Эксплуатация судовых энергетических установок



Рис. 5.6. Конденсатор регенеративного типа: 1 -- трубки; 2 -- корпус конденсатора; 3 -- патрубок отсоса газов и воздуха; 4 -- отводящая перегородка; 5 -- центральный канал; 6 -- уровень конденсата; / -- отработавший пар; // -- пар к конденсатному насосу

Для отвода выделяющихся газов и паров имеются перегородки. В трубных досках с обеих сторон установлено множество трубок, опирающихся на промежуточные опоры. Забортная вода в трубках совершает два хода.

Конденсатный насос. Этот насос предназначен для откачки воды из конденсатора, в котором поддерживается вакуум. На выходе из насоса создается напор для подачи воды в деаэратор или к питательному насосу. По конструкции конденсатные насосы, как правило, центробежные, двухступенчатые, с вертикальным валом. Устройство насосов описано в гл. 6. Для нормальной работы этих насосов необходим определенный минимальный напор на всасывании, а также некоторый контролируемый уровень конденсата в конденсаторе. В первую ступень насоса поступает вода, которая почти кипит в условиях вакуума, существующего во всасывающей трубе. Во вторую ступень вода поступает уже с некоторым положительным давлением, а на выходе из второй ступени вода имеет заданное давление.

В конденсаторах, где уровень конденсата может колебаться или если отстойник почти сухой, можно применять саморегулирующиеся конденсатные насосы. Саморегуляция в них происходит во время кавитации, возникающей, когда напор на всасывании падает до очень малого значения. Кавитация представляет собой процесс возникновения и разрушения пузырьков пара в результате которого подача насоса падает до нуля. По мере повышения напора на всасывании кавитация исчезает, и насос снова начинает подавать воду. При кавитации, как правило, возникают различные повреждения (см. гл. 11), но при низком давлении, существующем в конденсатных насосах, повреждений не наблюдается. Кроме того, крыльчатку насоса можно сконструировать так, что будет происходить сверхкавитация, т. е. разрушение пузырьков после выхода их с крыльчатки.

Воздушный эжектор. С помощью воздушного эжектора отсасываются воздух и пары, которые выделяются из конденсирующей

Паровой котел в комплекте с дополнительными поверхностями нагрева обычно называется котельным агрегатом или парогенератором. Один или несколько котельных агрегатов вместе с обслуживающими их вспомогательными механизмами и устройствами (насосами, вентиляторами, теплообменными аппаратами) называется котельной установкой (КУ).

На морских судах с паротурбинными энергетическими установками паровые котлы предназначены для производства пара, необходимого для работы главных паровых турбин и других вспомогательных потребителей. Такие котлы называются главными паровыми

На судах с ДВС или ГТУ паровые котлы служат для обеспечения паром некоторых вспомогательных механизмов, а также потребителей тепловой энергии (отопление, хозяйственно-бытовые нужды, подогрев топлива, разогрев груза на танкерах). Такие котлы называются вспомогательными паровыми. Вспомогательные котлы, обогреваемые отработавшими газами ДВС и ГТУ, называются утилизационными. В некоторых случаях вспомогательные котлы устанавливают и на паротурбинных судах для обеспечения потребности в паре на стоянках и для замены главного котла при его неисправности.

Судовой паровой котел должен:

– обладать высокой степенью надежности работы, так как морские суда совершают длительные безостановочные переходы;

– занимать на судне возможно меньше места и иметь небольшую массу;

– производить пар с достаточно малой влажностью;

– пароперегреватель должен обеспечивать заданную температуру перегрева пара;

– допускать быстрое изменение режима работы;

– обеспечивать временное увеличение паропроизводительности сверх номинальной при форсировании хода судна.

Желательно, чтобы ввод в действие парового котла требовал немного времени.

Номинальной (нормальной) паропроизводитепъностью называется такая, которую агрегат может обеспечить в течение неопределенно долгого времени. Максимальной называется паропроизводительность, которая достигает в течение ограниченного времени. Обычно при работе на этом режиме экономичность агрегата снижается. В некоторых случаях о качестве конструкции котла можно судить по установленному для него давлению пара.

Существенным показателем работы котла является его относительное водосодержание, т.е. отношение массового количества воды, содержащейся в котле, к его часовой паропроизводительности. Эта величина показывает, сколько времени требуется для испарения всей воды, содержащейся в котле, если его нагрузка соответствует расчетной производительности.

Показателем экономичности котельного агрегата является его коэффициент полезного действия, т.е. отношение количества теплоты, использованной на парообразование, к количеству теплоты выделяющейся при полном сгорании израсходованного топлива. КПД современных главных котельных агрегатов достигает 96%, что обеспечивается высокой степенью использования теплоты продуктов сгорания на получение пара, его перегревом и подогревом воздуха, поступающего в топку.

КПД вспомогательных котлов, в связи с меньшей паропроизводительностью и иногда отсутствием дополнительных поверхностей нагрева, редко превышает 80%.

Оборудование котельных установок

Для сжигания основного котельного топлива - мазута в топках котлов используются форсунки, осуществляющие распыл жидкого топлива. В состав топочного устройства входит также воздухонаправляющее устройство для перемешивания частиц топлива с воздухом, поступающим в топку.

По способу распыливания форсунки могут быть паровые, механические и паромеханические.

Паровые форсунки основаны на распыливании мазута действием кинетической энергии струи пара, непосредственно соприкасающейся со струей мазута. Эти форсунки дают хорошее распыливание мазута, просты по устройству, надежно работают при любых режимах, но расходуют много пара (3 - 5% всего пара, производимого котлом).

