Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

что в свою очередь может явиться причиной появления в них тре­ щин. Через 15—20 мин можно немного приоткрыть клапан, с тем чтобы вода, поднимаясь вверх, могла постепенно заполнить полость охлажения — ту ее часть, где она была вытеснена паром. Продви­ жение воды проверяют по вентиляционному кранику.

Перед пуском дизель необходимо провернуть валоповоротным устройством и через продувочные или выпускные окна убедиться в отсутствии попадания воды в цилиндр и в подпоршневую полость (через нарушенные уплотнения втулки). В тронковых двигателях плотность посадки втулки цилиндра проверяют ее осмотром через картер.

Охлаждение форсунок. Форсунки мощных судовых дизелей, имея довольно развитую торцовую поверхность распылителя, нахо­ дящуюся в контакте с горячими газами, воспринимают значитель­ ные количества теплоты, которая передается в корпус форсунки через открытые воздействию газов поверхности, нагревая ее элемен­ ты. Часть воспринятой теплоты уходит в крышку QKp и далее в охлаждающую ее воду, основная часть теплоты отбирается прока­ чиваемой через форсунку охлаждающей жидкостью (водой, топливом или маслом) д 0Хл фу & остальная часть идет на нагрев впрыскивае­ мого топлива Qht и рассеивается в окружающую среду Qpac> т - е-

Q г = Qkр + Сохл ф + Q нт + Qpac*

Задача принудительного охлаждения форсунок заключается в поддержании температур тела иглы и ее направляющей и особенно распылителя в зоне сопловых отверстий на уровне, не превышающем 160— 180 °С. В противном случае при работе на тяжелых топливах с высоким содержанием кокса и асфальтосмолистых соединений возможны зависание иглы из-за лакообразования на ней и закоксовывание сопловых отверстий, рост нагара (бороды в виде раструбов Вентури) на сопловых наконечниках.

В дизелях с цилиндрами диаметром не более 300 мм, имеющих невысокий уровень форсировки рабочего процесса и работающих

В представленном балансе теплоты для таких форсунок ф ОХл ф = 0. Однако с переходом на тяжелые топлива и в этих дизелях возник­ ла необходимость в дополнительном охлаждении форсунок.

В соответствии с требованиями Регистра СССР система охлаж­ дения форсунок должна быть выполнена отдельно от систем охлаждения цилиндров и поршней. Традиционный состав системы: цистерна с пресной водой, два насоса, поддерживающих давление 0,2—0,3 МПа, охладитель и подогреватель.

Подогреватель устанавливают для того, чтобы при подготовке к пуску в случае работы на пониженных нагрузках путем подогре­ ва охлаждающей воды поддерживать температуру распылителя

311

кратно отмечались случаи обрыва сопловых наконечников, кото­ рым предшествовало «выедание» металла сопла с образованием кольцевой канавки по наружной поверхности. Причина — конденса­ ция на соплах паров S 0 3 и воды вследствие их низкой температуры.

В случае использования в качестве охлаждающей жидкости топлива (в дизелях Бурмейстер и Вайн) систему охлаждения фор­ сунок подключают либо к расходной цистерне дизельного топлива,

уменьшения диаметра ее распылителя и интенсификации охлажде­ ния стакана крышки цилиндра, в котором находится форсунка, удалось отказаться от принудительного охлаждения, что сущест­ венно упростило конструкцию форсунки и системы охлаждения.

9.2. Температурный режим в системе охлаждения

Температурный режим является важным фактором, от которого зависят уровень температуры стенок камеры сгорания, условия работы масла в цилиндре, износ цилиндра, потери теплоты через стенки, а следовательно, и экономичность работы дизеля.

