Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

са камкин

и.в.возницкий

В.П.ШМЕЛЕВ

ЭКСПЛУАТАЦИЯ

СУДОВЫХ

ДИЗЕЛЕЙ

Утверждено Главным управлением кадров,

учебных заведений и социального развития Минморфлота СССР в качестве учебника для курсантов специальности 14.03

"Эксплуатация судовых энергетических установок" высших инженерных морских училищ

МОСКВА "ТРАНСПОРТ" 1990

ПРЕДИСЛОВИЕ

Выделение в учебнике эксплуатационных вопросов из общего курса объясняется необходимостью уже в стенах училища систематизированно изложить инженерные основы технического использо­ вания и обслуживания дизелей на теплоходах. Эти вопросы рассмат­ риваются с позиций обеспечения ходовых и маневренных режимов работы судов, поддержания высокого уровня надежности, работо­ способности дизелей и экономичного расходования топлива, масла.

Построение книги принято таким, что традиционному изучению закономерностей эксплуатационных характеристик и рабочих ре­ жимов (гл. 4.5) предшествует раскрытие связей технико-эксплуа­ тационных показателей и тепломеханической нагруженности дизе­ лей с параметрами топливоподачи, воздухоснабжения (гл. 2.3). Процессы и характеристики последних, в свою очередь, увязаны с влиянием эксплуатационных факторов и техническим состоянием топливной аппаратуры, агрегатов наддува. В разделе топливопода­ чи рассмотрены типичные современные и перспективные конструк­ ции топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, дан анализ их надежности, методов контроля регулирования.

С развитием техники измерений и автоматизацией энергетиче­ ских установок все большее значение приобретают вопросы техни­ ческого использования и обслуживания дизелей, а также методы текущего контроля параметров и диагностирования состояния уз­ лов дизеля и обслуживающих его систем (гл. 6).

Непосредственное отношение к эксплуатации имеют вопросы топливо- и маслоиспользования в дизелях. Обращено внимание на проблемы очистки, подготовки и сжигания в дизелях тяжелых ос­ таточных топлив и на эксплуатацию топливных систем. Рассмотре­ ны вопросы совместимости применяемых топлив и масел, организа­ ции смазывания цилиндров крейцкопфных дизелей и контроля за со­ стоянием масла в циркуляционных системах.

Непосредственное влияние на безотказность работы дизеля ока­ зывает поддержание теплового режима и качества водоподготовки. Собственно эксплуатация систем охлаждения и выбор температур­ ного режима увязаны с коррозионными износами, кавитационными

что облегчает анализ текста специалистами.

3

Глава 1

ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯI

1.1. Понятие о режимах работы и показателях дизеля

Использование главных и вспомогательных дизелей по назначе­ нию как часть общей задачи технической эксплуатации флота сос­ тоит в обеспечении ходовых и маневренных режимов работы судов, грузовых операций и других специальных режимов в нормальных и усложненных условиях плавания, аварийных ситуациях. В це­ лом эксплуатация дизелей сводится к заданию режимов работы и поддержанию работоспособности путем рационального обслужи­ вания и ремонта. В механическом смысле задание режимов не пред­ ставляет трудностей и осуществляется с центрального поста управ­ ления (ЦПУ) или непосредственно с ходового мостика по системе дистанционного автоматизированного управления. Сложнее ре­ шается смысловая часть технического использования. Обеспечение режимов требует знаний закономерностей изменения энергети­ ческих, экономических показателей, понимания связей конструк­ тивных, теплотехнических, гидромеханических и режимных пара­ метров с показателями, определяющими уровни механических и тепловых нагрузок. От выбранного режима зависят экономичность, надежность, ресурс и безаварийная работа дизеля. Именно качест­ венное использование дизелей является первым звеном в цепи фак­ торов, обеспечивающих минимальные затраты на обслуживание, ремонт и потери ходового времени. Очевидны связи задаваемых ре­ жимных параметров (частоты вращения, подачи топлива) со ско­ ростью и экономическими показателями работы судна. Из сказанного следует, что задание и обеспечение режимов является важной категорией технической эксплуатации дизелей.