Из-за большой потери пресной воды паровые форсунки на морских судах не используют.

Механические форсунки широко применяют на судах. Их делят на форсунки с распыливанием мазута за счет давления топлива, создаваемого топливным насосом, и форсунки с вращающимся распылителем. Первый тип встречается особенно часто и известен как обычный тип механических форсунок.

В механических форсунках распыливание топлива достигается при истечении его из отверстий распылителя под давлением, создаваемым топливным насосом.

Подачу форсунки можно регулировать изменением давления мазута, а также сменой распыливающих шайб. Особенно удобно регулировать подачу перепуском части мазута в приемную магистраль топливного насоса с помощью клапана на перепускной трубе.

В настоящее время лучшими форсунками считаются комбинированные паромеханические, в которых использованы преимущества паровых форсунок при одновременном значительном снижении расхода пара на их действие.

В паромеханической форсунке распыливание мазута происходит за счет энергии удара струй мазута и пара, движущихся с большой скоростью.

У паромеханических форсунок можно регулировать подачу (10- 100%). При подаче, близкой к полной, форсунки могут работать без подвода пара. Расход пара на действие паромеханических форсунок не превышает 0,5% производительности котла. Каждую форсунку устанавливают в центре воздухонаправляющего устройства.

Горение в топке котла возможно только при непрерывном подводе воздуха в топку и непрерывном отводе продуктов сгорания. При движении через газоходы и воздуховоды воздух и газы должны преодолевать некоторые сопротивления. Эти сопротивления преодолеваются силой тяги или/и нагнетания. Различают тягу естественную - с помощью дымовой трубы (самотяга), и искусственную (дутье), создаваемую вентилятором. Естественная тяга обеспечивается за счет разности давлений в месте входа воздуха и в месте выхода газов. Искусственная тяга может быть обеспечена отсасыванием отходящих газов или нагнетанием воздуха. Оба вида тяги можно применять одновременно.

В котельных агрегатах современных судов применяют дутье в топку в комбинации с самотягой. При дутье напор вентилятора рассчитывают так, чтобы в топке поддерживалось небольшое избыточное давление. Таким образом, вентилятор преодолевает сопротивления воздухоподогревателя, воздухонаправляющего устройства и часть сопротивлений самого котельного агрегата. Остальные сопротивления преодолеваются самотягой.

В работающем паровом котле необходимо регулировать количество подаваемого топлива, воздуха и питательной воды в зависимости от изменения расхода пара, уровня воды в котле и давления пара. Котлы старых конструкций, отличающиеся большим водосодержанием, допускают ручное регулирование. Современные котлы, имеющие малое водосодержание и особенно работающие при частых изменениях режима, не могут работать в условиях ручного регулирования, так как даже у самых опытных котельных машинистов реакция на изменение регулируемых величин неизбежно запаздывает, что приводит к недопустимым колебаниям параметров. Поэтому все современные котельные агрегаты морских судов имеют автоматические системы регулирования питания и горения. Эти системы обеспечивают постоянство уровня воды в котле и давления пара, оптимальное количество воздуха, поступающего в топку. Иногда применяют и автоматическое регулирование температуры перегрева пара.

Эксплуатационная надежность и эффективность работы паровых котлов во многом зависит от качества воды, используемой в котельных агрегатах, в первую очередь от питательной и котловой. Для обеспечения требуемых норм качества питательной воды она подвергается различной обработке: фильтрации, деаэрации, дистилляции, электрохимическому и химическому обессоливанию и т.д. Задачей обработки котловой воды является преобразование накипеобразующих веществ в шлам, который удаляется при продувании котла.

При обслуживании котлов большое внимание должно уделяться выполнению действующих правил технической эксплуатации паровых котлов и инструкций по эксплуатации и технике безопасности.

Лекция № 5. Судовые газотурбинные энергетические установки

5.1 Газотурбинные установки

Газотурбинные установки (ГТУ) являются в настоящее время наиболее легкими теплоэнергетическими установками, что обусловило их применение, прежде всего в авиации, а также на легких скоростных судах.

ГТУ являются перспективным типом СЭУ, так как они сочетают в себе положительные качества ПТУ и ДЭУ, и проще по устройству. В отличие от ПТУ в ГТУ отсутствуют паровые котлы, деаэраторы, конденсаторы и ряд других элементов, входящих в состав конденсатно-питательной системы. Нет узлов с возвратно-поступательным движением, как в ДЭУ. Все это значительно повышает надежность ГТУ, упрощает обслуживание и управление установкой, дает возможность иметь меньший штат обслуживающего персонала.

Схема газотурбинной установки показана на рис. ?19.

Рис. 19. Схема газотурбинной установки

Воздушный компрессор 2 сжимает воздух, повышая его давление от p₁ до р₂, и непрерывно подает его в камеру сгорания 3. В камеру же специальным насосом 1 через форсунку непрерывно подается необходимое количество жидкого топлива. Горение топлива происходит при постоянном давлении, следовательно, подвод теплоты осуществляется в изобарном процессе. Образующиеся продукты сгорания (газы) выходят из камеры сгорания и поступают в газовую турбину 4, где они адиабатно (без теплообмена с внешней средой) расширяются, в результате чего их температура снижается, а давление уменьшается до атмосферного. При этом турбина производит работу. Часть этой работы расходуется на привод компрессора. Разность этих работ есть полезная работа ГТУ на потребитель 8 (например, на привод винта) обычно через редуктор 7. Пуск ГТУ осуществляется пусковым электродвигателем б через разобщительную муфту 5.