Для того чтобы лучше понять влияние температуры охлаждаю­ щей воды на тепловое состояние стенки, воспользуемся упрощен­ ным методом анализа теплообмена — методом эквивалентных сте­ нок (подробное описание метода см. параграф 1.3). На рис. 9.4 представлена стенка с эквивалентными толщинами А,/агср , б и Х/аохл. Сохраняя неизменными результирующие температуру газа t T я коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке а г и от стенки к воде а охл, зададимся двумя значениями температуры охлаждающей воды /В1 = 55 °С и = 80 °С. Полученные на графике точки со­ единим прямыми 1 и 2, их пересечение со стенкой (толщина 6) по­ казывает ориентировочные значения температур на ее поверхностях *ст г и /сТ в. Большему значению tB соответствуют и более высокие значения температур стенки как со стороны воды, так и со стороны газов. Если этот вывод распространить на стенки, замыкающие камеру сгорания и цилиндр дизеля, то можно отметить следующее важное обстоятельство: увеличение температур охлаждающей воды должно сопровождаться ростом температур деталей ЦПГ. Рост температуры стенок камеры сгорания в свою очередь способствует уменьшению доли воспринимаемой ими от газов теплоты — со­ ставляющая теплового баланса дизеля уменьшается, и это положи­ тельно отражается на полезной составляющей qe — эффективном КПД дизеля. В подтверждение изложенному на рис. 9.5 приведе-

312

Чист

80

Яг

60

Чолл -

40

и

20

SO 80 ЮО tg°C

ны опытные данные, иллюстрирующие влияние температуры ох­ лаждающей воды на тепловой баланс четырехтактного дизеля.

Увеличение температуры стенки втулки цилиндра обусловли­ вает: снижение вязкости находящегося на ее поверхности масла, что вызывает снижение износа и потерь на трение тюршня, которые, как известно, составляют около 60 % механических потерь дизеля; сокращение механических потерь обусловливает рост механическо­ го КПД дизеля и, как следствие, снижение удельного расхода топ­ лива; уменьшение конденсации паров образующейся при сгорании топлива серной кислоты, вызывающей электрохимическую корро­ зию и износ (см. параграф 7.2).

Нужно иметь в виду, что связь между ростом температур рабо­ чей поверхности цилиндров и их износом неоднозначна. При сни­ жении вязкости масла уменьшаются потери на трение, но менее вязкое масло хуже удерживается на поверхностях трения. Уста­ новлено, что вязкость масла на поверхности зеркала цилиндра должна быть не менее 4 мм2/с.

С повышением температуры масла усиливаются термоокисли­ тельные процессы, масло быстрее теряет свои смазывающие свойст­ ва, образуются и откладываются на рабочих поверхностях лаки, смолы и прочие продукты окислительной полимеризации. Поршне­ вые кольца теряют подвижность, растет изнашивание деталей ЦПГ. Практикой установлено, что для обеспечения надежной работы это­ го узла температура зеркала цилиндровой втулки и температура поршня в зоне канавок поршневых колец при существующих мине­ ральных маслах не должна превышать 160— 180 °С. Положительный эффект от повышения температур воды в двигателе может быть по­ лучен лишь при соблюдении отмеченного условия.

Для выяснения влияния температуры охлаждающей воды на температурные напряжения в теплопередающих плоских стенках воспользуемся упрощенным выражением

Из формулы (9.1) следует, что при неизменности тепломеханиче­ ских характеристик металла стенки возникающие в ней темпера­

хотя сами температуры и растут. Этим подтверждается малая за­ висимость температурных напряжений в деталях ЦПГ от темпера­ туры охлаждающей воды. Однако это не исключает возможности появления опасных для прочности напряжений при перегревах дизеля в переходные периоды его прогревания и остановки.

Важно также сохранение небольшого градиента температур в осевом направлении (по высоте цилиндра). Именно этим объясня­

рекомендовалась 50—55 °С, то позднее этот уровень поднялся до 60—65 °С, а когда стали применять тяжелые сернистые топлива, появились рекомендации повысить температуру воды до 70—75 °С. В современных дизелях с высоким наддувом рекомендуются еще бо­ лее высокие температуры 75—80 и даже 125 °С. Подобная тенден­ ция объясняется (как это отмечалось при анализе построений на рис. 9.4) стремлением сократить потери теплоты с охлаждающей водой.

