постелью для коленчатого вала. Рабочие цилиндры 4 могут быть выполнены одиночными (как указано на рисунке) или отлиты в виде блоков по два-три цилиндра. Наружная часть ци­ линдра называется рубашкой, в нее запрессованы цилиндровые втулки 6. Между рабочими цилиндрами и фундаментной рамой установлен картер (станина) 3. Цилиндры закрыты крышками 5.

Остов двигателей малых и средних мощностей изображен на рис. 44, б. Он отличается от рассмотренного тем, что все цилин-

81

23

Рис. 45. Подвижные детали двигателя.

дры объединены в одном блоке 4, который выполнен заодно со станиной; такая конструкция называется блок-картером. Все де­ тали остова в этом случае выполняют литыми, как правило, из чугуна.

Подвижные детали двигателя, образующие кривошипно-шатун­ ный механизм,' изображены на рис. 45. Поршень 4, изготовленный

82

из чугуна или алюминиемого сплава, при помощи стального пор­ шневого пальца 5 соединен с шатуном 1. Так как шатун во время работы двигателя качается на пальце, то в его верхней головке име­ ется головной подшипник 2. Чтобы предотвратить перемещение поршневого пальца в осевом направлении в отверстиях для паль­ ца, в поршне имеются стопорные кольца 3. На наружной поверх­ ности поршня сделаны канавки, в которых свободно установлены чугунные пружинящие компрессионные кольца 6, препятствующие проникновению газов из полости цилиндра в картер, и маслосъем­ ные кольца 7, которые снимают излишки масла со стенок ци­ линдра.

Стальной кованый коленчатый вал состоит из рамовых шеек 14, расположенных на одной оси, и мотылевых шеек 13. Все шейки соединены между собой щеками 12. Две щеки и мотылевая шейка образуют кривошип. Рамовые шейки лежат на нижних вкладышах 15 рамовых подшипников, сверху на шейки устанавли­ вают верхние вкладыши. Нижние вкладыши размещаются в гнез­ дах фундаментной рамы, верхние прижимаются специальными крышками.

Каждая мотылевая шейка также охвачена нижним и верхним вкладышами 8 мотылевого подшипника. Вкладыши установлены в нижней головке шатуна, крышка 10 которой притягивается ша­ тунными болтами. Чтобы гайки шатунных болтов во время ра­ боты самопроизвольно не отворачивались (что может повлечь за собой аварию), их стопорят специальными шплинтами 11. Рабочие поверхности всех вкладышей покрыты специальным антикоррози­ онным сплавом, сильно уменьшающим силу трения.

Для более равномерного вращения на кормовом конце колен­ чатого вала установлен маховик 9 с зубчатым венцом, благодаря которому проворачивается коленчатый вал двигателя. Чтобы уменьшить вредное действие сил инерции, щеки некоторых колен­ чатых валов снабжают противовесами 17. Для привода различ­ ных вспомогательных механизмов, навешенных на двигатель, на носовом конце коленчатого вала предусмотрены шестерни 16.

Кривошипно-шатунный механиз мощных крейцкопфных двига­ телей имеет несколько иную конструкцию. Верхняя головка ша­ туна 18 крейцкопфного двигателя — разъемная, вильчатой формы. Она навешена на цапфы 19, закрепленные в поперечине 20, кото­ рая в свою очередь соединена с ползуном 21, перемещающимся в направляющих параллелях. Поперечина с цапфами и ползун составляют крейцкопф.

Поршень 23 — небольшой по высоте, болтами он жестко соеди­ нен со штоком 22, нижний конец которого закреплен в поперечине крейцкопфа.

Газораспределение в двигателях. Для нормального протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя необходимо, чтобы в строго определенный момент в цилиндр подавался свежий воз­ дух (у карбюраторных двигателей — рабочая смесь), цилиндр со­ общался с выпускным трубопроводом и очищался от газов.

83

Наполнение и очистка цилиндра должны происходить в строгом со­ гласовании с положением поршня в цилиндре. Эти функции выполняет механизм газораспределения. Согласование работы газораспределительных органов достигается благодаря тому, что механизм газораспределения кинематически связан с коленчатым валом.

Существует много конструктивных разновидностей механизмов газораспределения, но принцип их построения у всех двигателей внутреннего сгорания одинаков.

Механизм газораспределения четырехтактного двигателя пока­ зан на рис. 46. Он состоит из клапанов 1, расположенных в на­ правляющих втулках 2 и удерживаемых в закрытом состоянии пружинами 3, а также распределительного вала 11 и передаточных деталей, к которым относятся толкатель 9, втулка 8 толкателя, штанга 7 и коромысло 4. К распределительному механизму отно­ сятся также шестерни, которые приводят в движение распредели­ тельный вал.

Механизм газораспределения действует следующим образом. На конце коленчатого вала двигателя насажена шестерня 12. Она приводит в движение шестерню 13, которая в свою очередь вращает шестерню 10 распределительного вала. При вращении распредели­ тельного вала его кулачок поднимает толкатель 9, который воз­ действует на штангу 7, поднимающую правое плечо коромысла 4,

84

заставляя его немного повернуться вокруг оси и левым концом от­ крыть клапан (рис. 46,6). Когда выступ кулачка распределитель­ ного вала выйдет из-под толкателя, давление на клапан 1 прекра­ тится и он под действием пружины 3 станет на место — закроет отверстие (рис. 46,а).