Рис. ?. Теоретический цикл ГТУ: 1-2- адиабатический процесс сжатая воздуха в компрессоре; 2-3 - изобарный подвод теплоты в камере сгорания; 3-4- адиабатический процесс расширения газа в турбине; 4--1 - изобарный отвод теплоты с выпускными газами в атмосферу

На рис. ? полезная работа ГТУ показана площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). Коэффициент полезного действия идеального цикла 1 ТУ зависит от степени повышения давления

s = р₂/р₁

В идеальном цикле ГТУ КПД возрастает с увеличением s?

Реверсирование ГТУ осуществляется одним из трех способов: применением ступеней заднего хода, использованием реверсивной передачи и применением ВРШ.

По сравнению с другими СЭУ установки с газовой турбиной имеют ряд преимуществ, основные из которых:

– большая агрегатная мощность при минимальных удельной массе и габаритах (меньше занимаемая площадь и объем машинного помещения);

– высокая надежность, обусловленная ротативным принципом действия и простотой кинематической схемы; простота обслуживания, возможность быстрого пуска и высокая приемистость;

– потенциальные возможности дальнейшего уменьшения расхода топлива по мере совершенствования ГТУ; хорошая приспособленность к автоматизации и дистанционному управлению вследствие простоты пуска и регулирования.

Общими недостатками газотурбинных установок являются:

- относительно низкая экономичность из-за ограниченной начальной температуры газа;

- зависимость надежности и экономичности ГТУ от воздействия внешней среды;

- жесткие требования к качеству топлива и большие затраты на него;

- трудность осуществления реверса больших установок;

- большие размеры воздухо- и газоходов, обусловленные значительным избытком воздуха, подаваемого в камеру сгорания, что усложняет компоновку ГТУ на судне.

Непрерывность рабочего процесса, протекающего в ГТУ, и отсутствие частей с поступательным движением позволяют строить их с большой частотой вращения, получать в одном агрегате большие мощности при малых габаритных размерах и массах. Благодаря созданию жаростойких материалов, высокоэкономичных турбин и компрессоров, а также решению некоторых других технических вопросов, ГТУ широко применяются на скоростных пассажирских судах, в первую очередь СПК и СВП.

Опыт отечественной и зарубежной судовой энергетики в постройке и эксплуатации ГТУ показывает, что эти установки могут успешно конкурировать с ДЭУ и ПТУ по основным технико-эксплуатационным показателям. По части маневренных показателей газовая турбина превосходит дизель, по другим - находится на том же уровне, что и МОД: при работе на ВРШ она обеспечивает надёжный реверс в течение 2-х мин при выбеге не более пяти длин корпуса судна. Значительно лучшие массогабаритные показатели, даже несмотря на большие удельные расходы топлива, дальнейшее развитие по линии обеспечения меньшей стоимости эксплуатации, позволяют ГТУ обеспечивать большую эффективность грузоперевозок вследствие меньших размеров машинного отделения и большей грузовместимости судна.

Тепловая эффективность ГТУ может быть повышена в первую очередь за счет увеличения начальной температуры газа, что осуществимо при использовании более высококачественных жаропрочных материалов и применении эффективного охлаждения проточной части газовых турбин.

Кроме простейшей ГТУ открытого цикла, которая была описана выше, такие установки могут быть выполнены и по закрытому циклу. В этом случае в них непрерывно циркулирует одно и то же количество рабочего тела (воздух, азот или другой газ), которое после сжатия в компрессоре нагревается до заданной температуры в специальном нагревателе (нагревателем может быть и ядерный реактор), а затем расширяется на лопатках газовой турбины.

Даже при относительно высокой температуре газов перед турбиной ГТУ, работающие по простому циклу, имеют низкую экономичность. Их обычно используют только на легких судах, так как основными требованиями в этих случаях являются простота устройства, малые масса и габариты.

Для газотурбинных установок транспортных судов необходима повышенная экономичность на всех режимах.

Основной метод повышения экономичности ГТУ - регенерация, т.е. использование теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Воздух после сжатия в компрессоре направляется в подогреватель, использующий теплоту отработавших газов турбин. После этого подогретый воздух поступает в камеру сгорания. Отработавшие газы, отдав часть теплоты в подогревателе (или регенераторе), выходят в атмосферу. Так как в регенераторе воздух подогревается за счет теплоты отработавших газов, то для достижения определенной температуры газов перед турбиной требуется подвести меньше теплоты в камере сгорания (уменьшить расход топлива). Это позволяет повысить эффективный КПД ГТУ до 0,28, в то время как в простейшем цикле этот показатель обычно не превышает 0,22.

Известно, что при сжатии воздуха в многоступенчатом компрессоре расход энергии меньше, чем в одноступенчатом. С учетом этого в ГТУ широко используется разделение компрессоров на несколько агрегатов. Чаще всего установка состоит из компрессора высокого давления и компрессора низкого давления, между которыми устанавливается промежуточный охладитель воздуха. Использование трехступенчатого сжатия воздуха используется реже, т.к. повышает экономичность установки в меньшей степени, зато приводит к заметному ее усложнению.

Экономичность ГТУ может быть повышена и путем повторного подогрева газа, т.е. осуществлением ступенчатого сжигания топлива в двух камерах сгорания, последовательно расположенных по ходу газа между турбинами (аналогично повторному перегреву пара в ПТУ).

Максимальное приближение к идеальному циклу тепловых машин обеспечивает совместное применение в ГТУ промежуточного охлаждения воздуха, промежуточного подогрева газа и регенерации. Схема такой ГТУ изображена на рис. ?21.