Под режимом понимают условия работы дизеля, которые харак­ теризуются совокупностью показателей, отражающих его технико­ экономические свойства и состояние. В качестве главных показа­ телей, определяющих режим, обычно принимают основные режим­ ные параметры — частоту вращения п и цикловую подачу топлива £ ц. Так, для скоростного режима условия работы дизеля по совокуп­ ности показателей определяются заданной характерной частотой вращения. Наоборот, если характерной по условиям работы дизеля является подача топлива (нагрузка дизеля) при постоянной частоте вращения, то режим называется нагрузочным. Нагрузку дизеля оценивают по положению органа управления подачей топлива, ука­ зателя нагрузки регулятора или непосредственно по крутящему мо­ менту М е или среднему эффективному давлению р€.

4

Для других характерных условий работы наименование режи­

ка отсутствует. Для главных судовых дизелей наименование режи­ мов определяется скоростью судна в диапазоне эффективных мощ­

при минимально устойчивой частоте вращения п = пт1п. Возможны и другие специальные судовые режимы.

Для понимания связей параметров важно изучать закономер­ ности их изменения на различных установившихся режимах.

Под установившимся режимом понимают режим при постоян­ ных параметрах или незначительных их отклонениях от среднего значения.

Переход от одного установившегося режима к другому сопро­ вождается изменением показателей дизеля по времени (переходный процесс). Он может совершаться произвольно вследствие изменения внешней нагрузки или путем изменения подачи топлива в соответ­ ствии с режимом работы судна.

Совокупность одноименных установившихся режимов называет­ ся характеристикой дизеля. Характеристика представляет собой определенное (закономерное) изменение показателей дизеля в зави­ симости от основного режимного параметра.

Если за независимую переменную (основной параметр) принима­ ется частота вращения, то имеем совокупность скоростных режимов, и характеристика называется скоростной. Скоростные характери­ стики подразделяют на внешние, винтовые и ограничительные.

Если за независимую переменную принимается нагрузка, а час­ тота вращения сохраняется постоянной, то имеем совокупность на­ грузочных режимов, и характеристика называется нагрузочной. Типичным примером нагрузочной характеристики является работа вспомогательного дизеля на генератор тока, когда для различных уровней нагрузок подача топлива устанавливается регулятором практически при постоянной (в пределах степени неравномерности регулятора) частоте вращения.

Скоростные и нагрузочные характеристики определяют много­ образие задания эксплуатационных режимов работы дизелей. По ним работают главные и вспомогательные дизели при изменении ре­ жима работы судна, условий плавания, нагрузки судовой электро­ станции. Наиболее полно они воспроизводятся на стенде и на суд­ не при испытаниях и сдаче дизелей. Примером таких характеристик являются винтовые характеристики главных дизелей и нагрузоч­ ные характеристики вспомогательных, снимаемые на стенде завода и на судне при ходовых сдаточных испытаниях. Эти характеристики существенно дополняют паспортные данные и являются основ­ ными отчетными документами, показывающими не только измене-

5

ние энергоэкономических показателей, но и состояние регулиро­ вания дизеля и обслуживающих его систем. Сопоставление этих характеристик с опытными помогает ориентироваться в выборе ре­ жима работы и оценивать техническое состояние дизеля и систем.

Кроме того, в процессе доводки дизеля на стенде завода снимают регулировочные характеристики, представляющие собой зависимость отдельных показателей дизеля от угла опережения подачи топлива, фаз газо-топливораспределения, давления распыливания топлива, давления наддува, расположения форсунки по высоте камеры сгора­ ния и т.п. Регулировочные характеристики не являются эксплуата­ ционными; изменение показателей имеет значение для данного кон­ кретного дизеля и не всегда может быть распространено на другие дизели. Вне завода с регулировочными характеристиками прихо­ дится встречаться при испытаниях дизелей, проводимых с целью улучшения показателей.

Таким образом, характеристики раскрывают эксплуатацион­ ные качества дизеля. Изучение закономерностей характеристик по­ зволяет точнее назначать режимы и оценивать надежность работы дизеля, особенно в условиях плавания, отличных от нормальных (при обрастании корпуса, буксировке, волнении и т.п.).

Анализировать характеристики целесообразно путем совмест­ ной оценки энергетических, экономических показателей, механи­ ческих и тепловых нагрузок.