Для обеспечения плотного закрытия отверстий клапанами меж­ ду торцом стержня каждого клапана и коромыслом должен быть некоторый зазор: меньший — для впускного клапана и больший для выпускного (более сильно нагревающегося)Требуемая ве-

личина зазора устанавливается регулировочным винтом 6, за­ крепленным контргайкой 5.

У двухтактных двигателей впуск свежего воздуха и выпуск от­ работавших газов осуществляется через окна в цилиндре, откры­ ваемые и закрываемые рабочим поршнем. Так как времени на про­ цессы наполнения и выпуска в двухтактных двигателях отводится примерно в три раза меньше, чем в четырехтактных (при одинако­ вой частоте вращения вала), а отработавшие газы вытесняются из цилиндра потоком продувочного воздуха (а не поршнем), все это затрудняет эффективную очистку и наполнение цилиндров. Стрем­ ление же к наиболее полной очистке и наполнению рабочего ци­ линдра привело к созданию большого количества разнообразных систем продувок. Некоторые из них, наиболее распространенные, показаны на рис. 47.

Петлевая поперечно-щелевая продувка с эксцентрическим рас­ положением окон (рис. 47, а) используется в отечественных двух­ тактных двигателях и двигателях фирмы Зульцер. Оси продувоч­ ных и выпускных окон имеют различные центры пересечения.

85

фирмой МАН в мощных малооборотных двигателях. Все окна рас­ положены с одной стороны, причем выпускные окна помещаются над продувочными.

Прямоточная клапанно-щелевая продувка (рис. 47, в) применя­ ется в двигателях фирмы Бурмейстер и Вайн и в мощных судо­ вых двигателях Брянского машиностроитель­ ного завода. Свежий воздух поступает через продувочные окна, расположенные по окруж­ ности, а отработавшие газы удаляются через клапаны, снабженные таким же приводом, как и у четырехтактного двигателя. Продувочный воздух не делает петли, а движется винто­ образно сверху вниз, что улучшает качество

очистки цилиндров от отработавших газов. Наддув двигателей. Для увеличения мощ­

ности дизелей в настоящее время все чаще применяют наддув как один из наиболее эф­ фективных и перспективных методов. Над­ дув — искусственное увеличение заряда воз­ духа, вводимого в цилиндр двигателя. При наддуве в цилиндр можно ввести большее ко­ личество воздуха и соответственно увеличить количество впрыскиваемого топлива, что при­ ведет к повышению количества теплоты, вы­ деляющейся при сгорании в цилиндре, и, сле­ довательно, к увеличению мощности.

В четырехтактных двигателях увеличение заряда воздуха, вводимого в цилиндр, дости­ гается повышением его давления перед пода­ чей в цилиндры, для чего устанавливают спе­ циальный воздушный нагнетатель.

В двухтактных двигателях с наддувом продувочные насосы создают большее давление и имеют большую производительность. Обычно дизели с наддувом выполнены так, что в цилиндр пода­ ется в 1,5—2 раза больше воздуха, чем в нем может поместиться при нормальной работе. Часть лишнего воздуха используется для продувания цилиндра, когда впускные и выпускные клапаны или окна открыты. Продувочный воздух хорошо очищает цилиндр от отработавших газов, оставшихся от предыдущего цикла, и охлаж­ дает днище поршня, крышку и клапаны, что увеличивает срок службы деталей.

В настоящее время применение наддува позволяет увеличить удельную мощность двигателя в 1,5—2 раза и больше.

Существует несколько систем наддува двигателей. Наиболее распространен газотурбинный наддув. При газотурбинном наддуве (рис. 48) отработавшие газы из выпускного коллектора направля­

86

ются в газовую турбину 2, вследствие чего вал турбины начинает вращаться. На одном валу с газовой турбиной установлено рабо­ чее колесо 1 центробежного компрессора. Агрегат турбина—ком­ прессор называется турбовоздуходувкой, газотурбонагнетателем (ГТН) или турбокомпрессором (ТК).

При вращении рабочего колеса компрессора последний засасы­ вает воздух из атмосферы и под давлением нагнетает его к впуск­ ному клапану.

Мощные двухтактные двигатели с наддувом снабжены не­ сколькими газотурбонагнетателями (один ГТН на три-четыре цилиндра). В качестве дополнительных нагнетателей могут быть использованы полости под рабочими поршнями, снабженные клапа­ нами, которые работают как воздушные насосы. Иногда приме­ няют отдельные поршневые насосы, приводимые в движение от шатунов дизеля.

Топливная система. Устройства, обеспечивающие подготовку, подвод и подачу топлива в цилиндры, образуют топливную сис­ тему двигателя. Принципиальная схема топливной системы ди­ зеля показана на рис. 49, а.