Хотя принципы действия газовых и паровых турбин аналогичны, между ними имеются значительные конструктивные отличия. Экономичность ГТУ находится в прямой зависимости от начальной температуры газа. Верхний предел этой температуры определяется жаропрочностью материала проточной части турбин и ограничивает срок службы ГТУ. В связи с этим для ГТУ транспортных судов, рассчитанных на большой срок службы, температуру газов перед турбиной приходится снижать до 700 - 800°С за счет увеличения коэффициента избытка воздуха при горении. Но и при этом в ПТУ начальная температура пара значительно ниже. Поэтому ответственные детали газовых турбин изготавливают из специальных сталей и сплавов. Кроме того, для корпусов и дисков некоторых газовых турбин предусматривают систему охлаждения.

Рис.? 21. Схема газотурбинной установки с промежуточным охлаждением воздуха, промежуточным подогревом газа и регенерацией. 1 и 2 - компрессоры низкого и высокого давления; 3 и 4 - турбины высокого и низкого давления; 5 - две камеры сгорания; 6 - регенератор; 7 - воздухоохладитель.

ГТУ используют меньший перепад тепла, чем ПТУ, а удельный объем газа намного превосходит значения начального удельного объема пара. Это дает возможность сконструировать проточную часть газовой турбины с небольшим числом ступеней. В настоящее время в главных ГТУ используют осевые турбины с одной - четырьмя ступенями давления.

Воздух в ГТУ подается в камеру сгорания компрессором, который является неотъемлемой частью ГТУ; в нем происходит сжатие воздуха до нужного давления. По конструкции компрессор сходен с турбиной со ступенями давления. Рабочий процесс, происходящий в его проточной части, протекает в обратном направлении по сравнению с процессом, происходящим в турбине, в результате чего происходит не расширение, а сжатие рабочего тела за счет уменьшения его относительной скорости в рабочих каналах лопаток. В турбине работа расширения газа является положительной, а в компрессоре работа сжатия - отрицательной, уменьшающей полезную работу ГТУ.

Как показывают исследования, газотурбинные установки являются предпочтительными для многих транспортных судов новых типов, которым необходимы агрегатные мощности при минимальных габаритных размерах по высоте и длине машинного отделения. В перспективе ожидается значительное снижение эксплуатационных затрат на ГТУ в результате применения газотурбинных топлив с предварительной их обработкой путем промывки и введения необходимых присадок.

5.2 Парогазотурбинные установки

Принципиальная схема ПГТУ представлена на рис. ?5.3.1.

Атмосферный воздух поступает в компрессор 8, сжимается в нем (до 0,25 - 0,45 МПа) и подается в топку высоконапорного парового котла (ВПК) 9, куда также впрыскивается топливо. При сжатии воздуха его температура повышается до 250°С, что позволяет отказаться от воздухоподогревателя и тем самым снизить массогабаритные характеристики ВПК.



Рис. ?5.3.1. Принципиальная схема ПГТУ: 1 - движитель; 2 - редуктор; 3 - ГТЗА; 4 - добавочный двигатель; 5 - муфта; 6 - газовая турбина; 7 - автоматический клапан; 8 - компрессор; 9 - ВПК; 10, 12 - питательный и конденсатный насосы; 11 -деаэратор; 13 --ГК

Дымовые газы покидают ВПК и поступают в газовую турбину 6, вращающую компрессор. Количество воздуха, подаваемого в ВПК, регулируется автоматическим клапаном 7, перепускающим избыток его в газоход.

Основное отличие ВПК от обычного котла состоит в использовании агрегата газотурбинного наддува - турбонаддувочного агрегата (ТНА) - для организации движения воздуха и газов.

Вспомогательная паровая турбина 4 (добавочный двигатель), входящая в состав ТНА, расходует часть пара, генерируемого ВПК. Она подключается к компрессору автоматически отключаемой муфтой. При растопке ВПК и при работе на малых и переходных режимах, когда мощность газовой турбины недостаточна, пар к вспомогательной турбине подводится от другого работающего ВПК или вспомогательного котла.

Самым перспективным типом ГТУ, как считают некоторые специалисты, может явиться установка, примененная на судах ро-ро типа «Капитан Смирнов» - с развитой системой утилизации тепла уходящих газов при условии обеспечения надежной работы на тяжелых топливах.

В настоящее время парогазотурбинные установки имеют КПД достигающий 0,35 - 0,38. Это дает им возможность конкурировать с самыми современными паротурбинными установками. В перспективе, увеличивая температуру газа в ГТУ до 900 - 1000°С, применяя многоступенчатое сжатие воздуха, промежуточный подвод теплоты к рабочему телу, регенерацию и высокую степень утилизации уходящих газов, можно поднять КПД комбинированной установки еще выше. Однако такие установки будут сложны по конструкции и тепловой схеме.

Лекция № 6. Развитие судовых дизелей с электронным управлением их функционированием

В 80-х годах прошлого столетия в области высокооборотных (ВОД), а затем и среднеоборотных (СОД) дизелей стали постепенно распространяться электронные системы управления отдельными процессами их функционирования, в первую очередь - процессами топливоподачи.

В 90-х годах тенденция перехода на электронное управление стала проявляться и в развитии судовых малооборотных дизелей (МОД), но с ориентацией на электронное управление всеми основными процессами функционирования дизеля (подача топлива, пускового воздуха и контрвоздуха, цилиндрового масла, газообмен) взамен традиционного механического управления с помощью кулачных распределительных валов. Это стало возможным на базе общего развития электронных систем управления (ЭСУ), направленного на полную компьютеризацию на базе совершенствования элементной базы, программного обеспечения и надежности. По имеющимся сведениям в настоящее время в постройке и в эксплуатации находятся более ста судов с такими двигателями.

