СДВС для студентов ЗСМ / Судовые двигатели внутреннего сгорания
.pdf
ББК 39.455.5 Р 48
УДК 621.431.74(075.8)
Рецензенты: Предметная комиссия Северодвинского политехнического техникума (инж. В. В. Баранов), инж. Г. А. Кочубей', инж. Ю. Г. Ященко
Научный редактор канд. техн. наук А. Б. Кане
Ржепецкий К. Л., Сударева Е. А.
Р 48 Судовые двигатели внутреннего сгорания: Учебник.— Л:: Судостроение, 1984— 168 е., ил.
'ИСБН
Всоответствии с учебной программой по специальности «Судовые машины и механизмы» рассмотрены теоретические основы процессов, протекающих в судовых
|
ДВС, кратко описаны конструкции и условия их эксплуатации. |
Для выполнений |
|
|
теплового расчета двигателя приведены методические указания и необходимый |
||
|
справочный |
материал. |
|
|
Учебник предназначен для учащихся средних специальных учебных заведений |
||
|
судостроительного профиля, |
|
|
|
-3605030000-073 |
- 5 |
|
Р |
048(01)—84 |
2 3 - 8 5 |
3 9 -4 5 5 - |
© Издательство «Судостроение», 1984 г.
В В Е Д Е Н И Е
Дизельные установки занимают ведущее место в транспортном флоте, причем их интенсивное развитие позволяет предположить, что они будут иметь преимущественное применение и на вновь строящихся судах. Так, в 1982 г. доля теплоходов в выпуске судов по количеству составляла 99,3 %. Это объясняется в первую очередь их высокой энергетической эффективностью. Коэффициент полезного действия дизеля достигает 45%, что определяет его топливную экономичность. Дизели надежны в работе, просты в обслуживании и ремонте, имеют ограниченный расход воздуха, мало подвержены влиянию атмосферных условий. Они обладают сравнительно низким температурным уровнем, простотой дистанционного автоматического управления. Положительными качествами дизелей являются их быстрый запуск, высокая приемистость, значительный тормозной момент, что особенно важно для транспортных установок. Судовые двигатели большой и средней мощности могут работать на тяжелом топливе, цена которого на мировом рынке значительно ниже цены дизельного топлива.
Наряду с положительными качествами двигатели внутреннего сгорания обладают и рядом недостатков. Среди них ограниченная по сравнению с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность, высокий уровень шума, токсичность выпускных газов, повышенный расход смазочного масла, большая чувствительность к росту нагрузки, появление неуравновешенных сил инерции и возможность возникновения крутильных колебаний.
Первые в мире судовые двигатели внутреннего сгорания были изготовлены в 1903—1904 гг. в Петербурге и установлены на нефтеналивных судах «Вандал» и «Сармат». Аналогичными ди- зель-электрическими установками были оборудованы канонерские лодки типа «Шквал» постройки 1905 г. Через три года завод «Русский дизель» начал выпуск первых в мире четырехтактных реверсивных двигателей для подводных лодок типа «Минога» и других судов.
3
Особенно быстро отечественное двигателестроедйе стало развиваться после Великой Октябрьской социалистической революции. За годы первых пятилеток в стране было организовано производство двигателей для различных областей народного хозяйства: автомобилестроения, тракторостроения, авиации, морского и речного флота и т. п. С 1928 г. по 1941 г. заводами был освоен выпуск 14 новых типов дизелей многих модификаций. Среди этих дизелей были судовые двигатели мощностью до 3,1 МВт (дизель 6С-68 мощностью 2,4 МВт, дизель 9ДКР 51/55 мощностью 3,1 МВт). После Великой Отечественной войны начался процесс обновления состава морского и речного флотов как за счет постройки судов на отечественных верфях, так и пу-
тем поставок |
из других |
стран. Мощные судовые малооборотные |
|
дизели |
(7ДКРН 50/110-2, 5ДКРН 62/140-3, 9ДКРН 84/180-3 |
||
и др.) |
начал |
выпускать |
Брянский машиностроительный завод. |
Ими оборудованы крупные серии сухогрузов, танкеров, контейнеровозов, рефрижераторов дедвейтом от 12 до 40 тыс. т.
При создании новых конструкций двигателей используются теоретические основы, разработанные русскими и советскими учеными. В разработку теории рабочего цикла поршневых двигателей внутреннего сгорания, основоположником которой является профессор Гриневецкий В. И., внесли весомый вклад советские ученые Брилинг Н. Р., Мазинг Е. К., Стечкин Б. С. Работы по вопросам прочности деталей двигателей выполнены профессорами Серенсеном С. В., Кинасошвили Р. С.
