Читать онлайн Эксплуатация современных судовых дизельных установок бесплатно
Геннадий Вениаминович Гоголев
Эксплуатация современных судовых дизельных установок
Рецензенты:
В. М. Величко – механик I разряда ДВС, суперинтендант компании Primerose Shipping Co.Ltd.
Е. А. Трофимов – механик I разряда ДВС.
В книге изложены особенности эксплуатации современных судовых дизельных энергетических установок. Рассмотрены характеристики пропульсивного комплекса, конструкция и эксплуатация ВРШ, области допустимых эксплуатационных режимов главных двигателей, особенности их технического использования в особых условиях, эксплуатация современных двигателей с электронным управлением,
Описаны современные технические средства и системы наддува для эффективной эксплуатации ГД на малых и экономичных ходах, влияние внешних и эксплуатационных условий, особенности технического использования ГД, в том числе и в особых условиях.
Даны сведения о современных валогенераторных установках малооборотных ГД типа PTO/RCF и PTO/CFE, позволяющих обеспечивать электроснабжение судна на режимах частичных нагрузок, об особенностях использования в судовых дизельных установках низкосернистых топлив типа ULSFO (0,10 % S), VLSFO (0,50 % S).
Подробно рассмотрены системы автоматического управления современными ГД (WECS-9520, Norcontrol AutoСhief III, UNIC) и пропульсивным комплексом (AutoChief C20, AutoChief® 600, DENIS-9520, BERG Propulsion), описано оборудование, типовые неисправности, методы контроля технического состояния и диагностирования элементов судовых дизельных установок.
Рассмотрены конструкции современных гидропневматических электронных регуляторов частоты вращения дизелей, методы их настройки, типовые неисправности. Обобщен зарубежный опыт по созданию, компановке и эксплуатации автоматических систем управления пропульсивным комплексом.
Предназначено для специалистов, эксплуатирующих судовые дизельные установки, а также полезна учащимся морских учебных заведений.
Предисловие
Дизельные энергетические установки, отличающиеся высокой экономичностью, надежностью и управляемостью, наиболее широко используются в современных судовых пропульсивных комплексах (ПК).
СДЭУ эксплуатируются при различных внешних, эксплуатационных условиях в широком диапазоне режимных параметров. Эффективная и безопасная эксплуатация обеспечивается во многом за счет технически грамотного обслуживания оборудования СДЭУ, что позволяет избежать необоснованную работу судового энергетического оборудования при чрезмерных механических и тепловых нагрузках.
Конфигурации допустимых областей эксплуатационных режимов современных двигателей, работающих на винты как фиксированного, так и регулируемого шагов, с валогенератором (ВГ) и без него, достаточно разнообразны.
Современные валогенераторные установки малооборотных ГД позволяют обеспечивать электроснабжение судна и на основных эксплуатационных, и на режимах частичных нагрузок. Используются ВГ с постоянным передаточным числом (PTO/GCR), с постоянной частотой вращения (PTO/RCF), с постоянной электрической частотой (PTO/CFE).
Современные технические средства и системы наддува, позволяют безопасно и достаточно эффективно эксплуатировать ГД на малых и экономичных ходах за счет байпасирования ГТН (Exhaust Gas Bypass, сокращенно EGB), регулируемого поворотного соплового аппарата турбины, сокращенно VTA; отключения ГТН (TC Cut-Out System).
Эксплуатация ГД при пуске, разгоне, реверсировании, на аварийных режимах, а также в ледовых, штормовых и других особых условиях имеет свои особенности и требует особого внимания. Безопасная эксплуатация во время шторма предотвращает аварии и крушения судов, которые, к сожалению, еще происходят. Сравнительно недавние крушения таких судов как лайнер «Эстония», танкеры «Эрика», «Престиж», контейнеровоз «Мол Комфорт», а также произошедшие уже в двадцатые годы потери танкера «Китус», грузовых судов «Unit K» и «Хейва Мару», судна ро-ро «Daha», рыболовецкого судна «Восток», сухогруза «Luno» и др. С ноября 2020 года в штормовых условиях произошло 6 инцидентов с потерей груза. Ежегодно в море теряется порядка 1,5 тысяч контейнеров.
Изложены сведения о современных измерительных приборах, комплексах и методах диагностики. Характерный вид индикаторных диаграмм при различных неисправностях позволяет быстро идентифицировать последние. Использование современных высокотехнологичных конструкций и систем управления ВРШ обеспечивают необходимую повышенную надежность и безопасность мореплавания.
Реализация тех или иных режимов работы связана с техническим использованием дистанционных автоматических систем управления. Установившиеся, а тем более неустановившиеся режимы работы СДУ, обеспечиваются автоматизированными системами управления главным двигателем и движением судна, знания о структуре, составе, регулировочных настройках и возможных неисправностях которых необходимы для успешной безаварийной эксплуатации судовых ДЭУ.
Актуальной проблемой остается получение более полных знаний по особенностям работы и надежной эксплуатации дизельных двигателей и систем автоматического управления современными пропульсивными установками. Достаточно подробное рассмотрение вопросов, касающихся конструкции, обслуживания, настройки, поиска неисправностей как новых, так и уже не новых систем регулирования частоты вращения дизелей будет полезно эксплуатирующим их специалистам.
Особое внимание уделено современным высокотехнологичным двигателям с электронным управлением Wärtsilä типа Sulzer RT-flex с системой управления WECS-9520 и двигателям международной компании «MAN Diesel & Turbo» типов ME, ME-C, ME-B, CR. Изложены сведения по системам управления движением AutoChief C20, AutoChief® 600, DENIS-9520, Alphatronic 2000.
Актуальной проблемой в настоящих экономических условиях (необходимость более широкого освоения северного морского пути) является обеспечение успешной и безопасной эксплуатации современных высокоэкономичных ГД в условиях ледового плавания (работа с “облегченым” винтом, арктический перепуск наддувочного воздуха, подогрев охлаждающей воды, рекомендации по пуску и нагружению, расчет времени предварительного подогрева).
Актуальным и необходимым является рассмотрение свойств и особенностей применения низкосернистых топлив ULSFO (0,10 % S), VLSFO (0,50 % S), процедуры проверки их совместимости, обеспечения смазывающей способности и вопросы подготовки и модернизации топливных систем.
Подробное рассмотрение принципов действия, функций, конструктивных особенностей различных гидравлических и электронных регуляторов частоты вращения, методов их настройки и типовых неисправностей способствует их более эффективному использованию.
Рассмотрено влияние гидрометеорологических условий плавания и методы приведения мощности и расхода топлива к стандартным условиям согласно
ГОСТ Р 52517–2005 (ИСО 3046–1:2002).
Автор настоящей книги доцент, к.т.н., имеющий опыт работы на различных судах и длительный опыт преподавательской работы в морских высших учебных заведениях, при написании книги использовал значительное количество технической литературы и документации, прибегал к консультациям специалистов, непосредственно занимающихся эксплуатацией современных диэельных установок. Автор выражает особую благодарность суперинтендантам Величко В. М. (компания Primerose Shipping Co.Ltd.), Оверко В. С., Тимченко Р. И. (компания Laskaridis Shipping Co.Ltd.), старшему механику Трофимову Е. А., капитану дальнего плавания Величко А. В. и инженеру Слободянюку В. Л. за оказанную помощь, высказанные рекомендации и замечания.
В условиях непрерывного сокращения объема часов, выделяемых на изучение ключевых дисциплин, необходимых для успешного проектирования и эксплуатации судовых энергоустановок, как, впрочем, и других технических объектов, необходимо наличие доступной, современной технической литературы (как в печатной, так и электронной форме), описывающей особенности эксплуатации как широко известного, так и нового оборудования.
Технологическое отставание в двигателестроении можно ликвидировать на основе развития собственных разработок и тщательного изучения и анализа зарубежного опыта и достижений. Подробная информация по современным зарубежным разработкам будет полезна инженерам создателям отечественной техники.
В монографии не рассматриваются типовые отказы и вопросы эксплуатации систем СДУ, так как они достаточно изложены в предыдущей книге [9] и другой известной литературе.
Китайское “экономическое чудо” основано на творческой переработке передового опыта, технологий, создании собственного интеллектуального потенциала нации за счет действительно эффективной системы образования на всех уровнях. Те, кто были в Китае, наверное, обратили внимание на отсутствие детей на улицах. Они с утра до 8 часов вечера в школах. В результате мы с удивлением наблюдаем непривычно трудолюбивых, упорных китайских студентов и специалистов, которые, кстати, в отличие от многих других уверены, что у них будет работа по специальности.
Повсеместное увлечение наспех организованными дистанционными методами обучения с сокращенным объемом, с целью экономии средств и затрат на образование, не заменят работу с опытными преподавателями и современной учебной технической литературой, которой очень мало.
Целью изложенных материалов и рекомендаций, является прежде всего помощь судовым механикам и выпускникам морских учебных заведений. В издании рассмотрен ряд специальных, достаточно узких вопросов, связанных с эксплуа – тацией и дистанционным автоматическим управлением судовых дизельных энергоустановок в обычных и особых условиях. Книга полезна учащимся морских учебных заведений для приобретения современных профессиональных знаний.
Список сокращений
АЭРН – автоматический электронный регулятор нагрузки;
АПС – аварийно-предупредительная сигнализация;
ВГ – валогенератор;
ВДГ – вспомогательный дизель-генератор;
ВМТ – верхняя мертвая точка;
ВН вспомогательный нагнетатель
ВПУ – валоповоротное устройство;
ВРК – винторулевая колонка
ВРЧВ – всережимный регулятор частоты вращения
ВРШ – винт регулируемого шага;
ВФШ – винт фиксированного шага
ГОС – гибкая обратная связь шага;
ГД – главный двигатель;
ГТК – Газотурбокомпрессор
ДАУ – дистанционное автоматическое управление;
ECS – системауправления двигателем;
ЖОС – жесткая обратная связь;
МИШ – механизм изменения шага;
МО – машинное отделение
ПК – пропульсивный комплекс
ПКВ – угол поворота коленчатого вала;
ПТЭ – правила технической эксплуатации;
РПУ – реверсивно-пусковое устройство;
САУ – системами автоматического управления
СДЭУ – судовая энергетическая установка;
СОД – среднеоборотный дизель;
СТС – судовое техническое средство;
МОД – малооборотный двигатель;
ТИ – техническое использование;
ТИ – техническое использование;
ТНВД – топливный насос высокого давления;
ТО – техническое обслуживание
ЦПУ – центральный пост управления;
ЧЭ – чувствительный элемент
Раздел 1. Пропульсивный комплекс сдэу и его эксплуатация
1.1. Состав и типы судовых дизельных энергетических установок
В состав СЭУ входят главная энергетическая установка (ГЭУ) и вспомогательные установки. Главная (пропульсивная) энергетическая установка (пропульсивный комплекс) обеспечивает движение судна. Главные энергетические установки дизельных судов классифицируются по следующим признакам [1]:
– по типу главных двигателей (МОД, СОД, ВОД и комбинированные (чаще всего это дизель-газотурбинные установки).
– по типу передачи мощности на движитель (прямая непосредственная передача на ГВ, механическая, электрическая, гидравлическая и комбинированные передачи).
– по типу движителя (гребные винты фиксированного шага, гребные винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения, винторулевые колонки с механической и электрической передачей мощности на винт, крыльчатые и водометные движители).
– по способу обеспечения реверса (с реверсивным ГД, с нереверсивным ГД и реверсивной муфтой, с нереверсивным ГД и ВРШ, с винторулевыми колонками.
По степени автоматизации, способу управления и обслуживания СДЭУ бывают:
1. Неавтоматизированные и частично автоматизированные с местным постом управления и постоянной вахтой в МО.
2. Автоматизированные СДЭУ с ДАУ без постоянного присутствия обслуживающего персонала в МО. Несение вахты осуществляется одним механиком в ЦПУ (степень автоматизации А2, А3).
3. Автоматизированные СДЭУ с ДАУ без постоянного присутствия обслуживающего персонала в МО и ЦПУ (степень автоматизации А1).
ДЭУ с прямой передачей на мощности на винт (ВФШ) являются наиболее распространенными. ГД при этом может быть соединен с гребным валом через жесткую фланцевую муфту, через разобщительную муфту, через реверсивную муфту или через ВРШ (с валогенератором и без него).
Установки с ВФШ обеспечивают достаточно высокие значения пропульсивного КПД, надежны и устойчивы в работе. Они применяются на крупнотоннажных судах Двухвальные СДЭУ применяются на паромах, буксирах. пассажирских и речных судах. Трехвальные установки примененияются редко.
Широко применяются дизель-редукторные установки (ДРУ). Существуют схемы ДРУ с отбором мощности и с различными исполнениями редукторных передач [1,2].
На судах относительно небольшой мощности специального назначения находят широкое применение винторулевые колонки (ВРК) объединяющие движительный и рулевой комплекс в одном агрегате.
Они значительно расширяют эксплуатационные возможности и маневренные характеристики ПК.
Производителями главных ВРК являются зарубежные фирмы «Aquamaster», «Steerprop Ltd», «Schottel Gmbh», «Niigata» и др. В России ВРК выпускает завод
«Сапфир» в Большом Камне и НПО «Винт» [3]. Главные винторулевые колонки (ГВРК) выпускаются с одиночными и соосными винтами противоположного вращения и гребными винтами в направляющих насадках. ССК «Звезда» освоила выпуск судов снабженцев ледового класса.
1.2. Характеристики пропульсивного комплекса
Пропульсивный (propulsive – движущий) комплекс является системой взаимодействующих элементов, обеспечивающих движение, маневрирование и остановку судна с обеспечением высокой степени надежности в различных эксплуатационных условиях. Дизельная энергетическая установка входит в состав ПК и режимы ее работы будут во многом определяться характеристиками конкретного ПК
В состав ПК входят: главный двигатель или двигатели (если их несколько), передача (редуктор, соединительные муфты, валопровод), гребной винт (ГВ), корпус судна.
На транспортных судах чаще всего применяют ПК с малооборотными двухтактными двигателями (МОД) и прямой передачей мощности на гребной винт. Используются СДУ как с прямой передачей, так и с ВРШ. Применение дизель-редукторных установок (ДРУ) с среднеоборотными двигателями (СОД) позволяет сократить размеры МО по высоте и облегчить отбор мощности на ВГ. Находят применение различные компоновочные и схемные решения [1,2,4,28].
Совмещение характеристик корпуса и винта определяет необходимую мощность ГД. Рассмотрим взаимодействие и условия работы элементов ПК.
Взаимодействие гребного с водой и корпусом судна характеризуется создаваемым винтом упором P, вращающим моментом поглощаемым винтом, частотой вращения винта np, скоростью воды, поступающей на лопасти Va, (из-за наличия попутного потока она меньше скорости движения судна V), поступью гребного винта hp и в конечном итоге к.п.д. винта ηp.
Схема судового пропульсивного комплекса и описание взаимодействия его элементов приведены в источнике [2].
Гребной винт встречает воду не со скоростью движения судна V, а со скоростью Va уменьшенной на величину скорости попутного потока, который вызван трением воды вдоль сторон корпуса и увеличивает упор винта.
Va = V–Vп
Наличие попутного потока улучшает работу ПК, его влияние учитывается коэффициентом попутного потока.
Кроме того, в процессе работы ГВ засасывает воду из под кормы, отбрасывая ее назад и уменьшая давление воды на кормовую часть. Возникающая сила засасывания, отнесенная к упору винта, называется коэффициентом засасывания.
Обводы, размеры и состояние корпуса и кормовой части, расположение и режимы нагрузки гребного винта влияют на пропульсивные качества и оцениваются коэффициентом влияния корпуса.
где ω – коэффициент попутного потока, ω = 0,2…0,45;
t – коэффициент засасывания, t = 0,12…0,3;
i – коэффициент, учитывающий неравномерность поля скоростей в диске винта, i = 0,95…1,03.
Буксировочная мощность расходуется на преодоление сопротивления движению судна.
Nб = R ∙ V = Pе ∙ V
Осевая скорость винта относительно воды Vp незначительно отличается от скорости Va.
Пропульсивный коэффициент – это отношение буксировочной мощности к мощности подводимой к винту NB.
Пропульсивный коэффициент характеризует гидромеханические потери на ГВ при его взаимодействии с корпусом.
Помимо этих потерь следует учитывать потери в редукторной передаче ηn (при ее наличии), валопроводе ηB и потери в ГД.
Тогда К. П. Д. пропульсивного комплекса представляется в виде:
Поступь винта hp – это путь, пройденный винтом в воде за один оборот. Относительная поступь – это поступь, отнесенная к диаметру винта D.
Если бы гребной винт вращался в твердой среде, как штопор в пробке, то за один оборот он бы прошел расстояние, равное шагу винта H без скольжения.
Скольжение S – безразмерная величина, определяемая как отношение скорости скольжения Vc = (H × np – Va) к осевой скорости винта в «твердой среде», равной H × np
В реальных условиях скольжение винта относительно воды является условием создания упора винта. Винт отбрасывает воду назад и создает упор. Без скольжения не будет и упора винта.
Упор ГВ зависит прямо пропорционально от массы и скорости отбрасываемой воды, а потери энергии с отбрасываемой частью воды пропорциональны произведению массы на скорость воды во второй степени, поэтому КПД винта будет увеличиваться при увеличении диаметра D и снижении частоты вращения винта np. Масса отбрасываемой воды будет возрастать при увеличении диаметра ГВ, а обороты винта np при этом можно снизить. КПД винта зависит от относительной поступи, а также от обводов корпуса и имеет для ВФШ ярко выраженное оптимальное значение при определенном λp.
На рисунке 1.1. приведены кривые действия геометрически подобных винтов фиксированного и регулируемого шага [2].
Рис 1.1. Кривые действия гребных винтов:
а) – ВФШ; б) – ВРШ [2].
Соответствующие зависимости для упора, момента, мощности и КПД винта при упрощающем допущениях, что MB~n2p, NB~n3p выражаются формулами:
Из анализа зависимостей КПД на рисунке 1.1а и 1.1б видно, что ВРШ обеспечивает работу с высоким КПД в широком диапазоне режимов. Изменения величин λp и S происходит при значительных воздействиях на сопротивление движению судна (разгон, торможение, работа во льдах). ВРШ широко применяются в установках, где часто меняются режимы работы.
Пропульсивный комплекс должен обеспечить не только заданную спецификационную скорость движения судна за счет создания тяги Pe и подведение к винту мощности NB, но и обеспечить надежную работу в определенном диапазоне скоростей и частот вращения.
Для анализа совместной работы гребного винта, корпуса судна и ГД используют ходовые или паспортные диаграммы судна. Они представляются в виде зависимостей R = f (V) и NB f (V).
Паспортную (ходовую) диаграмму судна первоначально представляют в виде зависимостей сопротивления движению R от скорости судна V при различных условиях плавания и при различных постоянных частотах вращения гребного винта np.
R(PB) = f (V, np, условия плавания)
Затем эту паспортную диаграмму можно перестроить в диаграмму зависимости мощности, потребляемой гребным винтом, от возможной скорости движения судна при различных сопротивлениях движению судна по условиям плавания или зависимости от значений относительных поступей винта λp при различных частотах его вращения np.
NB = f (V, np, λp).
Для построения кривых, представленных на рис. 1.2, можно использовать следующие уравнения.
Мощность буксировки судна с заданной скоростью на свободном ходу:
NR = R ∙ V.
Мощность, потребляемая гребным винтом:
NB = MB ∙ ωB,
где MB – крутящий момент, потребляемый гребным винтом;
ωB – угловая скорость вращения гребного винта, 1/с.
Зная экспериментальные значения коэффициентов упора K1 и момента K2 для гребного винта выбранной серии, можно определить зависимости упора винта и потребляемой винтом мощности от скорости судна, по приведённым выше формулам [2] или по формулам [5].
где KC = K1(1 – t)i – коэффициент тяги.
Паспортные диаграммы (графики Pe = f(np,V) и Nb = f'(np, V)) позволяют определить для установившихся режимов судна взаимосвязи между мощностью, подводимой к винту, частотой вращения винта и скоростью судна.
Эти диаграммы потом уточняются по результатам ходовых испытаний.
Общая конфигурация последней паспортной диаграммы с учетом ограничения по мощности ГД представлена на рисунке 1.2.
Если перенести кривые мощности, потребляемой винтом 2 в координаты NeГД = f(nГД), учитывая, что частоты ГВ и ГД равны или связаны через величину передаточного числа редуктора, то получим широко распространенную диаграмму скоростной характеристики двигателя Ne = f(n), которая является паспортной диаграммой пропульсивного комплекса «корпус – движитель – двигатель».
Рис. 1.2. Паспортная диаграмма судна с пропульсивной установкой с ВРШ:
1 – n=const; 2 – λp= const; 3 – ограничительная характеристика по эффективной мощности.
Согласование характеристик «корпус-винт» с характеристиками двигателя графически представлено на рисунках 1.3 [5]. Нанося предельные характеристики двигателя на характеристики комплекса «корпус-винт», получим в левой части рисунка 1.8 паспортную диаграмму пропульсивного комплекса «корпус-движитель—двигатель».
Рис. 1.3. Характеристики и паспортная диаграмма пропульсивного комплекса [5]
Для анализа работы ГД по винтовой характеристике наносится кривая потребляемой винтом мощности. Для этого точки 1”– 2”-3”-4” на кривой зависимости потребляемой винтом мощности от скорости судна переносятся на правый график при тех же частотах вращения двигателя и, соединив их плавной кривой, получим винтовую характеристику двигателя.
Динамические качества ПК будут зависеть от ряда факторов. Определим факторы, влияющие на скорость движения судна.
Буксировочная мощность Nб зависит от мощности, подводимой к винту и пропульсивного коэффициента
Nб = R∙V = NB∙η = 2π∙MB∙np∙η.
Отсюда скорость движения судна
Буксировочная мощность Nб зависит от мощности, подводимой к винту и пропульсивного коэффициента
Nб = R∙V = NB∙η = 2π∙MB∙np∙η.
Отсюда скорость движения судна
На стационарных режимах работы при неизменных внешних факторах скорость судна будет пропорциональна частоте вращения винта.