Концептуальные особенности двигателей с электронными системами управления их функционированием, их достоинства и недостатки

Характерные особенности, присущие дизелям этого типа:

- замена традиционного механического привода органов газораспределения и топливоподачи гидравлическими сервомоторами с применением электрических распределительных клапанов с компьютерным управлением;

- наличие развитых гидравлических систем (масло, топливо) высокого давления, включающих в себя силовые насосы, трубопроводы (коллекторы), гидравлические толкатели и распределительные клапаны с электрическим управлением;

- наличие микропроцессорных электронных блоков, вырабатывающих электрические управляющие сигналы на базе программного обеспечения, разрабатываемого проектантом дизеля;

- наличие специальных датчиков, вырабатывающих электрические сигналы, необходимые для функционирования управляющих микропроцессорных блоков, - это датчики угла поворота коленчатого вала и датчики обратной связи с исполнительными гидравлическими устройствами;

- наличие устройств, обеспечивающих связь оператора с системой электронного управления, или, другими словами, наличие специального пульта управления, позволяющего выбирать оптимальный для конкретных условий плавания режим работы дизеля. Это может быть, например, режим наибольшей экономичности или режим минимального выброса в атмосферу окислов азота.

Применение электронного управления взамен механического дает существенные преимущества. Основные из них:

- гибкость управления, обеспечивающая за счет соответствующего программного обеспечения оптимальные характеристики двигателя на различных режимах и в разных условиях эксплуатации;

- снижение массы и известное упрощение конструкции двигателя за счет отказа от громоздких и достаточно сложных механических приводов систем топливоподачи, газораспределения и реверса;

- улучшение маневренных характеристик судна за счет снижения минимальной частоты вращения, улучшения пуско-реверсивных характеристик, управления подачей контрвоздуха для уменьшения выбега судна;

- возможность уменьшения выбросов окислов азота за счет изменения параметров топливоподачи и некоторого снижения экономичности при плавании в ограниченных акваториях;

- сочетание высокой экономичности с низкой эмиссией NOx за счет оптимизации сгорания при использовании различных сортов топлива с учетом режима работы двигателя и внешних условий;

- оптимизация управления системой цилиндровой смазки для снижения расхода цилиндрового масла при одновременном уменьшении износов цилиндровых втулок.

В настоящее время известны три фирмы - производители малооборотных судовых дизелей, которые предлагают на рынке двигатели с электронной системой управления (ЭСУ): это фирма MAN B&W (двигатели серии ME), фирма Wartsila (двигатели типа Sulzer RT-flex), а также японская фирма Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI) - двигатели серии UEC-Eco.

Анализ состояния, наиболее вероятных направлений и перспектив развития 2-хтактных малооборотных ДВС с электронным управлением

Двигатели фирмы MAN B&W Diesel A/S типа ME

Общий вид дизеля МЕ в сравнении с двигателем типа МС показан на рис. 1. На двигателе типа МЕ отсутствуют следующие компоненты:

- цепной привод;

- отсек цепного привода;

- распределительный кулачный вал;

- механизм привода толкателей топливных насосов и выпускных клапанов;

- топливные насосы высокого давления;

- воздухораспределитель;

- механический регулятор частоты вращения с приводом;

- механический привод лубрикаторов цилиндров;

- местный пост управления.



Рис. 1. Общий вид дизеля типа МЕ в сравнении с двигателем типа МС

Для выполнения функций вышеперечисленных компонентов предусмотрены следующие устройства:

- агрегат для подачи силового гидравлического масла (HPS - Hydraulic Power Supply);

- исполнительные гидравлические агрегаты для каждого цилиндра (HCU - Hydraulic Cylinder Units);

- система управления двигателем (EMS - Engine Control System), обеспечивающая выполнение следующих функций (рис. 2):

электронное управление изменением давления впрыскиваемого в цилиндр топлива (EPIC - Electronically Profiled Injection);

управление открытием и закрытием выпускных клапанов;

управление количеством и фазами подачи топлива в цилиндры;

управление процессами и процедурами пуска и реверса, включая остановку дизеля с подачей контрвоздуха;

регулирование частоты вращения;

управление вспомогательными воздуходувками;

управление процессами смазки цилиндров.

- система определения угла поворота вала;

- лубрикаторы цилиндров с электронным управлением;

- местная панель управления (LOP - Local Operating Panel).

Агрегат для подачи силового гидравлического масла (HPS) включает в себя следующие компоненты:

- самоочищающийся масляный фильтр с чистотой очистки 10 микрон;

- резервный фильтр с чистотой очистки 25 микрон;

- навешенные на дизель аксиально-поршневые насосы переменной производительности для подачи силового масла давлением до 250 бар к исполнительным гидравлическим агрегатам цилиндров (HCU). В зависимости от размерности дизеля привод может быть шестеренным или цепным, возможен автономный привод от электродвигателей. Производительность насосов регулируется общей электронной системой управления. Всего предусматривается три насоса - два в работе и один в резерве;

- электроприводные насосы:

a) насосы высокого давления (175 бар) для заполнения маслом системы гидроусилителей топливных насосов высокого давления;

b) насосы низкого давления (4 бара) для заполнения толкателей выпускных клапанов.

Эти насосы используются только при запуске дизеля. После запуска они отключаются, и подача масла осуществляется навешенными (основными) насосами.



