Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

Т а б л и ц а 2.1

Реализация впрыска увеличенных порций топлива оказалась в итоге возможной благодаря росту давления р впр, которое в послед­ них форсированных малооборотных дизелях достигло значения 100 МПа, а в среднеоборотных 140 МПа. Как это отразилось на на­ пряженности элементов ТА, проиллюстрируем примером, сравнив

впрыскивания нарастает от остаточного до максимального (см. рис! 2.7) за время 0,01—0,015 с, т. е. механические нагрузки в эле­ ментах привода ТНВД, в том числе в распределительном валу, но­ сят динамический (ударный) характер. Это обстоятельство создает дополнительные трудности в обеспечении надежности работы дизе­ ля.

Применение тяжелых топлив отрицательно повлияло на надеж­ ность работы элементов ТА, поскольку участились случаи закупо­ ривания сопловых отверстий форсунок (больше механических при­ месей и нагара) и повышения вязкости топлива вследствие его осты­ вания при вынужденных остановках судна в море. В том и другом случае давление рвпр резко растет, вызывая дополнительные гид­ равлические нагрузки в линии нагнетания и механические — в при­ воде. В эксплуатации достаточно примеров разрыва (трещин) фор­ суночных топливопроводов и пропусков топлива в местах их соеди­ нений (по концам и между секциями).

В отдельных случаях, главным образом у вспомогательных ди­ зелей, причиной отказов системы нагнетания оказывалась вибра­ ция дизеля. Аварийные повреждения в линии нагнетания топливной аппаратуры иногда приводили к сильным пожарам и большим убыт­ кам, поэтому для обеспечения надежности ТА, особенно при безвахтенном обслуживании дизелей, разработаны конструктивные ре­ шения, повышающие плотность стыков в линии нагнетания, в част­ ности отказ от ниппельных соединений в пользу буксовых [7]. Од­ нако приходится считаться со случаями разрыва форсуночного топ­ ливопровода или прорыва мест соединения его секций, скрытых теп-

101

ловой изоляцией. Для этой цели в современных дизелях разрабо­ таны защитные конструкции, позволяющие уловить брызги топли­ ва, вытекающего через трещины или неплотности линии нагнета­ ния (рис. 2.26).

Форсуночный топливопровод 2 соединен с нагнетательным шту­ цером 9 ТНВД посредством головки 8, к которой прикреплены паро­ вой «спутник» 1 и защитный кожух, состоящий из гофрированной металлической эластичной трубы 3 и металлической оплетки 4. Меж­ ду ними проложена маслостойкая резина 5. На всем протяжении от ТНВД до форсунки вокруг нагнетательного топливопровода 2 об­ разуется канал, по которому прорвавшееся топливо стекает в сто­ рону насоса и затем по сверлениям 6 сливается в особый бачок. Уп­ лотнение каналов 6 обеспечивается резиновыми кольцами 7. Слив­ ной бачок служит только для контроля надежности системы нагне­ тания и имеет устройство для аварийной сигнализации.

В заключение остановимся еще на одной проблеме обеспечения надежности ТА. Она возникла по причине резкого увеличения гид­ равлических нагрузок ТА со стороны наполнения ТНВД, точнее —

102

Рис. 2.27. Первичные зоны кавитации при перепуске топлива

ление пузырьков пара и воздуха, растворенного в топливе. Такие паровоздушные каверны в дальнейшем разрушаются волнами давле­ ния, возникающими при ударах потока в каналах направляющей 2 клапана и корпуса ТНВД. Смыкание каверн сопровождается то­ чечными ударами огромной силы (до давления 1000 МПа), что вы­ зывает разрушение поверхности металла — эрозию. Более всего

вэтом случае разрушаются тарелка и седло клапана.

Взолотниковом ТНВД при перетекании топлива (с момента КПН и далее) через открывающееся окно (см. рис. 2.27, б) поток в

начале перепуска имеет очень большой запас энергии, так как дав­ ление /?кпн = Рн шах & ЯвпрПоэтому возникновение условий ка­ витации вызвано здесь эжектирующим действием массы потока, ось которого после начала открытия плунжером 7 окна 6, поворачи­ ваясь, занимает положения S l9 S 2, S 3. В итоге в глухом углу 8 об­ разуются каверны, последующее замыкание которых приводит к разрушению плунжера на этом участке его рабочей поверхности. В свою очередь удар потока о корпус 5 ТНВД и его поворот по стрелке А приводят к сильной эрозии корпуса, а в некоторых слу­ чаях и поверхности 6 окна втулки 4 .

