Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

Г л а в а 5

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ

5.1. Подготовка дизеля к работе

Обеспечение рабочей готовности главного дизеля — одна из на­ иболее частых и ответственных задач эксплуатации. Ответствен­ ность момента прежде всего состоит в том, что готовность дизеля к принятию нагрузки в установках с ВФШ может быть окончательно проверена одновременно с выполнением судном необходимого ма­ невра. Отказ в работе дизеля при пуске есть невыполнение основного требования — безопасности маневрирования.

В установках с ВРШ и разобщительными муфтами условия под­ готовки дизеля к работе менее критические. Первая особенность — пуск осуществляется в режиме холостого хода (при отключенных муфтах), и всегда имеется возможность повторных пусков и предва­ рительного прогрева при работе на ВРШ с шагом нулевого упора.

Вторая особенность — большой объем подготовительных работ. Наряду с главным дизелем проверяют и вводят в действие об­ служивающие его системы, вспомогательные дизели, котлы, элект­ ростанцию, элементы валопровода и винторулевой группы, систе­ му управления, т. е. 100 %-ному уровню готовности главного дизе­ ля должна соответствовать и полная Готовность установки. Только в этом случае с передачей на мостик сигнала «Двигатель готов» в любой момент могут быть обеспечены автоматизированный пуск главного дизеля и движение судна в заданном направлении.

Третья особенность касается учебно-практических работ по под­ готовке установки к действию. Дело в том, что при высоком уров­ не автоматизации систем управления и защиты дизелей в рабочих условиях автоматизация процессов подготовки их к действию проб­ лематична. Программная подготовка к работе и автоматизирован­ ный пуск применяются пока для вспомогательных и аварийных ди­ зелей. Сложный алгоритм подготовки главного дизеля к пуску реа­ лизуется при непосредственном участии вахтенного персонала. Для его эффективного осуществления необходимы осознанные действия, профессиональный опыт и знания в области эксплуатации дизелей, систем управления и процессов пуска и реверсирования.

В обобщенном виде работы по подготовке дизеля к действию из­ лагаются в Правилах технической эксплуатации судовых техниче­ ских средств [71 и конкретизируются в эксплуатационных инст­ рукциях иногда в хронологической форме с указанием длительно­ сти, последовательности и характера операций. Неукоснительное следование правилам и инструкциям является обязательным. Одна­ ко в этих материалах не всегда объясняется физический смысл

проводимых операций, и осознанная ответственность их выполне­ ния снижается. Рассмотрим эти стороны подготовительных работ более подробно.

В зависимости от исходного состояния и типа главного дизеля подготовка его к работе может длиться 2—4 ч. Соответственно этому от капитана заблаговременно должна поступить команда старше­ му механику о подготовке установки к определенному часу. С мо­ мента передачи этой команды вахтенному механику и начинается отсчет времени.

Подготовительные работы выполняет вахтенный персонал под наблюдением старшего или второго механика. Состоят они из под­ готовки обслуживающих систем (смазочной, охлаждения, топлив­ ной, сжатого воздуха), валопровода, дизеля и систем управления.

Введение в работу циркуляционного контура смазочной сис­ темы — первейшая задача в цепи подготовительных операций. Это объясняется тем, что дизель перед пуском необходимо прокачивать подогретым маслом непрерывно в течение не менее 1 ч с целью уда­ ления воздуха и создания гарантированного масляного слоя в сма­ зываемых узлах, особенно в головных подшипниках. Воздух удаля­ ют из системы через краны продувания на фильтрах, маслоохлади­ телях, трубопроводах, в том числе в системе масляного охлажде­ ния поршней (дизелей МАН и Бурмейстер и Вайн). Проникнове­ нию масла к узлам способствуют проворачивание дизеля валоповоротным устройством, подогрев (до температуры не более 45 °С) и снижение вязкости. Сокращение рекомендованной длительности ра­ боты смазочной системы не допускается и циркуляция масла произ­ водится непрерывно в течение всего времени подготовки дизеля к пуску.