Рис. 2. Общая схема контроля и управления МЕ-двигателей

В двигателях типа МЕ введен промежуточный элемент - гидроусилитель, по сути дела аналог традиционного топливного насоса высокого давления. Такое решение позволяет отделить высоконапорные трубопроводы, заполненные горячим топливом, от общей магистрали с регулирующими устройствами (при использовании тяжелого топлива его температура может превышать 160?C). Горячее топливо не поступает в прецизионные быстродействующие управляющие клапаны. Это, по мнению разработчиков, повышает надежность системы.

К насосам системы гидравлики масло поступает из общей магистрали смазочного масла через фильтр тонкой очистки. От силового агрегата масло с давлением 200 бар по трубопроводу с двойными стенками подается к исполнительным гидравлическим агрегатам цилиндров (HCU), смонтированным на общей фундаментной плите, расположенной на верхней платформе дизеля. HCU предназначены для подачи топлива в цилиндры, подачи цилиндрового масла и для открытия выпускных клапанов. По сути дела они выполняют те же функции, что и топливные насосы высокого давления, лубрикаторы цилиндров и толкатели выпускных клапанов в традиционных двигателях, но благодаря электронно-управляемыми клапанам, они позволяют гибко регулировать фазы распределения в зависимости от режима работы двигателя, что невозможно сделать при кулачном приводе. В результате система на любом режиме обеспечивает нужные: давление топлива, фазы топливоподачи, форму кривой давления от однофазного до двухфазного впрыска топлива (рис. 3).

Рис. 3. Схема системы впрыска топлива в цилиндр двигателей типа МЕ.

На рисунке: Low pressure fuel supply - подача топлива низкого давления; Fuel return - возврат топлива; Measuring and limiting device. Pressure booster (800-900 bar) - измерительное и лимитирующее устройство. Гидроусилитель (800-900 бар); Position sensor - датчик позиции; ELFI valve - клапан ELFI; 200 bar hydraulic oil. Common with exhaust valve actuator - гидравлическое масло давлением 200 бар, как и для толкателя выпускного клапана.

Привода выпускного клапана входит в комплекс гидравлического агрегата цилиндра Силовое масло подводится к двухпозиционному (открыт - закрыт) управляющему клапану. По сигналу от управляющей системы двигателя клапан открывается и дает доступ силовому маслу к поршню гидропривода. Редуцированное давление передается гидравлическому толкателю выпускного клапана, имеющему традиционную конструкцию. В нужный момент золотниковый клапан отсекает подачу силового масла и сообщает полость под поршнем с дренажным трубопроводом. Закрытие выпускного клапана осуществляется пневматической пружиной традиционного типа. Это позволяет свободно варьировать фазы газообмена и условия работы ГТН.

Распределитель пускового воздуха с механическим приводом отсутствует. Его функции выполняют двухпозиционные клапаны с электронным управлением, расположенные на трубопроводе пускового воздуха позади крышки каждого рабочего цилиндра.

Для смазки рабочих цилиндров применяются лубрикаторы с гидравлическим приводом и электронным управлением, устанавливаемые на исполнительном гидравлическом блоке каждого цилиндра. Количество подаваемого масла определяется программными средствами в соответствии с содержанием серы в топливе и нагрузкой дизеля. В программу управления заложен нижний предел подачи масла - 0,3 г/кВт-ч.

На двигатель устанавливается два датчика угла поворота коленчатого вала (один рабочий, а другой - резервный). Электрический сигнал от датчика (Tacho + position signal) вводится в электронную систему управления двигателем и является основой для регулирования фаз газораспределения и топливоподачи в соответствии с режимом работы двигателя.

Предусматривается три поста управления: на ходовом мостике (Bridge Panel), в центральном посту управления (Main Operating Panel) и местный пост непосредственно на двигателе (Local Operating Panel). Каждый из постов оборудован устройствами для выдачи оператором управляющих команд (пуск, остановка, реверс, частота вращения и т.д.).

Применение электронного управления, благодаря его гибкости, обеспечивает в эксплуатации ряд преимуществ по сравнению с традиционным механическим управлением. Основные из них:

а) Снижение расхода топлива.

Двигатели с механическим топливо- и газораспределением обычно регулируются так, чтобы получить минимальный удельный расход топлива на режиме вблизи номинальной нагрузки (90 - 100%). Электронная система управления позволяет оптимизировать удельный расход топлива практически на всех режимах путем изменения углов и давления подачи топлива, а также изменением угла открытия и закрытия выпускного клапана. Так, путем сокращения продолжительности подачи топлива за счет увеличения давления и уменьшения угла открытия выпускного клапана можно увеличить действительную степень сжатия, изменить кривую давления газов в цилиндре и повысить максимальное давление газов до номинального на нагрузке дизеля 75% от номинала, что позволяет снизить удельный расход топлива примерно на 5 г/кВт-ч.

б) Улучшение маневренности двигателя.

Возможность изменения фаз топливоподачи и открытия выпускных клапанов позволяет оптимизировать процессы аварийного реверсирования, пуска и разгона двигателя. Например, при разгоне более раннее открытие выпускного клапана позволяет увеличить энергию газа, поступающего к турбине компрессора, и тем самым ускорить возрастание давления наддува.

Благодаря электронному управлению впрыском топлива удается снизить минимальную устойчивую частоту вращения до 10 - 12% от номинальной. Это особенно важно для судов с мощными дизелями при прохождении каналов и узкостей.

В систему управления включено устройство, предотвращающее перегрузку двигателя при плавании в тяжелых условиях (обрастание корпуса, плавание во льдах и в штормовых условиях).

