Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

тельной прочности деталей снижается. Это обстоятельство учиты­ вают при проектировании и эксплуатации установки.

В поверочных расчетах элементов коленчатого вала запас проч­ ности определяют с поправкой на влияние крутильных и изгибаю­ щих колебаний, которую вводят в виде коэффициента динамиче­ ского усилия Хд:

где = 1,07 для вала из трех колен и = 1,56 для вала из десяти колен.

По Правилам Регистра СССР головные установки проверяют на крутильные колебания. Расчетным или экспериментальным путем определяют амплитуды колебаний напряжений и критическую (ре­ зонансную) частоту вращения вала дизеля. В зависимости от разме­ ра напряжений назначают запретную зону частоты вращения или оговаривают в инструкции по эксплуатации диапазон частоты вра­ щения, в котором не рекомендуется длительная работа. Для устра­ нения опасных крутильных колебаний вводят конструктивные изме­ нения крутильной системы, используют гашение колебаний с по­ мощью демпферов, антивибраторов.

В мощных судовых дизельных установках наблюдаются также значительные осевые колебания коленчатых валов. Для гашения этих колебаний на носовом торце вала располагают осевые масля­ ные демпферы.

Таким образом, при назначении режима и оценке механической напряженности дизеля с учетом колебаний валопровода следует руководствоваться рекомендациями завода о зонах резонансных час­ тот вращения, работа в которых сопровождается увеличением амп­ литуды напряжений и снижением запаса прочности.

Тепловая напряженность. Подробно эти вопросы рассматрива­ ются в работах М. К. Овсянникова и Г. А. Давыдова [4], В. С. Се­ менова [8]. Помимо механических нагрузок, детали ЦГ1Г, кон­ тактирующие с продуктами сгорания (крышка, цилиндр, поршень, кольца, клапаны), испытывают значительные тепловые нагрузки. В деталях ЦПГ возникают температурные напряжения, деформа­ ции, создаются различные условия для смазывания трущихся по­ верхностей, отложений нагара и изнашивания. Тепловое состояние деталей ЦПГ обобщается термином теплонапряженность дизеля. Теплонапряженность определяет работоспособность деталей и на­ дежность дизеля в эксплуатации.

Показателями теплонапряженности считаются температуры сте­ нок цилиндра, поршня, крышки и температурные перепады в стен­ ках (рис. 1.9):

t'ст — температура стенки со стороны газов, определяющая фи- зико-механические свойства материала, температурную коррозию

21

&tст — температурный перепад в стенке, вызывающий напряже­ ния сжатия o t со стороны газов и растяжения -тог со стороны ох­

tcr — средняя температура по толщине 6 стенки, определяющая температурные деформации детали, размеры зазоров в сопряже­ ниях.

При обычных способах контроля непосредственно уровень теплонапряженности не измеряют, т. е. не определяют температуру сте­ нок. Тепловое состояние дизеля оценивают по температурам ох­ лаждающей среды / охл» выпускных газов t v, среднему индикатор­ ному давлению и положению указателя подачи топлива. Поддер­ жание этих параметров в определенных пределах и соблюдение Правил технической эксплуатации [6] обеспечивают такое тепловое состояние деталей ЦПГ, при котором завод-изготовитель в резуль­ тате отработки конструкций и выбора рационального уровня форси­ рования гарантирует надежную и безаварийную работу дизеля.

Однако при эксплуатации вследствие изменения условий плава­ ния, осадки, состояния корпуса, винта и самого дизеля всегда на­ блюдаются отклонения от нормы, когда привычные соотношения меж­ ду параметрами, по которым оценивают тепловое состояние дизеля, нарушаются, и выбор оптимальной нагрузки становится за­

м

Рис. 1.10. Определение показателей теплонапряженности /ст, А/ст, /ст по ме тоду эквивалентной стенки

Отсюда понятно стремление к непосредственному контролю за температурами деталей, который все шире внедряется на автомати­ зированных дизелях. Но и при автоматизированном контроле для выявления причин, вызывающих повышенные температуры деталей, необходимо знать связи рабочих процессов, условий охлаждения и состояния дизеля с показателями теплонапряженности. Имеет значение также оценка теплового состояния по обобщенным показа­ телям.

Температура стенок конкретного дизеля на установившихся ре­ жимах зависит от условий подвода теплоты и условий охлаждения. Влияние ее на температуру стенок наиболее наглядно рассматрива­ ется на упрощенной схеме теплообмена, именуемой методом эквива­ лентных стенок. По этому методу сложный нестационарный тепло­ обмен между газом и охлаждающей средой заменяется теплопровод­

щин со стороны газа kCT/ a TCVl со стороны охлаждения А,ст/ а охл и толщины реальной стенки 8 (рис. 1.10, а).