Поддержание столь высоких температур стало возможным бла­ годаря эффективным мерам по интенсификации охлаждения деталей ЦПГ, приближению воды к тепловоспринимающим поверхностям и пр. Поэтому простой перенос рекомендаций по выбору температу­ ры воды на двигатели старых моделей невозможен. Повышение тем­ пературы в системах их охлаждения может привести к недопусти­ мо высоким температурам поршня в зоне расположения колец, втулки цилиндра, что в свою очередь приведет к интенсивному окис­ лению масла, заклиниванию колец в кепах, ухудшению условий удержания масла на поверхностях трения и интенсивному изнаши­ ванию.

Особое внимание нужно уделять температурному режиму возду­ хоохладителей дизелей на судах арктического плавания. Отри­ цательные температуры наружного воздуха обусловливают сниже­ ние температуры воздуха в ресивере, а это в свою очередь влечет

314

t *c

Рис. 9.6. Зависимость параметров ди­ зеля от температуры наруж­ ного воздуха (при заборе воздуха на ГТК с палубы)

за собой в связи с увеличением плотности воздуха рост подачи тур­ бокомпрессоров GK, и давления наддува р к (рис. 9.6). С одной сто­ роны, это благоприятно сказывается на объеме свежего заряда воздуха в цилиндрах и соответствующем увеличении индикатор­ ного КПД рабочего цикла. В итоге увеличивается среднее эффек­ тивное давление р е и уменьшается удельный расход топлива g e .

С другой стороны, низкие температуры воздуха в цилиндре в на­ чале и конце сжатия обусловливают увеличение периода задержки воспламенения топлива и, как следствие, существенный рост мак­ симального давления цикла pZf а это при том, что в современных

этому при наружном заборе воздуха на турбокомпрессоры в Аркти­ ке его необходимо предварительно подогревать, но это влечет за собой большие потери энергии. Фирма «Вяртсиля» прибегает к бо­ лее экономичному решению — при чрезмерном повышении давле­ ния стравливанию части воздуха из ресивера.

Влияние низких температур воздуха на всасывании особенно сказывается на работе дизеля на малых нагрузках при использо­ вании остаточных топлив с высоким содержанием тяжелых угле­

водородов, воспламенение которых во многом зависит от темпера­ турных условий в цилиндре. Поэтому, чтобы поднять температуру воздуха в цилиндре, прибегают к использованию двух контурных воздухоохладителей. Один контур (охлаждающий) используют при работе дизеля на полной нагрузке, а при переходе на нагрузку 25 % и ниже включают второй контур — подогрева наддувочного воздуха (охлаждающий контур отключают). При такой работе если

коррозии в цилиндрах и в целях снижения температурных напря­ жений в деталях ЦПГ увеличивают температуру охлаждающей воды с 75—78 до 105—108 °С (рис. 9.7).

9.3. Коррозия, эрозия, иакипе- и шламообргрование

Коррозия. Элементы конструкции дизеля, теплообменные ап­ параты, трубопроводы выполнены из чугуна, стали или сплавов меди (латуни, медно-никелевых сплавов, бронзы и др.). Эти материа­ лы, находясь в контакте с водой, непрошедшей должной обработки, постепенно разрушаются, подвергаясь действию коррозии. По виду коррозию подразделяют на общую и местную.

При общей коррозии металл разрушается в глубину более или менее равномерно, продукты коррозии загрязняют охлаждающую воду, выпадают в шлам и откладываются в застойных полостях охлаждаемых элементов. Местная коррозия, выражающаяся в по­ явлении коррозионного разрушения поверхностей на небольших площадях, язвин, свищей, как правило, протекает с большей ско­ ростью, поэтому представляет большую опасность для механиче­ ской прочности и плотности конструкций.