Энергетические установки с дизелями в предстоящем десятилетии планируются к использованию на основной части отечественных судов, намеченных к постройке (при мощностях энергетических установок до 25 МВт). Доминирующее положение сохранят малооборотные дизели с прямой передачей мощности на винт. Агрегатные мощности дизелей 4,4—16 МВт, частота вращения двигателя до 170 об/мин. Переход на выпуск дизелей с постоянным давлением газов перед турбонагнетателем и увеличенным ходом поршня позволит снизить удельный расход топ-
лива до 0,182 кг/(кВт'ч) |
и |
ниже. На |
судах рыбопромыслового, |
технического, речного флота |
будут все больше применяться сред- |
||
необоротные двигатели |
с |
удельным |
расходом топлива до |
0,186 кг/(кВт-ч). |
|
|
|
Развитие судовых ДУ идет по пути повышения топливной экономичности ДВС и внедрения решений, способствующих росту эффективности установок в целом, за счет комплексной утилизации теплоты, отборов мощности на валогенераторные системы, использования низкосортных топлив, снижения массогабаритных характеристик и металлоемкости, повышения безотказности и ремонтопригодности двигателей.
Г л а в а I. СОСТАВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
И МАРКИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
§ 1. Основные понятия и определения Состав судовых дизельных установок.
Классификация двигателей внутреннего сгорания.
Судовая дизельная установка (СДУ) является сложным техническим комплексом, обеспечивающим движение судна и снабжение энергией (механической, тепловой и электрической и др.) всех потребителей на судне. В ее состав входят установки: главная энергетическая (ГЭУ), вспомогательная (ВЭУ) и электроэнергетическая (ЭЭУ).
Главной называется часть СДУ, предназначенная для обеспечения движения судна. Она включает в себя следующие основные элементы: главные двигатели, главные передачи, валопроводы и движители, вспомогательные механизмы, теплообменные аппараты и оборудование систем, обслуживающих главные двигатели (ГД) и передачи, системы дистанционного автоматизированного управления (ДАУ), аварийно-предупреди- тельной сигнализации и защиты.
Главными двигателями (ГД) называют двигатели, обеспечивающие ход судна. Главные передачи предназначены для преобразования крутящего момента или энергии, а также для объединения мощности нескольких ГД. Валопровод служит для передачи мощности от ГД к движителям и упора движителя корпусу судна. Движитель (винт) преобразует подводимую к нему механическую энергию ГД в упор, передаваемый главному упорному подшипнику и корпусу судна, что обеспечивает его
движение с заданной |
скоростью. |
Вспомогательной |
называется часть СДУ, удовлетворяющая |
|
б |
как ее собственные энергетические потребности, так и общесудовые нужды, не связанные непосредственно с движением судна. Эта часть СДУ состоит из парогенераторной (котельной) установки, обеспечивающей потребности судна в паре, теплоте и горячей воде. На судах с большой дальностью плавания и высокой автономностью в состав вспомогательной части СДУ входят испарительные или опреснительные установки, использующие теплоту, отводимую с охлаждающей водой ГД, или работающие на паре вспомогательных парогенераторов (ПГ).
ЭЭУ снабжает электроэнергией все потребители, имеющиеся на судне. Для привода генераторов судовых электростанций (СЭС). служат вспомогательные двигатели (ВД). В качестве ВД на теплоходах, как правило, используют средне- и высокооборотные дизели (СОД и ВОД).
В единый энергетический комплекс все элементы СДУ связываются системами, под которыми понимают совокупность специализированных трубопроводов с механизмами, аппаратами, приборами и устройствами, обеспечивающими надежную эксплуатацию установки в целом.