в) Возможность снижения эмиссии окислов азота.

В электронной системе управления предусмотрена возможность выбора двух видов режимов работы двигателя: режим оптимального расхода топлива и режим минимальной эмиссии NO_x. Более чем двукратное снижение выброса NO_x достигается за счет осуществления двухфазного впрыска топлива, снижения максимального давления и температуры рабочего цикла. Естественно, это приводит к увеличению удельного расхода топлива, но режим низкой эмиссии NO_x используется только в ограниченных акваториях.

Рассмотрение конструкции дизеля типа МЕ показывает, что по сравнению с традиционными дизелями на нем сохранены практически все механические элементы, отвечающие за подачу топлива, воздуха, цилиндрового масла и открытие выпускных клапанов, за исключением кулачных валов. Функции последних выполняет гидравлическая система с электронным управлением гидравлическими клапанами. Полагая, что надежность перечисленных механических элементов не снижена по сравнению с традиционными, можно сказать, что вероятность снижения надежности дизеля в целом будет определяться надежностью управляющих клапанов, силового гидравлического агрегата, электронных компонентов системы управления, а также качеством программного обеспечения системы. Как уже отмечалось, изготовителем обеспечено полное резервирование компонентов системы управления, отказ которых приводит к остановке дизеля. Компоненты, отвечающие за работу отдельных цилиндров, могут быть заменены запасными без остановки двигателя.

Двигатели фирмы Wartsila NSD типа Sulzer RT-flex.

Двигатели типа RT-flex являются развитием хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации двигателей типа RTA. Отличие заключается в том, что механический привод органов распределения заменен гидравлическим приводом с электронным управлением клапанами. Фирма анонсирует фактически те же преимущества новой системы управления, что и описанные выше преимущества дизелей типа МЕ фирмы MAN B&W.

С дизеля RTA удалены привод кулачного вала, сам кулачный вал, реверсивное устройство, воздухораспределитель и топливные насосы высокого давления. Вместо них на двигателе RT-flex установлены насосный агрегат с приводом от коленчатого вала (включающий в себя топливные насосы высокого давления и насосы силового масла), общие коллекторы топлива высокого давления и силового масла (Common-Rails), расположенные на верхней площадке вблизи цилиндровых крышек, и клапаны управления с электромагнитным приводом (рис. 4).

Рис. 4. Схема управления распределительными органами двигателя типа RT-flex

На рисунке: Exhaust valve actuator - толкатель выпускного клапана; Fuel injectors - форсунки; Volumetric fuel injection control unit - устройство для управления впрыском топлива; 1000 bar fuel HFO/MDO - тяжелое/дизельное топливо давлением 1000 бар; 200 bar servo oil and control oil - силовое и управляющее масло давлением 200 бар; 30 bar starting air - пусковой воздух давлением 30 бар; Exhaust valve actuating unit - силовой поршень толкателя выпускного клапана; WECS 9500 control system - управляющая система WECS 9500; Crank angle sensor - датчик угла поворота вала.

Главное отличие двигателей RT-flex от двигателей типа МЕ состоит в разных системах впрыска топлива в цилиндры. Если в двигателях МЕ топливо к форсункам подается индивидуальными для каждого цилиндра топливными насосами высокого давления с гидравлическим приводом, то в двигателях RT-flex имеется общий коллектор (Common-Rail), топливо в который подается общим для всех цилиндров плунжерным насосом с приводом от коленчатого вала, что по существу представляет собой аккумуляторную топливную систему. В судовых дизелях использование топливных систем высокого давления с гидравлическим аккумулированием в баллоне известно достаточно давно. В МОД их применяли фирмы Doxford и Mitsubishi Heavy Industries. При этом фирма Доксфорд начинала с варианта аккумуляторной топливной системы с механически управляемыми форсунками-дозаторами, а затем перешла к применению отдельных клапанных дозаторов для каждого цилиндра с механическим приводом от небольшого распредвала, через которые топливо поступало из общей аккумуляторной системы к обычным гидравлическим форсункам. Фирма MHI при разработке первых вариантов своей модели малооборотного двигателя UEC также попыталась применить аккумуляторную топливную систему с механическим дозатором, но затем отказалась от него в пользу традиционного ТНВД золотникового типа. Аккумуляторная топливная система с золотниковым дозатором была разработана и испытана на экспериментальном отсеке 4ДКРН75/160 Брянского машиностроительного завода. Топливо давлением до 1000 бар из общего коллектора поступает к форсункам традиционного типа через электронно-управляемые клапаны. Система управления клапанами позволяет регулировать количество подаваемого в цилиндр топлива, угол начала подачи и форму кривой давления топлива перед форсункой, включая двухфазный впрыск топлива. В крышке цилиндра расположены три форсунки, и система управления позволяет регулировать подачу топлива через каждую из них. Последнее позволяет снизить минимальную устойчивую частоту вращения дизеля за счет отключения одной или двух форсунок при чрезвычайно малой цикловой подаче топлива. В топливном коллекторе предусмотрены демпферы для гашения волн давления, возникающих при цикличной подаче топлива.

Дальнейшее развитие своих дизелей фирма видит в создании "разумного" двигателя (Intelligent Engine). Идея заключается в том, что путем мониторинга различных параметров дизеля контролируется его техническое состояние, и на этой базе корректируются параметры регулировки, планируется техническое обслуживание и заказ запасных частей. Мониторинг осуществляется с использованием бортовых компьютеров, которые с помощью специального программного обеспечения обрабатывают поступающие данные и выдают соответствующие рекомендации (в идеале - автоматически выдают необходимые управляющие сигналы).