При постоянстве пропульсивного КПД η будет соблюдаться равенство относительных величин
Это значит, что в относительных координатах характеристика винта
При переходных режимах (разгон, торможение, реверсирование, работа на волнении) будут дополнительно возникать инерционные силы и моменты движущихся масс
R' = D(dV/dτ)
и вращающихся масс
Тогда отношение скорости судна к частоте вращения винта выразится
Все величины, кроме водоизмещения, будут переменными. Инерционной составляющей линии валопровода I∙(dω/dτ) можно пренебречь.
Анализ зависимости отношения V/np показывает, что на участках ускоренного движения судна рост скорости судна будет отставать от роста частоты винта, а при торможении, наоборот, инерция массы судна D(dV/dτ) будет отрицательная и будет способствовать поддержанию скорости судна.
Кроме того, следует отметить, что изменение частоты вращения при изменении уставки регулятора также будет происходить неравномерно, особенно при пуске ГД и использовании регуляторов без функций ограничения по нагрузке и давлению наддува (типа UG-40) [6].
Забросы топливоподачи могут быть значительным, что ведет к повышенным термическим напряжениям. Если используются регуляторы, реализующие ограничительную характеристику (типа UG-40TL и электронные), то забросы топливоподачи будут значительно меньше.
От настройки изодромной связи зависит многое. В современных электронных регуляторах (DGU 8800) в память микропроцессора занесена вся необходимая информация о двигателе, включая и момент инерции вращающихся масс, что позволяет автоматически мгновенно вычислять реальный вращающий момент двигателя с учетом инерционной составляющей на любом режиме и автоматически изменять характеристики (настройки) изодромной связи регулятора, обеспечивающие оптимальную по расходу топлива и по износу динамику работы двигателя (см. пункт 6.2.3.5).
Динамические качества пропульсивной установки будут зависеть от соотношения влияния перечисленных факторов (величины крутящего момента, пропульсивного коэффициента, инерционной силы движущихся масс судна, заданий регулятора).
Дизельная энергетическая установка входит в состав ПК и режимы ее работы будут во многом определяться характеристиками конкретного ПК.
1.3. Современные главные двигатели и их техническое использование
Конструкции, характеристики и сведения по эксплуатации многих современных ГД изложены в известной технической литературе [7,8,9,10,11,12,13,21,24,26,27,30,31,60], поэтому считаю необходимым представить информацию по эксплуатации двигателей, не нашедших подробного рассмотрения в технической литературе на русском языке. Общие положения и процедуры эксплуатации дизелей изложены в [8]. Более точные процедуры для каждого конкретного дизеля можно взять в его правилах технической эксплуатации. Отметим, что Руководящий документ [8] не учитывает особенности эксплуатации МОД компании «MAN Diesel & Turbo», изложенные в [14,16], в части их проверок перед пуском:
– давление к пневмомеханизмам выпускных клапанов должно быть подано до того, как будет запущен главный маслонасос, что делается для предотвращения чрезмерного открытия выпускных клапанов;
– должно быть проведено медленное проворачивание для предотвращения поломок из-за гидроударов, которые могут быть вызваны скоплением жидкости в цилиндрах;
– должна быть проведена проверка регулирующего механизма подачи топлива (проворачивается регулирующий маховичок в сторону увеличения индексов топливных насосов с проверкой установки последних в положение “ПОДАЧА ТОПЛИВА”). При возврате маховичка в положение “СТОП” проверяется, что индексы всех ТНВД установлены на ноль.
Некоторые администрации вводят дополнительные требования. Перед входом в американские воды требуется проверка реверсов, резервной рулевой машины, проверка функционирования оборудования при обесточивании. При обесточивании включается автоматически АДГ, запускается аварийный поршневой компрессор, который дает сжатый воздух на запуск одного из ВДГ, восстанавливается электропитание и запускаются насосы, обеспечивающие работу ГД.
1.3.1. Краткие сведения о конструкции двигателей «MAN Diesel & Turbo» с электронным управлением серии МЕ/ME-C
Двигатели этого концерна широко применяются на морских судах и особенности их конструкции и вопросы технического использования в целом кратко освещены в отечественной русскоязычной литературе.
Считаю необходимым представить вниманию читателей краткое описание конструкции и подробное описание процедур пуска, обслуживания и остановки двигателей международной компании «MAN Diesel & Turbo» типа МЕ (описание работы САУ этих двигателей, которое будет полезно при изучении указанных процедур пуска, представлены в разделе 9 данной книги).
Двухтактные двигатели этой компании разрабатываются в Копенгагене, имеют диапазон мощности от 2 МВт до 84,2 МВт и устанавливаются на больших контейнеровозах, грузовых судах и танкерах.
Дизели напрямую связаны с гребными винтами. МОД типа MC с распределительным валом и цепным приводом не обеспечивают постоянство, оптимальные уровни давления впрыска и гибкое управление клапанами.
В двигателях типа МЕ-В привод клапанов осуществляется от распределительного вала, а привод ТНВД гидравлический. Система с электронным управлением и гидравлическими приводами, обеспечивает необходимую маневренность, эффективность и безопасность.
Управление ТНВД, выпускными и пусковыми клапанами в двигателях с электронным управлением серии 50–108 МЕ/МЕ-С осуществляется через блоки управления на цилиндрах CCU (Cylinder Control Unit) снабженные гидроприводами и управляющими клапанами NC.
Двигатели имеют гидравлическую станцию HPS (Hydraulic Power Supply), обеспечивающую поддержание постоянного высокого давления управляющего силового масла. При работе HPS масло забирается масляным насосом 1 из танка и после тщательной очистки в ФТО (2…5 мкм) поступает к аксиально-поршневым насосам, которые повышают давление управляющего масла до 175…250 бар и затем направляют его в блоки управления цилиндров HCU (Hydraulic Cylinder Unit). Схема гидравлического управления изображена на рисунке 1.5.
Блоки управления HCU включают в себя аккумуляторы силового масла, распределительные блоки, электронно-управляемые клапаны ELFI (Electronic Fuel Injection) управления подачей топлива и электронно-управляемые клапаны ELVA (Electronic Exhaust Valve Activation) для открытия-закрытия выпускного клапана, гидропривод впрыска топлива и гидропривод открытия выпускного клапана (Exhaust Valve Actuator).
Рис. 1.4. Гидравлическая станция двигателя серии МЕ [15]
Рис. 1.5. Внешний вид станции гидравлики двигателя серии МЕ [15]
Схема гидравлического управления изображена на рисунке 1.6.
Рис. 1.6. Схема гидравлического управления
Рис. 1.7. Внешний вид элементов блока управления на цилиндрах (HCU) [15].
Рис. 1.8б. Внешний вид элементов CCU [15].
На рисунке 1.9 изображены схемы открытия выпускных клапанов двигателей традиционной конструкции (рис. слева) и двигателей МЕ (рис. справа). Управление пусковыми клапанами в двигателях этих серий осуществляется электронно-управляемыми клапанами, которые смонтированы на главной магистрали пускового воздуха перед цилиндрами.
Рис. 1.9. Приводы для открытия выпускных клапанов двигателей серий МС(МС-С) и двигателей с электронным управлением серии МЕ [15]
Рис. 1.10. Расположение управляющих клапанов [27].
Расположение клапанов управления показано на рис. 1.10. Клапан ELFI управляет цикловой подачей топлива и обеспечивает различные варианты впрыска топлива. Подробно конструкция двигателе серии МЕ описана в литературе [9,15,16,43].
Рис. 1.11. Схема гидропривода ТНВД
ТНВД, представляет собой сервопоршень и впрыскивающий плунжер. При приеме сигнала от электронной системы управления вступает в действие быстродействующий золотниковый управляющий клапан ELFI, который управляется электрическим линейным электромотором, работающим внутри управляющего устройства. Перемещение золотника открывает доступ силового масла из аккумуляторов к поршню, который соединен с топливным плунжером. Из-за высокого давления масла, действующего на поршень, создается высокая скорость плунжера топливного насоса, в результате чего происходит быстрое нарастание давления топлива перед форсункой и резкий подъем иглы форсунки, приводящий к качественному впрыску топлива под высоким давлением.
Давление впрыскиваемого топлива поддерживается постоянным за все время открытия иглы. Максимальное давление впрыска топлива порядка 160–200 МПа обеспечивается во всем рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала дизеля. Окончание впрыска происходит также резко, как и начало впрыска. Электронная система посылает сигнал к управляющему клапану который с помощью быстродействующего золотника, моментально его передвигает на слив силового масла. Происходит резкая отсечка впрыска топлива в цилиндр.
Гидравлический модуль каждого цилиндра оснащен аккумулятором масла для обеспечения достаточно быстрого нагнетания масла, а также для предотвращения сильных колебаний давления.
В обычном двигателе оптимизация процесса сгорания топлива в цилиндре возможна лишь для одного режима, так как зависит от конкретного профиля кулака на распределительном валу. При наличии электронного управления в рамках описанной конструкции управление процессом сгорания топлива в цилиндрах производится в оптимальном варианте, так как электронная система мгновенно реагирует на любые варианты нагрузок дизеля, переходя на разные алгоритмы программы управления.
В отличие от традиционного ТНВД с кулачковым приводом, эта система впрыска может иметь регулируемый ход плунжера и подавать топливо под необходимым давлением и количеством при определенной нагрузке. Система может обеспечить как одиночный впрыск, так и двойной впрыск с варьированием впрыска по форме, фазам, продолжительности, давлению и т. п.
Система управления приводом выпускного клапана приводится в действие таким же способом, что и плунжер топливного насоса впрыска топлива, но в этом блоке запрограммировано также управление на время открытия и закрытия выпускного клапана.
Поршень первой ступени второй имеет демпфер, работающий в двух направлениях. Поршень второй ступени не имеет демпфера и находится непосредственно в прямом контакте с поршнем, который передает давление гидравлической системы для преобразования ее в поступательное движение штока выпускного клапана. Силовое масло из под этого поршня в конце движения выпускного клапана поступает в цилиндр поршня первой ступени, демпфируя и устраняя ударные нагрузки на седло и тарелку клапана.
Управление пусковыми клапанами тоже осуществляется электронно-управляемыми клапанами.
1.3.2. Техническое использование двигателей типа МЕ/ME-C
Рассмотрим процедуры пуска, обслуживания во время работы и остановки двигателей «MAN Diesel & Turbo» типа МЕ/ME-C. Они имеют ряд существенных особенностей [16].
Считаю необходимым предварительно кратко остановиться на топливоподготовке. Более подробная информация имеется в источниках [9,22,74]. Известно, что эффективная очистка тяжелых топлив может быть обеспечена только с помощью сепараторов. Кроме того, современные сепараторы по сравнению с фильтрами в 12…18 раз эффективнее удаляют алюмосиликаты [30]. Способность к отделению воды во многом зависит от разности плотностей топлива и воды (не менее 30 кг/м3), вязкости и производительности сепаратора. При подогреве тяжелого топлива вязкость снижается, а разность плотностей увеличивается, так как зависимость плотностей воды и топлива разная. Топливо плотностью до 1010 кг/м3 при 15 °С при подогреве до 98 °С может быть успешно очищено от воды до 0,2 %. Плотность дистиллированной воды 960 кг/м3. Плотность же реальной пресной, содержащей, как известно, и некоторое количество солей, будет больше. Соленая морская вода имеет еще большую плотность.
«MAN Diesel & Turbo» при эксплуатации двигателей с электронным управлением серии МЕ/ME-C рекомендует использовать сепараторы 24 часа в сутки, кроме времени необходимого для их очистки. Производительность сепараторов должна соответствовать количеству, которое необходимо двигателю, плюс количество топлива, потребляемого в периоды, когда сепаратор останавливается для очистки.
Для эффективного удаления воды с помощью обычного сепаратора надо правильно выбрать гравитационный диск (см. инструкцию сепаратора).
Обычной практикой является наличие как минимум двух сепараторов для очистки топлива, а лучше трех (два параллельных пурификатора + кларификатор). Последовательное соединение сепараторов требует повышенной производительности, что снижает качество очистки.
Иногда в качестве дополнения к сепараторам может быть установлен гомогенизатор. Гомогенизатор всегда должен устанавливаться после сепараторов и перед фильтром тонкой очистки, чтобы свести к минимуму риск забивания фильтра из-за агломерации асфальтенов и не препятствовать эффективной работе сепаратора.
В качестве дополнения в системе топливоподготовки может быть установлен «горизонтальный» осветлитель – супердекантер (Super Decanter). Он успешно удаляет осадок перед обычным сепарированием и сводит к минимуму риск забивания сепараторов. Наряду с зарубежными гомогенезаторами заслуживает внимания возможность использования отечественных аппаратов, например, бироторного аппарата волновой обработки (патенты РФ № 2347153, № 70084).
Сепараторы типа FOPX сепарационной установки «ALKAP» (фирма «Лаваль») очищают топлива с плотностью до 1010 кг/м3 (при 15 °С) и вязкостью до 700 сСт (при 50 °С) при безвахтенном обслуживании установки. Отсутствует гравитационный диск (вместо него проточный диск). Сепаратор собран как кларификатор, что повышает его эффективность (для отделения примесей используется все межтарелочное пространство) и облегчает его обслуживание, так как устраняется непростая процедура подбора регулировочной шайбы.
1.3.2.1. Подготовка к пуску двигателей «MAN Diesel & Turbo» типа МЕ и их систем
Мероприятия по подготовке к пуску представлены в таблице 1.1
Таблица 1.1. – Мероприятия при подготовке к пуску
Во время проворачивания необходимо проверить работоспособность устройства заземления гребного вала. Между корпусом судна и валом не должно быть разности потенциалов, которая ведет к разрушению подшипников валопровода.
1.3.2.2. Пуск двигателя типа МЕ
Таблица 1.2. Пуск двигателя типа МЕ
Таблица 1.3. – Характерные неисправности при пуске.
Дополнительные комментарии к таблице
В таблице «Неисправности при пуске ГД» указаны некоторые возможные причины сбоев при запуске, по которым может быть дана следующая дополнительная информация и комментарии.
Пункт 2
Двигатель обычно запускается, когда давление пускового воздуха превышает 10 бар. Однако компрессоры следует запускать, как только давление в пусковом воздушном ресивере станет ниже 25 бар.
Пункт 8
Процедура проверки, описывающая, как определить, что все пусковые клапаны в крышках цилиндров закрыты и герметичны, находится в Разделе 703–07 (инструкция по эксплуатации) [16]. Если пусковой клапан негерметичен во время работы двигателя, соответствующая пусковая воздушная трубка сильно нагревается. В этом случае пусковой клапан необходимо заменить и отремонтировать. Если двигатель не запускается по причинам, указанным в пункте 8, это обычно происходит в определенных положениях коленчатого вала.
Если это происходит во время маневрирования, реверсирование должно быть выполнено как можно быстрее, чтобы переместить коленчатый вал в другое положение, после чего двигатель может быть снова запущен в направлении, указанном телеграфом.
Пункт 14
Проверьте, есть ли напряжение на электромагнитном клапане, который управляет пусковым клапаном.
Если электромагнитный клапан активирован правильно, отследите неисправность, ослабляя по одной трубке на пути прохождения сигнала через систему, пока не будет обнаружен клапан, блокирующий сигнал. Неисправность может быть вызвана неисправным клапаном или причинами, указанными в пункте 15.
Пункт 15
Если отключение было вызвано слишком низким давлением или слишком высокой температурой, верните их к нормальному уровню. Затем сигнал остановки можно отменить, нажав соответствующий переключатель «сброса» на панели управления.
Пункт 19
Реле тепловой защиты электродвигателя ограничивает количество пусков подряд (3…4). Для отключения воздуходувки (вспомогательного нагнетателя) необходима правильная регулировка и работоспособность прессостата давления наддувочного воздуха (0,4…0,6 бар).
Проверки при запуске
Сразу после запуска необходимо проверить следующее:
– направление вращения коленчатого вала соответствует команде, полученной по судовому телеграфу.
– активный сигнал от клапанов ELVA к системе управления указывает, правильно ли работают выпускные клапаны. При возникновении ошибки сработает аварийный сигнал.
Проверка 1. Турбокомпрессоры.
Убедитесь, что все турбокомпрессоры работают.
Проверка 2: Циркуляция масла
Убедитесь, что давление и циркуляция масла в двигателе и турбокомпрессоре в порядке.
Проверка 3: работа цилиндров
Убедитесь, что все цилиндры работают.
Проверка 4: пусковые клапаны на крышках цилиндров
Пощупайте трубы. Горячая трубка указывает на негерметичность пускового клапана.
Проверка 5: Давление и температура
Следите, чтобы все параметры рабочих сред были в допустимых пределах, а именно: циркуляционное масло (смазка подшипников и охлаждение поршней), давление гидравлического масла, топлива, охлаждающей воды, продувочного воздуха, а также управляющего воздуха.
Проверка 6. Лубрикаторы цилиндров
Убедитесь, что все лубрикаторы работают, проверив светодиоды обратной связи Ls – на промежуточных коробках. Щелочность используемого масла (TBN) должна соответствовать топливу.
Проверить уровень масла в питающем баке лубрикаторного масла.
Следуйте руководству по эксплуатации лубрикатора Alpha для проверки и регулировки скорости подачи масла.
1.3.2.3. Обслуживание дизеля в работе:
Ввод в режим эксплуатационной нагрузки. Последовательность нагрузки.
Если нет никаких ограничений (ввод двигателя в режим после ремонта или во время обкатки), нагрузка двигателя осуществляется в соответствии со следующими рекомендациям. Если температура охлаждающей воды выше 50 °С, то постепенно увеличивайте обороты (на судах с ВФШ до 90 % оборотов от максимальных, на судах с ВРШ до 80 % оборотов от максимальных.
Потом увеличьте обороты до 100 % в течение 30 минут или более.
Если температура в диапазоне 20…50 °С надо предварительно повысить температуру до 50 °С. Потом постепенно надо увеличивать обороты (в ВФШ до 90 %, а в ВРШ до 80 % от максимальных). Потом увеличивают обороты до 100 % в течение 30 минут и более.
Если температура воды меньше 20 °С, то двигатель не запускают, а обеспечивают прогрев охлаждающей воды минимум до 20 °С.
1.3.2.4. Проверки во время работы под нагрузкой
Проверка 7: Последовательность осмотра
Если состояние оборудования не определено (например, после ремонта или изменений), всегда следует произвести проверку состояния (осмотр), а именно:
– после 15–30 минут работы на малом ходу (режим SLOW);
– повторить снова через 1 час работы;
– в море после 1 часа работы на эксплуатационном ходу;
Для осмотра остановите двигатель, откройте картер и ощупайте перечисленные ниже движущиеся части (вручную или с помощью тепловизора), где трение могло вызвать чрезмерный нагрев.
Во время осмотра необходимо включить валоповоротный механизм и заблокировать главный пусковой клапан.
Необходимо осмотреть:
• Подшипники коренные, шатунные и крейцкопфные,
• Поршневые штоки и сальники,
• Направляющие крейцкопфа, ползуны.
• Телескопические трубы.
• Упорный подшипник.
• Шестерни на коробке передач гидронасоса
• Гаситель осевых колебаний,
• Гаситель крутящих колебаний (при наличии).
После последнего осмотра повторите процедуру, также упомянутую в инструкции в подразделе описывающем обслуживание во время бездействия (остановки): проверка поступления циркуляционного масла в подшипники и на охлаждение поршня, проверка зазоров в подшипниках, состояния фильтров, ресиверов, ТК, коленвала, тестирование системы управления.
При работающем циркуляционном масляном насосе и прогретом масле, откройте картер и убедитесь, что масло свободно течет из всех крейцкопфов, шатунов и коренных подшипников.
Проверка 8: Обкатка
Нагрузку на подшипники следует увеличивать медленно и применять регламентированную последовательность проверки. Обкатку надо производить согласно программе завода-изготовителя (уровни и продолжительность нагрузки, дозировка цилиндровой смазки, периодичность осмотров состояния деталей).
Эксплуатационный контроль качества циркуляционного масла
В процессе эксплуатации происходит ухудшение качества циркуляционного масла. Масло редко теряет свою смазывающую способность, но оно может стать коррозионно-активным. Если это происходит, то вкладыши подшипников могут быть повреждены, так как их поверхности станут избыточно шероховатыми, что приведет к истиранию белого металла. В таких случаях необходимо не только восстановить подшипники, но и заново отполировать шейки (серебристо-белые от налипшего белого металла).
Коррозионная активность смазочного масла обусловлена либо ускоренным окислением самого масла (общее кислотное число, TAN), либо присутствием неорганических кислот (сильнокислотное число, SAN). В обоих случаях присутствие воды усилит коррозию, особенно если присутствует соленая вода.
Окисление масла при нормальной температуре эксплуатации незначительно, но есть три фактора, которые ускорят процесс: высокая температура, насыщение воздухом и наличие в масле катализаторов.
Температура повышается при перегрузке двигателя, неэффективной работе охладителей и несоблюдении требований эксплуатации. Так, если циркуляция масла через поршни не будет продолжена в течение 15 минут после остановки, то в вставках возникнут локальные высокотемпературные зоны, То же самое произойдет с электрическими подогревателями, если циркуляция не будет продолжаться в течение 5 минут после прекращения нагрева или если нагреватель будет заполнен маслом лишь частично.
Насыщение воздухом будет меньше при хорошей вентиляции циркуляционной цистерне (Sump Тk). Общее количество масла должно быть таким, чтобы оно не циркулировало более 15–18 раз в час. Это обеспечивает достаточное время для деаэрации в период «отдыха». Важно, чтобы в циркуляции участвовало все масло, т. е. следует избегать застоя масла.
Каталитическое действие оказывают частицы износа, содержащие медь и железо, а также ржавчина. Кроме того, лаковые и лакообразные продукты окисления самого масла также ускоряют окисление, поэтому необходима непрерывная очистка для поддержания низкого содержания «шлама». Ржавчина будет образовываться при испарении воды из нагретого масла.
Признаки окисления масла, которые могут возникать по отдельности или в сочетании:
– увеличение количества шлама в сепараторе;
– неприятный (едкий резкий) запах масла;
– кофейно-коричневыми налет на механически обработанных поверхностях в картере и отслаивание краски;
– образование нагара в камерах охлаждения поршней.
В случаях значительного ухудшения качества масла систему следует очистить и тщательно промыть, прежде чем в нее будет залито свежее масло.
Вода в масле. Загрязнения циркуляционного масла водой, особенно морской, приводит к образованию органических и неорганических кислот, коррозии, увеличению шероховатости, образованию оксида олова на белом металле. Наличие пресной воды может вызвать бактериологическое загрязнение.