Продукты эрозионного износа элементов ТНВД в виде металли­ ческих частиц разносятся потоками топлива по всей системе — от рабочей полости ТНВД до форсунки, вызывая заклинивание плун­ жеров и игл, неплотную посадку клапанов и закупорку сопловых от­ верстий форсунки.

По мере усиления форсировки дизелей кавитационная эрозия ТНВД стала настолько прогрессировать, что иногда была одной из главных причин задержки сдачи построенных судов заказчику (ледоколы типа «Ермак», контейнеровоз «Магнитогорск»): золот­ никовые ТНВД по причине эрозии выходили из строя уже через

103

500—600 ч работы. Итак, эрозия поверхностей, обтекаемых пото­ ком, вызывается либо явлениями кавитации (регулирующие органы), либо гидроударом (корпус ТНВД), но в том и другом случае об­ щая причина разрушающего действия потока перепуска заключает­ ся в его высокой кинетической энергии. Аналитически она выража­ ется зависимостью, кВт,

Чем больше £ пер, тем сильнее кавитация и гидроудар, а по­ скольку с ростом форсирования дизелей давление р ъпр = Рфтах^ «/>„ тах все время возрастало, то и проблема обеспечения надеж­ ности ТНВД становилась все острее. К сожалению, она не решена радикально и по сей день.

Обратимся к конструктивым схемам ТНВД современных судо­ вых дизелей, представленным на рис. 2.1—2.4. Все они снабжены элементами для восприятия удара потока перепуска. Это — обрат­ ный клапан 22 на рис. 2.1 и отражатели 23, 14, 12 соответственно на рис. 2.2, 2.3, 2.4. Установка разного рода отражателей пресле­ дует цель обеспечить надежность корпуса ТНВД, так как замена его сложнее и значительно дороже, чем отражателя.

Но следует четко усвоить, что ни одно отражательное устрой­ ство не является средством противоэрозионной защиты ТНВД, поскольку продукты износа самого отражателя разносятся потоками топлива во все места — от ТНВД до форсунки.

Чтобы защитить ТНВД от кавитационной эрозии и резкого гидроудара, требуется такое устройство, которое способно устра­ нить саму причину возникновения кавитационного течения и гид­ роудара, т.е. погасить энергию Е пер в месте ее зарождения. Таким местом является регулирующий орган ТНВД, в котором формирует­ ся поток перепуска.

Наиболее удачное из всех решений, реализованных в клапан­ ных ТНВД с регулированием по НП, представлено на рис. 2.28. Здесь показаны ранняя (вид а) и последняя (вид б) конструкции ре­ гулирующего клапана ТНВД Зульцер серии RD (схема кавита­ ционного течения потока через опускающийся клапан была рассмот­ рена на рис. 2.27, а). Верхняя осциллограмма фиксирует для тако­ го случая участок Б (заштрихован), на котором давление топлива в зоне А (см. рис. 2.28, а) оказывается ниже атмосферного. Участок Б разрежения является причиной кавитационной эрозии клапана.

Введением пояска 1 на штоке 3 клапана (см. рис. 2.28, б) уда­ лось создать условия торможения потока перепуска в момент опу­ скания пояска 1 и входа его в расточку 2 направляющей. Возмож­ ность отрыва потока при касании тарелки клапана своего седла уст­

104

Нлапан сел

Рис. 2.28. Торможение потока топлива при перепуске до начала активного хо да плунжера ha изменением конструкции регулирующего клапана

ранилась. Кавитация в зоне Б исчезла (на нижней осциллограмме участка разрежения нет).

В золотниковых ТНВД попытки торможения потока устройства­ ми разной конструкции в целом не были успешными, так как поверх­ ности их, воспринимающие на себя энергию £ ПеР, были неоправ­ данно удалены от регулирующих кромок плунжера, где зарождает­ ся кинетическая энергия перепуска. Особенно это важно, когда ра­ бочее окно втулки имеет диаметр более 4—5 мм, так как при этом создаются условия срыва потока и образования в канале перепуска глухой зоны (см. рис. 2.27, б). Чтобы создать условия продувания

сильно разрушаются от гидроудара.

Борьба с кавитационной эрозией ТНВД до настоящего времени остается актуальной задачей конструирования и эксплуатации форсированных судовых дизелей.

Контрольные вопросы

1. Объясните устройство, действие и сущность регулирования клапанного ТНВД .

2. В чем принципиальное отличие в устройстве и регулировании золот­ никового ТН В Д по сравнению с клапанным?

3. Объясните условия работы распылителя форсунки. Как обеспечивает­ ся эксплуатационная надежность работы распылителей современных дизе­ лей?

4. Чем объясняется отличие параметров процесса впрыскивания по на­ сосу (в статике) и по форсунке (в динамике)? Что дает механику-эксплуа- тационнику сравнение статических и динамических регулировочных характе­ ристик?