Вцилиндре дизеля часть поверхностей постоянно соприкасается

сгазом (днище крышки и поршня, открытая поверхность втулки), часть — периодически, по мере открытия их поршнем (боковая поверхность втулки на высоте хода поршня). Теплоотдача от газов к поверхностям, открытым постоянно и периодически, протекает раз*

лично в количественном и качественном отношениях.

В дальнейшем ограничимся рассмотрением теплообмена между газом и охлаждающей средой через поверхности, постоянно сопри­ касающиеся с газом (стенки камеры сгорания). В связи с этим обо­ значения в приведенных далее формулах следующие:

23

Vcp — осредненный по поверхности теплообмена и по времени удельный поток теплоты от газов к охлаждающей среде; осгср — средний за цикл и по поверхности теплообмена коэффициент теплоотдачи от газов к стенкам ка­ меры сгорания; 6 —средняя толщина стенок камеры сгорания; А,ст—средний коэффициент теплопроводности материала стенок камеры сгорания; а охл — средний коэффициент теплоотдачи от стенок камеры сгорания в охлаждаю^ щую среду.

В принятой модели теплообмена изменение температуры по тол­ щине эквивалентной стенки изображается прямой линией, точки пересечения которой с поверхностями реальной стенки и определя­

теплоотдачи а г ср и результирующей по теплообмену температуры га-

33 ^г Рез “ (а г, *гср)/аРср температуры и температурные перепады получаются осредненными по поверхности камеры сгорания и слу­

жат условной мерой теплонапряженности дизеля на различных ре­ жимах: В действительности процессы теплообмена протекают значи­ тельно сложнее и теплонапряженность дизеля характеризуется мест­ ными значениями температур и температурных перепадов по поверх­ ностям и сечениям деталей ЦПГ. При больших различиях в услови­ ях отвода теплоты от стенок камеры сгорания построение эквива­ лентной стенки и определение показателей /ст, А/сТ, tCT должно вы­ полняться отдельно для крышки, поршня, части втулки, например, при масляном охлаждении поршня и водяном охлаждении цилинд­ ров и крышек. При этом меняются только параметры, характеризу­ ющие конструкцию 8, материал ^ст и условия охлаждения а охл, /охл отдельных деталей. Условия же со стороны газа а г ср, t r рез для крышки, поршня и части втулки могут сохраняться одинаковыми.

Аналогичное построение можно выполнить и для поверхностей теплообмена с отложениями на них нагара (рис. 1.10, б), накипи

(в). В этом случае эквивалентная толщина многослойной стенки и средний коэффициент теплопроводности соответственно

где 62 — осредненные по всей поверхности теплообмена толщины отложе­ ний соответственно нагара со стороны газов и накипи со стороны охлажде­ ния; здесь 8j = (0,5-^2) Ю*-3 м, 62 — (0,5~6)10 _3 м; Я] Д 2 — коэффициенты

ной стенки находят графически (см. рис. 1.10, б, в). Отложения на стенке затрудняют передачу теплоты от газов в охлаждающую среду, но по-разному влияют на теплонапряженность дизеля. Нагарообразование способствует снижению температур f'CT, /ст, загрязне­ ние со стороны охлаждения — их резкому повышению. В эксплуа­ тации это может привести к повышению температур fcr>tCT выше

24

допустимых пределов, вызвать закоксовывание колец, высокотем­ пературную коррозию, деформацию деталей, появление трещин. Можно сказать, что и теплоизолирующие свойства нагара на порш­ не, крышке не всегда положительно влияют на теплонапряженность дизеля. Блокируя частично теплоотвод в эти детали, нагарообразование вызывает усиление теплопотока через зеркало цилиндра, что при рабочих температурах втулки в верхних поясах 165 —170 °С приводит к их повышению до уровня, затрудняющего условия смазы­ вания и вызывающего интенсивное изнашивание. Отложения, износ и состояние колец могут служить причиной существенных расхожде­ ний в уровнях теплонапряженности дизеля на стенде и судне.

Возвращаясь к построению графиков температур (см. рис. 1.10), видим, что задача оценки теплонапряженности по методу экви­ валентной стенки сводится к определению величин а ГСр> / грез, а охл>/охлКоэффициент теплоотдачи а гср находится в сложной за­ висимости от свойств, параметров и движения рабочего тела в ци­ линдре. В общем случае изменение коэффициента а гср на режимах

-1000-2000 Вт/(м2*К).