Для двигателей, находящихся в работе и использующих щелочные масла, незначительное увеличение содержания пресной воды не является критичным, хотя, конечно, надо стремиться его быстрее снизить до величины ниже 0,2 %.
Если двигатель остановлен с избытком воды в масле, то один раз в час его следует проворачивать чуть более чем на 1/2 оборота (для установки в разные положения), при этом циркуляция масла и сепарирование продолжается.
Как известно, наличие воды в масле можно определить по образованию «росы» на смотровых стеклах или по беловатому виду масла, можно также нагреть кусок стекла или паяльник до 200–300°С и погрузить его в пробу масла. Шипящий звук свидетельствует о присутствии воды.
Проверка состояния масла
Помимо уже вышеперечисленных признаков ухудшения состояния масла, необходимо отправлять пробы масла на анализ в береговую лабораторию (рекомендуют не реже одного раза в квартал). Пробы следует отбирать при работающем двигателе из контрольного крана на главной трубе, по которой циркулирует масло. Наборы для экспресс-анализа на борту могут рассматриваться только как дополнительные средства и не должны заменять лабораторные анализы.
Анализ отработанного масла чаще всего проводится в лабораториях. Отчет обычно охватывает следующие характеристики (для 2-тактных двигателей МЕ):
Удельный вес обычно находиться в пределах 0,90–0,98 кг/м3 и в основном используется для идентификации масла. Допустимое отклонение от первоначального значения ±5 %.
Вязкость. Вязкость увеличивается при окислении масла, а также при загрязнении цилиндровым маслом, тяжелым топливом или водой. Снижение вязкости может быть связано с разбавлением дизельным топливом.
Допустимые отклонения: +40 % /-15 % (от начального значения)
Температура вспышки (в открытом тигле) указывает на возможное загрязнение топливом. Минимальная температура – 180°С.
Общее кислотное число TAN (Total Acid Number) выражает общее содержание органических и неорганических кислот в масле. Органические (слабые) кислоты образуются в результате окисления. TAN = SAN + Слабое кислотное число. Максимальное значение – + 2.
SАN (Число сильной кислоты) Показывает количество неорганических (или сильных) кислот в масле. Обычно это серная кислота из камеры сгорания или соляная кислота из соленой воды (должно быть указано в анализе). SAN вызывает коррозию масла (особенно при наличии воды). Показатель должен быть равен нулю.
Щелочность (BN) указывает уровень щелочности в маслах, содержащих присадки, нейтрализующие кислоту. Максимальное значение + 100 %; минимальное значение – минус 30 % (от исходных значений)
Вода опасна при высоких TAN и SAN. Допускается содержание пресной воды + 0,2 % (0,5 % для коротких периодов). Допустимое содержание морской воды: следы.
Число Конрадсона. Остатки от неполного сгорания или разложения смазочного и цилиндрового масла. Максимально допустимое + 3 %.
Зола. Некоторые присадки оставляют золу, которая может быть использована для определения количества присадок в масле. Зола также может состоять из частиц износа, песка и ржавчины. Зольность отработанного масла можно оценить только путем сравнения с зольностью неиспользованного масла. Максимальное отклонение + 2 %.
Нерастворимые вещества. Обычно указываются как нерастворимые вещества в пентане/гептане и бензоле. Количество нерастворимых в масле ингредиентов проверяют следующим образом: пробу масла разбавляют равными частями бензола (С6Н6) и нормального пентана (С5Н12) или гептана (С7Н14). Поскольку окисленное масло (лак и лакоподобные компоненты) растворимо только в бензоле, то разница в количестве нерастворимых веществ свидетельствует о степени окисления масла. Нерастворимые в бензоле вещества представляют собой твердые загрязнители. Некоагулированных нерастворимых веществ в пентане не более 2 %. Некоагулированных нерастворимых в бензоле веществ не более 1 %.
Неисправности при эксплуатации двигателя
Таблица 1.5. Неисправности при эксплуатации двигателя
Дополнительные комментарии
В пунктах «Неисправности при работе» указаны некоторые возможные причины нарушений в работе, по которым может быть дана следующая дополнительная информация и комментарии.
Пункт 5
Негерметичный выпускной клапан проявляется в повышении температуры выхлопных газов, падении давления в конце сжатия и максимального давления сгорания.
Чтобы избежать прогорания клапана, если возможно, немедленно замените соответствующий клапан или, в качестве предварительной меры, отключите подачу топлива на цилиндр [16].
Пункт 6
В серьезных случаях прорыв газов через поршневые кольца проявляется так же, как негерметичность выпускного клапана, но иногда проявляется на более ранней стадии в виде шипящего звука. Это отчетливо слышно при открытии дренажного крана из камеры подпоршневого пространства воздуха. При этом могут появиться дым и искры.
При проверке или чистке сливной трубы не приближайтесь к линии выброса, так как может выдуться горящее масло.
При остановленном двигателе прорыв можно определить, проверив состояние поршневых колец через отверстия для продувочного воздуха. Поршень и втулка цилиндра в зоне прорыва становятся черными. Шлам, попавший в камеру продувочного воздуха, также может указывать на неисправный цилиндр.
Поскольку прорыв может происходить из-за залипания неповрежденных поршневых колец, существует вероятность его постепенного уменьшения во время работы за счет уменьшения подачи топлива на несколько минут и, в то же время, увеличения подачи лубрикаторного масла в цилиндр. Если это не эффективно, подачу топлива (индекс гидроусилителя давления жидкого топлива) и Рmax должны быть уменьшены до тех пор, пока не прекратится прорыв газов.
Повышение давления Рcomp-Рmax не должно превышать значение, измеренное на испытательном стенде при пониженном среднем эффективном давлении или индексе повышения давления топлива.
Если прорыв газов не прекращается, необходимо вывести из эксплуатации усилитель давления топлива (при остановленном двигателе) или заменить поршневые кольца. Нагрузка может быть уменьшена, а движение выпускного клапана остановлено индивидуально для каждого цилиндра без остановки двигателя.
Работа двигателя при наличии прорыва газов через поршневые кольца даже в течение очень ограниченного периода времени может привести к серьезным повреждениям втулки цилиндра. Это связано с тепловым перегревом поверхности втулки. Кроме того, существует риск возгорания в камерах продувочного воздуха и ресивере продувочного воздуха, см. также раздел 704–01 [16].
В случае сильного прорыва воздуха существует общий риск проблем с запуском из-за слишком низкого давления сжатия во время запуска. Необходимо регулярное техобслуживание колец.
Пункты 8 и 13
Наличие воздуха (газов) в топливной системе может быть вызвано заеданием иглы форсунки или поломкой пружины.
Если обнаружена неисправность форсунки, ее необходимо заменить и проверить, нет ли отложений на головке поршня.
Пункты 10 и 14
Если для получения полной нагрузки оказывается необходимым увеличить индивидуальный индекс гидроусилителя давления топлива более чем на 10 % от значения, полученного при морских испытаниях, то это в большинстве случаев указывает на износ гидроусилителя давления топлива. Обычно это можно подтвердить, осмотрев поршень гидроусилителя. Если на кромке плунжера видны эродированные участки темного цвета, плунжер и цилиндр усилителя следует заменить.
Пункты 17 и 24
1. Если тлеющие, горящие частицы попадут в остатки масла на дне камеры продувочного воздуха, то они воспламеняться. Тогда возможны серьезные повреждения штока поршня и поршня, уменьшение натяжения стяжных связей. Надо очистить стенки воздушной камеры.
Воспламенение нагара может быть вызвано: длительным прорывом газов;
«медленным сгоранием» в цилиндре из-за некачественного распыления, неподходящего распылителя форсунки или «смещения» топливных форсунок; «обратным выбросом» через наддувочные окна из-за большого сопротивления в выхлоп-ной системе. Для поддержания низкого сопротивления выхлопа нельзя допускать скопления сильных отложений на защитных решетках, сопловом аппарате и лопатках турбины, а противодавление после турбонагнетателя не должно превышать нормы.
2. Предупреждения о пожаре.
Если ВН не запускаются во время работы на малой нагрузке (из-за неисправностей), то на поршнях может скапливаться несгоревшее жидкое топливо. Во избежание пожара необходимо:
– получить разрешение с мостика на остановку двигателя;
– остановить двигатель;
– удалите остатки несгоревшего топлива и масла с верхней части поршней;
– восстановить подачу продувочного воздуха;
– запустить двигатель.
Переключатель вспомогательных вентиляторов должен находиться в положении «АUTO» во всех режимах управления двигателем. Если двигатель останавливается или если дается команда на аварийную остановку, ВН останавливаются независимо от режима управления.
Признаки пожара: повышение температуры выхлопных газов пораженного цилиндра; турбонагнетатель может попасть в помпаж; дым из входных фильтров турбонагнетателя при помпаже; нагрев камеры наддувочного воздуха. Если возгорание сильное, будет дымный выхлоп и снижение оборотов двигателя. Прорыв газов приведет к выбросу дыма, искр и даже пламени при открытии соответствующего спускного крана, поэтому надо держаться подальше от линии выброса.
При аномальном повышении температуры датчик контроля ТЕ 8610 выдает сигнал тревоги при 80°C и сигнал на замедление (SLD) при 120°C. Этот датчик должен быть отключен во время остановки и оставаться выключенным до 3–5 минут после пуска. Для установок с ВРШ с включенным ВГ автоматически запускается ВДГ и подключается к электросети до отключения валогене-ратора и снижения частоты вращения ГД.
3. Меры, которые необходимо принять:
1. Из-за возможного риска взрыва в картере нельзя стоять рядом с предохрани-тельными клапанами;
2. Уменьшить нагрузку до SLOW, если это еще не было сделано автоматически и попросить разрешения на остановку ГД у мостика;
3. При получении команды «FINISHED WITH ENGINE» (FWE) заглушить двигатель и выключить ВН.
4. Прекратить подачу мазута.
5. Остановить подачу масла.
6. Привести в действие оборудование пожаротушения камеры продувочного воздуха.
7. Не открывать камеру продувочного воздуха или картер до тех пор, пока место возгорания не остынет до температуры ниже 100°C. При открытии держаться подальше от возможных свежих вспышек пламени.
8. Удалить сухие отложения и шлам из всех коробов продувочного воздуха. (См. также раздел 701–01 [16]).
7. Очистите соответствующие поршневые штоки и втулки, проверьте состояние их поверхности и отсутствие деформации. Если все в порядке, смазать штоки маслом.
8. Повторите проверку и сосредоточьтесь на днище и юбке поршня.
Осмотрите сальник и дно камеры на наличие возможных трещин.
9. Если причиной возгорания стал поршень, и этот поршень нельзя отремонтировать сразу, примите меры предосторожности. Если нагрев стенок камеры наддувочного воздуха был значительным, стяжные болты следует подтянуть при первой же возможности. Перед повторной затяжкой необходимо восстановить нормальную температуру всех деталей двигателя.
Чтобы обеспечить надлежащий слив масляного шлама из коробов продувочного пространства и тем самым снизить риск возгорания рекомендуется ежедневная проверка во время работы и регулярная очистка дренажных труб.
4.1. Ежедневные проверки во время работы:
1. Откройте вентиль между сливным баком (drain-tank) и баком для шлама (sludge-tank).
Выходит ли воздух из вентиляционной трубы сливного бака?
Если воздух выходит, то это указывает на свободный проход от фланца AV к вентиляционной трубе сливного бака.
Надо очистить трубы, как описано ниже, при первой же возможности.
Если воздух не выходит, то надо открыть контрольные краны один за другим между основной дренажной трубой и камерами продувочного воздуха и между основной дренажной трубой и ресивером продувочного воздуха вспомогательными вентиляторами.
Начать с фланца AV и двигатся к фланцу BV. Используйте эту процедуру, чтобы найти любую блокировку.
Выдувается ли воздух или масло из индивидуального контрольного крана?
При наличии воздуха продувочное воздушное пространство осушается правильно. Это указывает на свободный проход от фактического контрольного крана до фланца AV.
Выдувается ли воздух или масло из индивидуального контрольного крана?
При наличии масла продувочное воздушное пространство не опорожняется должным образом.
Это указывает на то, что основная сливная труба заблокирована между контрольным краном, который сбрасывает масло, и соседним контрольным краном в сторону фланца AV. Необходимо очистить сливную трубу, как описано ниже, при первой же возможности.
4.2. Очистка сливных труб через регулярные промежутки времени:
Интервалы должны быть определены для конкретной установки, чтобы предотвратить засорение дренажной системы. Очистите основную сливную трубу и выпускную трубу сливного бака с помощью воздуха, горячей воды или пара во время остановки двигателя.
При подозрении на негерметичность клапанов демонтируйте и прочистите главный сливной патрубок 1–2 вручную.
Проверки ГД во время работы
Проверка 9: Упорный подшипник
Проверить измерительное оборудование.
Проверка 10: Натяжное устройство цепи (если установлено)
Проверить натяжное устройство цепи компенсаторов момента (если установлены). Комбинированные натяжные устройства цепи и гидравлические демпфирующие устройства следует перенастроить, когда будет достигнута красная часть индикаторов износа (см. Т II, Техническое обслуживание, глава 906 [16]).
Проверка 11: Защиты снижением оборотов и аварийной остановкой
Проверить измерительное оборудование.
Проверка 12: Аварийная сигнализация давления (датчики)
Общие требования:
Следует проверить работу и настройку сигналов тревоги.
Очень важно тщательно проверять работу и настройку датчиков давления и датчиков температуры. Их необходимо проверять при условиях, для которых датчики предназначены с целью обеспечения своевременного срабатывания сигнализации.
Это означает, что датчики низкого давления (температуры) следует тестировать при понижении давления (температуры), а датчики высокого давления (температуры) следует проверять при повышении давления (температуры).
Проверка:
Если специального испытательного оборудования нет, проверка может быть произведена следующим образом:
– датчики аварийного давления в системах смазки и охлаждения могут быть снабжены контрольным краном, с помощью которого можно снизить давление на датчике и тем самым проверить аварийный сигнал;
– если такого контрольного крана нет, точку срабатывания сигнализации необходимо сместить до тех пор, пока не сработает сигнализация. При возникновении аварийного сигнала проверяется соответствие шкалы реле давления фактическому давлению. (Некоторые типы реле давления имеют регулируемую шкалу).
Проверка 13: Термостаты
Большинство термостатических клапанов в системах охлаждения также можно проверить, сместив точку срабатывания сигнализации, чтобы датчик реагировал на фактическую температуру.
Однако в некоторых случаях настройка не может быть уменьшена в достаточной степени, и такие клапаны необходимо испытывать либо при достижении рабочей температуры, либо путем нагревания чувствительного элемента в водяной бане вместе с эталонным термометром.
Проверка 14: Детектор масляного тумана
Проверьте детектор масляного тумана. Регулировка и проверка функции сигнализации осуществляется в соответствии с инструкциями на оборудование, или в отдельной инструкции по эксплуатации детектора масляного тумана.
Проверка 15: Наблюдения
Сделайте полный набор наблюдений с помощью системы PMI. Убедитесь, что все параметры, характеризующие работу двигателя в порядке. Проверьте распределение нагрузки между цилиндрами.
Перед приходом в порт следует определиться на каком топливе проводить маневры. Переход на другое топливо должен производиться за час до предполагаемых первых маневров.
1. Надо запустить дополнительный вспомогательный двигатель, чтобы обеспечить запас мощности электростанции для маневров, осуществить пробное реверсирование (для установок с ВФШ), что гарантирует, что пусковые клапаны и механизм реверса работают, удалить конденсат из систем пускового и управляющего воздуха непосредственно перед маневром.
1.3.2.5. Остановка двигателя
Всегда следует выполнить маневр остановки перед входом в гавань по прибытии, чтобы убедиться, что ECS работает должным образом.
Когда поступит команда «Отбой двигателя (FWE)» следует:
– проверить пусковые клапаны на герметичность (это связано с тем, что негерметичный пусковой клапан может вызвать вращение коленчатого вала):
– получить разрешение с мостика;
– убедиться, что валоповоротный механизм выключен;
– закрыть главный воздушный клапан в системе распределения пускового воздуха;
– о ткрыть индикаторные краны;
– осуществить переход на ручное управление двигателем с LOP;
– активировать кнопку START. Это позволяет подать пусковой воздух, но не управляющий воздух, к пусковым клапанам.
– проверить, не выходит ли воздух из каких-либо индикаторных кранов;
В случае выхода воздуха из крана соответствующий пусковой клапан негерметичен. Если цилиндр находится в НМТ, обнаружение может быть затруднено из-за выхода воздуха через продувочные окна в втулке цилиндра.
– заменить или отремонтировать неисправный пусковой клапан.
– зафиксировать главный пусковой клапан в крайнем нижнем положении с помощью стопорной пластины;
– включить валоповоротный механизм;
– проверить контрольную лампу;
– убедитесь, что клапан пусковой системы распределения воздуха закрыт.
– закрыть и удалить воздух из систем подачи управляющего воздуха и воздуха системы защиты.
Не следует прекращать подачу запирающего воздуха в привод выпускного клапана, так как тяга воздуха через открытый выпускной клапан может вызвать вращение вала турбонагнетателя, что приведет к повреждению подшипников, если подача смазочного масла к турбонагнетателю прекращена.
После остановки двигателя насосы работают не менее 15 минут, чтобы предотвратить перегрев охлаждаемых поверхностей и образование нагара, потом надо остановить насосы смазочного масла и охлаждающей воды.
Эксплуатация после прихода в порт
1. Эксплуатация топливных насосов.
Таблица 1.6. Циркуляционные топливные насосы.
2. Предварительный прогрев пресной воды во время простоя.
Таблица 1.7. Предварительный прогрев.
Необходимо отключить другое оборудование, которое не должно работать при остановленном двигателе.
Выполните необходимые проверки, выполняемые при остановленном двигателе (см. главу 702 инструкции [16].
1.3.3. Конструктивные особенности и техническое использование среднеоборотных двигателей
Среднеоборотные дизели нашли широкое применение на различных судах, главным образом в установках с ВРШ. Более широко применяются двигатели компаний MAN, Wärtsilä и Caterpillar. Конструкция, технические данные и эксплуатация двигателей последней компании достаточно подробно изложены в источниках [12,20,25,26].
Конструктивные особенности двигателей MAN модельного ряда L58/64
Среднеоборотные мощные двигатели серии L58/64, а также другие двигатели этого семейства (L32/40, L40/54, L48/60, L21/31) являются лучшими и высокоэффективными четырехтактными среднеоборотными дизелями. Среднее эффективное давление номинальное 21,9 бар, удельный эфффективный расход топлива – 167 г/(кВт∙час). Наддув при постоянном давлении. Используются тяжелые топлива с вязкостью до 700 сСт [12].
Конструктивные особенности: высокое давление впрыска топлива; поддержание высокого уровня максимального давления сгорания, а следовательно и экономичности двигателя, на частичных режимах за счет модифицированных отсечных кромок плунжера ТНВД; применение качающегося рычага между роликом плунжера и кулачком распредвала для оптимизации угла опережения впрыска; применение в ТНВД нагнетательного клапана с разгрузочным пояском для снижения колебаний остаточного давления; использование подвесных рамовых подшипников; конструктивное упрочнение с целью обеспечения минимальной деформации цилиндровой втулки и ее эффективное охлаждение в верхней части; модернизации клапанов, поршней, крышек.
Подробнее конструкция и параметры изложены в источниках [12,19,20]. В двигателе L48/60B использован Мюллер-процесс (за счет более раннего закрытия впускных клапанов происходит увеличение степени сжатия и улучшение экономичности).
В линейке компании MAN широко присутствуют и успешно используются на судах двигатели с технологией CR (Common Rail), например, двигатели L58/64 CR. Макет системы изображен на рисунке 1.12.
CR позволяет непрерывно и независимо от нагрузки контролировать время впрыска, давление впрыска и объем впрыска. Это означает, что технология Common Rail обеспечивает высочайший уровень гибкости для всех диапазонов нагрузок.
Коллектор, выполняющий функцию аккумулятора давления и объема топлива, состоят из закрытой торцевыми крышками высокопрочной трубы, в которую встроен держатель регулирующего клапана. Регулирующие клапаны закреплены.
Рис. 1.12. Макет системы CR [17].
Соединения для трубопроводов высокого давления расположены радиально на держателе регулирующего клапана; эти соединения ведут к форсункам, а также к следующему коллектору. Такая конструкция не предусматривает сверления коллектора и, следовательно, значительно надежнее.
Равномерный впрыск топлива гарантируется за счет низкого уровня колебаний давления в системе. Это достигается за счет использования коллекторов оптимального объема и нескольких (от двух до четырех) насосов высокого давления вместо одного насоса. В насосы высокого давления подается столько топлива, сколько необходимо для поддержания давления в коллекторе на заданном уровне.
Давление в коллекторе будет рассчитываться по программе в системе управления впрыском в соответствии с нагрузкой двигателя. Затем дроссельная заслонка с электромагнитным управлением в зоне низкого давления будет соответствующим образом измерять количество топлива, подаваемого в насосы высокого давления. Каждый отдельный коллектор (рис. 1.11) содержит компоненты для управления подачей топлива и опережения впрыска.
3/2-ходовой клапан внутри регулирующего клапана приводится в действие и управляется без какой-либо дополнительной жидкости сервомеханизм с помощью 2/2-ходового клапана с электромагнитным управлением. Он позволяет подавать топливо под высоким давлением из блока распределителя через ограничитель потока в форсунку.
Рис. 1.13. Управляющий клапан и другие компоненты [17].
На рисунке 1.13 показана схема регулирующего клапана и другие компоненты в системе CR с регулируемым давлением с названиями на английском. Функциональные утечки, возникающие в процессе управления 3/2-ходовым клапаном, будут сбрасываться обратно в систему низкого давления через обратный клапан.
Рис. 1.14. Принципиальная схема управляющего клапана системы common rail [17].
F – вход топлива в ограничитель потока; A – топливо на контроль подачи; B – отсечное топливо; C – топливо в следующий аккумулятор; D – протечки топлива (к системе обнаружения). 1 – обратный клапан; 2–3/2-ходовой клапан; 3 – ограничитель потока; 4–2- ходовой электромагнитный клапан; 5 – форсунка.
