Колесник Д.В.

Основы судовой энергетики

Тексты лекций

https://www.dropbox.com/sh/dls0ib4enw9yy23/AAAYLlDFC5zyLkT3r1AJMgcpa?dl=0

Одесса - 2006

Состав и классификация СЭУ

Судно состоит из следующих основных частей:

- корпус,

- судовая энергетическая установка (СЭУ),

- общесудовые системы трубопроводов,

- судовые устройства,

- электрическое оборудование,

- средства связи и навигации.

СЭУ – это комплекс технических средств (машин, механизмов, систем и т.д.), предназначенных для обеспечения судна всеми видами энергии, необходимыми для его использования по назначению.

В свою очередь, СЭУ состоит из:

- главной энергетической установки (ГЭУ),

- вспомогательной энергетической установки и

- электроэнергетической установки.

ГЭУ предназначена для обеспечения движения судна. ГЭУ может состоять из 2 частей — генераторной и исполнительной: в 1-й подготавливается (генерируется) рабочее тело, во 2-й энергия рабочего тела преобразуется в упор, двигающий судно.

К установкам, генерирующим рабочее тело, относятся котельные установки.

Исполнительная часть ГЭУ называется пропульсивной установкой. Она, как правило, включает:

- главный двигатель (ГД),

- главную передачу,

- валопровод,

- движитель.

Вместе с корпусом судна, с которым пропульсивная установка гидродинамически взаимодействует через движитель, она образует пропульсивный комплекс (ПК).

Объединение ПУ и корпуса в единую систему позволяет исследовать сложные явления их механического и гидродинамического взаимодействия для оптимизации всего ПК, а не только его отдельных частей.

Движитель – это устройство создающее упор, обеспечивающий движение судна.

Движителем может быть:

- винт фиксированного шага (ВФШ) (η до 0,70-0,80);

- винт регулируемого шага (ВРШ);

- винторулевая колонка (ВРК);

- крыльчатый движитель;

- гребное колесо;

- водомётный движитель и др.

Судовой валопровод служит для передачи мощности (вращающего момента) от ГД или от главных передач (например, редукторов) к движителям и для передачи упора движителя на корпус судна через главный упорный подшипник (ГУП). Валопровод судна обычно состоит из последовательно соединенных упорного, промежуточных, дейдвудного (гребного) валов, упорного, опорных и дейдвудных подшипников, тормозного и валоповоротного устройств, переборочных уплотнений и других элементов.

Наиболее распространенным типом судового движителя является гребной винт. Оптимальная частота его вращения n_в зависит от водоизмещения, осадки и скорости судна, уменьшаясь с увеличением водоизмещения. Для крупнотоннажных транспортных судов при умеренных и небольших скоростях она составляет 50-100 об/мин. Для контейнеровозов при скоростях v более 20 узлов оптимальная частота вращения гребного вала достигает 140 об/мин в связи с относительно малыми диаметрами винтов (5,4-7,2 м). Оптимальной частоте вращения гребного винта соответствует наибольшее значение его КПД η_Р, которое может достигать 0,70-0,80.

Частота вращения валов ГД n_Д (особенно турбин), при которой достигается наивыгоднейшее соотношение между экономическими и массогабаритными показателями двигателя, а значит, и ЭУ, намного превышает оптимальную частоту вращения винта n_в. В таких случаях необходимо включать в линию двигатель — движитель промежуточное звено (передачу) с целью трансформации частоты вращения и вращающего момента двигателя.

Главная передача предназначена для преобразования крутящего момента и частоты вращения при передаче энергии от ГД к движителю.

Главные передачи могут быть:

- механические (η =0,95-0,98);

- электрические;

- гидравлические.

Нередко они также служат для объединения мощности нескольких ГД на один валопровод или для разделения мощности одного ГД на несколько потоков.

В качестве главных двигателей могут применяться:

- двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – дизели (η =0,47-0,5);

- гребные электродвигатели;

- газовые турбины (η =0,3-0,38);

- паровые турбины (η =0,4-0,42);

- паровые машины.