1.2. Энергетические показатели. Связь с режимными параметрами

Эксплуатационная оценка режимов работы дизеля прежде всего дается по энергетическим показателям — эффективной мощности N,, и крутящему моменту М,,* Различают эффективные значения мощности Д/р и момента М еч снимаемые с фланца отбора мощности,

представляет собой удельный энергетический показатель работы га­ зов за цикл L/, отнесенный к единице рабочего объема цилиндра: Pi = Lj/Vfj. Аналогичный удельный показатель работы, приведен­ ной к валу двигателя (работа L t за вычетом работы сил внутренних

телей обусловлены внутренними сопротивлениями дизеля (потери на трение, привод навешенных механизмов, газообмен), а связь между

6

Они обычно ниже номинальных (паспортных) значений, характе­ ризующих энергетический потенциал дизеля как готового машино­ строительного изделия. Номинальные (паспортные, построечные) значения N ey М е, ре выявляют на стенде завода-изготовителя в процессе всесторонних испытаний головного образца дизеля. Но­ минальная мощность дизеля регламентируется ГОСТ 10150—82 как длительная эффективная мощность, назначаемая и гарантируе­ мая изготовителем при заданной (номинальной) частоте вращения, заданных окружающих условиях и определенной комплектации на поставки.

QH = 42 707 кДж/кг.

При этом одновременно гарантируются и номинальные (100 %) значения N ey М е, ре:

Я п

tie ~- Ме —— ; А/ Мр п\

30

(М )

Ро V h i

М Ре,

2zim

где i — число цилиндров; m — коэффициент тактности.

Если по условиям работы дизеля на судне при п = п ном воз­ можен выход на режим номинальной мощности, то развиваемая мощность будет соответствовать максимальному эксплуатационно­ му значению. Отсюда тождественность понятий — номинальная

имаксимальная длительная эксплуатационная мощность.

Впринципе на режиме N emax допускается длительная работа ди­ зеля, но практически необходимость использования номинальной мощности встречается редко. В отдельных случаях, особенно при плавании в ледовых условиях или снятии с мели, приходится зада­ вать и перегрузочные режимы. Они являются кратковременными, допускаются длительностью до 1 ч и не чаще чем через 12 ч. При этом

мощность дизеля не должна превышать \ A N e ном, что при работе по теоретической винтовой характеристике достигается при часто­ те вращения 103,2 %.

В реальных условиях на рабочие режимы главных дизелей ока­ зывают влияние внешние эксплуатационные факторы (ветер, волне­ ние, обрастание корпуса и т.п.), вызывающие повышенное сопро­ тивление движению судна. Учет этих факторов предусматривается заданием запаса мощности при установке дизеля на судно. Отсюда

установочная, или контрактная, мощность, при которой для чисто­

7

го нового корпуса в полном грузу обеспечивается контрактная (по-

ная эксплуатационная, так как контрактная мощность определяет­ ся на мерной миле при ограниченных ветре и волнении (до 3 бал­ лов) и глубине под килем не менее семи осадок. Поэтому реальную эксплуатационную мощность полного хода обычно рекомендуется задавать на уровне 0,9 контрактной. Таким образом, по отношению к номинальной мощности исходный коэффициент снижения постро­ ечной мощности kN = 0,9 (0,85-ь0,9) = 0,7654-0,81.

По мере ухудшения гиродинамических качеств корпуса, винта (обрастание, деформации, шероховатость, кавитация) для поддер­ жания эксплуатационной скорости судна построечный запас мощно­ сти частично выбирается. Естественно, это связано с увеличением подачи топлива, механических и тепловых нагрузок, усугубляемым общим ухудшением технического состояния дизеля из-за износов, загрязнений и т.п. Поэтому в процессе эксплуатации приходится вводить технические ограничения на скорость по ограничительным показателям дизеля — температуре газов, деталей цилиндропорш­ невой группы (ЦПГ), указателю нагрузки.

Такие ограничения вводит теплотехнический отдел пароходст­ ва. На основании опыта эксплуатации или проведения теплотехни­ ческих испытаний нормируется (задается) техническая скорость судна (для трех осадок при среднем состоянии корпуса, волнении и ветре до 3 баллов). Соответственно заданию технической скоро­ сти оценивают и рабочее значение коэффициента kN. Кроме того, задаваемая эксплуатационная скорость полного хода по отноше­ нию к технической снижается на 7—8 % вследствие влияния мете­ орологических и навигационных факторов.

Мощность, при которой в целом выполняется заданная эксплуа­ тационная скорость, и является длительной эксплуатационной мощ­ ностью полного хода. Она определяет уровень эксплуатационных энергетических показателей работы главных судовых дизелей на режимах полного хода. В среднем N e экс составляет (0,8-f-0,84) х X N e ном и близка к длительной эксплуатационной мощности, реко­ мендуемой по контрактным условиям.