Двигатели, используемые в составе ЭУ судна, можно подразделить по следующим основным признакам:
— способу осуществления рабочего цикла: четырехтактные, у которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала); двухтактные, у которых рабочий цикл происходит за два хода поршня (один оборот колен-
чатого |
вала); |
|
|
|
|
|
— |
роду |
рабочего |
цикла: с подводом теплоты при почти по- |
|||
стоянном |
объеме — двигатели |
с |
принудительным |
зажиганием |
||
топлива и низкой степенью сжатия |
(карбюраторные |
и газовые); |
||||
с подводом |
теплоты |
при почти |
постоянном давлении — двигате- |
|||
ли с воздушным распыливанием топлива, самовоспламенением и высокой степенью сжатия (компрессорные дизели строят как исключение); со смешанным подводом теплоты — все современные дизели с высокой степенью сжатия, механическим впрыском топлива и самовоспламенением;
—способу действия: простого действия, у которых рабочий цикл осуществляется только в верхней полости цилиндра (имеют преимущественное применение на судах); двойного действия, у которых рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра — верхней (над поршнем) и нижней (под поршнем); с противоположно движущимися поршнями, являющимися, по существу, двумя двухтактными дизелями простого действия с общей камерой сгорания (имеют ограниченное применение на судах);
—роду применяемого топлива\ использующие легкое жидкое (бензин, лигроин, керосин и др.), которое вводится в цилиндр в
парообразном состоянии в смеси с воздухом; тяжелое жидкое (дизельное, моторное, соляровое масло, газойль, мазут и др.), которое впрыскивается-в цилиндр под давлением; газообразное (газы — естественный, генераторный, сжиженный и др.); газ и
6
воздух вводят раздельно или в смеси; зажигание производят электрической искрой; газожидкостные: основное топливо — газ, запальное (около 10—15%) — жидкое; многотопливные, приспособленные для работы на широком ассортименте жидких топлив — от легких до тяжелых;
— способу смесеобразования: с внутренним смесеобразованием, у которых рабочая смесь образуется внутри цилиндра в результате распыливания топлива (все дизели, а также двигатели легкого топлива с непосредственным впрыском в цилиндр); с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь, состоящая из паров легкого жидкого топлива с воздухом (или газа с воздухом), образуется вне рабочего цилиндра (двигатели карбюраторные, а также использующие газообразное топливо
сискровым зажиганием);
—способу наполнения цилиндра; без наддува, у которых наполнение воздухом или рабочей смесью обеспечивается перемещением поршня или за счет продувочного воздуха; с наддувом, у которых воздух или рабочая смесь подается в цилиндр под повышенным давлением наддува из особого наддувочного или продувочно-наддувочного агрегата;
— способу воспламенения топлива: с самовоспламенением впрыскиваемого в цилиндр топлива благодаря высокой температуре, достигаемой в конце процесса сжатия; с принудительным зажиганием, т. е. горючая смесь воспламеняется от постороннего источника — электрической искры (карбюраторные и газовые ДВС); с комбинированным воспламенением, в которых основная горючая газовая смесь поджигается за счет самовоспламенения небольшого количества (10—15%) жидкого распыленного запального топлива, впрыскиваемого в цилиндр (газодизели) ;
— назначению: главные реверсивные с непосредственной передачей мощности на винт; главные нереверсивные, имеющие какие-либо реверсивные устройства (реверсредуктор, ВРШ, реверсивные муфты) или работающие на электрогенераторы; вспомогательные судовые нереверсивные, приводящие в действие вспомогательные механизмы энергетической установки (например, дизель-генераторы, дизель-компрессоры и др.);
— конструктивному выполнению: тронковые, у которых направляющей является тронковая часть поршня; крейцкопфные, у которых направляющей поршня служит ползун, перемещающийся по параллелям;
— |
частоте |
вращения |
п |
коленчатого |
вала, об/мин; мало- |
|||||
оборотные |
(МОД)— 100 < |
п ^ 350, |
среднеоборотные |
(СОД) — |
||||||
350 < |
п < |
750, |
высокооборотные (ВОД) — 750 < |
п ^ |
2500; |
|||||
— |
средней |
скорости |
Ст |
поршня, |
м/с: |
тихоходные — 4,5 < |
||||
< ст ^ 7,0, средней |
быстроходности — 7,0 < ст ^ |
10,0, быстро- |
||||||||
ходные — 10,0 < с т ^ |
15,0. |
|
|
|
|
|
||||
7
§ 2. Конструктивные и эксплуатационные показатели и параметры судовых дизелей. Перспективы развития дизелей
Основными показателями судовых дизелей являются эффективная мощность, частота вращения коленчатого вала, средняя скорость поршня, рабочий объем цилиндра, среднее эффективное давление, степень форсировки, давления сжатия и сгорания, степень сжатия, удельный эффективный расход топлива, эффективный КПД, удельные расходы масла на угар и слив, удельная масса.
Эффективная мощность дизеля Ne — это мощность, развиваемая на выходном фланце коленчатого вала. Для оценки режимов работы дизелей, выпускаемых отечественной промышленностью в соответствии с ГОСТ 10150—75, пользуются следующей градацией мощностей:
J —номинальная мощность—это длительная эффективная мощность при номинальной частоте вращения коленчатого вала в условиях, для которых предназначен дизель, с учетом возможности развития максимальной мощности;
J —максимальная мощность — это кратковременная мощность, превышающая номинальную на 10 % и получаемая периодически
втечение не более 1ч;
—минимальная мощность, допускаемая при длительной работе— это наименьшая эффективная мощность, гарантируемая при соответствующей частоте вращения.