Современные суда оснащаются в основном дизельными установками, благодаря их высокой надёжности и непревзойдённой термодинамической эффективности¹.

В качестве топлива на судах в основном применяется жидкое органическое топливо, являющееся продуктом переработки нефти – дизельное топливо и тяжёлое топливо (обычно вязкостью 380 сСт при 50°C).

Также в качестве топлива на судах может применяться:

- сжиженный газ;

- сырая нефть;

- уголь;

- ядерное топливо.

Топливо, как правило, размещается в днищевых или бортовых цистернах. Тяжёлое топливо требует при этом подогрева. Если общее количество топлива превышает 600 м³, то оно должно быть отделено от наружной обшивки двойным бортом.

Классификация судовых ДВС

Судовой ДВС – это такой тепловой поршневой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую работу.

Историческая справка

Первый ДВС, работавший на светильном газе, был построен в 1860 г. французским механиком Этьен Ленуар (1822—1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (горючие газы, в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела все основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндр с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. Мощность составляла 8,8 кВт. И всё же конструкция Э. Ленуара была лишь прообразом реального двигателя, она требовала серьёзного усовершенствования. Достаточно сказать, что её коэффициент полезного действия составлял ок. 0,04, т. е. лишь 4 % теплоты сгоревшего газа тратилось на полезную работу, а остальные 96 % уходили с отработанными газами, нагревали корпус и т. п. Ненадёжно работали свечи и выпускной золотник, для охлаждения двигателя требовалось очень много воды (около 120 м ³ в час).

 

В 1862 г. французский инженер Альфонс Бо де Роша (1815—1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось предварительное сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Однако осуществить свою идею Бо де Роша не сумел.

Такой двигатель создал в 1876 г. служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832—1891). Над его конструкцией изобретатель напряжённо трудился 15 лет и добился более высокого КПД, чем у существовавших тогда паровых машин.

Жидкое топливо для ДВС впервые использовалось в двигателе, сконструир. рус. инж. М. С. Костровичем в 1880 г.

В 1897 г. нем. инж. Р. Дизель создал 1-й керосиновый двигатель с воспламенением от сжатия.

Первый дизель, использовавший сырую нефть в качестве топлива, был построен в 1899 г. в России на заводе Э. Нобеля, который в 1898 г. купил патент у Р. Дизеля.

Первый в мире теплоход — судно с двигателем внутреннего сгорания был построен в России в 1903 г. Это была нефтеналивная трехвинтовая баржа, на которой были установлены три дизеля мощностью 88 кВт каждый при частоте вращения 240 мин^-1 с электропередачей мощности гребным винтам.

Классификация судовых ДВС и основные определения

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим основным признакам:

по способу осуществления рабочего цикла:

- четырехтактные, у которых цикл совершается за четыре последовательных хода поршня (за два оборота коленчатого вала), и

- двухтактные, у которых цикл осуществляется за два последовательных хода поршня (за один оборот коленчатого вала);

по способу действия:

- простого действия (рабочий цикл совершается только в одной полости цилиндра),

- двойного действия (рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра над и под поршнем) и

- с противоположно движущимися поршнями (в каждом цилиндре двигателя имеется два механически связанных поршня, движущихся в противоположных направлениях, с помещенным между ними рабочим телом);

по роду применяемого топлива:

- на жидком топливе (дизельное топливо, тяжёлое топливо);

- газовые (сжиженный газ, природный газ). В газовом двигателе небольшое количество жидкого топлива может подаваться в качестве запального, т. е. для воспламенения;

по способу наполнения цилиндра:

- без наддува, когда цилиндр наполняется воздухом (или горючей смесью) всасывающим ходом поршня,

- с наддувом, когда наполнение цилиндра осуществляется специальным компрессором;

по способу смесеобразования:

- с внутренним смесеобразованием, когда топливовоздушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели),

- с внешним смесеобразованием, когда эта смесь приготовляется до ее подачи в рабочий цилиндр (карбюраторные и газовые двигатели с искровым зажиганием);

по способу воспламенения топлива:

- с воспламенением от сжатия (дизели),

- с искровым зажиганием (карбюраторные и газовые);

по расположению цилиндров:

- однорядные;

- V-образные;

- звездообразные и т. п.