Обратный клапан (non return valve) также предотвращает обратный поток из системы низкого давления в цилиндр, например, в случае заедания иглы форсунки. Клапан ограничения (Flow limiter) расхода, расположенный на блоке клапанов, защищает систему высокого давления от перегрузки. Система подачи топлива оснащена системой предварительного подогрева тяжелого топлива, которая позволяет запускать и останавливать двигатель во время работы на нем.
Управляющий клапан состоит из 3/2-ходового клапана 2, управляемого 2/2-ходовым электромагнитным клапаном 4 (рисунок 1.14). Подвод топлива к 3/2 ходовому клапану осуществляется через ограничитель потока (подачи) 3.
Он состоит из подпружиненного полого поршня в корпусе, который при впрыске перемещается к седлу (под воздействием динамического напора топлива, а также перепада давления топлива на входе и выходе из-за дросселирования), а после его завершения (и прекращения действия потока топлива) – возвращается пружиной в исходное положение. При этом величина хода поршня пропорциональна количеству впрыскиваемого топлива. Если управляющий клапан окажется неисправным и откроет подачу топлива к форсунке, впрыск станет непрерывным. Тогда сохранившим свое действие динамическим напором и перепадом давления поршень прижмется к седлу и перекроет поток топлива к форсунке.
Рис. 1.15. Позиции управляющего клапана при работе [17].
Позиции при работе управляющего клапана показаны на рисунке 1.15 (ограничитель потока после аккумулятора 1 для упрощения не показан):
1) после получения команды на окончание впрыска закрывается 2/2-ходовой электромагнитный клапан, т. е. закрывается его затвор 3 для контроля подачи. Им же закрывается 3/2-ходовой клапан 5 (т. е. перемещается вправо на рисунке). При этом закрывается подача топлива из аккумулятора 1 в форсунку 7, открывается отсечное отверстие 6 и топливо из нагнетательной трубки и полости форсунки 7 стравливается в систему низкого давления;
2) получив соответствующую команду, начинает открываться 2/2-ходовой клапан и топливо через его затвор 3 начинает поступать на контроль подачи. 3/2-ходовой клапан 5 находится еще в закрытом положении;
3) начинает открываться 3/2-ходовой клапан 5 (т. е. перемещаться влево на рисунке). Перекрывается отсечное отверстие 6 и открывается поступление топлива из аккумулятора 1 в нагнетательную трубку форсунки 7;
4) возросшим давлением топлива под подъемным конусом иглы открывается форсунка 7 и топливо впрыскивается в цилиндр до получения команды на закрытие 2/2-ходового клапана (т. е. окончания подачи) и, соответственно – 3/2-ходового клапана.
Рис. 1.16. Результаты сравнительных испытаний традиционной системы впрыска топлива и системы Common Rail [17].
В традиционной системе нарастание величины давления впрыска ограничивается допустимой крутизной профиля топливного кулака и сжимаемостью топлива. Впрыск в начале вялый и распыливание некачественное. В системе CR происходит мгновенный подъем иглы форсунки и возрастание давления впрыска и гораздо лучшее распыливание топлива. Сгорание происходит полнее и при меньших температурах, что сокращает количество образующихся оксидов азота.
Чтобы запустить холодный двигатель, работающий на мазуте, часть системы высокого давления CR постоянно прогревается предварительно прогретым топливом системы низкого давления путем циркуляции.
Это осуществляется через циркуляционный клапан, расположенный на клапанном блоке, открывается этот клапан пневматически. Таким образом, любое остаточное высокое давление в системе снижается, и топливо проходит через насосы высокого давления через распределительные узлы, и проходит через обратный клапан E (байпас для обеспечения более высокого расхода) и обратно в дневную цистерну. Необходимый перепад давления для циркуляции системы регулируется дроссельной заслонкой.
В случае аварийной остановки, технического обслуживания или регулярной остановки двигателя клапан циркуляции обеспечивает сброс давления для всей системы распределительной магистрали высокого давления.
Компоненты высокого давления (аккумуляторы и трубы высокого давления) двустенные, образовавшиеся полые пространства соединяются и вместе с емкостными датчиками (рис. 1.17) и детекторными винтами (рис. 1.18) образуют эффективную систему обнаружения утечек, позволяющую быстро и точно обнаруживать любые утечки, которые могут произойти.
Рис. 1.17. Расположение емкостного датчика [17]
Технология СR, предложенная MAN Diesel & Turbo эффективная и более простая:
– нет отдельной схемы сервопривода для активации клапанов впрыска. Используются обычные форсунки с регулируемым давлением, а соленоидные клапаны интегрированы в узлы направляющих и находятся вдали от цилиндровых крышек, что повышает надежность системы и упрощает обслуживание;
– использование отдельных 3/2 ходовых клапанов гарантирует, что давление в форсунках будет только во время впрыска. Это позволяет избежать неконтролируемого впрыска, даже если регулирующий клапан или впрыскивающий клапан протекает;
Рис. 1.18. Расположение винтов обнаружения [17]
– модульное разделение коллекторов и их привязка к отдельным цилиндрам снижает материальные затраты и затраты на сборку, а также позволяет использовать короткие трубки высокого давления;
– специальная конструкция системы CR для двигателей MAN Diesel & Turbo позволяет избежать волн давления в трубопроводах высокого давления между коллектором и форсункой, особенно в конце впрыска;
– есть клапаны ограничения расхода. Не будет чрезмерной подачи топлива в цилиндр, даже в случае протечки или поломки компонентов;
– обратные клапаны предотвращают обратный поток из системы низкого давления в цилиндр, например, в случае заклинивания форсунки;
– возможна аварийная работа даже в случае отказа в регулировании давления в коллекторе, так как имеется клапан ограничения давления с функцией регулирования давления. Клапан аварийной остановки, приводимый в действие сжатым воздухом, останавливает двигатель в случае аварии;
– наличие резервных датчиков давления в рампе и датчиков скорости коленвала, исключают прерывание работы двигателя из-за отказа датчика.
Система управления CR полностью интегрирована в SaCoSone (система безопасности и управления двигателем) [17,19].
Пуск двигателя MAN модельного ряда L58/64
Привожу рекомендации и описание процедур подготовка к пуску, пуска ГД, вывод его в рабочий режим для передачи контроля на мостик
При стоянке судна в порту насосы на станции подготовки топлива остаются в работе, подогретое топливо циркулирует через топливные насосы ГД, подогревается охлаждающей воды HT контура. Температура воды не должна опускаться ниже 60°С. Перед пуском запускают насос системы охлаждения форсунок. Температура воды в системе охлаждения форсунок должна держаться на уровне 55°С.
Температура масла в циркуляционном танке (Sump Tk) должна сохраняться не ниже 40°С, как правило, это легко достигается постоянным подогревом масла в линии масляного сепаратора.
Также необходимо убедиться в исправной автоматической работе компрессоров пускового воздуха и наличии давления в ресиверах пускового воздуха не ниже 12 bar. Целесообразно давление в ресиверах поддерживается на уровне 25 bar.
Непосредственно для подготовки к пуску, после получения команды с мостика на подготовку и пуск, производится запуск вспомогательного масляного насоса, для подачи масла в систему циркуляционного масла главного двигателя. После этого с помощью валоповоротного устройства осуществляется проворачивание двигателя не менее чем на 3 полных оборота.
Потом валоповоротное устройство выводится из зацепления с маховиком двигателя, насос выключается и устанавливается в автоматический режим. Индикаторные краны главного двигателя закрываются. Двигатель готов к пуску.
По команде с графического интерфейса автоматической системы управления ГД SaCoS99E выдается команда на пуск двигателя.
Пуск производится системой управления в соответствии с алгоритмом программы, заложенной производителем (см. рис. 1.19 –1.21. Алгоритм пуска ГД (а, б, в).
После пуска ГД выходит на обороты в 225 об/мин. Выход на эксплуатационные постепенный с использованием системы PCS Alphatronic 2000. Обороты добавляются вручную с интервалом в 30 об/мин в течении 10 минут. В процессе набора оборотов осуществляется контроль за всеми параметрами ГД через систему АПС. После выхода на 425 об/мин и контрольной проверки всех параметров ГД, а также проверки, что валогенератор возбужден и готов к работе, на PCS устанавливается параметр «Constant speed», при котором система будет контролировать соблюдение постоянных оборотов в пределах 425 об/мин, и управление ВРШ передается на мостик.
Рис. 1.19. Алгоритм пуска ГД (а)
Рис. 1.20. Алгоритм пуска ГД (б)
Рис. 1.21. Алгоритм пуска ГД (в).
Выбор частоты вращения ГД в пределах 425 об/мин обусловлен использованием валогенератора и частотой судовой сети в 60 Гц. Рабочая мощность ГД как правило выбирается из опыта эксплуатации. Для ограничения расхода топлива при переходах, компании – владелецы судна как правило устанавливают рекомендуемую частичную мощность. В процессе эксплуатации при этой мощности ГД контролируется суточный расход топлива.
При работе ГД все основные эксплуатационные параметры контролируются системой АПС судна.
Параметры, из-за которых может быть выполнена остановка двигателя, являются:
– Падение давления масла в двигателе ниже 1.7 bar при оборотах ниже 320 об/мин или 2.5 bar при оборотах выше 320 об/мин;
– Падение давления охлаждающей воды в контуре HT ниже 1.5 bar;
– Падение давления масла перед турбиной двигателя ниже 0.9 bar;
– Перегрев масла смазки турбины выше 120°С;
– Превышение температуры одного из главных подшипников коленчатого вала двигателя выше 95°С;
– Превышение температуры масляного тумана в картере одного из цилиндров двигателя выше 85°С;
– Разница температур масляного тумана на 3 % выше среднего значения в любом цилиндре;
– Падение давления масла перед редуктором ниже 0.2 bar;
– Превышение частоты вращения больше 492 об/мин (overspeed).
Параметры, из-за которых будет осуществлен автоматический сброс нагрузки, следующие:
• Превышение оборотов турбины выше 16000 об/мин;
• Превышение температуры масла двигателя выше 65°С;
• Превышение температуры охлаждающей воды двигателя 98°С;
• Превышение температуры выхлопных газов любого цилиндра 510°С;
• Превышение температуры выхлопных газов перед турбиной 580°С;
• Превышение температуры масла редуктора 60°С;
• Превышение температуры основного подшипника редуктора 80°С;
• Отказ в работе системы автоматической смазки цилиндров;
• Загрязнение автоматического фильтра цилиндрового масла двигателя (разница давлений выше 0.8 bar);
1.3.4. Двигатели Wärtsilä
Двигатели Wärtsilä – это современные экономичные двигатели в конструкции которых реализованы современные прогрессивные тенденции (подвесной коленвал, упрочнение втулки, антипригарное кольцо втулки и т. п.). Используются двухконтурные системы охлаждения пресной водой. Конструкции двигателей описаны в литературе [12,20,21,23].
Особенностью является применение комбинированного наддува “SPEX (Swirl-Pulse-Exhaust). Выпуск газов из цилиндров осуществляется в один коллектор как и при наддуве с постоянным давлением, но его объем значительно меньше. Вход газовых потоков осуществляется по касательной, поэтому движение газов вращательно-поступательное. Кинетическая энергия импульсов в меньшей степени теряется на расширение и турбулизацию, а используется на закручивание потока, причем при этом импульсы сглаживаются.
В двигателе W26X (отделение Diesel Ricerce концерна WNSD) достигнуто высокое форсирование (до 28,2 бар). На новых турбокомпрессорах во всем диапазоне нагрузок и оборотов системы наддува имеют байпасные клапаны по выпускным газам и по воздуху. В некоторых дизелях при высоких средних эффективных давлениях этого оказалось недостаточно, поэтому перешли на наддув с отключением ТК на пониженных частотах вращения. Система наддува электронноуправляемая.
Рис. 1.22. Система охлаждения двигателя L32 [23].
Применяются двухконтурные по пресной воде системы охлаждения. Пресная вода высокотемпературного контура охлаждает наддувочный воздух в первой ступени ОНВ.
Таким образом, на режимах пуска и малых ходов холодный воздух фактически подогревается. Терморегулятор ВТ контура для двигателя Wärtsilа L32 имеет настройки 93…97°C. Термостат НТ контура на этих режимах настраивается также на поддержание повышенной температуры 65…70 °C. Это облегчает запуск и работу дизеля на малых нагрузках. Состав и техническое использование системы описаны в [9,23].
Порядок пуска, обслуживания и остановки СОД модели L32 (Wärtsilä)
Перед пуском необходимо произвести соответствующую используемому топливу подготовку, которая заключается в реализации процедур подогрева, отстоя, сепарирования, введения присадок, фильтрации [9,22]. Необходимо подготовить все системы [9,12, 20,21]. При подготовке систем смазки и охлаждения проверить настройку терморегуляторов (на режимах пуска, малых нагрузок и экплуатационных режимах они разные).
Пуск производится в следующей последовательности:
– пуск насоса предварительной прокачки маслом;
– проворачивание коленвала валоповоротным устройством при открытых индикаторных кранах в течение 10…15 минут;
– отключение ВПУ от маховика двигателя;
– проворачивание коленвала на два оборота пусковым воздухом, предварительным переводом рычага регулятора частоты вращения в положение «Стоп» и рукоятки панели управления в положение «продувка», при открытых индикаторных кранах;
– установка рычага управления регулятором в положение «Работа», переключение рукоятки на панели в положение «местный старт»;
– закрытие индикаторных кранов;
– нажатие кнопки «Старт»;
– проверка после пуска работоспособности выпускных клапанов, ГТН, ощупать трубки пусковых клапанов;
– проверка сразу после пуска значений давления и температур масла, воды, топлива;
– контроль за работой устройств автоматической аварийно-предупредительной сигнализации и защиты;
Ввод в режим эксплуатационной нагрузки осуществляется постепенно. В начале в течение 30 сек. повышают обороты до 500 об/мин. Через минуту вводится в зацепление редуктор при 500 об/мин и повышают обороты двигателя до 750 об/мин.
В зависимости от нагрузки поддерживаются различные температуры смазочного масла, охлаждающей воды и наддувочного воздуха
При 100 % нагрузке:
– температура масла на входе в двигатель 62–70°C, на выходе 72–83°C;
– температура воды в высокотемпературном контуре за двигателем 95–100°C, до двигателя – на 5–8 градусов ниже;
– давление воды в контуре 3,2–4,8 бар;
– температура воды в низкотемпературном контуре 28–32°C;
– температура наддувочного воздуха 40–60°C.
При 30 % нагрузке двигателя:
– температура смазочного масла на входе в двигатель 73–80°C, температура на выходе 78–88°C;
– температура воды в низкотемпературном контуре повышенная – 65…70°C; температура наддувочного воздуха – 60–70°C;
При остановке ГД типа L32 необходимо выполнить следующие действия:
– вывести дизель из зацепления с редуктором, предварительно понизив обороты до 500 [об/мин], выждать, чтобы дизель поработал на этой нагрузке, после чего на панели управления нажать кнопку «стоп» и перевести рычаг регулятора частоты вращения в положение «стоп»;
– открыть индикаторные краны;
– ввести в зацепление с маховиком валоповоротное устройство и проворачивать коленчатый вал двигателя в течение 10–15 минут.
Убедиться, что запустился масляный насос предварительной прокачки.
1.4. Конструктивные схемы и эксплуатация ПК с ВРШ и крыльчатыми движителями
Установки с ВРШ обеспечивают лучшие маневренные качества, но сложнее конструктивно. ВРШ является одним из наиболее сложных элементов ПК.
Рис. 1.23. Упрощенная схема ПК с СОД [66].
На рисунке 1.23 приведена упрощенная схема ПК типа «ВСР Propulsion Systtm» с СОД, включающего в себя ВРШ, дейдвуд с уплотнениями, редуктор (Gear Box), отключаемую гидромуфту (Shaft Coupling), ВГ, гидравлический блок питания (Hudravlic Power Pack), ГД, валопроводы. Коробка распределения масла (OD box) преобразует заданные команду в гидравлический сигнал, который приводит в действие механизм вращения лопастей.
1.4.1. Конструктивные структурные схемы ВРШ с МИШ в ступице винта (BERG Propulsion и ВРШ фирмы КаМеWа)
Ступица гребного винта состоит из двух основных частей: гидроцилиндра 1 (рис. 1.24) и корпуса втулки 3. Блок гребного винта крепится к кованому фланцу 2 болтами из нержавеющей стали на заднем конце вала гребного винта.
В гидроцилиндре находится поршень 4, который установлен на заднем конце штока поршня 5. Полый поршневой шток содержит масляную трубку, которая позволяет маслу под давлением течь либо вокруг трубки, либо через нее.
Рис. 1.24. Ступица винта [66]
Масло, протекающее по трубе 1, подается в камеру на задней стороне поршня, а масло, протекающее по трубе 2, направляется в камеру на передней стороне поршня (рис. 1.25). Движение поршня и штока передается механизму в корпусе ступицы. Подвижные части корпуса втулки состоят из обработанного четырехгранного стального ведущего блока 3, четырех меньших скользящих направляющих блоков из бронзы 4 и четырех вращающихся фланцев 5 (корни лопаток).
Ведущий блок установлен на переднем конце штока поршня и закреплен натяжной гайкой 6. Лопасти гребного винта крепятся приваренными болтами из нержавеющей стали 7. Попадание соленой воды в основание лопасти предотвращается резиновым уплотнительным кольцом между лопастью и корпусом втулки.
Рис. 1.25. Детали ступицы, обеспечивающие поворот лопастей [66].
В зависимости от назначения и типа судна существует большое количество конструктивных исполнений ВРШ. Механизм изменения шага (МИШ) может располагаться как на валопроводе, так и в ступице гребного винта, причем в ступице гребного винта могут располагаться 2 гидроцилиндра. Значительно более подробно различные конструкции и работа ВРШ изложены в [10].
ВРШ отличаются высокой надежностью и не претерпели принципиальных конструктивных изменений, поэтому для детального представления о конструкции ВРШ с МОД рассмотрим структурную схему ВРШ пневмогидравлического типа фирмы «КаМеWа» (рис. 1.26).
Шаг винта и частота вращения ГД задаются единой рукояткой управления 6, реже двумя рукоятками (в системах управления устаревших ВРШ). Пневмозадатчики 8 и 38 передают пневмосигналы управления шагом ВРШ и частотой ГД (рис. 1.26).
Телемотор-приемник 25, по сути дела пневмогидравлический золотник, в зависимости от величины давления пневмосигнала управляющего воздуха направляет силовое масло в вспомогательный сервомотор 12, который называют также гидроусилителем. Он перемещает управляющую штангу 35 золотника 34 (рис. 1.26). Золотники направляют масло в ту или иную полость сервомотора МИШ.
МИШ разворачивает лопасти гребного винта при перемещении поршня сервомотора. Положение поршня сервомотора 32 и соответственно лопастей винта фиксируется обратной связью.
ВРШ имеет механизм поворота лопастей кривошипно-кулисного типа с гидравлическим приводом, расположенном в ступице и масловвод, расположенный в линии валопровода.
Рис. 1.26. Конструктивная структурно-функциональная схема ВРШ фирмы «КаМеWа»:
1- винт с поворотными лопастями; 2 – гребной вал; 3 – клапан, регулирующий давление в сливной магистрали; 4 – масловод; 5 – редукционный клапан нагнетающей магистрали; 6 – рукоятка главного поста управления; 7 – программный кулачок изменения шага винта; 8 – телемотор-задатчик винта; 9 – манометры; 10 – пусковой воздушный баллон ГД; 11 – редукционный клапан; 12 – вспомогательный сервомотор; 13 – телемотор-приемник шага винта; 14 – нерегулируемый дроссель; 15 – золотник; 16 – невозвратные клапана; 17 – насос удержания; 18 – насос перекладки; 19 – основной маслобак; 20 – разгрузочный клапан; 21 – поршень золотника; 22 – поршень вспомогательного сервомотора; 23 – рычаг обратной связи; 24 – насос поддержания высокого уровня масла в напорном баке; 25 – регулировочный штифт; 26 – напорный масляный бак; 27 – пружина; 28 – поршень; 29 – пальцевая шайба; 30 – уплотнительная манжета; 31 – предохранительный клапан; 32 – стакан; 33 – пружины; 34 – золотник маслораспределительный; 35 – управляющая штанга; 36 – масляный трубопровод; 37 – программный кулачок изменения частоты вращения ГД; 38 – задатчик частоты вращения.
Гребной винт имеет три поворотных лопасти. Внутри ступицы расположен поршень сервомотора, 28, передающий усилие на поворот лопастей. Уплотнительная манжета двойного действия выполнена из спецрезины, вулканизированной на металлическое кольцо. Она предотвращает как утечку масла из ступицы, так и попадание воды в ступицу.
Во фланце гребного вала 2 установлен предохранительный вентиль 31, при помощи которого производится стравливание масла из ступицы при повышении давления вследствие температурного расширения или просачивания масла из гидроцилиндра.
Поршень 28 гидравлического цилиндра имеет металлическое уплотнительное кольцо, расположенное в канавке поршня. В кормовой части цилиндра на стакане 32 расположены две мощные пружины 33, которые устанавливают лопасти в положение полного переднего хода в случае падения давления масла в гидросистеме и удерживают поршень в этом положении. Это позволяет судну сохранить передний ход в случае выхода из строя гидропривода. При сборке винта пружины предварительно зажимают между поршнем и стаканом.
Поршень соединен с ползуном, имеющим трехгранную форму и служащим для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в поворотное движение лопастей. Внутренняя полость ступицы полностью заполнена маслом. Т
Внутри штока поршня расположен маслораспределительный золотник 34, при перемещении которого масло перепускается в одну или другую полость гидравлического цилиндра по соответствующим каналам. Золотник 34 при помощи шарнирного соединения соединен с управляющей штангой 35, проходящей внутри полого гребного вала 2. Шарнирное соединение служит для предотвращения заклинивания золотника в гильзе, к которой он притерт, в случае появления перекосов из-за деформации гребного вала.
По управляющей штанге масло под давлением подводится к маслораспределительному золотнику. Если передвинуть маслораспределительный золотник (при помощи управляющей штанги 35), то откроется подача масла в гидроцилиндр и вместе с золотником начнёт перемещаться поршень. После того, как золотник остановится в заданном положении, поршень, продолжая движение под давлением масла, поступающего через золотник, перекроет соответствующие отверстия и также остановится в заданном положении.