Вполости охлаждения поршня движение жидкости имеет неустановившийся, пульсирующий характер и условия теплоотвода

сложнее. По опытным данным для охлаждаемых поршней мощных

рис. 1.10, а) изменения температуры по толщине эквивалентной стен­ ки (линия 1 — исходные условия) и графически найти значения осредненных температур и температурных перепадов в стенках дни­ ща крышки, поршня, верхней части втулки.

С помощью этого метода решается и обратная задача — выбор таких эксплуатационных режимов и условий охлаждения, при кото­ рых теплонапряженность дизеля сохраняется или изменяется не­ значительно.

Обобщенные показатели теплонапряженности. Для оперативной оденки теплового состояния дизеля в эксплуатации более подходя­ щими являются обобщенные показатели: удельный тепловой поток qcp и температура выпускных газов.

25

Величина qcv, называемая также тепловой нагрузкой цилиндра, определяется как отношение теплового потока в систему охлажде­ ния (?охл к общей поверхности теплообмена qcv = QoxJ F охл.

Обобщенное значение qcp вытекает из того, что в реальных усло­ виях работы дизеля температура и скорость потока в системе ох­ лаждения меняются мало, и в уравнениях теплопередачи можно принять / охл = const и осохл = const (постоянство условий со сто­ роны отвода теплоты). Тогда изменение трех показателей теплона­ пряженности Гст, Д/ст> /ст определяется одним параметром qcp:

В свою очередь изменение показателя qcp легко оценивается че­

(здесь Вг — постоянная).

Рассмотрим наиболее распространенный в эксплуатации способ оценки теплонапряженности дизеля по температуре выпускных газов t r. Этот показатель имеет важное преимущество по сравнению с другими показателями теплонапряженности: непосредственно кон­ тролируется на дизеле в рабочих условиях, практически безынер­ ционно следует за изменением режима, что делает его удобным при определении теплового состояния дизеля. Но оценка теплонапряжен-

теплоты по выпускным газам. При сгорании 1 кг топлива потеря теплоты с газами определяется разностью потоков теплоты газов и

ГS

Ранее было показано, что тепловая нагрузка цилиндра в основ­ ном зависит от подачи топлива. Согласно полученной формуле так­ же имеем, что на режимах работы, связанных с изменением показа­ теля h a (нагрузочные и винтовые характеристики), теплонапряжен­ ность дизеля и температура выпускных газов изменяются качест­ венно одинаково, и последнюю принимают за эксплуатационный по­ казатель изменения теплового состояния дизеля. На режимах h a =

26

= const (внешние характеристики) при снижении скоростного ре­ жима температура газов обычно уменьшается, а температуры сте­ нок могут оставаться неизменными или даже возрастать.

Таким образом, с точки зрения оценки теплонапряженности

может характеризовать температуру стенок при больших отложениях на поверхностях теплообмена, закоксовывании окон, изменении ре­ гулирования и состояния топливной аппаратуры.

Увеличение температуры t r в этих случаях свидетельствует об отклонениях в рабочем процессе, а не об увеличении температуры стенок. Исключение составляют выпускные клапаны и втулки в рай­ оне выпускных окон, полости уплотнений, где усиленный теплооб­ мен с газами повышенной температуры может вызвать коробление клапанов, деформации, повышенные местные износы втулок, по­ ломку поршневых колец. Кроме того, температуры газа за отдель­ ными цилиндрами могут значительно различаться между собой из-за условий протекания газообмена, расположения термометров или термопар на выпускных патрубках, влияния выпускных импульсов соседних цилиндров. Однако это различие не означает, что цилиндры с повышенной температурой t r работают с большей на­ грузкой по p i, чем соседние с умеренной температурой газов.

Универсальным и правильным эксплуатационным показателем теплонапряженности следует считать температуры стенок, измеряе­ мые в идентичных точках цилиндров, например в верхних поясах втулки и в районе пояса уплотнений. При таком контроле может быть учтено все многообразие условий эксплуатации дизелей, обо­ снованно выбраны режимы работы и оценено состояние колец. Опыт показывает, что измерение температуры нижнего пояса втул­ ки обеспечивает в эксплуатации надежный контроль за состоянием поршневых колец, позволяет предотвращать перегрев тронков порш­ ней. Непосредственному температурному контролю деталей отво­ дится важное место в диагностике технического состояния дизеля.