Не менее ответственная операция — подготовка системы охлаж­ дения и предварительный прогрев дизеля перед пуском. Для сокра­ щения времени прогрева обычно предусматривается прокачивание главного дизеля на стоянке водой, выходящей из системы охлажде­ ния вспомогательных дизелей. Однако такого прогрева недостаточ­ но. Дополнительно включают подогреватель воды в контуре цирку­ ляции системы охлаждения главного дизеля, и при рабочем давле­ нии температура воды на выходе постепенно в течение 1 ч повышает­ ся до рабочего значения. В процессе прогревания через воздушные краны на фильтрах, водоохладителях, трубопроводах из системы удаляется воздух. При рабочих давлении и температуре дизель прокачивают водой также в течение всего времени подготовки к пус­ ку. При температуре воды на выходе 60 °С пуск дизеля и последую­ щие маневренные режимы обычно протекают без затруднений. В ис­ ключительных случаях пуск дизеля допускается и при более низ­ кой температуре (до 20 °С). Капитан должен быть предупрежден об ограниченных возможностях нагружения дизеля, прогрев которого будет продолжаться в режиме малого хода.

162

Параллельно с работой системы охлаждения главного дизеля про­ веряют готовность системы забортной воды (работу насосов, водоохладителей, систем терморегулирования воды, масла, воздуха). После проверки насос забортной воды останавливают и пускают вновь непосредственно перед пуском дизеля.

В зависимости от типа главного дизеля должны быть введены в действие автономные системы: смазывания турбокомпрессоров, охлаждения форсунок, гидропривода выпускных клапанов. Конт­ роль рабочего давления и выхода масла из подшипников турбоком­ прессора, удаление воздуха из полости гидротолкателей — важ­ нейшие операции, выполняемые при подготовке этих систем.

С небольшим сдвигом по времени начинается подготовка систе­ мы тяжелого топлива: спуск отстоя из фильтров и цистерн, включе­ ние подогревателей топлива в расходной цистерне, проверка дей­ ствия дистанционных быстрозапорных клапанов. С повышением тем­ пературы в расходной цистерне до рабочего значения (на 10 °С ниже температуры вспышки) вводят в действие контур циркуляции тяжелого топлива: циркуляционная цистерна — топливоподкачи­ вающий насос — конечный подогреватель топлива перед двигате­ лем — ТНВД и форсунки — вентиляционная колонка. С помощью регулятора вязкости температуру топлива* постепенно в течение 1 ч доводят до значений, при которых обеспечивается необходимая для качественного распыливания вязкость. В процессе циркуляции производят усиленную деаэрацию йонтура через вентиляционную колонку, воздушные краны на фильтрах, ТНВД и форсунках, а также прогревают прецизионные детали ТНВД, форсунок для пре­ дотвращения заеданий при пробных пусках. В случае разборки топливопровода высокого давления, например, при замене форсунок обязательно прокачивание ТНВД и форсунок вручную до полного удаления воздуха. Циркуляция топлива сохраняется в течение все­ го времени подготовки дизеля к пуску.

В системе сжатого (пускового) воздуха проверяют работу глав­ ных компрессоров, влагомаслоотделителей и давление воздуха в пус­ ковых баллонах доводят до рабочего (2,5—3 МПа), продувают бал­ лоны, проверяют срабатывание предохранительных клапанов. При закрытом стопорном клапане на дизеле и открытых индикатор­ ных кранах на цилиндрах медленным открытием запорных клапа­ нов на баллонах (во избежание гидравлического удара) заполняют и продувают трубопровод подвода воздуха к дизелю. По маномет­ рам на баллонах и в ЦПУ контролируют давление пускового и уп­ равляющего воздуха, проверяют отсутствие протечек и плотность закрытия стопорного клапана.