Рис 1.27. Телемотор-приемник «КаМеВа»: А – к вспомогательному сервомотору; Б – входное отверстие для масла под давлением; В – от телемотора-датчика шага; Г – к скользящей муфте масловвода; Д – утечное масло; Е – слив;1 – большой поршень золотника; 2 – пружина; 3 – малый поршень золотника; 4 – канал; 5 – корпус; 6 – кольцевая выточка; 7 – кольцевая выточка; 8 – фильтр; 9 – дроссельное отверстие; 10 – поршень; 11 – штырь; 12 – регулировочный штифт;13 – пружина; 14 – диафрагма; 15 – крышка телемотора-приемника;16 – отверстие подвода управляющего воздуха; 17 – отверстие; 18 – корпус телемотора-приемника; 19 – кольцевая выточка; 20 – кольцевая выточка.
При движении золотника в нос, масло под давлением будет проходить через отверстие в золотнике в кормовую часть гидравлического цилиндра и будет двигать поршень в нос до тех пор, пока пояски золотника не окажутся в нейтральном положении. При движении золотника в корму, поршень также двигается в корму.
При перекладках масло под давлением подаётся через золотник в одну из полостей гидроцилиндра по управляющей штанге 35, а слив масла из другой полости производится по кольцевому пространству между штангой 35 и сверлением вала 2.
Вспомогательный сервомотор 12, который через рычаг перемещает штангу 35 и золотник 34, управляется через телемотор-приемник изменения шага винта, который пневматически связан с рукояткой управления шагом.
Телемотор-приемник является одним из основных элементов в пневматической системе поворота лопастей.
Конструктивный чертёж пневмоприёмника приведён на рисунке 1.27. В корпусе 18 телемотора-приемника изменения шага винта, так же как и в корпусе телемотора-задатчика, имеются пружина 13 и диафрагма 14, нагруженная давлением управляющего воздуха, поступающего от телемотора-датчика.
Диафрагма 14 с регулировочным шрифтом 12, золотника, состоящего из двух поршней большого диаметра 1 и малого диаметра 3, штыря 11 – устройство обратной связи от вспомогательного сервомотора.
Диафрагма нагружена давлением управляющего воздуха со стороны «р» и пружиной 13, которая одним концом упирается в поршень 10. Площадь малого поршня 3 в два раза меньше площади большого поршня 1. Первый поршень управляет клапаном разгрузки (КР), а второй поршень регулирует поток масла, поступающего в полость вспомогательного сервомотора.
Масло к большому поршню золотника 1 поступает через встроенный фильтр 8. Далее силовое масло постоянно подводится к вспомогательному сервомотору, который связан со штангой управления разворотом лопастей ВРШ. Одновременно, через дроссельное отверстие 9, масло поступает в полость, со стороны которой создается давление на поршень 10, и в канал «х», откуда через отверстие 17, масло вытекает на слив E.
Поток масла через отверстие 17 дросселируется иглой штока 12, положение которого зависит от положения диафрагмы 14.
При её среднем положении истечение через отверстие 17 обеспечивает такое давление масла в полости «ф», которое, воздействуя на торцевую поверхность большого поршня золотника, уравновешивает усилия от давления масла со стороны полости «с» и пружины 2.
При необходимости изменения угла разворота ВРШ, переставляют рукоятку управления 6, при этом кулачная шайба 7 переместит шток задатчика шага 8. Изменится давление управляющего воздуха, который поступает к телемотору-приемнику (рис. 1.26).
Изменения давления управляющего воздуха на мембрану телемотора-приемника приведет к ее перемещению в нос либо в корму, при этом переместится клапанный штифт, который связан шарнирно с мембраной. Это увеличит либо уменьшит дроссельное отверстие гидравлической полости, что приведёт соответственно к уменьшению либо увеличению давления на площадь большого поршня телемотора приемника, оба поршня переместятся в носовую или кормовую часть судна. Кольцевая выточка 6 на поршне 1 частично совместится с выточкой 7 или выточкой 19 на корпусе 5 и масло поступит к сервомотору.
Поршень сервомотора сместится и через рычажную обратную связь передвинет штырь 11 и поршень 10. Затяжка пружины 13 изменится и диафрагма 14 вместе со штифтом 12 возвратится в первоначальное положение. После этого давление масла в камере «ф» также возрастёт или уменьшится и золотник возвратится в среднее положение, прекратив тем самым подачу масла к вспомогательному сервомотору.
В период маневра для его ускорения требуется увеличить подачу масла к механизму разворота ВРШ, для чего должен быть включен клапан разгрузки резервного масляного насоса. Это осуществляется поршнем 3 золотника путем перепуска масла от клапана разгрузки по каналам 4, по кольцевой выточке 20 в корпусе телемотора-приемника, по левой или правой кольцевой выточке на поршне 3 (в зависимости от стороны смещения) по каналам в сливную трубу «Е» (рис. 1.27).
После поступления масла во вспомогательный сервомотор 12, изменится положение маслораспределительного золотника 34 сервомотора поворотного устройства винта и обеспечит поворот лопастей в новое положение (рис. 2.26).
Давление масла создаётся шестеренным насосом 18, который приводится в действие через зубчатую передачу от гребного вала (на малых судах), или имеет независимый привод от электромотора (на больших судах).
Предусмотрен и небольшой пусковой маслонасос, приводимый в движение от электродвигателя и служащий для перевода лопастей в положение нулевого шага при запуске главного двигателя. Этот же насос может быть использован как аварийный при выходе из строя основного маслонасоса.
Для больших винтов устанавливают два насоса с электрическим приводом, один из которых (насос удержания) 17 постоянно подаёт масло под давлением, а второй (насос перекладки) 18 автоматически включается только во время маневра и в промежутках между перекладками выключен.
При перекладке лопастей масло при помощи маслонасоса 18 из основного маслобака 19 по трубопроводу 36 проходит в кольцевую выточку масловвода 4, уплотненную двумя кольцами и далее через сверление в гребном валу попадает внутрь управляющей штанги 35, а через маслораспределительный золотник 34 в одну из полостей гидравлического цилиндра. Давление масла в нагнетательной магистрали определяется затяжкой предохранительного клапана 5, который обычно регулируется на давление 1,8 МПа.
Масло, выходящее из ступицы, проходит по кольцевому пространству между штангой 35 и валом 2. Через сверление в валу и клапан 3, определяющий давление в сливной магистрали, масло поступает в маслобак 19, откуда насосом 24 подаётся в напорный бак 26 по мере понижения уровня в нём. Из маслобака 26 (при его наполнении) масло сливается в нижний маслобак 19. Напорный маслобак 26 служит для подпитки маслом картера масловвода при длительных ходах судна без перекладки лопастей винта.
Для предотвращения утечек масла из масловвода по концам последнего установлены специальные уплотнения. Незначительное количество масла, протекающего через концевые уплотнения, собирается в маслосборниках и по трубкам стекает в бак 19.
Пост управления шагом гребного винта и частотой вращения главного двигателя находится в рулевой рубке и представляет собой вертикальную колонку с двумя рукоятками. Для раздельного управления шагом винта и частотой вращения ГД или одной управляющей рукояткой, воздействующей через кулачки 7 и 37 на задатчики шага винта 8 и частоты вращения главного двигателя 38.
Колонка имеет сигнальную лампу, загорание которой сигнализирует о перегрузке ГД. На колонке управления размещены тахометр, указывающий частоту вращения винта, и прибор, указывающий положение лопастей.
Рассмотренная конструкция имеет хорошие массогабаритные показатели, из-за отсутствия массивной нагруженной штанги привода механизма поворота лопастей винта. Но она не лишена недостатков, к которым относятся:
• Большие масса и габариты винта с поворотными лопастями;
• Конструктивные трудности при обеспечении надежного уплотнения в линии подвода масла в МИШ;
• Невозможность проведения ремонтных работ и ревизии МИШ без постановки судна в дорогостоящий док.
1.4.2. Конструктивные схема ВРШ с МИШ в линии валопровода
Основное преимущество МИШ в линии валопровода состоит в том, что осмотр и ремонт механизма могут производится без постановки судна в док.
В большинстве отечественных проектов МИШ встроен в линию валопровода. По надежности такая конструкция удовлетворяет требованиям эксплуатации. На рыбопромысловых судах МИШ без ремонта работает по 30–50 тысяч часов.
Рассмотрим конструкции ВПЛ, гребного вала, МИШ и гидравлической системы винта регулируемого шага, предназначенного для рыболовного траулера.
Внутри ступицы ВПЛ расположен кулисный механизм, который преобразует возвратно-поступательное движение ползуна в поворотное движение лопастей.
Ползун в кормовой части опирается на шлицы шлицевой втулки, а в носовой части – на опорный подшипник. Шлицевая втулка воспринимает скручивающий момент ползуна и передаёт его на корпус ступицы. Внутри ползуна проходит стяжной болт для соединения со штангой. Ползун имеет два паза, в которых расположены сухари, в них входят кривошипные пальцы пальцевых шайб.
Комлевое уплотнение исключает износ как корпуса ступицы, так и комля винта (два бронзовых кольца уплотняются круглыми резиновыми манжетами).
Механизмы, расположенные в ВПЛ, смазываются маслом, поступающим из напорного маслобака системы смазки под давлением, обязательно, но незначительно превышающим давление забортной воды, для предотвращения проникновения забортной воды в ступицу и для предотвращения загрязнения маслом моря при большом перепаде. Необходимо контролировать перепад.
В ступице расположен компенсатор объема. Поршень компенсатора при перекладках лопастей вытесняет такой же объем как штанга гребного вала. Компенсатор обеспечивает ступице постоянный объем масла, что предотвращает образование вакуума и исключает подсос воды через уплотнения
Механизм изменения шага, создающий усилие для перекладки и удержания лопастей, встроен в линию валопровода (рис. 1.28). Основными узлами и деталями МИШ являются: вал МИШ 13 с гидроцилиндром 10, поршнем 11, кормовой стенкой 7, полумуфтой 4 и штангой 2, маслобукса 20 и гидроусилитель 24.
Рис. 1.28. Механизм изменения шага ВРШ: 1 – гребной вал; 2 – штанга гребного вала; 3 – стопор; 4 – полумуфта; 5 – стяжная гайка; 6 – подшипник; 7 – кормовая стенка; 8 – заглушка; 9 – пробка; 10 – цилиндр; 11 – поршень; 12 – пробка цилиндра; 13 – вал МИШ; 14 – гильза золотника; 15 – золотник; 16 – накидная гайка; 17 – маслосборник; 18 – штанга золотника; 19 – втулка масловвода; 20 – верхняя полубукса; 21 – пневмодатчик; 22 – телемотор; 23 – шкала указателя шага; 24 – гидроусилитель; 25 – вал коромысла; 26 – сливной патрубок; 27 – поводок; 28 – маслоотбойник; 29 – нижняя полубукса; 30 – коромысло; 31 – патрубок слива утечек; 32 – сухарь; 33 – ходовая гильза; 34 – масловвод; 35 – стопорная втулка; 36 – штуцер подвода масла; 37 – шарнир; 38 – вкладыш; 39 – манжета; 40 – упор; 41 – конический штифт; 42 – балансировочный груз; 43 – запорная шайба; 44 – гайка гребного вала; 45 – корпус манжеты; 46 – шпонка.
Поршень гидроцилиндра следует за распределительным золотником 15, положение которого задается системой дистанционного управления. Масло в цилиндр подается из маслобуксы 20 по каналам в штанге золотника 18. Маслобукса неподвижная, из двух половин, имеет проточки для подвода масла под давлением 36 и для отвода сливного масла 31. Маслобукса снабжена уплотнениями.
При перекладках золотник 15 перемещается относительно поршня. Масло от насоса направляется в соответствующую полость цилиндра. Поршень двигается в сторону золотника до тех пор, пока каналы между поршнем и золотником не перекроются и останутся только щели, через которые масло будет создавать минимальное давление, необходимое для удержания поршня на месте в заданном положении, и сбрасываться на слив.
Гидроусилитель 24 установлен для преобразования слабого пневмосигнала, получаемого телемотором в усилие, достаточное для перемещения распределительного золотника в поршне МИШ.
Управление ВРШ и дизелем осуществляется одной маневровой рукояткой с поста управления по следящей схеме, когда каждому положению рукоятки соответствует определенное сочетание шага и частоты вращения. Также как в описанной ранее схеме используются программные кулачки, пневмозадатчики, телемотор и вспомогательный сервомотор (гидроусилитель). Телемотор и гидроусилитель установлены на МИШ.
1.4.3. Эксплуатация установок с ВРШ
В состав установки ВРШ входят следующие основные элементы: гребной винт с поворотными лопастями, валопровод, механизм изменения шага, силовая часть системы управления, пост дистанционного управления.
Установка ВРШ эксплуатируется в соответствии с заводской инструкцией по эксплуатации и инструкцией по выбору режимов совместной работы ГД и ВРШ.
Подготовка ВРШ к действию производится по распоряжению старшего механика, одновременно подготавливаются электрооборудование и система аварийно-предупредительной сигнализации.
При подготовке установки ВРШ к действию после непродолжительного перерыва в работе (менее 48 часов без проведения ремонтных работ) необходимо [18]:
– произвести наружный осмотр узлов, механизмов и систем ВРШ;
– проверить уровень масла в напорной и циркуляционных цистернах и при необходимости их пополнить;
– проверить состояние масляных фильтров и при необходимости очистить;
– проверить установку клапанов и кранов в рабочее положение;
– проверить уровень масла в сточных цистернах и произвести откачку масла;
– подать в систему рабочий воздух;
– включить электропитание и систему управления, проверить ее исправность;
– проверить переключение постов управления;
– подготовить к действию насосы гидропривода поворота лопастей ВРШ и насосы системы смазки винта с поворотными лопастями (при их наличии), проверить создаваемое ими давление;
– провернуть гребной вал валоповоротным устройством на 2…3 оборота;
– произвести полную перекладку лопастей винта «вперед» и «назад» дистанционно и из машинного поста управления. Давление в системе гидропривода поворота лопастей и время поворота должно соответствовать заводской инструкции;
– проверить совпадение показаний выносного и местного указателей шагов;
– выставить «нулевой» разворот лопастей.
Если проверки успешны, то можно запускать ГД. В период работы ВРШ необходимо:
– контролировать уровни масла в цистернах. Снижение уровня свидетельствует об утечках, а повышение – о попадании в систему воды;
– контролировать давление масла в системе гидропривода поворота ВРШ в режиме удержания. Оно должно быть постоянным, а при перекладке лопастей не должно превышать предельных значений, указанных в инструкции;
– температура масла в системе гидравлического привода не должна превышать 60 °С, при температуре ниже 30 °С обеспечить подогрев;
– контролировать перепад давлений на фильтрах (предельный допустимый перепад обычно 0,2 МПа);
– производить анализ масла на наличие воды. Предельное содержание составляет 0,5 % воды;
– контролировать соответствие расхода масла нормам расхода, указанным в инструкции по эксплуатации;
– после длительных ходовых режимов без разворота лопастей при подходе к местам со сложными условиями плавания и перед швартовкой необходимо произвести контрольные повороты лопастей ВРШ в диапазоне с «Полного вперед» на «Полный назад» и обратно поочередно с каждого поста управления;
– пользоваться рекомендованным диапазоном поворота лопастей при маневрах и реверсах для исключения перегрузки ГД;
– регулярно удалять конденсат из емкостей сжатого воздуха и воздушных трубопроводов;
– производить очистку маслоохладителей (при их наличии) раз в месяц;
– следить за показаниями проборов, сигнальных ламп на постах управления ВРШ и в ЦПУ, срабатыванием защит, автоматического переключения главного насосного агрегата гидравлического привода поворота лопастей на резервный при падении давления масла;
– следить за отсутствием воздуха в гидравлических системах ВРШ, т. е. отсутствием резких ударов в трубопроводах и циркуляционных цистернах и отсутствием пены в напорных и циркуляционных цистернах;
– контролировать давление рабочей среды системы управления;
– контролировать наличие смазки в узлах и механизмах ВРШ;
– контролировать давление масла в системах смазки лопастей, охлаждения маслобукс до и после фильтров.
При выводе из действия установки ВРШ необходимо установить лопасти винта в положение нулевого упора, остановить двигатель и отсоединить валопровод от редуктора (при наличии). Если в дальнейшем не требуется поддержание ВРШ в готовности, следует продолжить прокачивать систему охлаждения маслобукс (при ее наличии) до температуры масла на выходе, указанной в инструкции (≈ до 30…35 °С), остановить основные и резервные насосы гидравлического привода и смазки поворотных лопастей, включить напорную систему смазки гидравлического привода поворота лопастей, вывести из действия систему управления, произвести проверку АПС, отключить электропитание, произвести наружный осмотр.
Характерные неисправности ВРШ и методы их устранения приводятся в заводской инструкции и в [10,18]. Основными причинами неисправностей являются: неисправности в системе управления (плохие контакты, обрыв цепи, попадание воды, грязи в электромагниты), утечки масла, подсос воздуха в систему, повреждения резиновых колец уплотнения МИШ, чрезмерный износ, механические повреждения лопастей обтекателя.
В случае отказа системы гидропривода поворота лопастей ВРШ, при падении давления масла, предусматриваются запирание полостей цилиндра при помощи обратных клапанов. Если зафиксированное таким образом положение лопастей не обеспечивает передний ход, то предусматривается возможность возвращения поршня сервомотора МИШ на передний ход при помощи отжимных болтов или расположенных в ступице пружин.
1.4.4. Конструкция и техническое использование крыльчатых движителей
При эксплуатации некоторых судов (плавучие краны, кабелеукладчики, буксиры, суда для подъема затонувших судов и других объектов) требуется столь точное позиционирование, что его невозможно будет достигнуть при помощи ВРШ, рулей и даже поворотных насадок. В этих случаях применяют крыльчатые движители (КД).
Крыльчатые движители одновременно выполняют функции движителя и руля. Они нашли достаточно широкое применение на кабелеукладчиках, судах для подъема затонувших объектов, портовых буксирах (особенно в портах Восточной Азии), на плавкранах («Черноморец», «Богатырь») а, также в меньшей степени, на тральщиках, рыболовецких судах, в качестве подруливающих устройствах. На голландском буксире «Multratug 32» применена более эффективная схема с разнесенными в нос и корму крыльчатками.
КД, кроме изменения шага, позволяет также менять направление упора относительно судна. КД представляет собой ротор, установленный заподлицо с днищем судна. По окружности ротора расположены лопасти, которые вращаются вместе с ротором и одновременно совершают колебательные движения вокруг собственных осей. Результирующей траекторией движения оси лопасти является циклоида. Движения лопастей осуществляются при помощимеханизма привода лопастей, который состоит из системы рычагов и тяг, расположенных внутри ротора. Эти колебательные движения происходят таким образом, что перпендикуляры, проведенные к хордам лопастей и проходящие через их центры, пересекаются приблизительно в одной точке, называемой центром управления (точка N на рис. 1.29).
Рис. 1.29. Схема устройства крыльчатого движителя
Лопасти соединены системой рычагов и тяг механизма привода с управляющим диском, центр которого обозначен точкой О1. Положение центра управляющего диска определяет положение центра управления (точка N).
Крыльчатый движитель создает усилие упора в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей центр ротора O с центром управления (точка N).
Когда центр управляющего диска совпадает с центром ротора, центр управления N находится в центре ротора, лопасти располагаются касательно к окружности и не имеют колебательного движения при вращении ротора. В этом случае упор движителя равен нулю. При увеличении эксцентриситета ОО1 точка N смещается из центра ротора. увеличиваются углы отклонения лопастей и упор движителя.
Управляющий диск перемещается и удерживается в заданном положении рулевым и ходовым сервомоторами при помощи управляющего рычага. С помощью ходового сервомотора управляющий диск смещается так, что центр управления перемещается по линии, нормальной к диаметральной плоскости (ДП) судна. При этом упор может изменяться от наибольшего значения, направленного к носу судна, до наибольшего, направленного к корме. Линия действия упора остается при этом параллельной диаметральной плоскости судна. Рулевой сервомотор позволяет получить упор, перпендикулярный ДП. С помощью комбинации движений рулевого и ходового сервомоторов можно получить любой упор от нуля до максимума и направить его в любом направлении по отношению к судну.
Подготовка движителя к работе начинается с осмотра и заполнения его рабочим маслом. После заполнения маслом необходимо прокачать его электронасосом в течение 15 минут, контролируя давление масла и температуру. Если температура масла в движителе ниже +10°С, то необходим его подогрев.
В период прокачки производится перекладка управляющего рычага, чтобы обеспечить попадание масла в места подвижных соединений. Ведущий вал движителя при этом проворачивают на один-два оборота ротора.
Далее производится контроль состояния системы охлаждения уплотнения вала ротора, чтобы предотвратить попадание забортной воды внутрь судна и вытекание рабочего масла из движителя. Количество подаваемой на уплотнение охлаждающей регулируется (приблизительно из расчета 1 л в минуту при полных оборотах ведущего вала движителя). В случае конструктивного исполнения с масляным подпором проверяется наличие масла в межманжетном пространстве уплотнения ротора.
Осуществляем пуск. Для движителей типа ДКК 20/5 время выхода масляного насоса на режим рабочего давления составляет не более 10 с от момента запуска движителя. При частоте вращения ведущего вала до 220 об/мин давление смазочного масла может быть меньше нормального (1,7–2,5 бар), но не ниже 0,5 бар.
Управление режимом работы КД, производится дистанционно из рубки судна.
Перекладка рычагов поста (т. е. управление сервомоторами) должна производиться так, чтобы исключалась возможность перегрузки приводного двигателя.
Для удобства управления движителями и судном рычаги управления ходовых и рулевых сервомоторов движителей левого и правого бортов блокируют для совместного управления.
Ход лагом получают, осуществляя раздельное управление ходовыми сервомоторами движителя левого и правого бортов. Направление и относительную величину упора можно проконтролировать по диаграмме, расположенной на верхнем корпусе движителя.
При работе КД контролируются давления масла на управление и смазку, температура рабочего масла, и давление воды на уплотнение вала ротора, уровни масла в нижнем корпусе движителя и напорных бачках; отсутствие постороннего шума и плавность работы рычага управления. Необходимо также регулярно промывать фильтрующие элементы.
Проверяется поступления воды на охлаждение нижнего уплотнения вала ротора (вода может не поступать на слив из уплотнения). Если манометр подтверждает поступление воды к уплотнению, то отсутствие воды на выходе не должно беспокоить обслуживающий персонал, так как в этом случае вода, охладив уплотнение, уходит в зароторное пространство.