1.5. Эксплуатационная надежность

Общие сведения. Рассмотренные связи энергоэкономических по­ казателей и тепломеханической напряженности с режимными па­ раметрами в целом позволяют всесторонне характеризовать рабо­ ту дизеля, но прямого ответа о его надежности не дают.

Надежность — способность дизеля в течение требуемого време­ ни выполнять заданные функции — сложная категория качества, обеспечиваемая на стадии конструирования, производства и эксплу­ атации. Надежность характеризуется показателями, отражающи­ ми работоспособность, безотказность, долговечность дизеля.

27

Показатели надежности, определяющие ресурс дизеля до пер­ вой переборки и ресурс до капитального ремонта, указаны в техни­ ческих условиях на поставку наряду с другими данными.

Чем же все-таки характеризуется надежность дизеля? Прежде всего надежным называют дизель, у которого в процессе эксплуа­ тации не случаются отказы в работе, т. е. ситуации, при которых вследствие повреждения деталей и узлов его дальнейшая эксплуа^ тация исключается.

Различают внезапные и постепенные отказы. Внезапные, или непредсказуемые, отказы — это чаще всего вопрос качественного изготовления деталей и сборки дизеля. У дизелей, рассчитанных на длительную работу при полной нагрузке и находящихся в ис­ правном состоянии, при непрерывном вахтенном обслуживании внезапных отказов не должно быть. Но исходное качество деталей вследствие износа, коррозии, усталости (старения) материала не остается постоянным. Накапливающиеся со временем изменения формы трущихся деталей и структуры металла камеры сгорания, от­ ложения на поверхностях теплообменных аппаратов и в газовоз­ душных трактах, коррозионно-эрозионные повреждения элемен­ тов топливной аппаратуры и многие другие факторы способны вы­ звать неисправное состояние и постепенный отказ в работе. Следова­ тельно, одним из условий обеспечения надежности дизеля в эксплу­ атации является его поддержание в исправном состоянии. С этой целью применяют, как известно, плановые и профилактические тех­ ническое обслуживание и ремонт. Однако специфика работы судов морского флота (круглогодичная эксплуатация, отрыв от баз об­ служивания и т.п.) затрудняют своевременное проведение этих мероприятий в полном объеме. Иногда возникает проблема, как оце­ нить исправность дизеля и пригодность его для дальнейшей экс­ плуатации. Здесь может помочь знание основополагающих связей надежности дизеля с конструкцией и условиями работы на судне.

Инженерный опыт формируется в процессе непосредственных на­ блюдений и обобщений показаний контролируемых параметров, кос­ венных и прямых оценок технического состояния узлов. Например, из визуального осмотра деталей, подвергающихся изнашиванию, всегда можно сделать правильный вывод о необходимости их заме­ ны. Так, образование острых кромок колец может привести к зади­ ру цилиндра, изношенные до свинцовистой бронзы вкладыши под­ шипников теряют несущую способность, потеря плотности клапанов ведет к их быстрому прогоранию. Труднее установить связи между рабочим состоянием детали и старением материала и дать конкрет­ ные указания о замене и объеме работ по техническому обслужива­ нию. Однако и здесь накопление опыта по ресурсу поршней, кры­ шек, шатунов, крепежных деталей ответственных узлов, знание их связей с конкретными условиями нагружения позволяют так ор­ ганизовать техническое использование и обслуживание, чтобы по возможности исключить снижение надежности дизеля вследствие

28

отказов. Это требование объясняется тем, что отказ в работе ди­ зеля может привести к аварийной ситуации, угрожающей в целом безопасности судна и экипажа. Кроме того, потеря ходового времени из-за отказов обычно обходится дороже экономических выгод, по­ лучаемых, например, от форсирования мощности и скорости.

Положения, определяющие связь технического использования с надежностью дизеля. Частично эти положения сформулированы в Правилах технической эксплуатации судовых дизелей.

1. Перегрузка дизеля и снижение запасов прочности. В условиях длительного режима полного хода не допускается перегрузка дизеля по крутящему моменту (указателю нагрузки или индикатор­ ному давлению), максимальному давлению сгорания и температуре выпускных газов за цилиндрами, перед и за турбиной, а также пе­ регрузка отдельных цилиндров. Это положение реализуется на прак­ тике путем сопоставления рабочих значений контролируемых пара­ метров с предельными для конкретного дизеля, а также путем зада­ ния режимов работы на основе ограничительных характеристик, на­ пример, по допустимой подаче топлива. Рабочие режимы не должны выходить за пределы ограничительной характеристики и назна­ чаться с некоторым (5— 10%) запасом по отношению к допускаемой подаче топлива.