105

Глава 3

I

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗООБМЕНА И НАДДУВА

3.1. Параметры систем газообмена и наддува

Системы газообмена и наддува дизеля представляют собой еди­ ную систему в смысле конструктивных связей входящих в них эле­

тами наддува, воздухоохладителями и, таким образом, составляет

подачей воздуха, т. е. режимы очистки, зарядки цилиндров на раз­ личных режимах изменяются вследствие внутренних связей про­ цессов между собой. Степень же согласованности этих изменений с подачей топлива и частотой вращения зависит от эксплуатацион­ ных факторов и оказывает большое влияние на технико-эксплуата­ ционные показатели и надежность, дизеля. Следовательно, обес­ печение газообменных процессов и наддува также составляет одну из задач технического использования дизелей.

Главными параметрами, влияющими на качество газообменных процессов и воздухоснабжение дизеля, являются параметры состо­ яния наддувочного воздуха: давление ps и температура Ts, непосред­ ственно замеряемые на работающем дизеле. Они определяют плот­

^зар ~

ном, при переходе от импульсного наддува к изобарному и симмет­

107

ричной (относительно НМТ) фазе открытия выпускного клапана снижение коэффициента наполнения на 20—25 % компенсируется повышением давления наддува ps, и заряд воздуха сохраняется. При этом существенно улучшается качество рабочего процесса и снижается теплонапряженность дизеля. Как видим, смысловая нагрузка коэффициента ц н как показателя качества процесса газо­ обмена в связи с наддувом несколько утрачивается. Параметр т]„.

108

дителях, прокачиваемых забортной или пресной (в централизован­ ных системах охлаждения) водой. Благодаря этому при умерен­ ных размерах охладителя и гидравлических сопротивлениях тем­ пература воздуха в ресивере понижается до уровня, превышающего температуру охлаждающей воды / ОХл на значение максимального температурного напора At — 10-г-15°С, т. е.

мального напора At. При низкой температуре и на малом ходу во избежание переохлаждения воздуха обычно система терморегули­ рования полностью прекращает подачу воды на воздухоохладители.

В дизелях судов ледового плавания с централизованной систе­ мой охлаждения стабилизация температуры ts обеспечивается под­ держанием постоянной температуры *0хл (на уровне 25— 27 °С), а при низкой наружной температуре — и подогревом воздуха, по­ ступающего в машинное отделение. В противном случае изменение температуры i0 на входе в наддувочные компрессоры (рис. 3.3) вследствие увеличения плотности ps и массы воздушного заряда ве­ дет к существенному изменению параметров рабочего процесса.

Связи параметров р8 и ts с цикловой подачей топлива и энерго­ экономическими показателями получают из соотношения воздух—

109

топливо (коэффициента а) а ~

ты цикловой подачи ё ц~(Ла11п)~

~(Pege) ~ (Pigi), находим СВЯЗИ

давления ps с режимным пара­ метром h a или нагрузкой дизе­ ля по ре, pi:

Ps, Р е .

Наблюдение за давлением ps в эксплуатации имеет значение и в оценке второго важного показателя работы систем газообмена и над­ дува — расхода воздуха через дизель Gs. Если плотность воздуха ps определяет массу заряда при заданных показателях газообмена, то величина Gs — качество процессов очистки и наполнения при про­ дувке цилиндров двухтактных дизелей и камер сгорания четырех­ тактных дизелей. От расхода воздуха зависят также тепловое со­ стояние поршня, крышки и выпускных клапанов, нагарообразование, температура выпускных газов. Без хорошей продувки нет хоро­ шего газообмена, и надежность дизеля снижается.

Однако непосредственно расход воздуха обычно не измеряют, за исключением дизелей, оборудуемых системами диагностики техни­ ческого состояния. Но всегда существует необходимость косвенной оценки изменения расхода Gs в эксплуатации. Отсюда актуальность изучения связей этого показателя с режимными параметрами, по­ казателями газообмена и рабочего процесса дизеля.

Это соотношение отвечает общей массе расхода воздуха Gs толь­ ко в одном случае — при отсутствии продувки, например, в четы­ рехтактных дизелях без наддува или работающих с наддувом и про­ тиводавлением на выпуске. Как известно, в двухтактных дизелях и четырехтактных с продувкой камеры сгорания на фазе перекры­ тия клапанов часть воздуха вместе с отработавшими газами посту­ пает в выпускной тракт. Этот избыточный воздух учитывается ко­ эффициентом Продувки фа = GJGs зар.

Таким образом, в общем случае для дизелей, работающих с про­ дувкой цилиндра, связь расхода воздуха с параметрами газообме­ на и частотой вращения имеет вид

110