Выход на режим полной нагрузки разрешается после достижения температуры масла в корпусе 15…20°С.
В случае выхода из строя дистанционного управления необходимо перейти на аварийное управление с помощью рычагов, расположенных на сервомоторах. Перекладка рычагов производится плавно, без рывков. Время перекладки рычагов из одного крайнего положения в другое должны быть не более 7 сек.
Гидросистема движителя является одним из основных органов, обеспечивающих работу движителя.
Вязкость смеси масла выбирается в зависимости от нагруженности движителя. Необходимость составления смеси масел диктуется требованием обеспечения необходимой скорости деэмульсации масла (не более 15 мин), так как возможно попадание воды в масло. Турбинное масло обладает высокой скоростью деэмульсации.
Применяемое масл должно обеспечить работу редуктора (вязкое масло) и надежную смазку трущихся соединений. Но вязкое масло в чистом виде трудно перекачивается через движитель, если температура масла ниже 10°С. Поэтому иногда используют смеси масел. В авиационное масло добавляют турбинное масло в такой пропорции, чтобы обеспечить необходимую вязкость смеси.
Вязкость смеси масел составляет: для средненагруженных КД (типа ДКК 20/5) 59–62 сСт при 50°С; для высоконагруженных КД (типа ДКК 26/6) 85–87 сСт при 50°С. Смесь масел для КД составляют согласно специальной инструкции, которая входит в состав эксплуатационной документации.
Одним из способов контроля состояния масляной системы может быть наблюдение за уровнем масла в подпорном бачке. Обычно масло в бачке после длительной стоянки движителя опускается относительно контрольной отметки, т. е. ниже уровня фланца сливной трубы. А так как в этот бачок поступает масло из ротора, где оно собирается из всех зазоров, то восстановление уровня масла до отметки слива его из бачка будет являться определенной гарантией того, что масло поступает в зазоры движителя.
Если за период бездействия движителя уровень масла в подпорном бачке не понизился или понизился незначительно, что свидетельствует о нормальной работе всех уплотнений.
При длительной работе КД температура штатной смеси масла устанавливается порядка 45…60°С в зависимости от типа масла.
В период эксплуатации содержание воды в масле не должно быть выше 3 %.
Имеется ряд движителей, у которых нет системы постоянного подпора ротора маслом, т. е. в период работы движителя подпор осуществляется за счет центробежной силы в роторе. Масло распирает манжеты гнезд лопастей, и попадание воды через данные манжеты исключается. Однако в период остановки движителя из-за того, что уровень подпора находится ниже ватерлинии, необходимо производить подкачку масла в движитель, чтобы обеспечить противодавление на манжеты гнезд лопастей по отношению к забортной воде. Причем время после остановки движителя до закачки масла до уровня выше ватерлинии должно быть минимальным. В противном случае, если одна из двух манжет (нижняя) какого-либо гнезда лопасти потеряет герметичность, механизм движителя может быть обводнен.
В состав гидросистемы входят сервомоторы и масляный насос. Сервомоторы выполнены по следящей системе, т. е. каждому положению золотника соответствует определенное положение поршня.
Ходовой сервомотор движителя имеет блокировку, назначение которой – уменьшить шаг переднего или заднего хода в период боковых ходов, чтобы исключить перегрузку приводного двигателя.
Критерием нормальной работы сервомоторов является исполнение команды с «Полного вперед» на «Полный назад» (и наоборот) во всем диапазоне рабочих оборотов (частоты вращения) приводного двигателя за время не более 7 сек. После снятия давления рычаг управления с помощью пружин сервомоторов должен возвращаться в нулевое положение.
Масляный насос движителя обеспечивает работу гидросистемы движителя. Производительность масляного насоса движителя типа ДКК 20/5 составляет не менее 2 л/с при 500 об/мин ведущего вала движителя и температуре масла 40…50 °С.
Периодического наблюдения требуют Приводная цепь и звездочки приводов необходимо периодически осматривать, производя замер провисания цепи, который является критерием нормальной ее работы. Допустимое провисание цепи – не более 15 мм.
На всасывающем патрубке насоса традиционно устанавливается сдвоенный масляный фильтр.
При эксплуатации нового движителя масляный фильтр часто забивается краской, отстающей от деталей, расположенных в масляной ванне, а при эксплуатации движителя после ремонта в фильтре иногда задерживается грязь.
При эксплуатации движителя желательно на всасывающем патрубке иметь магнитный фильтр, чтобы обнаружить износ по появлению стального порошка в нем.
Рассмотрим ряд возможных типовых неисправностей КД типа ДКК 20/5.
1. Значительное снижение уровней масла в корпусе КД и в маслоподпорном бачке ротора и появление масляных пятен на воде. Причина: Нарушение герметичности ротора из-за неисправности манжетного уплотнения. Действия: постановка в док или его дифферентовка до выхода ротора из воды, выявление и устранение неисправности.
2. Те же признаки во время работы КД, но снижение уровня масла незначительно. Причина: неплотность одной или нескольких верхних манжет уплотнений гнезд лопастей из-за ослабления или поломки пружины, попадания грязи под уплотняющий ус манжеты и выработки кольца лопасти или его коррозия в месте соприкосновения с рабочим усом манжеты; незначительное нарушение герметичности ротора. Действия: периодически пополнять систему маслом и при первой возможности неисправность устранить.
3. Содержание воды в масле КД более 3 %, но количество воды в масле не увеличивается. Причина: при неработающем КД не был обеспечен масляный подпор ротора (не пополнялся уровень в маслоподпорном бачке). Действия: масло отсепарировать и обеспечить непрерывность масляного подпора при неработающем КД.
4. Содержание воды в масле КД более 3 %, количество воды в масле увеличивается. Причина: не работает система масляного подпора ротора, нарушена водонепроницаемость уплотнений гнезд лопастей и герметичность ротора. Действия: масло отсепарировать и произвести его анализ, при первой возможности неисправность устранить, движитель вывести из эксплуатации.
5. Через контрольные трубы от уплотнений вала ротора в карманы поступает масло, падает уровень масла в маслоподпорном бачке уплотнения вала ротора. Причины: нарушена плотность верхней манжеты нижнего уплотнения вала ротора, соединений пакета нижнего уплотнения вала ротора. Действия: пополнить масло в бачке, собрать просочившееся масло. неисправность устранить при первой возможности
6. Через контрольные трубы поступает масло, уровень масла в маслоподпорном бачке уплотнения вала ротора не падает. Причины: нарушена плотность манжеты или соединений верхнего уплотнения вала ротора. Действия: собрать просочившееся масло, неисправность устранить.
7. Уровень масла в маслоподпорном бачке уплотнения вала ротора падает, через контрольные трубы масло не поступает, в районе установки КД появляются масляные пятна на воде. Причины: Нарушена плотность средней манжеты нижнего уплотнения вала ротора, большой износ бандажа. Действия: пополнить масло в маслоподпорном бачке, неисправность устранить при первой возможности.
8. Масляный насос не забирает масло или время выхода на режим рабочего давления превышает 10 с после запуска КД. Причины: неплотность на всасывающем трубопроводе, засорилась работающая секция масляного фильтра, увеличены зазоры в масляном насосе. Действия: устранить неплотность трубопровода, фильтр переключить на чистую секцию, насос разобрать и неисправность устранить.
9. Давление масла в магистрали высокого давления постепенно падает. Причины: засорились фильтрующие элементы работающей секции фильтра. Действия: перейти на другую секцию, очистить загрязненную секцию.
10. Движитель не выполняет заданной команды, давление масла в магистрали высокого давления понижено. Причина: лопнула пружина редукционного клапана высокого давления масляного насоса. Действия: остановить КД, пружину заменить, клапан отрегулировать.
11. КД не выполняет заданной команды, давления масла в магистралях высокого и низкого давления нет. Причины: оборвалась цепь привода масляного насоса, сорвало шпонку крепления звездочки насоса или ведущего вала. Действия: движитель остановить, неисправность устранить
12. Вибрация корпуса судна вблизи движителя и самого движителя, игла рычага управления держится неустойчиво, наблюдаются толчки. Причины: поломка или деформация лопасти, неисправен механизм привода лопастей, вышел из строя узел рычага лопасти. Действия: лопасть заменить или выправить, движитель демонтировать и устранить неисправность механизма привода лопасти, рычаг управления вынуть и узел отремонтировать
1.5. Вопросы для самопроверки
1. В чем выражается влияние попутного потока на работу ПК?
2. Что учитывает КПД пропульсивного комплекса?
3. Что осуществляется раньше при пуске МОД подача воздуха в систему или пуск насоса смазки?
4. Для чего нужно именно медленное проворачивание МОД?
5. Как проверить перед пуском регулировку механизма подачи топлива?
6. Как осуществляется впрыск топлива в двигателях серии МЕ?
7. Преимущества системы CR, установленных на двигателях MAN.
8. Какое назначение телемотора-приемника шага винта?
9. Какую температуру масла следует обеспечить в системе гидропривода ВРШ при работе?
10. Особенности конструкции и работы системы наддува двигателей Вяртсиля.
11. Как регулируется максимальное давление сгорания в СОД двигателях MAN?
12. От каких факторов зависят динамические качества ПК?
Раздел 2. Режимы работы СДЭУ
2.1. Общая характеристика режимов СДЭУ
Эксплуатация СДЭУ происходит в различных условиях и характеризуется целым рядом показателей.
Режимы работы главного двигателя, являющегося основным элементом СДЭУ и ПК в целом, определяются типом судна, конкретными условиями его плавания, конструктивными особенностями корпуса судна, движителя, редуктора, машинной установки, а также способом передачи мощности.
Под режимом работы ГД обычно понимают эксплуатационное состояние двигателя, его систем и потребителя энергии [1].
Любой режим СДЭУ характеризуется комплексом технико-эксплуатационных показателей и прежде всего нагрузкой ГД и частотами вращения двигателя и винта, а также эксплуатационными показателями (температурами, давлениями, расходами рабочих сред), которые не должны выходить за допустимые значения.
Изменение режима может происходить преднамеренно (изменение скорости или направления движения судна) или случайно под влиянием внешних неуправляемых факторов воздействия.
Режимы работы бывают установившимися и неустановившимися.
Установившиеся режимы характеризуются постоянством во времени показателей работы. Неустановившиеся режимы характеризуются изменением показателей. Неустановившиеся режимы возникают при пуске, трогании судна с места, маневрировании, реверсировании, работе в штормовых условиях и др.
Различают номинальные и неспецификационные режимы СДЭУ. Номинальные режимы гарантируются изготовителем и оговариваются условиями на поставку, а неспецификационные режимы требуют введения дополнительных ограничений.
Особенности и специфика режима работы ДЭУ зависит от состава установки.
2.2. Установившиеся режимы совместной работы ГД и гребного винта
2.2.1. Совместная работа ГД и ВФШ
На рис. 2.1. изображены зависимости, определяющие возможные режимы работы дизеля с ВФШ при прямой передаче. Возможные режимы совместной работы получаются при пересечении винтовых характеристик, характеризующих сопротивление движению судна, с внешними, регуляторными или ограничительными характеристиками. Мощность, поглощаемая гребным винтом, зависит от конструкции корпуса судна и состояния моря.
Рис. 2.1. Режимы совместной работы дизеля с ВФШ [9].
Винтовые характеристики описывают показательной функцией
NВ = с nm,
где с – коэффициент пропорциональности;
nв – частота вращения.
Показатель степени m для современных водоизмещающих судов составляет 2,9…4,5; а для глиссирующих катеров – 1,6…3,2.
Кривая II представляет собой номинальную винтовую характеристику, относящуюся к расчетным условиям движения судна в полном грузу. Кривые 1 и 2 – соответственно внешняя и ограничительная характеристики дизеля, кривые III и IV – утяжеленные винтовые характеристики, кривая I – винтовая характеристика при плавании судна в балласте. Линии R0, R1, R2 – регуляторные характеристики.
Пересечение нормальной винтовой характеристики двигателя с его номинальной внешней и ограничительной характеристиками (точка А) определяет величину допустимой длительной нагрузки и частоту вращения вала ГД (и гребного винта).
При плавании судна в балласте винтовая характеристика становится «облегченной», что связано с уменьшением осадки и, как следствие, снижением сопротивления воды движению судна. При той же частоте вращения гребного винта скорость судна возрастает.
В условиях эксплуатации довольно часто наблюдается так называемое утяжеление винтовой характеристики (кривая III). Это может быть вызвано увеличением осадки, обрастанием корпуса, волнением моря, перекладками руля при маневрировании, влиянием мелководья, буксировкой воза, тралением, работой на швартовах и др.
При работе по утяжеленной винтовой характеристике (рисунок 2.1, кривая III) допустимая нагрузка определяется положением точки Б, лежащей на ограничительной характеристике, которая условно показана прямой линией, а не ломанной кривой. В дальнейшем виды ограничительных характеристик будут рассмотрены более подробно.
Работа на швартовах соответствует кривая IV; предельную нагрузку на ней определяет точка Б'. Точка В' соответствует, значительной перегрузке при работе по внешней характеристике.
Винтовая характеристика при движении судна может располагаться левее, чем швартовная. Это может происходить на второй стадии реверса при подаче контрвоздуха, когда судно по инерции еще движется вперед, а двигатель уже раскручивает винт на задний ход. ГД в этих случаях значительно перегружается.
Мощность двигателя используется полностью при номинальном числе оборотов, в точке пересечения винтовой и внешней номинальной характеристик.
Значительная недогрузка двигателя сопровождается увеличением удельного расхода топлива, и при пониженных оборотах приводит к неустойчивой его работе, если не предусмотрены специальные конструктивные мероприятия, например, аккумуляторные системы топливоподачи.
Для судна, движущегося с определенной эксплуатационной скоростью, при определенном неизменном водоизмещении можно подобрать оптимальный винт, обеспечивающий наиболее высокий для данных условий коэффициент полезного действия, но только при nном. Теоретическая винтовая характеристика при этом проходит через точку А.
Сегодня широко распространена практика проектирования ДЭУ с винтами облегченного типа. Облегченная винтовая характеристика располагается правее теоретической, образуя 10…20 % запас по мощности. Наличие такого запаса позволит в штормовую погоду и при других сложных условиях плавания поддерживать частоту вращения, а с ней и скорость судна на прежнем уровне без перегрузки ГД.
Если произойдет утяжеление винтовой характеристики, то КПД винта, спроектированного на максимальное значение ηp при эксплуатационной или номинальной частоте вращения, будет снижаться, а коэффициенты к1 и к2 возрастать (рис 1.1).
Потребляемая эффективная мощность Ne будет уменьшаться (точки B или Б на рис 2.1) и для обеспечения прежних оборотов ГД и скорости судна потребуется увеличение мощности и крутящего момента (точка А1). Возникшая перегрузка двигателя приведет к росту максимального давления сгорания Pz, температуры выхлопных газов и удельного расхода топлива.
При плавании в балласте с уменьшенной осадкой сопротивление движению судна снижается, винтовая характеристика смещается вправо («легкий винт»), поступь винта растет, КПД винта резко снижается, коэффициенты момента и упора уменьшаются.
Момент сопротивления Mc в этом случае буде значительно меньше крутящего момента развиваемого ГД при nном. Если ничего не предусмотреть, то ГД будет разгоняться до перегрузочного режима по частоте вращения, находящегося в точке пересечения мощностей соответствующих указанным моментам (точка А2). Подачу топлива и мощность ГД надо снизить, поддерживая при помощи регулятора приемлемые значения частоты вращения (не более 103…105 % nном).
При спокойной погоде скорость судна увеличивается на 1…2 узла за счет снижения сопротивления движению при меньшей осадке. Однако при сильном волнении моря высокую скорость обеспечить не удастся из-за ухудшения остойчивости судна и увеличения динамических нагрузок.
Для ВФШ рекомендуют подбирать эксплуатационную мощность при номинальной частоте вращения [1]. При этом соответствие между номинальной мощностью и номинальной частотой вращения будет достигнуто позже, при обрастании корпуса судна или при ухудшении условий плавания (волнение, движение во льдах, встречные течения и ветер).
В современных установках с ВФШ получили распространение винты с оребренным обтекателем ступицы ГВ и обтекателями с крыльевыми элементами. Они обеспечивают увеличение эффективности ГВ на 4…5 % при увеличении скорости хода судна на 1…2 % и частоты вращения ГВ на 1…1,5 оборота [5].
2.2.2. Режим работы двигателя с редукторной передачей
Работа двигателя с ВФШ и редукторной передачей позволяет существенно увеличить упор и крутящий момент на гребном винте при том же заданном значении мощности двигателя. Увеличение упора гребного винта составляет приблизительно 30 %, но при этом потребуется увеличить и диаметр винта [1]. Более значительное улучшение тяговых характеристик может быть достигнуто путем использования многоскоростных редукторов
Перед вводом в действие редуктора ГД необходимо ознакомиться с руководством по эксплуатации от производителя. Перед пуском следует убедиться в том, что уровень масла в редукторе соответствует норме, то есть убедиться в том, что на панели АПС отсутствует предупредительный сигнал. Уровень масла можно проверить и масляным щупом.
В рамках подготовки к пуску производится ручная прокачка маслом системы при помощи вспомогательного масляного насоса редуктора. Потом редуктор следует провернуть вместе с ГД. Затем вспомогательный маслонасос устанавливается в автоматический режим. Он автоматически запускается системой ДАУ перед пуском главного двигателя и работает до достижения определенного давления масла (например, для редуктора REINTJTSS VA1060K41 более 1,2 бар), потом насос автоматически отключается и смазка редуктора будет осуществляться от навесного шестеренного насоса.
При остановке ГД или падении давления ниже 1,2 bar вспомогательный насос автоматически запускается и будет работать по заданной производителем выдержке времени 10 минут после полной остановки главного двигателя.
2.2.3. Режим работы ГД в многовальных и многомашинных установках с гидромуфтами
Особенности работы в системе многовальных и многомашинных установок состоят в том, что улучшается использование мощности установки при возможности отключения отдельных двигателей. В качестве соединительно-разобщительных муфт часто используются гидравлические муфты.
В гидродинамической передаче энергия от ведущего вала передается за счет скоростного напора циркулирующей жидкости. Гидродинамическая передача включает центробежный насос, приводимый двигателем, и гидротурбины, сближенные так, что их колеса образуют торообразную полость, заполняемую рабочей жидкостью. Гидротурбина связана с валом движителя. Моменты на входном и выходном валах одинаковы и равны крутящему моменту ГД, а снижение частоты обусловлено только потерями энергии в муфте.
Общий КПД гидромуфты – это отношение мощности развиваемой гидротурбиной к подведенной мощности насоса и равен отношению частот вращения роторов турбины и насоса или иначе произведению их КПД.
Муфта должна быть заполнена жидкостью (водой, маслом или специальными смесями для гидромашин). Для включения муфты следует открыть золотник подвода рабочей жидкости из напорной цистерны на всасывание насоса гидромуфты. Энергия циркулирующей жидкости используется в турбине.
Часть жидкости сливается в сточную цистерну, откуда она забирается насосом и через фильтры и маслоохладитель подается в напорную цистерну.
При обслуживании надо обеспечить чистоту фильтров, подачу забортной воды в охладитель, чистоту забортной воды (в южных широтах на входе в охладитель следует установить ловушки для ракушек).
Следует контролировать уровни рабочей жидкости в цистернах и обеспечить надежную работу насоса.
При снижении частоты вращения ведомого вала и неизменной частоте вращения ведущего вала момент на турбинном колесе может значительно возрастать, что в случае сохранения равенства моментов на ведомом и ведущем колесах приводит к перегрузке двигателя.
Таким образом, гидромуфта не предохраняет двигатель от перегрузок, но имеется устройство для ограничения нагрузки. При заклинивании гребного винта ГД следует немедленно остановить.
Гидромуфты имеют следующие основные свойства: независимость вращения ведомого и ведущего валов, плавное трогание с места и плавный разгон, ограничение крутильных колебаний, бесшумность работы, надежность в эксплуатации, высокий КПД на номинальном режиме, простота автоматизации и управления.
Гидромуфты применяют обычно в дизель-редукторных агрегатах для эластичной связи между двигателем и движителем, демпфирования крутильных колебаний в системе валопровод-двигатель, для включения и отключения движителя, для снижения частоты вращения с целью уменьшения скорости судна.
Демпфирующая способность гидромуфт особенно значима при плавании во льдах. Элементы пропульсивного комплекса испытывают меньшие динамические нагрузки при ударах винта об лед.
При эксплуатации следует обеспечить исправность автомата безопасности, наличие которого обязательно по требованиям Морского Регистра судоходства при использовании в составе гидромуфт в составе ПК.
Автомат безопасности страхует регулятор и защитит двигатель от разноса при внезапном отключении муфты [2].
Гидропередачи способны обеспечить высокие тяговые характеристики на пониженных частотах ГВ без превышения нагрузки на двигатели.
Гидропередачи по сравнению с редукторной имеют меньший К. П. Д. и большую массы и габариты. Наиболее эффективна комбинация гидродинамической и редукторной передач. На рис. 2.2. приведена типичная схема смазки редукторного агрегата и управления гидравлической муфтой.
Рис. 2.2. Схема системы смазки редуктора и управления гидромуфтой:
1 – вал отбора мощности на винт; 2 – главный упорный подшипник; 3 – управляемый клапан гидромуфты; 4 – фильтры; 5 – отсечной клапан гидромуфты; 6 – шестерня; 7,8 – роторы гидромуфты; 9 – управляемый сливной клапан; 10 – трубка подачи масла; 11 – упорный подшипник; 12 – поплавковое устройство включения резервного масляного насоса; 13,18 – напорная и маслосборная цистерны; 14,16 – терморегулировочный и невозвратно-запорный клапаны; 15 – охладители масла; 17 – резервный масляный насос с электроприводом и автоматическим управлением; 19 – основной масляный насос; 20 – опорные подшипники; 21 – зубчатое колесо
При работе масло из гравитационной цистерны поступает к отсечному клапану 5 управления гидромуфтой, который управляется пневматически дистанционно с помощью управляемого клапана 3. Масло от клапана 5 идет к сливным каналам 9, которые поддерживаются в закрытом состоянии. Затем по наполнительному каналу в ведомом валу оно поступает в межлопаточные полости ротора гидромуфты, вводя ее в действие. При перемещении золотника отсечного клапана в верхнее положение масло сливается в картер освобождая клапаны. Одновременно доступ масла к гидромуфте прекращается, а имеющееся там масло сливается в картер в течение 10…15 секунд. Таким образом муфты разобщаются
Необходимо обеспечить применение качественных масел рекомендуемой вязкости. При эксплуатации температуру масла не рекомендуется повышать более 60 С, давление масла в системе надо поддерживать в рекомендуемых пределах (обычно 0,13–0,30 МПа), для чего в гравитационной цистерне предусмотрены поплавковые ограничители уровней. Необходимо своевременно очищать фильтры и отстойники, контролировать качество масла.