Подготовка валопровода сводится к смазыванию подшипников (упорного, опорных, дейдвудного), проверке уровня масла в мас­

лируют правильность подключения систем управления и при необ­ ходимости удаляют из них воздух. Последнее особенно важно для системы управления ВРШ, если подготовке предшествовало ее вскрытие. Нагрев насоса системы управления ВРШ и неравномер­ ная подача масла — верные признаки наличия воздуха в системе и, как следствие, возможного отказа задания требуемого шага винта и выполнения маневра.

Подготовка дизеля и системы управления — это ряд последова­ тельных операций с целью проведения заключительного этапа — пробных пусков дизеля. Прежде всего дизель проворачивается валоповоротным устройством. В установках с прямой передачей — это одновременно и проворачивание валопровода и винта, следователь­ но, операцию обязательно согласуют с вахтенным помощником ка­ питана. К этому моменту дизель прокачивают маслом и непосредст­ венно перед проворачиванием усиленно подают смазочное масло луб­ рикаторами в цилиндры и к другим точкам смазки. Во избежание случайного проворачивания на воздухе перекрывают трубопровод подвода воздуха к воздухораспределителю и убеждаются в нулевой подаче ТНВД. На посту управления штурвал ставят в положение «Стоп» и вывешивают табличку «Валоповоротное устройство вклю­ чено». Двигатель проворачивают на 2—3 оборота только при откры­ тых индикаторных кранах на всех цилиндрах. В противном случае компрессия хотя бы в одном цилиндре приводит к перегрузке вало-

вторное проворачивание возможно только при устранении неис­ правности. Во время проворачивания также необходимо следить за посторонними шумами и выходом воздуха через индикаторные краны. При выходе из кранов воды, масла или топлива следует приостановить подготовку до выяснения причин их попадания в ци­ линдры и сообщить об этом старшему или второму механику.

По завершении проворачивания валоповоротное устройство от­ ключают и стопорным устройством фиксируют в положении «Отклю­ чено». С поста управления снимают вывешенную табличку и прове­ ряют выход сигнала «Валоповоротное устройство отключено».

Не позднее чем за 30 мин до окончательной готовности присту­ пают к проворачиванию дизеля на воздухе, предварительно полу­ чив разрешение с мостика. При этом проверяют движение тяг при­ вода ТНВД и регулятора перемещением штурвала местного поста управления в положение «Работа» и обратно в положение «Стоп». Открывают стопорный клапан и клапан подвода воздуха к возду­ хораспределителю. На посту управления в ЦПУ указатель враще­ ния ставят в положение «Медленное вращение», а телеграф на «Са­ мый малый ход вперед». При открытых индикаторных кранах и кранах продувания воздушного ресивера и выпускного коллекто­ ра проворачивают дизель на воздухе на 1—2 оборота. Убедившись

164

в нормальном наборе частоты вращения по тахометрам дизеля и тур­ бокомпрессоров, закрывают краны продувания и индикаторные кра­ ны и производят пробные пуски с переходом на топливо сначала «Вперед», потом «Назад». В случае дистанционного управления пробные пуски проводят с постов в ЦПУ и на мостике. При отсутст­ вии неисправностей в дизеле, системах пуска и управления на мо­ стик передают сигнал «Двигатель готов» и согласовывают действия постов управления.

Для установок с ВРШ дополнительно из ЦПУ и с мостика про­ веряют работу системы управления и механизма изменения шага винта на ход «Вперед» и «Назад» и возвращают лопасти в положе­ ние «нулевого» шага.

5.2. Пусковые режимы

Режим пуска дизеля — типично неустановившийся процесс в тепловом и механическом отношениях, сопровождающийся измене­ нием температур деталей и угловой скорости. В силу кратковремен­ ности пуска (3—5 с до выхода на заданный режим малого хода) тепловая неустойчивость при единичном пуске не оказывает сущест­ венного влияния на напряженное состояние дизеля. В этом смысле опаснее действие числа пусков — числа теплосмен, доходящего иногда до 20—25 за 1 ч при работе во льдах и швартовке, могущего вызвать появление трещин в деталях ЦПГ вследствие термоустало­ сти материала и повышенных температурных деформаций.