по конструктивному исполнению кривошипно-шатунного механизма (КШМ):

- тронковые, у которых направляющей является тронковая часть поршня, передающая его боковое (нормальное) давление на стенки цилиндра;

- крейцкопфные, у которых направляющей поршня служит ползун крейцкопфа, перемещающийся по параллелям;

по изменению направления вращения коленчатого вала:

- нереверсивные, имеющие одно постоянное направление вращения вала;

- реверсивные, у которых направление вращения изменяется реверсивным устройством, изменяющим фазы газораспределения (главные судовые дизели, с прямой передачей на ВФШ);

по частоте вращения коленчатого вала:

- малооборотные (МОД) (n до 350 мин^-1),

- среднеоборотные (СОД) (n от 350 до 1000 мин^-1),

- высокооборотные (ВОД) (n более 1000 мин^-1);

по назначению:

- главные, предназначенные для приведения в действие движителей и/или оборудования, обеспечивающего основное назначения судна,

- вспомогательные, это первичные двигатели судовых генераторов тока, двигатели привода грузовых, пожарных насосов и т. д.;

Существуют и другие признаки, по которым классифицируют ДВС.

Основными определениями, которые относятся ко всем ДВС, являются:

• верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ), соответствующие верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе);

• ход поршня, т. е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое;

• объем камеры сгорания (или сжатия), соответствующий объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ;

• рабочий объем цилиндра, который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками;

• такт – часть рабочего цикла, при которой поршень перемещается из одного крайнего положения в другое.

Маркировка судовых дизелей

Марки дают представление об основных размерах и конструктивных особенностях судовых дизелей.

Условные обозначения дизелей по ГОСТ 10150-88 должны состоять из букв и чисел, которые обозначают:

Ч — четырехтактный;

Д — двухтактный;

ДД — двухтактный двойного действия;

Н — с наддувом;

Р — реверсивный;

С — с реверсивной муфтой;

П — с редукторной передачей;

К — крейкопфный;

Г - газовый;

ГД - газодизельный.

Число перед буквами означает число цилиндров; число над чертой — диаметр цилиндра в сантиметрах; число под чертой — ход поршня в сантиметрах. Отсутствие в условном обозначении буквы К указывает, что дизель тронковый, буквы Р — дизель нереверсивный.

Пример условного обозначения:

12ЧНСП 18/20

дизель двенадцати-цилиндровый, четырехтактный, с наддувом, с реверсивной муфтой, с редукторной передачей, с диаметром цилиндра 18 см и ходом поршня 20 см;

9ДКРН 80/160

дизель девятицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, с диаметром цилиндра 80 см, ходом поршня 160 см.

Большинство фирм производителей дизелей используют собственные системы условных обозначений.

Дизельные установки

Конструкция ДВС

1 – выхлопной коллектор

2 – продувочный коллектор

3 – выпускной клапан

4 – крышка цилиндра

5 – станина

6 – втулка цилиндра

7 – поршень

8 – продувочные окна

9 – шток

10 – крейцкопф

11 – направляющие

12 – шатун

13 – картер

14 – фундаментная рама

15 – коленчатый вал

16 – впускной клапан

Принцип работы 4-хтактных ДВС

На рис. 1.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтактные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).

Рис. 1.1. Схема работы четырехтактного дизеля

1-й такт – впуск или наполнение. Поршень 1 движется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной клапан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха перед впускным патрубком р₀. Впускной клапан открывается несколько раньше ВМТ (точка r), т. е. с углом опережения φ_r-r’ ≈ 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впускной клапан закрывается после НМТ (точка а'), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в рабочий цилиндр в этот период способствует и инерционный подпор воздуха, поступающего в цилиндр. Поэтому впускной клапан закрывается с углом запаздывания φ_а-а’ 20…45° после НМТ.