По агрегатной мощности Ne судовые дизели можно условно
разделить |
на |
маломощные (Ne ^ 150 кВт), |
мощные—1,5— |
15 МВт и сверхмощные — более 15 МВт. |
|
||
Число цилиндров в дизелях может изменяться в широких |
|||
пределах |
(от |
5 до 20 и более); цилиндровая |
мощность дизеля, |
под которой понимают мощность, развиваемую одним цилиндром, существенно различна (от 4 до 4000 кВт). В связи с этим для сравнительной оценки различных дизелей используют относительную мощность, называемую литровой.
Литровая мощность дизеля — это отношение мощности, развиваемой дизелем, к объему в литрах, описываемому всеми его поршнями за один ход. По литровой мощности судят о степени
использования рабочего объема цилиндра дизеля. Рабочим |
объ- |
|||
емом |
цилиндра является |
объем, |
описываемый поршнем за |
один |
ход |
между мертвыми |
точками |
(нижней — НМТ, верхней — |
|
ВМТ). Этот объем можно получить, умножив площадь поперечного сечения цилиндра nD2/4 на ход S поршня (где D~ диаметр цилиндра).
Диапазон применяемых для судовых дизелей диаметрой цилиндра весьма значителен. В зависимости от конструкции цилиндропоршнейой группы (ЦПГ) D изменяется от 80 до 1060 мм. При малых D возникают затруднения в организации качественного процесса смесеобразования, а также в обеспечении надеж-
8
ного пуска. При больших D характерна высокая тепловая и механическая напряженность камеры сгорания, особенно крышки цилиндра и поршня. Маломощные ВОД имеют диаметр цилиндра D — 80 ч- 200 мм, СОД средней мощности 250—650 мм, МОД большой мощности 500—1060 мм. В зависимости от относительного хода поршня S/D различают: дизели короткоходовые S/D — 0,9 ч- 1,2; среднеходовые S/D — 1,2 ч- 1,5: длинноходовые S/D — 1,5—2,2. При снижении S/D упрощается задача размещения клапанов в крышке, улучшаются условия газообмена, увеличивается жесткость коленчатого вала. В МОД выбирают относительно высокие значения S/D, чтобы получить допустимые значения средней скорости движения поршня ст.
Частота вращения дизеля определяется частотой вращения его коленчатого вала. При непосредственном соединении с винтом частота вращения дизеля равна частоте вращения гребного винта (пв), что обеспечивает наибольший КПД энергетической установки. Условия работы гребного винта не позволяют применить более компактные и легкие СОД и ВОД для непосредственной передачи вращения на винт. В этом случае в энергетическую установку вводят редукторную передачу, снижающую частоту
вращения |
дизеля. |
|
|
|
|
Средняя |
скорость поршня — главный показатель, |
характери- |
|||
зующий быстроходность |
дизеля; |
с т связана с частотой |
враще- |
||
|
|
|
Sn |
|
|
иия п коленчатого вала |
и ходом |
поршня S: ст = ~ |
П |
о сте- |
|
пени быстроходности судовые дизели разделяют на тихоходные
(ст = 4 ч - 6 м/с), средней быстроходности (6—9 м/с), |
быстро- |
ходные (9—13 м/с), высокой быстроходности (более |
13 м/с). |
При повышении ст уменьшаются габарит и масса дизеля, однако возрастают динамические нагрузки и износ трущихся деталей, в связи с чем снижается ресурс дизеля.
Ресурсом называется время работы дизеля в часах (наработка) до определенного состояния. ГОСТ 10150—75 устанавливает следующую номенклатуру ресурсов: непрерывной работы до проведения технического обслуживания, до переборки, до полной переборки, до капитального ремонта, а также полный ресурс дизеля. Гарантийная наработка в часах равна ресурсу двигателя до первой переборки. Ресурс дизелей отечественных типов достигает следующих значений до первой переборки: 6—4 тыс. ч —МОД, 5—3 тыс. ч —СОД, 4—2 тыс. ч —ВОД; до капитального ремонта: 90—60 тыс. ч — МОД, 40—25 тыс. ч — СОД, 20—10 тыс. ч — ВОД. Ресурс дизеля зависит от таких факторов, как средняя скорость поршня, среднее эффективное давление реу степень форсировки дизеля и т. д.
Среднее эффективное давление ре характеризует совершенство термодинамического цикла и конструкции дизеля; по величине ре судят о его механической нагрузке. Чем выше ре, тем больше нагрузка. Среднее эффективное давление — это условное среднее давление газов на поршень дизеля в период рабочего
9