С точки зрения надежности пуска решающее значение имеют теп­ ловое состояние деталей и динамика системы двигатель — вало­ провод — винт.

Судовые дизели пускаются сжатым воздухом. Его хранение, за­ пас и расходование строго регламентируются Регистром СССР.

Число главных пусковых баллонов должно быть не менее двух, а запасаемой энергии сжатого воздуха должно быть достаточно для выполнения 12 пусков реверсивного дизеля.

Динамика системы определяется движением (разворачиванием) вала двигателя под действием момента М д, создаваемого в цилинд­

му валу момент инерции движущихся масс дизеля, валопровода и винта с присоединенной массой воды), сил трения Мт и сил сопро­ тивления винта М в, согласно уравнению движения системы двига­ тель — валопровод — винт

dco

должен обеспечить угловое ускорение dco/dx и угловую скорость (о, достаточные для надежного воспламенения топлива и последующей устойчивой работы дизеля на топливе.

165

Рис. 5.1. Тахограмма пуска дизеля

Совместно с величинами Мд, М т, М в инерционная составляю­ щая сил сопротивления определяет условия пуска дизеля. Так, при пуске дизеля на холостом ходу (М в = 0) требуется меньший пуско­ вой момент Af Это обстоятельство учитывают в конструкции дизе­ ля. Например, на вспомогательных дизелях пусковые клапаны ус­ танавливают не на всех цилиндрах, а на главных U-образных, ра­ ботающих на ВРШ, только на цилиндрах одного ряда.

Для главных дизелей с прямой передачей Л4В Ф 0 и зависит от глубины погружения винта (осадки судна). На дизелях пусковые клапаны расположены на всех цилиндрах, что увеличивает момент

ния пускового воздуха р цв в одном или двух пусковых цилиндрах

Зависимости мгновенной частоты вращения п от угла поворота вала ф для различных давлений воздуха р в представляют собой тахограммы пуска и имеют основополагающее значение для понима­ ния процесса обеспечения надежного пуска дизеля.

Прежде всего следует обратить внимание на наличие «мертвых» зон, очерченных прямыми nmln = const и фт1п = const (на рис. 5.1 заштрихованы). Воспламенение первых порций топлива в ци­ линдрах возможно лишь при прохождении этих зон. Если в про­ цессе разгона дизеля на воздухе рабочая точка не выйдет из «мерт­ вой» зоны, то не произойдет и пуск дизеля. Характерный пример— низкое давление пускового воздуха (линия 1) — дизель раскручи­ вается на воздухе, но из-за недостаточного значения nmin при пере-

166

ходе на топливо останавливается (при раздельной подаче воздуха и топлива) или не переходит на работу на топливе (при смешанном пуске). Наоборот, при высоком давлении пускового воздуха дина­ мика разгона дизеля такова, что частота вращения nmin достигается еще при малом угле поворота вала фх С фт1п (линия 3), когда топ­ ливо в цилиндр либо еще не поступило, либо вспышки в нем не про­ исходит из-за малой степени сжатия ( е < Emln). В этом случае при выходе из «мертвой» зоны пуск дизеля сопровождается повышенным расходом воздуха (линия 2 — тахограмма пуска при среднем дав­ лении р в).

Термодинамический аспект влияния рассмотренных факторов на условия воспламенения топлива в цилиндрах при пуске вытекает из уравнения политропы сжатия

т. е. температура воздуха Т с в цилиндрах в конце сжатия должна превысить температуру самовоспламенения Гсв = 7504-800 К.