Углы опережения φ_r-r’ и запаздывания φ_а-а’ определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220...275° ПКВ.

Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор очень часто приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработавших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта).

2-й такт – сжатие. При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n) при высоком давлении, обеспечивающем качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол φ_n-с на номинальном режиме в СОД обычно равен 8...16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е. воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ.

3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топливо, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая через кривошипно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b’), которое происходит с опережением φ_b-b' ≈ 20...40°. Некоторое уменьшение полезной работы расширения газа по сравнению с тем, если бы клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте.

4-й такт – выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет φ_r'-m ≈ 10...60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу φ_r-m ≈ 30...110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов.

Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210...280° ПКВ.

Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью aczba (площадь с наклонной штриховкой, см. 4‑й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачивает работу (с учетом атмосферного давления р₀ под поршнем), равную площади над кривой r'та до горизонтальной линии, соответствующей давлению р₀. За время 4-го такта двигатель затрачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr' до горизонтальной линии р₀. Следовательно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так называемых «насосных» ходов, т.е. 1-го и 4-го тактов, когда двигатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с вертикальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной работы, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов. В реальных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям. В дизелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, поступающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов становится положительной.

Графическая зависимость давления газов в рабочем цилиндре от его объема (или хода поршня) представляет собой индикаторную диаграмму. На рис. 1.2 показана развернутая индикаторная диаграмма дизеля без наддува, где р – давление газов, φ – угол поворота коленчатого вала от ВМТ (обозначения точек на рис. 1.2 соответствуют обозначениям на рис. 1.1). Во 2-м такте дизель работает как компрессор, поэтому его работа в этом такте отрицательная. Круговая диаграмма фаз газораспределения, т. е. моментов открытия и закрытия клапанов газораспределения, представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

/ — выпуск;

II — сжатие;

III — сгорание и расширение;

IV — выпуск

Рис. 1.3. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного дизеля

Принцип работы 2-тактных двс

В двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е. процессы газообмена, происходят только в тот период, когда поршень находится в районе НМТ при открытых органах газообмена. Очистка цилиндра от отработавших газов при этом осуществляется не поршнем, а предварительно сжатым воздухом. Предварительное сжатие воздуха происходит в специальном продувочном или наддувочном компрессоре.

Выпуск газов из цилиндра происходит через окна или через клапан (количество клапанов может быть от 1 до 4). Впуск (продувка) свежего заряда в цилиндр в современных двигателях осуществляется только через окна. Выпускные и продувочные окна размещены в нижней части втулки рабочего цилиндра, а выпускные клапаны — в крышке цилиндра.

Схема работы двухтактного дизеля с контурной продувкой, т. е. когда выпуск и продувка происходят через окна, показана на рис. 1.4. Рабочий цикл имеет два такта.

1-й такт - ход поршня от НМТ (точка m) до ВМТ. Вначале поршень 6 перекрывает продувочные окна 1 (точка d'), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, а затем поршень перекрывает и выпускные окна 5 (точка b'), после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень придет в ВМТ (точка с). Точка n соответствует моменту начала впрыскивания топлива форсункой 3 в цилиндр). Следовательно, в течение 1-го такта в цилиндре заканчиваются выпуск, продувка и наполнение цилиндра, после чего происходит сжатие свежего заряда и начинается впрыскивание топлива.

2-й такт – ход поршня от ВМТ до НМТ. В районе ВМТ форсункой впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает, при этом давление газов достигает максимального значения (точка z) и начинается их расширение. Процесс расширения газов заканчивается в момент начала открытия поршнем 6 выпускных окон 5 (точка b), после чего начинается выпуск отработавших газов из цилиндра за счет перепада давления газа, р_г в цилиндре и выпускном коллекторе 4. Затем поршень открывает продувочные окна 1 (точка d) и происходят продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом. Продувка начнется только после того, как давление газов в цилиндре станет ниже давления воздуха p_s в продувочном ресивере 2.