Особым видом является межкристаллитная коррозия, действие которой носит избирательный характер. Особенно чувствительны к ней сплавы металлов. Начинается она на границах, разделяющих отдельные кристаллы сплава. Образующиеся продукты коррозии оказывают расклинивающее действие на кристаллы, возникающие микроскопические трещины постепенно переходят в более крупные, иногда сквозные.

Наиболее распространена электрохимическая коррозия в си­ стемах охлаждения, где функции электролита выполняет вода, со­ держащая водородные и гидроксильные ионы. В химически чистой дистиллированной воде ионы Н+ и ОН“ находятся в равновесии, электрическая проводимость воды близка нулю и электрохимиче­ ские процессы коррозии в ней практически не происходят. В про­ тивоположность пресной воде морская вода благодаря наличию в ней растворенных солей обладает хорошей проводимостью, по­ этому электрохимическая коррозия протекает с большой ско­ ростью.

316

Наибольшие разрушения отмечаются на тех участках системы охлаждения, где циркулирует забортная вода. В замкнутом контуре охлаждения коррозия носит ограниченный характер, но усили­ вается, если происходит подсаливание пресной воды через протечки в водо-водяных охладителях. Скорость коррозии увеличивается при росте концентрации ионов водорода в воде. И наоборот, если придать воде щелочную реакцию, то скорость коррозии можно уменьшить. На этом основан один из методов обработки охлаждаю­ щей воды. Если в воде присутствует кислород, он, взаимодействуя со скапливающимся на катодной поверхности водородом, образует воду. В случае такой реакции образованная на катоде защитная микропленка из водорода разрушается. Находящиеся в воде ионы водорода получают возможность свободно соединяться с электро­ нами катода, и в итоге коррозия прогрессирует.

Образование на поверхности анода слоя, состоящего из продук­ тов коррозии, — одна из форм анодной поляризации. Продукт коррозии действует как изолятор, предотвращая дальнейшие ре­ акции и таким образом тормозя коррозию. Ионы двухвалентного железа, выделяющиеся на анодных участках стальных поверх­ ностей, в отсутствие кислорода взаимодействуют с находящимися в воде гидроксильными ионами, образуя гидроокись железа. По­ следняя в результате ряда сложных реакций переходит в магнетит Fe30 4, откладывающийся на аноде в виде плотного слоя, хорошо защищая его от дальнейшего разрушения. В создании подобных защитных пленок на поверхностях металла заключается пассива­ ция металла.

Метод пассивации положен в основу действия современных при­ садок к охлаждающей воде. Нужно иметь в виду, что не все про­ дукты коррозии железа оказывают пассивирующее действие. Так, если в воде содержится в значительных количествах кислород, гид­ роокись двухвалентного железа может и не превратиться в магне­ тит, а вместо него образуется гидроокись, содержащая трехвалент­ ное железо,— одна из типичных форм ржавчины. Ее защитные свой­ ства незначительны. Так же плохо защищает металл вследствие рыхлой структуры образующаяся в присутствии кислорода окись железа Fe20 3.

Вид образовавшихся продуктов коррозии железа можно опре­

Кислотная коррозия возникает, если в систему охлаждения попала забортная вода, обычно содержащая в значительных ко­ личествах хлорид магния, активно понижающий водородный пока­ затель воды. В результате образующаяся соляная кислота начи­ нает разъедать металлические поверхности по реакции Fe + 2НС1

Fe CI2 + Н 2. При этом коррозия развивается настолько ак­

317

тивно, что даже присутствие в воде ингибитора коррозии не в со­ стоянии ее замедлить.

Из приведенного анализа следует, что противокоррозионная за­ щита должна быть основана на предотвращении высоких концен­ траций ионов водорода в охлаждающей воде, т. е. поддержании вы­ соких значений pH (желательно pH =* 8 -f- 9), пассивации металли­ ческих поверхностей путем создания на них прочных защитных пленок, удалении из воды растворенного кислорода путем исклю­ чения перемешивания воды с воздухом и включения в систему ох­ лаждения деаэраторов, сокращении содержания хлоридов в воде до минимума (предельная норма 200 мг/л).