Топливо принимается на судно через приемный патрубок 5 и заливается по трубе 4 в цистерны 3 основного запаса. Оттуда один раз за вахту топливо забирается насосом 2 (а при его аварии— ручным насосом 1) и подается в расходную цистерну 7, находя­ щуюся в машинном отделении. Уровень топлива в расходной ци­ стерне контролируется по мерному стеклу 8. В случае переполне­ ния цистерны топливо по переливной трубе 6 сливается в цистерну основного запаса. Вода и примеси, осевшие на дне цистерны, пе­ риодически спускаются через сливной кран 9.

При работе двигателя топливо из расходной цистерны через фильтр грубой очистки 10 непрерывно забирается топливоподка­ чивающим насосом 11 и через фильтры тонкой очистки 12 нагне­ тается под давлением 150—200 кПа (1,5—2 кгс/см2) к топливным насосам высокого давления. Если топливо сильно загрязнено, его пропускают через сепаратор 21, где оно очищается от воды и ме­ ханических примесей.

Каждый насос высокого давления 13 один раз за цикл в нуж­ ный момент в требуемом количестве подает порцию топлива под высоким давлением 30—150 МПа (300—1500 кгс/см2) по трубопро­ воду высокого давления 15 через щелевой фильтр тонкой очистки 16 и форсунку 17 в свой цилиндр. Топливо, просочившееся через неплотности форсунок и насосов, отводится по трубам 18 в сточ­ ную цистерну 19. Излишек топлива, подаваемого топливоподкачи­ вающим насосом, во избежание повышения давления сверх уста­ новленного перепускается через перепускной клапан 20 обратно в расходную цистерну. Туда же по трубопроводу 14 направляется отсечное топливо от насосов высокого давления.

Двигатели малых и средних мощностей работают на легких ди­ зельных топливах, мощные тихоходные дизели — на тяжелых мо­ торных. Тяжелые топлива обязательно подвергают сепарации.

87

6

Топливные насосы высокого давления выполняются поршне­ выми. Поршни называются плунжерами или скалками. Плунжер перемещается вниз с помощью пружины, вверх — под воздейст­ вием кулачка, как у механизма газораспределения. Обычно у су-

88

довых двигателей для каждого цилиндра имеется отдельный на­ сос. У быстроходных и малогабаритных двигателей топливные на­ сосы всех цилиндров могут выполняться в одном корпусе-блоке.

Количество подаваемого в цилиндр топлива необходимо из­ менять в зависимости от нужного режима работы двигателя (ма­ лый, средний, полный ход). Количество топлива, подаваемого в ци­ линдр, изменяют перепуском части его из надплунжерной об­ ратно в подводящую полость.

В зависимости от того, как осуществляется перепуск топлива, различают насосы клапанного типа (перепуск через клапаны) и золотникового типа (перепуск при помощи плунжера специальной конструкции, играющего роль золотника). Наибольшее распрост­ ранение получили насосы золотникового типа; схема устройства такого насоса представлена на рис. 49, б. Плунжер 3 совершает возвратно-поступательное движение в плунжерной втулке 8. Над втулкой установлен нагнетательный клапан 5, прижимаемый к седлу 7 пружиной 6. Во втулке имеются два отверстия а, при помощи которых рабочая полость насоса (надплунжерное прост­ ранство) сообщается с подводящей полостью.

Помимо подачи топлива, плунжер служит в качестве золот­ ника для регулирования количества подаваемого топлива. С этой целью в верхней части плунжера на боковой поверхности сделано углубление со спиральной отсечкой кромкой в и вертикальным пазом б. При движении плунжера вниз в результате создавшегося в рабочей полости разрежения в нее через окна а поступает топ­ ливо. При движении плунжера вверх в первый момент топливо через те же окна будет вытесняться обратно в подводящую по­ лость. С момента, когда окна а будут закрыты торцом плунжера, начнется нагнетание топлива через нагнетательный клапан к фор­ сунке. Нагнетание будет продолжаться до тех пор, пока спираль­ ная канавка в не сравняется с правым (отсечным) окном а. С этого момента топливо из нагнетательной полости по вертикаль­ ному пазу вдоль спиральной отсечной кромки будет перетекать через отсечное окно в подводящую полость. Это явление называ­ ется о т с е ч к о й т о п л и в а . Нагнетательный клапан в этот мо­ мент закрывается и подача топлива к форсунке прекращается.

Изменение количества подаваемого топлива во время работы двигателя осуществляется поворотом плунжера. Если, например, повернуть плунжер вокруг своей оси вправо, то против отсечного окна окажется верхний участок спиральной кромки и отсечка при движении плунжера вверх наступит раньше; следовательно, к форсунке будет подаваться меньшая порция топлива. При пово­ роте плунжера влево подача топлива к форсунке, наоборот, уве­ личится.

Для возможности поворота плунжера на плунжерную втулку свободно надета поворотная втулка 2, на верхней части которой установлен зубчатый венец 4; внизу поворотной втулки имеется вырез, в котором размещен поводок 1 плунжера. Зубчатый венец находится в зацеплении с зубчатой рейкой 9.

89