Таким образом, в течение 2-го такта в цилиндре происходят впрыскивание топлива, его сгорание, расширение газов, выпуск отработавших газов, продувка и наполнение свежим зарядом. Во время этого такта осуществляется рабочий ход, обеспечивающий полезную работу.

Полезная работа цикла определяется площадью диаграммы md'b'czbdm. Развернутая индикаторная диаграмма двухтактного дизеля в системе координат р – φ приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Развернутая индикаторная диаграмма двухтактного дизеля

Рис. 1.6. Круговые диаграммы фаз газораспределения двухтактных дизелей

Работа газов в цилиндре положительна в период 2-го такта и отрицательна во время 1-го такта. Круговая диаграмма фаз газораспределения показана на рис. 1.6. Фазы газораспределения в значительной степени зависят от схемы газообмена. Фазы газораспределения через окна всегда симметричны относительно НМТ (рис. 1.6,а), а через клапан этой симметрии, как правило, нет (рис. 1.6,б). Открытие продувочных окон обычно происходит за 40...65° до НМТ, а выпускных окон – за 60...70° до НМТ. Выпускной клапан открывается при угле 70...95° до НМТ, а закрывается при угле 55...80° после НМТ.

Системы дизельных установок

Работа дизеля обеспечивается следующими системами:

- топливная система;

- система смазочного масла;

- система охлаждения;

- система сжатого воздуха (система пуска);

- система воздухоснабжения;

- газовыпускная система.

Топливная система

Назначение и состав системы. Топливная система обеспечивает подачу топлива в рабочие цилиндры, поэтому является одной из важнейших систем дизеля. Она состоит из систем низкого и высокого давления. Система низкого давления предназначена для подготовки и подачи топлива к системе высокого давления и включает в себя цистерны, фильтры, насосы, сепараторы, подогреватели и топливопроводы. Система высокого давления осуществляет вспрыскивание топлива в камере сгорания двигателя и включает в себя топливный насос высокого давления и форсунку, обычно соединенные топливопроводом высокого давления.

В соответствии с требованиями SOLAS (глава II-2, пр. 4.2.2.5.2)

• топливные трубки высокого давления должны быть двойными;

• должны быть предусмотрены средства сбора протечек;

• в случае протечки должен подаваться сигнал АПС.

Рассмотрим топливную систему двигателя Wartsila 32, работающего на тяжёлом топливе.

Система перекачки и сепарации топлива

Компоненты системы: 1N02 Блок сепаратора 1F02 Сетчатый фильтр 1Р02 Насос сепаратора 1Е01 Подогреватель 1S01 Сепаратор 1F09 Сетчатый фильтр 1Р09 Насос перекачки ТТ 1Т01 Цистерна запаса ТТ 1Т02 Отстойная цистерна ТТ 1Т03 Расходная цистерна ТТ 1Т05 Шламовая цистерна 1Т14 Переливная цистерна 1V10 Быстрозапорный клапан

Расходные трубопроводы

Компоненты системы: 1N01 Блок подготовки топлива 1E02 Подогреватель 1E03 Охладитель 1F06 Фильтр 1F08 Автоматический фильтр (35 мкм) 1I01 Расходомер 1I02 Измеритель вязкости 1P04 Топливоподкачивающий насос 1P06 Циркуляционный насос 1T08 Цистерна удаления воздуха 1V03 Клапан регулировки давления 1V07 Вентиляционный клапан 1E04 Охладитель дизельного топлива 1F03 Сдвоенный фильтр тонкой очистки (37 мкм) 1Т03 Расходная цистерна ТТ 1T04 Цистерна утечного топлива (чистое топливо) 1Т06 Расходная цистерна ДТ 1T07 Цистерна утечного топлива (грязное топливо) 1Т14 Переливная цистерна 1V01 Трёхходовой клапан 1V10 Быстрозапорный клапан

Соединения труб: 101 Подвод топлива 102 Отвод топлива 103 Слив утечного топлива (чистое топливо) 104 Слив утечного топлива (грязное топливо)