Характер распределения нагрузки на работающие двигатели в одновальной двухмашинной пропульсивной установке иллюстрируется рисунком 2.3 [1].
Предполагается, что вращающий момент, поглощаемый винтом, равномерно распределяется между двумя ГД, работающими на один вал. Кривые изменения крутящих моментов при различных частотах коленчатого вала двигателей n1 изображены для случаев подключения одной (линии 1) и двух (линии 2) муфт. Кривая I представляет собой винтовую характеристику, приведенную к ведомому валу гидромуфты.
Рис. 2.3. Определение режимов совместной работы двигателей с ГВ в двухмашинной одновальной установке с гидромуфтами [1].
Линии I и II являются характеристиками по максимальному крутящему моменту при работе соответственно двух и одного ГД. По точкам пересечения кривых определяют частоту вращения ведомого вала гидромуфты и гребного винта по известной частоте вращения двигателя n1.
При работе двух двигателей на номинальном режиме рабочая точка режима, находится в точке А. Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна n2ном Если работает один двигатель, то максимально допустимый момент будет достигаться в точке В, при частоте вращения ГД n1 и частоте вращения ведомого вала n2.
Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна
n2 = n1 ∙ ηгм,
где n1 – частота вращения двигателя и ведущего вала;
ηгм – КПД гидромуфты.
Частота вращения гребного вала,
nв = n2 ∙ i,
где i – коэффициент редукции частоты вращения.
Имея совмещенный график, изображенный на рисунке 2.4 можно вычислить при какой частоте вращения гребного вала необходимо включать в работу два двигателя, а также оценить скорость судна при работе одного двигателя.
Управление двигателями в многовальных установках имеет свои особенности. Современные ГД, как правило, комплектуются регуляторами частоты вращения реализующими защиту по перегрузке и давлению наддува. Степень неравномерности для ГД, работающих в одновальных установках выставляется в пределах 1,5…3,0 %. В двухвальных установках она не может быть меньше 3 %, так как возможно возникновение обменных колебаний.
Повысить надежность и безопасность эксплуатации энергетических установок с двумя гребными винтами можно, если предусмотреть в системе управления обеспечение фазовой синхронизации гребных валов, которая приводит к значительному снижению вибрации на многовальных судах [5].
2.2.4. Режим работы ГД в установках с электрической передачей
Режим работы дизеля определяется при совместном рассмотрении винтовых характеристик потребителя, характеристик тягового электродвигателя и внешней характеристики дизеля.
На рис. 2.4 приведены характеристики пропульсивного комплекса буксира-спасателя. Кривые 1, 2, 3, 4 показывают механические характеристики тягового электродвигателя при различных частотах вращения дизеля. За ограничительный параметр принимают постоянство мощности электродвигателя. Если кривая изменения крутящего момента электродвигателя при постоянной его мощности (кривая III) проходит ниже механической характеристики, то на таких режимах возможна перегрузка ГД.
Гребные электрические установки постоянного тока применяют на судах с тяжелыми режимами работы (частое реверсирование, резкое изменение момента сопротивления ГВ вплоть до заклинивания, необходимость создания значительного момента на малых оборотах винта).
Реверсирование ГВ на полном ходу происходит очень быстро и имеется возможность работы на самом малом числе оборотов (4…5 % от номинального числа оборотов).
В настоящее время активно используются вынесенные электрические винторулевые комплексы типа Azipod. Принципиально эта новая система не отличается от традиционной передачи на винт. Управляемость и маневренность судов значительно улучшилась за счет повышения эффективности работы винта, который вынесен за пределы возмущенного корпусом судна потока воды.
Рис. 2.4. Характеристики ПК буксира-спасателя на номинальном и частичных режимах работы [1]:
I, II – винтовые характеристики судна на свободном ходу и на швартовых;
III – характеристика при постоянной мощности электродвигателя. 1…12 – тяговые характеристики при различных частотах вращения ГД (1…4), при различных токах возбуждения (5…8), при комбинированном способе управления (9…12)
Система обеспечивает полный упор винта в любом направлении, освобождая судно от традиционной массивной линии вала и рулевого устройства.
Типовая схема главного ВРК Azipod с электродвигателем, размещенным в гондоле, и непосредственно вращающем ГВ представлена на рисунке 2.6 [27].
Конструктивно гребной электродвигатель колонки «Азипод» встроен в стальной корпус подводной части колонки. Гребной электродвигатель имеет воздушное охлаждение, причем воздух подается из румпельного помещения (при необходимости через холодильники). Передача крутящего момента от электродвигателя к гребному винту производится через гребной вал, установленный на опорно-упорных подшипниках качения и имеющий уплотнения. Электроэнергия на привод гребного электродвигателя подается от судовой системы электропитания.
Рис. 2.5. Типовая схема ВРК с электродвигателем в гондоле [3]:
1 – электродвигатель; 2 – упорный подшипник; 3 – установочный блок; 4 – вентиляционная установка; 5 – воздухоохладитель; 6 – токосъемник; 7 – гидравлическая система поворота колонки; 8 – подшипник и уплотнения ГВ; 9 – винт фиксированного шага;
10 – гребной вал
Используются эластичные кабели, с ограничением угла разворота «Азипода», либо кольца скольжения (в этом случае колонка может вращаться вокруг вертикальной оси свободно без ограничений). Рулевая система «Азипода» гидравлическая.
В гондоле колонки располагается электродвигатель переменного тока, частота вращения которого регулируется частотным преобразователем.
Движительные комплексы «Азипод» могут выполняться в различных компоновках: в тянущем варианте, когда винт расположен впереди гондолы и толкающем – с расположением винта за гондолой, а также двухвинтовом варианте с винтами впереди и сзади гондолы при расположении винтов в насадке или без нее.
Важным положительным качеством ГВРК является хорошая управляемость судна на заднем ходу, благодаря большой поперечной силе, условиям обтекания корпуса, когда струя винта не натекает на него. Для обеспечения заднего хода ГВРК разворачивается на 180°, при этом гребной винт не реверсируется.
Рулевое устройство включает два или три гидравлических двигателя. Система контроля «Азипода» включает контроль всех электрических цепей на мостике вместе с главными электрическими панелями.
В отличие от ВРК с механическим приводом требуется обслуживание системы воздушного охлаждения. Воздух подается в рулевую колонку из румпельного помещения и может при необходимости предварительно охлаждаться в охладителях водой.
В качестве приводных двигателей применяются высокооборотные или среднеоборотные дизели, приспособленные для работы на средневязких топливах.
2.3. Установившиеся режимы совместной работы ГД с ВРШ
Область эксплуатационных режимов СДУ с ВРШ за счет изменения шагового отношения H/D существенно шире, чем в установках с ВФШ. Так, например, при n=0,6 можно получить увеличение мощности за счет разворота лопастей гребного винта с
Винт регулируемого шага позволяет подобрать такое шаговое отношение для данной частоты вращения, при котором удельный расход топлива будет минимальным, а КПД винта – максимальным, что невозможно достигнуть при ВФШ. Зона используемых мощностей при установке ВРШ значительно больше.
ВРШ сложнее и дороже, чем ВФШ, но имеет ряд существенных преимуществ:
1. Имеется возможность более полно использовать мощность ГД в любых условиях плавания;
2. Улучшается маневренные качества судна, так как можно обеспечить любые малые скорости движения судна и его остановку при номинальной частоте вращения коленчатого вала ГД;
3. Повышается ресурс ГД, который во многом зависит от числа и продолжительности пусков;
4. Обеспечивается реверс при неизменном направлении вращения коленчатого вала ГД. При реверсировании нет необходимости преодолевать положительный вращающий момент гребного винта на ходу судна, как это имеет место в установках с ВФШ, где винт будет работать в режиме гидротурбины и при подаче контрвоздуха в цилиндры будут возникать дополнительные механические напряжения в валопроводе и ГД;
5. Можно применять более дешевые и надежные нереверсивные двигатели. Однако следует отметить, что ВРШ применяются в основном в установках с реверсивными СОД и редукторной передачей. При заклинивании лопастей и отказе ВРШ можно использовать его как ВФШ. Предусматриваются различные способы разворота и фиксации лопастей в определенном положении на передний ход (при помощи отжимных болтов или встроенных в ступицу пружин, которые при падении давления масла выводят поршень МИШ в положение переднего хода);
6. Обеспечивается эффективное управление ВРШ с мостика;
7. Можно начать движение судна с места при номинальных мощностях и частоте вращения коленчатого вала двигателя, а, следовательно, с максимальной тягой винтов без какой-либо перегрузки главных двигателей. Повышение скорости судна будет плавным и значительно быстрее, чем у судна с ВФШ. Это важно для судов, к которым предъявляются повышенные требования в отношении маневрирования (буксиры, ледоколы, паромы);
8. Обеспечивается простота реализации схемы с отбором мощности на привод валогенератора за счет возможности работы двигателя в режиме n=const.
2.4. Неустановившиеся режимы работы СДЭУ
2.4.1. Пуск ГД и ввод в режим эксплуатационной нагрузки
Пуск дизеля и вывод его на эксплуатационную нагрузку является одним из наиболее ответственных и напряженных режимов работы СДУ. Последовательность действий при подготовке к пуску и пуске ГД изложены в заводских инструкциях по эксплуатации двигателей и в нормативных Правилах технической эксплуатации.
В дизельных установках без ВРШ и разобщительных муфт при пуске ГД помимо затрат энергии на интенсивное раскручивание коленчатого вала двигателя, для создания в цилиндрах при сжатии давлений и температур достаточных для надежного самовоспламенения топлива, необходимо преодолеть силу инерции массы судна, момента инерции движущихся частей двигателя и сопротивление движению судна.
При страгивании в начальный момент пуска двигатель в установках с ВФШ работает за пределами швартовной характеристики даже при наличии в регуляторе устройства защиты от перегрузок (комбинированный способ управления) будет перегружаться по крутящему моменту.
Для обеспечения надежного пуска необходима качественная топливоподготовка, установка оптимального угла опережения впрыска, подогрев охлаждающей воды и смазочного масла для прогревания дизеля, хорошее состояние топливной аппаратуры, обязательная прокачка маслом с предварительным проворачиванием вала дизеля и контролем чистоты цилиндров, соответствующее давление пускового воздуха и воздуха системы управления, надлежащее техническое состояние компрессоров, поршневых колец, пуско-реверсивной системы.
На рис. 2.6 изображена схема изменения величины крутящего момента двигателя в зависимости от частоты вращения двигателя при установке заданной первоначальной пусковой частоты вращения [6].
Рис. 2.6. Пуск двигателя при комбинированном способе управления:
I – винтовая характеристика; II – швартовная характеристика; III – внешние характеристики двигателя (постоянная топливоподача); IV – заданная регуляторная характеристика; V – ограничительная характеристика
Участок 0–1 соответствует раскручиванию двигателя пусковым воздухом. При достижении пусковой частоты вращения в точке 1 отключается пусковой воздух и включается пусковая топливоподача, соответствующая пусковому заданию частоты вращения IV на всережимном регуляторе частоты вращения и ограничительной характеристике V.
Участок 1–2 соответствует резкому увеличению топливоподачи до ее пускового значения. Подвижный упор устройства защиты от перегрузки ограничивает ход сервомотора точкой 2. Если бы не было устройства защиты топливоподача увеличивалась бы до точки пересечения продолжения линии I-2 и регулировочной характеристики IV или до упора топливной рейки.
Участок 2–3 соответствует разгону двигателя по внешней частичной характеристике до выхода на швартовную характеристику II в точке 3. Участок 3–4 соответствует разгону судна. Далее в точке 4 управление топливоподачей переходит к регулятору, который снижает ее до выхода двигателя на установившийся режим в точке 5.
После пуска дизеля необходимо проверить показания всех контрольно-измерительных приборов, обратив особое внимание на давление смазочного масла, охлаждающих сред, топлива. Убедиться в отсутствии ненормальных шумов, стуков и вибрации. Проверить работу лубрикаторов смазки цилиндров [8].
Для осуществления пуска дизеля необходимо достигнуть определенной частоты вращения. При малой частоте вращения, вследствие снижения скорости движения плунжера и увеличения протечек топлива в насосных секциях ТНВД, давление нагнетания топлива резко снижается и качество распыливания его форсунками ухудшается. В двигателях с сервоприводом ТНВД и с аккумуляторными системами впрыска снижение давления впрыска не происходит.
Предусматривается три попытки пуска, различные программы и пуск с разных постов управления.
В некоторых двигателях предусмотрено отключение нескольких цилиндров для облегчения пуска за счет увеличения цикловой подачи топлива. Фирма Mitsui осуществила это на некоторых двигателях К90МС. Давление впрыска топлива в оставшихся в работе цилиндрах увеличилось. Стабильная работа ГД достигалась при 13 об/мин (тогда как номинальные обороты составляют 104 об/мин) [29]!
Ввод в режим эксплуатационной нагрузки и маневрирование.
Главный дизель после пуска или окончания маневров необходимо вводить в режим эксплуатационной нагрузки в течение времени, указанного в заводской инструкции по эксплуатации либо установленного судовладельцем. Запрещается сокращать время ввода дизеля в режим, за исключением случаев, связанных с угрозой человеческой жизни или безопасности судна.
Прогрев должен быть постепенным, чтобы не допускать перегрева и значительного изменения зазоров в сопрягаемых деталях двигателя и возникновения трещин. Более подробно вопросы ввода в эксплуатационный режим рассмотрены в [9].
Маневрирование – это изменение направления движения и скорости с помощью руля, движителя, подруливающих устройств. При маневрировании происходит временное утяжеление винтовой характеристики.
При наборе скорости разгон судна теоретически идет по винтовой характеристике, которая, как правило, располагается ниже ограничительной характеристики, как, например, у МОД и СОД двигателей MAN Diesel & Turbo (рис. 3.7, 3.11), двигателей Wärtsilä RT-flex 48T-D (рис. 3.9). Но иногда и совпадает с ограничительной характеристикой (Wärtsilä W38B, см. рис. 3.12).
Однако в установках с ВРШ винтовая характеристика часто совпадает с ограничительной характеристикой (Wärtsilä L32), почти совпадает (MAN L23/30, см. рис. 3.17) или даже находится выше ее, как, например, у двигателей MAK (рис. 3.21). Тогда рекомендованная область комбинаторных характеристик находится существенно ниже.
Колебания нагрузки при маневрировании, а значит и уровня теплонапряженности зависят от возможностей регулятора частоты вращения. Если регулятор реализует ограничения по теплонапряженности и давлению наддува (UG-40TL, PGA, электронные), то больших бросков топливоподачи при наборе мощности не будет (см. рис. 2.6). Если же такие функции не поддерживаются (регулятор UG-40), то нагрузки будут больше, а чрезмерное задание по частоте (R3) может привести к кратковременному максимальному положению рейки (выход на упор, на характеристику самого полного).
Допустим была уставка (задание) регулятора (R1), соответствующая малому ходу М вперед. Устанавливаем задание (уставку) среднего хода R2 или R3. Регулятор UG-40 отработает рассогласование частот вращения. Больше рассогласование, больше подача топлива. Продолжительность подачи в зависимости от нагрузки. А интенсивность подачи топлива зависит от настройки изодромной связи. Изодром может подать топливо быстро или растянуто.
Количества подаваемого топлива будут соответстветствовать подачам данных частичных характеристик, проходящих через точки пересечения винтовой характеристики I и новых заданных регуляторных R2 (или R3), а не уровню максимальной подачи (упор рейки).
Рис. 2.7. Маневровая операция при управлении регулятором типа UG-40: I, II, III – винтовые характеристики; R1, R2, R3 – регуляторные характеристики; СМ – Самый малый ход; М – Малый ход; С – Средний ход; СП – Самый полный ход.
Но в начале обороты еще не выросли до уровня заданной частичной характеристики. Весь прирост энергии полученной за счет сгорания увеличения подачи топлива пойдет на приращение момента, так как должен выдерживаться баланс энергии, поэтому и линия 01 идет выше линии С (или С1). Величина прироста энергии будет, конечно, зависеть и от эффективности использования впрыснутого топлива. На эффективность сгорания влияет эпюра впрыска.
Может произойти пересечение линии 01 сначала с регуляторной характеристикой в точке 1 с последующим разгоном по регуляторной характеристике R2 до точки 3, а возможен и выход на предельное ограничение подачи топлива в точку 1 штрих (упор рейки), если задание по оборотам было большим (характеристика R3). Тогда дизель разгоняется по характеристике максимальной подачи до частоты, которой соответствует точка 2, и далее по регуляторной характеристике R3 до режима 3 штрих.
С точек 3 или 3 штрих начинается разгон судна, инерция которого значительно больше инерции ГД и валопровода. Двигателем этот режим будет восприниматься как винтовой утяжеленный II. Положение этой линии будет зависеть от момента инерции ГД, валопровода, задания оборотов, изменения механических потерь в ГД и передаче.
Разгон судна будет более медленным и закончится в точке пересечения с винтовой характеристикой I в точке 4 (или 4 штрих).
Исходя из вышеизложенного однозначная рекомендация следующая: нагружать двигатель надо поэтапно, по возможности медленно. Однако, при управлении ГД штурманом с мостика эта рекомендация может не выполняться.
Аналогично происходит переходный процесс при изменениии режима с С1 на малый ход (М) в последовательности 4 штрих – 5 штрих – 6–7–0.
При использовании регуляторов, реализующих ограничения по теплонапряженности и наддуву (UG-40TL, PGA, большинство электронных) ограничительная характеристика, которая будет всегда располагаться ниже линии упора, будет снижать нарастание подачи топлива (см. рис. 2.7)
2.4.2. Страгивание судна с места и его разгон
На режиме страгивания судна с места ГД может быть перегружен по крутящему моменту.
Изменение нагрузки на ГД в период разгона судна показано на рис. 2.8 [1].
Рис. 2.8. Изменение нагрузки на двигатель в период разгона судна [1].
Разгон осуществляется ступенчато. Рукоятка управления регулятором последовательно с выдержкой по времени фиксируется в нескольких промежуточных положениях. На каждом промежуточной регуляторной характеристике делается выдержка во времени, необходимая для стабилизации теплового состояния двигателя. При достаточном количестве ступеней разгона судна удается затрачивать меньшую работу двигателя и исключается вероятность его перегрузки.
При экстренном разгоне судна рукоятка управления после запуска двигателя сразу переводится из положения Np1 в положение, соответствующее номинальной частоте вращения коленчатого вала. Рейка топливных насосов высокого давления передвигается регулятором в положение, соответствующее максимальной подаче топлива. Изменение эффективной мощности и частоты вращения коленчатого вала в период разгона происходит по более крутой винтовой характеристике (на рис. 2.8 – по характеристике, соответствующей относительной скорости судна
Двигатель выходит на внешнюю номинальную характеристику. При дальнейшем разгоне судна нагрузка на двигатель будет изменяться по внешней номинальной скоростной характеристике. Двигатель неизбежно перегружается
Точка 14 характеризует нагрузку на двигатель по окончании разгона судна. Таким образом, в штатных условиях медленный разгон осуществляется ступенчато приблизительно по винтовой теоретической характеристике.
В установках с ВРШ обеспечивается более быстрое протекание процесса разгона судна благодаря возможности полного использования эффективной мощности двигателей и получению более высоких тяговых характеристик судна
2.4.3. Реверсирование главного двигателя
Неустановившиеся процессы реверсирования и его фазы рассмотрены в известной литературе [1,9,30], поэтому ограничимся лишь рассмотрением некоторых моментов важных для обеспечения безопасной эксплуатации.
При торможении контрвоздухом (или при включения муфты реверса) резко возрастает нагрузка на ГД. Во избежание механических перегрузок контрвоздух следует подавать, когда частота вращения снизится до 30…40 % от номинального значения. Подача контрвоздуха при более высокой частоте малоэффективна из-за ограниченного поступления воздуха вследствие запаздывания момента открытия пусковых клапанов и недостаточности их время-сечения.
Реверсирование контрвоздухом может перевести судно на работу по более тяжелой винтовой характеристике нежели швартовная характеристика. Судно по инерции продолжает двигаться вперед, а ГД раскручивает винт на задний ход. Во избежание перегрузки двигателя по моменту следует снижать частоту вращения. А при работе на швартовых следует ограничивать частоту вращения во избежание перегрузки кормового конца коленчатого вала.
Реверсирование ГД, соединенного с ГВ через реверсивную муфту или реверсивный редуктор, осуществляется при снижении частоты вращения вала до 50…70 % от номинальной.
Гидродинамические передачи улучшают реверсивные свойства СДУ и сокращают время реверсирования. Время освобождения и наполнения рабочей жидкостью полостей гидромуфт составляет 5…15 с. Заполнение полости заднего хода начинается до полного опорожнения полости переднего хода. Длительность торможения ГВ составляет 10…30 с. Время реверсирования сокращается на 40…45 % [2].
В агрегатированных многомашинных редукторных установках с гидродинамическими и разобщительными фрикционными муфтами при частых переменах хода один двигатель может работать в одном направлении, а другой – в другом. Заполнение (включение) той или иной муфты быстро изменяет направление вращения гребного вала. При этом отпадает необходимость осуществлять запуски двигателей в процессе маневрирования и реверсирования судна.
При реверсировании с полного хода ГВ с помощью реверсивной муфты рукоятку ВРЧВ переводят на упор реверсирования (45…50 % от номинального значения оборотов), обеспечивая работу дизеля по регуляторной характеристике. ГВ перейдет в турбинный режим работы.
Муфта выключается когда частота вращения ГВ снизится до значения соответствующего упору реверсирования. Регулятор автоматически установит подачу холостого хода. Потом рукоятка муфты переводится на задний ход. ГД нагружается по регуляторной характеристике реверсирования, останавливается, а затем его можно нагружать по винтовой характеристике заднего хода, не выходя за пределы ограничительной характеристики [1].