Кавитационная эрозия. Охлаждаемые поверхности деталей ди­ зеля наряду с коррозионными повреждениями подвергаются дейст­ вию кавитационной эрозии. Механизм кавитационного разрушения заключается в следующем. Поршень во время перекладки под дей­ ствием нормальной силы, которая вблизи ВМТ имеет наибольшее значение, приобретает некоторую скорость в поперечном движении и ударяет о стенку втулки в момент контакта. Ударный импульс вызывает местные упругие деформации в виде радиальных и про­ дольных колебаний изгиба. Колебания втулки возбуждают зву­ ковые и ультразвуковые колебания в прилегающем к ней кольцевом слое воды, попеременное ее растяжение и сжатие, вызывающее в полупериод растяжения образование кавитационных пузырей (каверн) и их захлопывание в полупериод сжатия. При захлопыва­ нии и слиянии пузырьков в пустоты, образующиеся на поверхности втулки, с большой скоростью устремляется вода, которая подобно уколам алмазной иглы повреждает поверхность (давление воды в этот момент составляет 1000— 1500 МПа, прочность чугуна рассчи­ тана на 200—400 МПа). Поскольку наибольшие напряжения на микроповерхностях, на которые действует давление, превышают предел текучести металла, в поверхностных слоях возникает явле­ ние наклепа, приводящее к образованию и развитию микротрещин. Под действием повторяющихся гидравлических ударов частицы ме­ талла, ограниченные сеткой микроскопических трещин, выламыва­ ются и выкрошиваются. В этих местах возникают глубокие рако­ вины. Чугун, например, в первую очередь освобождается от гра­ фитовых включений, имеющих ничтожно малую прочность по срав­ нению с металлом. У прочных, твердых конструкционных материа­ лов процесс разрушения, протекает сравнительно медленнее.

Кавитация разрушает пассивирующие пленки на металле и вы­ зывает появление в нем местных напряжений, а это способствует развитию на поражаемых участках электрохимической коррози^. Наиболее подвержены кавитации втулки цилиндров и блоки. Раз­ рушения, как правило, носят местный характер и выражаются по­ явлением на участках поверхности сыпи в виде мелких и глубоких

318

путствует кавитации и в определенной мере ею порождается; под действием возникающего при ударах напряженного состояния ма­ териала и вследствие эрозионного разрушения пассивирующих пленок кавитирующие участки приобретают свойства анодной по­ верхности. В общем случае степень кавитационных разрушений в дизеле зависит от интенсивности колебаний (амплитуды и часто­ ты) вибрирующих поверхностей, конструкции полостей и систем охлаждения, свойств охлаждающей среды и механических свойств материала подверженных кавитации поверхностей.

Кавитационные разрушения втулок цилиндров невелики, если ускорение при их колебании не превышает (18 -ь- 20) g , поэтому наи­ более подвержены кавитации элементы конструкции высоко- и среднеоборотных дизелей. Ускорение колебательного движения, вызванного перекладкой поршня (крейцкопфа), в малооборотных дизелях не превышает 2g. Более того, вследствие наличия у мало­ оборотного дизеля крейцкопфа должны были бы устраниться удары поршня о втулку и ее последующая вибрация. Однако, как пока­ зали исследования А. П. Пимошенко, удары поршня все-таки су­ ществуют и они тем сильнее, чем больше зазор в крейцкопфном узле. Под действием этих ударов втулка цилиндра испытывает коле­ бания с частотой, пропорциональной частоте вращения дизеля. Эти колебания передаются охлаждающей воде, но частота их недоста­ точна, чтобы вызвать кавитацию. Можно предположить, что в от­ дельных узких сечениях полости охлаждения происходит интер­ ференция прямых и отраженных волн, в результате которой и со­ здаются условия для образования и последующего захлопывания кавитационных пузырей, так как именно в этих местах (в зонах контакта поверхностей втулок и блока цилиндров малооборотного дизеля) отмечаются кавитационные повреждения.