2. Влияние режимов работы с частыми изменениями нагрузки, Снижению надежности вследствие старения материала теплона­ пряженных деталей камеры сгорания способствует работа с пере­ менными нагрузками. Частые и глубокие теплосмены, вызывае­ мые изменением подачи топлива на маневренных режимах и особен­ но при работе во льдах, являются причиной термоусталости мате­ риала и, как правило, приводят к появлению трещин и разрушению деталей ЦПГ. Термоусталостные явления усиливаются при загряз­ нениях поверхностей со стороны охлаждения и общем повышении температуры деталей.

3. Влияние режимов работы с частыми изменениями и колеба­ ниями частоты вращения. Развитию усталостных явлений в материа­ ле деталей движения, приводах, механизмах газораспределения способствуют динамические нагрузки, вызываемые частыми из­ менениями частоты вращения и сил инерции, например, при дли» тельной работе в штормовых условиях и неисправном регуляторе ча­ стоты вращения. Как отмечалось, особенно неблагоприятное влия­ ние на запасы длительной (усталостной) прочности валопровода оказывает работа дизеля в зоне резонансных и околорезонансных частот вращения. Правилами технической эксплуатации запрещает­ ся назначение режимов в зонах опасных крутильных колебаний. Сле­ дует также всегда быть уверенным в исправном состоянии демпфера крутильных колебаний. Длительная работа с поврежденным демп­ фером, как правило, заканчивается тяжелой аварией из-за усталост­ ных разрушений материала коленчатого вала.

29

4. Чувствительность дизеля к эксплуатационным режимам.

Среди факторов, определяющих эксплуатационную надежность ди­ зеля, большое место отводится пониманию связей показателей теп­ ломеханической напряженности с режимными факторами. Помимо отмеченных динамических воздействий, обусловленных изменением подачи топлива и частоты вращения, чувствительность дизеля к стационарному режиму определяется общими зависимостями (см. § 1.3, 1.4).

Наиболее рельефно эти связи прослеживаются для главных су­ довых дизелей, работающих на винт. Обобщающие показатели тепло­ механической напряженности дизелей имеют кубическую или квад­ ратичную зависимость от относительной скорости судна (или час­ тоты вращения при работе на ВФШ) и близкую к ней при работе на ВРШ. Это значит, что нечеткость в выборе длительного режима рез­ ко отражается на уровне механических и тепловых нагрузок, а сле­ довательно, и на надежности дизеля. Например, при повышении скорости всего на 3,2 % тепловые нагрузки возрастают на 10 % и соответственно уменьшается ресурс дизеля до переборки.

Из общих связей чувствительности дизеля к режиму также сле­ дует, что его работа на малом ходу судна непременно ведет к значи­ тельному снижению температуры стенок. пРи этом неизбежно ухудшаются условия сгорания, смазывания и усиливается про­ цесс интенсивного нагарообразования в камере сгорания, канавках поршневых колец, клапанах, газовыпускных трактах и турбоком­ прессорах. При длительной работе на малом ходу возникает опас­ ность задира тронка поршня, зависания клапанов, пожаров и взры­ вов в коллекторе и выпускных трубопроводах.

5. Влияние режима приработки. Важным фактором повыше­ ния надежности новых дизелей и прошедших моточистки и ремонт с заменой основных деталей является соблюдение режима прира­ ботки. Опыт показывает, что дизели, вводимые в строй при тща­ тельном проведении режима приработки по наработку деталей ЦПГ и подшипников могут в 2—3 раза превосходить дизели, приработочные режимы которых не были соблюдены. В этой связи не сле­ дует проверять качество дизеля форсированием режима в гарантий­ ный период работы судна до завершения приработки его основных узлов.

Можно было бы продолжить перечень факторов, влияющих на надежность дизеля в эксплуатации. Частично они обусловлены ра­ ботой топливной аппаратуры, систем наддува, смазывания, охлаж­ дения, топливоподготовки, технологией сборки, ремонта и техниче­ ским обслуживанием дизеля. Эти вопросы конкретизируются экс­ плуатационными инструкциями заводов-изготовителей и техниче­ ских служб пароходств. Правильная организация технического об­ служивания требует знания конструктивных особенностей дизе­ лей («узких мест»). Для находящихся в эксплуатации дизелей к та­ ким «узким местам» относятся следующие конструктивные узлы,

30