Минимальный уровень пусковой частоты вращения непосредст­

нием температуры Тс. Увеличению до п г ^= 1,1-М,2 при пуске так­ же способствуют прогрев дизеля и повышение температуры возду­ ха в машинном отделении /мо. Минимально допускаемое значение

менение произойдет только в тех цилиндрах, в которых на ходе сжатия реализуется emIn, т. е. при повороте кривошипа на угол Фш1П — 90— 120° ПКВ от начального положения 65—70° ПКВ после НМТ. Например, для исходной схемы кривошипов (см. рис. 5.1) та­ кими цилиндрами будут 7 и 3 на ходе «Вперед» и 6 и 4 на ходе «На­ зад». Это обстоятельство также указывает на кратковременность фа­ зы разгона дизеля на воздухе. Для хорошо прогретого дизеля и ис­ правного состояния топливной аппаратуры первые вспышки насту­ пают при проворачивании вала не более чем на половину полного оборота (через 90— 120° ПКВ), после чего подача воздуха прекраща­ ется. Такие условия работы обычно возникают при маневрировании судна, когда надежные и экономичные по расходу воздуха пуски обеспечиваются при постоянном среднем давлении воздуха в бал­ лонах (1,5—2 МПа). Первоначальные пуски обычно происходят в

167

более трудных условиях, так как из-за пониженных температур сте­ нок возможны пропуски вспышек и затягивание фазы работы дизеля на воздухе. Для гарантированного пуска требуется повышенное давление воздуха, а иногда и повышенная пусковая подача топлива.

К увеличению пусковой подачи топлива 'прибегают при пов­ торных пусках дизеля, что также учитывают в программах пуска систем автоматизированного управления.

Пусковые качества дизеля в определенной степени зависят и от способа пуска. При смешанном пуске — одновременной подаче в цилиндры воздуха и топлива (дизели Зульцер) — динамика разго­ на дизеля улучшается вследствие совместного действия энергии сжатого воздуха и газов, получаемых от сгорания первых порций топлива. Процесс перехода на топливо ускоряется и сокращается расход воздуха (точка а на рис. 5.1). При раздельном пуске — раз­ дельной подаче воздуха и топлива (дизели Бурмейстер и Вайн и не­ которые другие) — на кривых динамики разгона с момента отсечки воздуха и до начала подачи топлива отмечается некоторое снижение частоты вращения вала, и процесс перехода на топливо несколько затягивается (точка Ь). Однако в системе раздельного пуска исклю­ чается выброс продуктов сгорания через открытые пусковые кла­ паны в воздушный трубопровод, чем обеспечивается его меньшее за­ грязнение и меньшая вероятность взрыва масляных паров в пуско­ вом трубопроводе.

Способ пуска и пусковая подача топлива влияют и на характер развития давления в цилиндре в заключительной фазе процесса пуска от первых вспышек до перехода на устойчивую работу.

При нормальных значениях пусковой подачи топлива (30— 50 %) давление в цилиндре развивается плавно и обычно не пре­ вышает допустимого pz. Это так называемый «мягкий» пуск, харак­ терный для главных судовых дизелей, особенно во время маневров, когда температурное состояние деталей близко к рабочему (рис. 5.2, кривая 1). С увеличением пусковой подачи до 100%, а также при накоплении в цилиндрах топлива вследствие пропуска вспышек происходит «жесткий» пуск дизеля, иногда сопровождающийся пре­

вышением давления рг и под­ рывом предохранительных кла­ панов (кривая 2). «Жесткий» пуск характерен для малораз­ мерных дизелей, запускаемых без предварительного прогрева, и воспринимается на слух как

168

пк(н),

стоп, реверс Вперед

Рис. 5.3. Тахограммы пуска дизеля 6ДКРН84/180 и разгона турбокомпрессо ров (1— 6 — выпускные импульсы давления р Т перед турбиной)

Наконец, нельзя не отметить и связь процесса пуска с системой наддува дизеля. Проблема обеспечения дизеля воздухом для про­ дувки и зарядки цилиндров при пуске и малом ходе наиболее просто решается в четырехтактных дизелях и двухтактных с дополнитель­ ными нагнетателями. Как известно из опыта, пуск двухтактного дизеля с изобарным наддувом невозможен без дополнительного на­ гнетателя вследствие малой энергии газов, рассеиваемой в выпуск­ ном коллекторе большого объема. В этом случае применение электроприводных воздуходувок решает проблему и является характер­ ной чертой систем изобарного наддува современных двухтактных дизелей.