В судовых дизельных установках с ВРШ реверсирование осуществляется поворотом лопастей гребного винта через нулевой шаг.
При реверсировании с полного хода Вперед конечное положение лопастей следует выбирать так, чтобы ГД в любой момент реверса не перегружался и крутящий момент на валу не превышал 100 %. Если условия работы судна предполагают частое экстренное реверсирование, ГД должен иметь запас по эффективному крутящему моменту.
Оптимальный вариант реверсирования с помощью ВРШ вручную трудно осуществить. Этим требованиям удовлетворяют автоматизированные системы управления судовыми дизельными установками с ВРШ
2.4.4. Режимы работы двигателей при циркуляции судна
По характеру воздействия на ГД весь маневр циркуляции судна следует разделять на участки входа и выхода из циркуляции и участок движения с постоянным радиусом циркуляции.
Рис. 2.9. Изменение нагрузки на двигатели при циркуляции двухвинтового судна [1].
На участках входа и выхода двигатели работают на неустановившихся режимах, вызванных изменением скорости судна, угла перекладки руля, угла дрейфа.
При сохранении радиуса циркуляции ГД работают на установившихся режимах, отличных, однако, от тех, что имели место во время хода судна на прямом курсе. При циркуляции судно движется не только по радиусу, но и с дрейфом, скорость его падает при той же частоте вращения ГВ. Винты работают в косом потоке и их КПД снижается. Нагрузка на ГД возрастает [1].
В многовальных установках наблюдается значительные перераспределения нагрузок между двигателями. Гребные винты, расположенные ближе к центру циркуляции, нагружаются в большей степени. На рисунке 2.9 показано распределение нагрузки между ГД при повороте судна налево
По оси абсцисс отложены значения углов поворота корпуса судна. В начале циркуляции правый наружный винт даже несколько разгружается, но в дальнейшем нагрузка увеличивается, превышая номинальную на 6…7 %. На левый двигатель нагрузка возрастает, достигая 170 %..
По мере поворота судна радиус циркуляции непрерывно уменьшается, а скорость судна падает. Происходит «утяжеление» винтовой характеристики. По опытным данным «утяжеление» винтовых характеристик для внутренних ГВ при циркуляции с полного хода оценивается коэффициентом 1,2…1,25, для внешних винтов – коэффициентами 1,1…1,15. Циркуляция даже при неполной частоте вращения приводит к перегрузке двигателей.
Рациональное управление такими режимами состоит в снижении частоты вращения ГД, работающего на ГВ, обращенный к центру циркуляции или полном отключении этой линии вала.
2.4.5. Управление режимами работы ГД в штормовых условиях
Плавание в неблагоприятных условиях (сильный шторм, ураган, тайфун) может привести к серьезным повреждениям корпуса, водотечности, разрыву обшивки, разрушению крепления механизмов и даже гибели судов (паромы «Эстония», «Тойя Мару», «Harta Rimba», танкеры «Китус», «Престиж», сухогрузы «Luno», «Arvin» др.). Работа ГД в штормовых условиях неизбежно связана с увеличением сопротивления движению судна, ростом и нестабильностью нагрузки на ГД. Необходимо предпринимать соответствующие обстановке действия и как можно чаще контролировать работу ГД по показаниям приборов и другими доступными способами.
При шторме бортовая и килевая качка неизбежна. Согласно требованиям РМРС главные и вспомогательные механизмы должны нормально работать при длительном крене при статических условиях на тот или иной борт до 15,0 градусов, при крене при динамических условиях (бортовой качке) до 22,5° градусов. Длительный дифферент на нос или на корму допускается до 5°, а динамический дифферент на нос или на корму (килевая качка) до 7,5°.
Рассмотрим работу ДЭУ с ВФШ в штормовых и предштормовых условиях. Изменение скорости судна и соответственно оборотов ГД вызывается: увеличением сопротивления движению из-за волновой и ветровой нагрузки, уменьшением КПД винта из-за работы в косом срезе, ограничением используемой мощности ГД, намеренным снижением скорости при возникновении ударов корпуса о волны и с целью снижения чрезмерных ускорений при качке. Предельные значения скорости можно определить по штормовым диаграммам В. Б. Липиса и Д. В. Кондрикова.
При движении навстречу волне в широком диапазоне курсовых углов возможно возникновение такого явления как слемминг (удары днищем о волны). Тогда необходимо снижение скорости и уменьшение осадки судна носом.
Нагрузки на ДЭУ неустановившиеся и непрерывно изменяющиеся во времени, так как происходят частые перекладки руля, изменение глубины погружения ГВ. Винтовая характеристика будет изменяться от утяжеленной до облегченной и обратно с изменяющейся частотой.
Необходимо обеспечить надежную работу ГД без значительных механических и тепловых перегрузок, в то же время необходимо обеспечить максимально возможное использование мощности ГД, не допуская его остановки по предельной частоте вращения. Изменение нагрузки на двигатель во время плавания в штормовых условиях можно проследить по графику, изображенному на рисунке 2.10 [9]
Рис. 2.10. Работа двигателя в штормовых условиях:
I – теоретическая винтовая характеристика, соответствующая номинальной мощности;
II, III – утяжеленная и облегченная винтовые характеристики; а0, а1 – характеристики постоянной топливоподачи; b1, b2 – регуляторные характеристики; b0 – ограничительная регуляторная характеристика; IV – ограничительная характеристика (показана упрощенно и условно прямой линией).
Возможны различные способы управления ГД.
Ручное управление с постоянной топливоподачей (gu = const). При поддержании номинальной подачи топлива частота вращения и нагрузка будет меняться в диапазоне 3–1–2 (при всходе на волну) и 2–1–3 (при сходе с волны).
Этот способ управления реализуется при работе с предельным регулятором частоты вращения (например, регулятором двигателя ДКРН 70/120) или при работе в аварийном режиме (управление с местного поста двигателя). При этом частота вращения будет выходить за ограничительную характеристику bо, что недопустимо, а в диапазоне 1–2 двигатель будет перегружаться. По этим причинам во время шторма можно перейти на частичную характеристику а1, которая обеспечивает работу по линии 7, 5, 9. и ограничить предельную частоту вращения. Это уже будет вариант простого комбинированного способа управления (и частотой и подачей топлива), но без учета ограничений крятящего момента.
При использовании указанного ранее всережимно-предельного регулятора в режиме всережимного между толкателем и роликом ограничения частоты в регуляторе устанавливают проставку, задавая тем самым меньшее значение максимально допустимой частоты вращения. Несколько ослабевают затяг пружин чувствительного элемента маховиком регулятора. Затем увеличивают подачу топлива до номинального значения (по нагрузке) [70]. Работа будет осуществляться по линиям 6–5–7 и обратно 7–5–6.
При использовании всережимных регуляторов с ограничениями подачи топлива по повышению тепловой напряженности и понижению давления наддува работа будет происходить по линиям 6–4–7 и 7–4–6.
При сильном волнении моря судно движется с малой скоростью, частота вращения коленчатого вала часто не превышает 25–40 % от номинальной. Двигатель работает неустойчиво и может заглохнуть, при резком увеличении сопротивления движению судна.
Большие колебания частоты вращения, вызывают значительные динамические нагрузки, колебания крутящего и опрокидывающего моментов. Рост динамических нагрузок из-за сил инерции приводит также к ускоренному износу приводов навесных насосов, распределительного вала.
Ухудшаются условия работы дейдвудного устройства и подшипников валопровода, особенно упорного из-за неравномерности вращения коленчатого вала и вибрации корпуса судна.
Работа на пониженных частотах приводит к частичному разрегулированию двигателя по максимальному давлению сгорания и температурам выпускных газов. Это вызвано неравномерностью цикловых подач по цилиндрам. Одни цилиндры будут перегружены, другие цилиндры будут недогружены.
Из-за этого снижение топливоподачи, а, следовательно, и эффективной мощности и нагрузки должно быть в принципе более значительным и описываться линией, расположенной ниже линии а1.
Тепловая нагрузка на двигатель меняется незначительно, но снижение мощности продлевает время нахождения судна в зоне шторма.
При автоматическом регулировании при помощи всережимного регулятора (n = const) изменение частоты вращения будет незначительным, но возможны резкие изменения подачи топлива и, соответственно, нагрузки двигателя. Во избежание больших перегрузок необходимо перейти на пониженную регуляторную характеристику b1 или b2, хотя при этом все равно будут значительные колебания нагрузки, а развиваемая двигателем мощность, будет существенно меньше.
Но и снижение частоты вращения ГД только путем уменьшения затяжки пружины чувствительного элемента регулятора ограничено, если используется обычный всережимный регулятор. Так, например, при работе в штормовых условиях двигателя 6L35MC (с регулятором UG-40), имеющего обороты полного хода – 170 об/ мин., а обороты эксплуатационного хода – 150 об/мин., снизить частоту вращения удается только до 135…140 об/мин. При дальнейшем снижении частоты вращения двигателя возрастали температуры по цилиндрам, так как на таких режимах турбокомпрессор уже не обеспечивал расход наддувочного воздуха, соответствующий подаче топлива, то есть точка 7 находящаяся на пересечении ограничительной характеристики и регуляторной характеристики b1 находилась бы ниже точки пересечения регуляторной характеристики b1 и утяжеленной винтовой характеристики II.
Некоторые регуляторы (EGC 2000 Lyngso Marine) обеспечивают постоянство мощности ГД при волнении моря, уменьшая диапазон колебаний тепловой нагрузки (подр. 6.2.3.3).
В ряде регуляторов (UG-40TL, PGA Вудвард и в большинстве электронных) предусмотрена защита по тепловой перегрузке и давлению наддува. Ограничительные характеристики реализуются, например, в виде подвижного упора (в UG-40TL), ограничивающего движение поршня сервомотора в зависимости от частоты вращения и давления наддува. Реализуется комбинированная характеристика управления, которая характеризуется большей мощностью (6–4–7).
По опытным данным, степень утяжеления винтовой характеристики и увеличение нагрузки на двигатель в условиях плавания на 4…5-х бальной волне достигает 1,13…1,16 (при той же частоте вращения) по сравнению с плаванием в штилевую погоду. Пределы колебания нагрузки при всходе на волну и сходе с волны составляют 1,25…0,9 [10]. При этом увеличение потребной мощности в значительной мере зависит от направления движения судна по отношению к волне.
Таким образом, наиболее эффективным способом управления ГД с ВФШ во время шторма является работа по комбинированной характеристике.
При плавании в балласте или с неполным грузом во время шторма необходимо балластировкой обеспечить, возможно, большее погружение винта.
Для предотвращения срыва потока охлаждающей воды забортную воду следует принимать через донный кингстон и периодически выпускать воздух из приемных фильтров.
В установках с ВРШ и валогенератором (ВГ) с постоянным передаточным числом традиционной конструкции рекомендуют отключать ВГ по соображениям безопасности. При резких колебаниях частоты вращения возможно срабатывание защиты ВГ традиционной конструкции и полное обесточивание СДЭУ. В штормовых условиях СДЭУ с ВРШ работают при постоянной частоте вращения ГД, а нагрузка меняется разворотом лопастей винта. Если регулятор надежно держит обороты, то ВГ отключать не надо. Но если в результате заглубления винта произойдет значительное падение частоты за предельное ограничение для ВГ, то он отключится и должен автоматически включиться ДГ.
Надежно избежать обесточивания из-за аварийного отключения ВГ можно при параллельной работе ВГ с ВДГ, которая обычно не рекомендуется. Однако существуют схемы, обеспечивающие устойчивую работу ВГ и ВДГ в широком диапазоне частот вращения ГД (см. подраздел 2.5).
Возможности использования ВГ при работе в предштормовых и штормовых условиях зависят от способа подключения и конструкции ВГ. В современных дизельных СЭУ применяются три основных типа ВГ: с постоянным передаточным числом, с постоянной частотой вращения и с постоянной электрической частотой (см. подраздел 2.5). Они имеют различные схемы компоновки устройств отбора мощности от ГД и используют различные системы регулирования частоты, которые позволяют генерировать электрическую энергию с постоянной частотой электрического тока при изменении частоты вращения ГД [28].
Качество производимой электроэнергии зависит от типа ВГ, работающего на определенных частотах вращения ГД. Для иллюстрации возможности выработки электрической энергии приведенными выше тремя типами ВГ на рисунках 2.16 и 2.17 представлены соответствующие графические зависимости.
Очевидно, что лучшими возможностями для успешной реализации режима работы судовой ДЭУ совместно с валогенератором в штормовых условиях обладает валогенераторная система с постоянной с электрической частотой PTO CFE.
В электронных регуляторах двигателей с электронным управлением можно быстро (путем нажатия кнопки «Reogh Seа» в регуляторе DGU 8800 [29] и перехода на режим «Power» в регуляторе EGS 2000) менять настройки изодромной связи при переходе к работе ГД в условиях волнения моря.
Следует иметь в виду, что со временем с изменением статических характеристик пропульсивного комплекса эти параметры следует корректировать. Для нормальных условий плавания и для плавания в условиях волнения моря эти параметры разные.
Важнейшими параметрами настройки регулятора, определяющими динамические режимы работы пропульсивного комплекса является передаточный коэффициент «P\GAIN» и время изодрома «I\GAIN». От запрограммированных исходных величин этих параметров зависит вид переходных процессов и их колебательность в динамических режимах, что в конечном итоге влияет на износ двигателя и расход топлива. При этом динамика переходных процессов в регуляторе и двигателе изменится в благоприятную сторону.
При работе в штормовых условиях надежная работа системы смазки обеспечивается повышением уровня масла в циркуляционном танке до верхней отметки во избежание попадания в масло воздуха при качке.
Бортовая качка усугубляет условия работы поршней в цилиндрах и ухудшает условия их смазывания. При неправильном обслуживании возможны задиры поршня, поэтому целесообразно увеличить подачу лубрикаторного масла в цилиндры и постоянно контролировать тепловое состояние двигателя.
Мы рассмотрели работу ГД при движении на постоянном курсе. Однако, возможные условия эксплуатации более разнообразны. При сильном шторме с ураганным ветром и, соответствующим таким невеселым обстоятельствам, волнении моря, рекомендуется для сохранения безопасности судна способ штормования на носовых курсовых углах. Этот способ штормования наиболее приемлем для судов, у которых полубак защищает палубу от заливания, а полные обводы носовой части и дифферент на корму облегчает всплывание судна на волне. Могут иметь место удары днищем о волны (слемминг). Для удержания судна носом к волне необходимо обеспечивать минимальный ход, достаточный для управления. При этом следует учитывать, что малая скорость судна требует частых и больших перекладок руля.
Если судно достаточно хорошо управляется, а бортовая качка не очень большая, то можно идти курсом не строго против волны, а встречать волну скулой, в этом случае будет больше заглубление винта. Крупнотоннажным судам рекомендуется для уменьшения изгибающих моментов на корпусе штормование на курсовых углах волнения (КУВ) 35–45 градусов [69]. Для надежного удержания судна на курсе рекомендуется периодически менять направление.
Многое зависит от конструкции судна, его загрузки. Так, например, в работе [78] для обеспечения оптимальной скорости танкера предлагается использовать маневр «12–60». Дело в том, что наибольшие скорости движения танкера достигались при курсовых углах ветра и волнения 12 и 60, а наибольшее сопротивление движению в диапазоне углов 24–40. Был предложен способ эффективного последовательного маневрирования танкера в шторм – «12–60». Сначала танкер двигался носом на волну с КУВ 12. Через некоторое время переход на КУВ 60, чтобы не отклониться от курса. После возвращения на первоначальную линию пути с КУВ 0 маневр повторялся.
Для других судов оптимальные углы будут другими, но зная их можно поступая аналогично обеспечить эффективное движение в шторм.
Таким образом, нагрузка на ГД будет еще и периодически увеличиваться за счет необходимости маневрирования в таких сложных условиях. Это необходимо учитывать при выборе уставки частоты вращения, а, возможно, и настройке линии ограничительной характеристики. Но это не все сложности. Предположим предстоит поворот судна.
Поворот судна в штормовую погоду – очень ответственный и опасный маневр. Иногда он совершенно необходим при изменении условий штормовой обстановки, возникновении опасности по курсу или в силу других причин. Перед началом поворота экипаж должен быть извещен об этом, так как будет происходить усиление качки, зарывание в волну и т. п.
Чтобы успешно осуществить поворот при сильном волнении моря, необходима правильная оценка обстановки и правильный выбор момента начала маневра. Надо установить периодичность больших и малых волн, чтобы весь маневр или его часть осуществить в период малых волн и максимально быстро.
Если судно держится на малом ходу носом против волны и нужно развернуться, чтобы идти с попутной волной, следует начать поворот еще при достаточно сильной волне, чтобы судно стало лагом к волне в момент наступления относительно спокойного периода. Первую половину разворота необходимо выполнить с переложенным на борт рулем. Главному двигателю временами придется работать на полной мощности, но так, чтобы судно не увеличивало хода. Закончить поворот нужно как можно быстрее.
Если судно идет с попутной волной, и необходимо развернуться носом против волны, то надо уменьшить ход и выбрать наиболее удобный момент для начала маневра так, чтобы сделать последнюю половину разворота в течение относительно спокойного периода. Первую половину разворота рекомендуется сделать при возможно меньшем переднем ходе судна, а вторую осуществить с помощью ГД, периодически работающего на полный ход в течение короткого периода. Значит в эти периоды можно снять ограничение по теплонапряженности, чтобы кратковременно максимально использовать мощность ГД.
На панели управления AutoChief® можно произвести отмену SHD и SLD по подаче топлива и ограничению нагрузки, которые активны в системе дистанционного управления при обычных условиях плавания.
Для обеспечения безопасного маневрирования следует помнить, что запрещено вести судно на большой скорости при встречной волне и на большой скорости при волне в корму, особенно когда длины судна и волн почти одинаковы. Чтобы исключить резонанс периода волн с периодом бортовой качки судна при следовании лагом к волне следует возможно чаще менять курс. ГД будет подвергаться дополнительным нагрузкам и техническое состояние его узлов, прежде всего ТА, должно соответствовать условиям эксплуатации.
2.5. Режимы работы ГД с валогенератором
Использование ВГ снижает мощность, идущую на движение судна, но повышает экономичность установки в целом. ВГ приводится от вала дизеля (рис. 2.11). Изменение частоты вращения ГД во время эксплуатации отрицательно влияет на эффективность использования ВГ.
Рис. 2.11. Зона спецификационных режимов работы ГД при работе с ВГ.
1 – винтовая характеристика, проходящая через режимную точку S при работе с нагруженным валогенератором; 2 – тяжелая винтовая характеристика при отключенном валогенераторе (обросший корпус, судно в грузу); 6 – облегченная винтовая характеристика (чистый корпус) [28].
В современных СЭУ применяются три основных типа ВГ:
1) с постоянным передаточным числом (PTO/GCR);
2) с постоянной частотой вращения (Power Take-Off/Renk Constant Frequency или сокращенно PTO/RCF);
3) с постоянной электрической частотой (Power Take-Off/Constant Frequency Electrical, сокращенно PTO/CFE).
Они имеют разные схемы компоновки устройств отбора мощности от ГД (табл. 2.1) и используют различные системы регулирования частот.
Режим работы ПК судна будет зависеть от наличия в работе и нагрузки валогенератора. Во многих случаях суммарная максимальная длительная мощность двигателя определяется простым сложением тяговой мощности и мощности, потребляемой валогенератором.
Рабочую точку можно найти расчетом: S=SMCR+SG, где SG это мощность, необходимая для работы валогенератора (рис. 2.11).
Таблица 2.1. – Схемы компоновки и характеристики систем отбора мощности различными типами ВГ
При наличии в работе ВГ и работе на малых ходах необходимо предусмотреть дополнительный запас мощности для обеспечения разгона судна без критических перегрузок при плохой погоде или значительном обрастании корпуса. Кривая разгона судна выйдет за пределы зоны суммарных нагрузок (на рис 2.11 зона выделена желтым цветом), но она не должна выходить за пределы кратко-временной ограничительной характеристики.
Мощность ГД, расходуемая на движение судна, при включении ВГ, будет уменьшаться при использовании валогенератора в качестве валомашины, работающей от ДГ, мощность, передаваемая на винт, будет увеличиваться.
Использование валогенераторов на судах целесообразно по следующим причинам: более высокий по сравнению с ВД коэффициент полезного действия ГД, больший срок службы, низкий уровень шума, возможность стабилизации нагрузки ГД, работающих на некоторых специфичных режимах ряда судов с недогрузкой (траулеры, суда ледового плавания, буксиры). На рыболовецких судах ВГ обеспечивают электропитание траловой лебедки.
Кроме того, на старых судах ГД обычно используют более дешевое топливо, нежели ВДГ. ВГ бывают простые (PTO/GCR), то есть без системы регулирования частоты вращения и пропорциональной ей частоты электрического тока. Тогда ГД постоянно работает на одной и той же заданной частоте вращения.
На рыболовецких траулерах ВГ позволяют существенно стабилизировать нагрузку ГД на различных ходовых режимах (без трала, при постановке и выборке различных тралов) и обеспечивает электропитание траловой лебедки. ВГ бывают простые, то есть без системы регулирования частоты вращения и пропорциональной ей частоты электрического тока. Тогда ГД постоянно работает на одной и той же заданной частоте вращения. Такой режим часто имеет место при работе ГД с ВРШ по нагрузочной характеристике.
Рис. 2.12. – Компоновка валогенератора в составе пропульсивной установки с МОД [28]
Валогенераторы с постоянным передаточным числом (Power Take-Off/Gear Constant Ratio или сокращенно PTO/GCR), состоят из стандартного синхронного генератора переменного тока и повышающей передачи.
Частота вращения генератора пропорциональна частоте вращения ГД. Наиболее качественная работа такого ВГ обеспечивается при постоянной частоте вращения гребного винта.
Однако скорость вращения гребного винта и ГД изменяются в зависимости от скорости судна и сопротивления его движению. Следовательно, электрическая энергия, генерируемая системой PTO/GCR, будет иметь переменную частоту тока, а большинство судового электрооборудования работоспособно при незначительных изменениях частоты тока (от 50 до 60 Гц).
Система PTO/GCR работоспособна при диапазоне частот вращения двигателя 80–97 % и диапазоне мощностей от 52 до 90 %. ВГ типа PTO/GCR используются для обеспечения потребителей электроэнергией большую часть эксплуатационного периода. КПД такой системы составляет 96 %.