Наиболее подвержены этому виду повреждений дизели Бурмей­ стер и Вайн 550VTBF110 и 874VT2BF160. Признаки кавитации возникали через 5—6 тыс. ч на верхних центрирующих поясах втулок цилиндров в виде отдельных раковин или их скоплений па правому и левому бортам на участках дуг длиной до 180 мм. На большинстве втулок разрушения выходили на гантели под посадоч­ ными буртами. Позднее в районах разрушений в гантелях появились трещины. Интенсивные разрушения отмечались на тех цилин­ драх, где был наибольший зазор между поршнем и цилиндром.

Снижению кавитации способствуют повышение гидростатиче­ ского давления и температуры в системе охлаждения, использова­ ние дистиллированной воды с присадкой эмульсионного масла, которое, откладываясь на охлаждаемых поверхностях, демпфирует передаваемые жидкости колебания.

Для снижения кавитационных разрушений в полостях охлажде­ ния дизелей, помимо мероприятий, относящихся к конструкции самого двигателя, необходимо: применять для охлаждения очи­ щенную от примесей или (что лучше) дистиллированную воду, а в

319

качестве присадки к охлаждающей воде — эмульсионные масла или многокомпонентные присадки, представляющие собой водораст­ воримые ингибирующие композиции на основе органических по­ верхностно-активных веществ (присадки типа Амероид DEWT-NC, Формет-326 и отечественные Кавикор 24М-1), образующие на по­ верхностях защитный демпфирующий слой; поддерживать в систе­ ме охлаждения по возможности более высокие давление и темпера­ туру.

Накипе- и шламообразование. При эксплуатации системы ох­ лаждения в полостях, где скорость воды невелика и могут образо­ ваться застойные зоны, скапливается шлам, состоящий из твердых взвешенных веществ (продуктов коррозии, накипи — солей каль­ ция и магния, содержащихся в значительных количествах в мор­ ской воде и попадающих с ней в систему охлаждения). Особенность соединений кальция и магния заключается в том, что в холодной воде они находятся в растворенном состоянии, но уже при 50— 55 °С. из раствора начинают выделяться и выпадать в осадок либо откладываться в виде слоя накипи на горячих поверхностях. Содержание этих солей характеризуется жесткостью воды. В шламе могут также скапливаться ил и примеси, занесенные в систему с во­ дой, не прошедшей достаточную очистку, масло, проникающее в воду через сальники телескопов охлаждения поршней. Отложения шла­ ма в охлаждаемых полостях отрицательно отражаются на тепло­ обмене, происходит локальное повышение температуры стенок, а это вызывает рост температурных напряжений в них и в отдельных слу­ чаях приводит к появлению трещин. Особенно подвержены отло­ жениям шлама и местным перегревам крышки цилиндров, так как именно в них благодаря сложности конструкции внутренних ох­ лаждаемых полостей имеются участки, «благоприятные» для скап­ ливания шлама.

Для исключения отложений шлама и накипи в полостях охлаж­ дения необходимо: на участках охлаждения забортной водой сле­ дить за очисткой воды в кингстонных фильтрах, температура воды не должна превышать 50 °С, для замкнутых контуров охлаждения применять хорошо очищенную, по возможности дистиллирован­ ную воду, не допускать скапливания в воде масла, использовать отстойники, каскадные фильтры.

9.4.Химическая обработка воды

Вцелях защиты поверхностей охлаждения от коррозионных разрушений, накипеобразования и кавитационной эрозии в охлаж­

дающую воду обязательно вводят присадки — ингибиторы. По со­ ставу и характеру действия присадки делят на химические и водо­ эмульсионные.

320