В дизелях с импульсным наддувом задача обеспечения дизеля воздухом при пуске полностью ложится на основные турбокомпрес­ соры, которые раскручиваются мощными импульсами давления, образующимися при выпуске воздуха из пусковых цилиндров. На тахограмме пуска дизеля 6ДКРН84/180 (рис. 5.3) такими цилинд­ рами являются № 1 при пуске «Назад» и № 5 и 3 при пуске «Впе­ ред». Поскольку дизель пускается на одном цилиндре, то обычно происходит разгон только одного турбокомпрессора. Как видно из рис. 5.3, второй (кормовой) турбокомпрессор начинает разго­ няться только после реверса, и частота вращения его составляет лишь 1/3 частоты вращения носового ТК. Недостаточное давление и малую подачу наддувочного воздуха в дизелях с импульсным тур* бонаддувом приходится компенсировать увеличением пусковой пода­ чи топлива, которая в зависимости от опыта обслуживающего персонала составляет 50— 100 %. Общее время пуска т увеличива­ ется до 7—8 с.

Взаключение отметим, что вследствие сложности системы пуска

ипо другим причинам возможны отказы в пуске дизеля. Сведения

охарактерных отказах и конкретных действиях по их устранению приводятся в эксплуатационных инструкциях. Кроме причин,

связанных с неточностью выполнения подготовительных операций,

169

основные затруднения с пуском дизеля вызываются нарушениями (заеданиями) в работе пусковых клапанов цилиндров и золотниковвоздухораспределителей из-за попадания влаги (коррозии элемен­ тов) и нерегулярного смазывания. В этом случае при положении органов управления в позиции «Пуск» вал дизеля либо не страги­ вается, либо совершает качательное движение.

Если дизель разгоняется на воздухе до минимальной частоты вращения, но не переходит на работу на топливе или останавлива­ ется (при раздельном пуске), то обычной причиной являются нару­ шения в подаче топлива (попадание воздуха, заедание клапанов ТНВД или элементов привода насоса от регулятора).

Во избежание отказов в пуске дизеля проверка состояния пу­ сковых клапанов и золотников воздухораспределителей, их регу­ лярное смазывание обязательны при уходе за системой пуска.

5.3. Маневренные режимыг работа на частичных нагрузках

После пуска работа дизеля характеризуется установившимися и переходными режимами, связанными с выполнением судном не­ обходимых маневров. Маневренные режимы также составляют ос­ новное время работы дизеля при следовании судна в узкостях, по сложному фарватеру, при подходах к портам, швартовках, движе­ нии в караване или во льдах. Безопасность мореплавания в этих условиях определяется способностью дизеля и пропульсивного ком­ плекса обеспечить режимы, отвечающие требуемой скорости судна на передний и задний ход. Главными являются режимы самого ма­ лого хода, переходные режимы при разгоне и торможении судна и при реверсировании гребного винта.

Режим самого малого хода определяет один из важнейших ма­ невренных параметров — возможно малую безопасную скорость судна. Скорость ymln зависит от минимальной устойчивой частоты вращения rtmin, которую дизель способен поддерживать при посто­ янном положении органа подачи топлива (hamln) или при управле­ нии от регулятора. Таким образом, частота вращения /гт1п опреде­ ляет нижнюю границу эксплуатационных режимов и является основ­ ным показателем режима самого малого хода.

По сравнению с паровыми турбинами судовые дизели отличают­

170