Другие меньшие значения эксплуатационных энергетических показателей уже относятся к режимам экономичного полного хода

( 1.2 )

или Pi ~ ^цТ]*; ре ~ ё ц \]е .

8

Следовательно, для топлива с теплотой сгорания QH давления Pi и ре при эксплуатации обусловливаются только изменением цик­ ловой подачи £ ц, индикаторного т]* или эффективного т]е КПД.

Но цикловая подача g 4 не является контролируемым парамет­ ром, и важно использовать эквивалентную ей замену — положе­ ние органа управления подачей топлива. Обычно шкала на посту

при одинаковой плотности топлива (рт — const) на входе в ТНВД параметром h a совместно с площадью поперечного сечения плунже­ ра /пл определяется дозирование подачи топлива в соответствии с положением органа управления или указателем нагрузки:

§ц /пл^аРтТ]п>

где г\п — коэффициент подачи топливной аппаратуры.

Подчеркнем, что средние давления p iy ре в явном виде не зависят от частоты вращения п. В действительности это влияние существует в виде зависимостей т ( п ) , це (п).

Пропорциональность p t ~ M t позволяет соотношения (1.3) ис­ пользовать и для оценки изменения индикаторного и эффективного крутящих моментов дизеля:

Соответствующие оценочные формулы индикаторной и эффектив­ ной мощности дизеля получаем умножением на частоту вращения:

Иногда при анализе характеристик и режимов работы дизелей энергетические показатели надо связывать с изменением показате­ лей газообмена и наддува: коэффициентом наполнения ц Н1 плотно­ стью наддувочного воздуха ps, оказывающими влияние на коэффи­

9

Такая замена расширяет число включаемых в анализ параметров и позволяет использовать дополнительные качественные связи, на­ пример, (а).

Полезно знать и другие эквиваленты цикловой подачи, выражен­ ные через удельные расходы топлива g iy ge, т. е. g n ~ (pigi) ~

~ (P ege) ■

Следовательно, необходимо подробнее остановиться на режим­ ных соотношениях, входящих в энергетические показатели коэффи­ циентов т|ц, т]н, а.

Коэффициент подачи топливной аппаратуры (ТА) — отношение действительной цикловой подачи к геометрической: г\ц = g n: (/пл^орт). Коэффициент т]п выступает в виде корректирующего мно­ жителя между величинами h a и g n и в свою очередь зависит от ре­ жимных параметров.

При постоянном положении органа управления (ha = const) зависимость коэффициента подачи от частоты вращения г\П(п) одновременно определяет изменение цикловой подачи (рис. 1.1). Эта зависимость, называемая характеристикой подачи топлива, обу­ словлена конструкцией и техническим состоянием топливной ап­ паратуры. Именно через зависимость т]п (п) проявляются внутрен­ ние свойства топливной аппаратуры изменять цикловую подачу без воздействия на органе управления дизеля. Очевидно существен­ ное влияние характеристики т]п (л) на показатели и свойства самого дизеля. В частности, от нее зависят тяговые свойства дизеля — из­ менение момента М е (п) при фиксированном положении органа уп­ равления.

Назовем основные факторы, определяющие вид кривых на рис. 1.1. Сжимаемость топлива ведет к уменьшению действительной по­ дачи по отношению к геометрической (линия /). Часть активного хода плунжера расходуется не на вытеснение топлива, а на его де­

тию, м3; рТ — давление топлива, МПа.

С увеличением частоты вращения и давления /?т влияние сжима­ емости усиливается, что и вызывает снижение коэффициента подачи (кривые 3, 4). Особенно велико влияние сжимаемости при попадании воздуха в систему, когда возможно полное отключение топливного насоса высокого давления.

Дросселирование потока в каналах ТНВД при перепуске и от­ сечке, наоборот, расширяет фазу подачи топлива и вызывает увеличе­ ние подачи g n. C ростом частоты вращения эффект дросселирования усиливается и кривая зависимости ц П(п) имеет вид 2.

Протечки топлива в прецизионных парах ТНВД и форсунки — причина уменьшения подачи g n, особенно заметного при износе плунжерных пар, клапанов ТНВД, иглы форсунки и других неплот­ ностях. Влияние протечек выражается в виде резкого снижения при низкой частоте вращения и малой подаче.

10