Двигатели фирмы Mitsubishi Heavy Industries, Ltd типа UEC Eco-Engine

Концепция системы управления дизеля фирмы Mitsubishi Heavy Industries, Ltd типа UEC-Eco та же, что и у дизеля типа ME фирмы MAN B&W, т. е. процессы подачи топлива, открытия и закрытия выпускных и пусковых клапанов, подачи смазки в цилиндры осуществляются гидравлическими толкателями под управлением электронной системы. Вместо кулачного распределительного вала от коленчатого вала приводится силовой гидравлический агрегат.

Главное преимущество электронного управления фирма видит в том, что благодаря гибкому управлению процессами топливоподачи и газообмена появляется возможность снижения дымности выпускных газов и выбросов NO_x при плавании судна в особых районах. Это особенно актуально в связи с вступившими в действие достаточно жесткими требованиями Конвенции MARPOL по выбросам NO_x и ожидаемым дальнейшим ужесточением требований по национальному законодательству, в частности, США.

Гибкое управление позволяет на 1-2 % снизить удельный расход топлива на долевых режимах при одинаковой с традиционным дизелем эмиссии NO_x или уменьшить на 10-15 % выброс NO_x при одинаковом удельном расходе топлива (рис.5).



Рис. 5. Связь между удельным расходом топлива и эмиссией NO_x

Анализ состояния, наиболее вероятных направлений и перспектив развития ВОД и СОД с электронным управлением

Состав применяемых в среднеоборотных дизелях ЭСУ достаточно широк, но пока не позволяет отказаться от применения распределительных валов. Можно считать, что СОД и ВОД находятся на промежуточном этапе перехода управления функционированием дизеля от полностью механического к полностью компьютеризованному.

Уже сегодня электронными могут быть системы: топливная, газообмена, наддува, изменения степени сжатия, рециркуляции отработавших газов, охлаждения, смазки и др. Чем больше число электронных систем, примененных в двигателе, тем большие возможности обеспечиваются для оптимизации управления. Но для каждой конкретной модификации дизельной установки и каждого варианта условий ее эксплуатации может быть выбрано такое сочетание ЭСУ, которое является оптимальным по соотношению достигаемого экологического и экономического эффекта и стоимостью изготовления, затратами на обслуживание, а также надежностью ЭСУ и двигателя в целом. Оптимальность такого соотношения достигается при согласованном многосвязном адаптивном микропроцессорном управлении процессами функционирования дизеля.

В СОД практически монопольное распространение получило применение ЭСУ в топливных системах высокого давления типа “Common Rail” (CR),. В СОД топливные системы с общим аккумулятором и механическими клапанными дозаторами применялись, в частности, фирмой Cooper Bessemer на двигателях LS-8. Таким образом, принцип “Common Rail”использовался в судовых дизелях, по крайней мере, 50 лет назад. Следует заметить, что давление топлива в этих системах составляло 420-470 бар на полном ходу и снижалось до 220 бар на режимах малых нагрузок.

Среди современных СОД с ЭСУ обращают на себя внимание работы фирмы MAN B&W по оснащению системами CR четырехтактных среднеоборотных двигателей 32/40 с цилиндровой мощностью 500 кВт при частоте вращения 750 мин^-1. Двигатель имеет степень сжатия 14,5, скорость поршня 10 м/с, среднее эффективное давление 2,39 МПа. Давление в системе CR составляет 160 МПа.

Один из пяти вспомогательных дизель-генераторов этого типа на контейнеровозе “Cornelia Maersk” имеет наработку более 12000 ч.

Фирма Volvo Penta применила систему CR на четырехцилиндровых высокооборотных дизелях с 4-клапанными головками в составе дизель-генераторов D4-260 мощностью 155 и 260 кВт.

Двигатели фирмы MTU Detroit Diesel типа 2000/4000/8000

Фирма MTU Detroit Diesel применила систему CR на дизелях типа 2000/4000/8000. Разработка системы топливоподачи CR была выполнена в августе 1997 г. При этом, разработчики исходили из того, что обеспечение необходимых характеристик впрыска топлива в цилиндр двигателя является самым эффективным способом обеспечения требований к экологическим параметрам дизелей.

Первоначальная разработка дизеля MTU 16V4000R41 с системой CR предназначалась для тепловозных дизелей. Система была предназначена для дизелей с цилиндровой мощностью 180 кВт. Сравнительные испытания таких дизелей и двигателей с обычными системами топливоподачи показали, что снижение эмиссии NOx составило до 34%, а твердых частиц - до 67% от величин, обычных для штатного дизеля при снижении удельного расхода топлива. В 2000 г система CR применена фирмой MTU на дизелях типа 8000 с цилиндровой мощностью 450 кВт уже в иной комплектации: с аккумулятором на 1800 бар, рядным ТНВД производительностью до 34 л/мин. Вторая модификация ТНВД для дизелей MTU/DDC типа 4000 с CR запущена в 2002 г. В этом случае давление в аккумуляторе составило 1400 бар, а производительность насоса - 32 л/мин. Испытания продемонстрировали снижение дымности отработавших газов до числа 0.16 FSN и удельный расход топлива 200 г/кВт*ч.

Одновременно был запущен важный проект по созданию системы HFO-CR, работающей на тяжелом топливе. Эта новая разработка использована и на дизеле Wartsila W32CR цилиндровой мощностью 460 кВт при 750 мин^-1 . Двигатель установлен на контейнеровозе “Alex Maersk”, рассчитанном на перевозку 8500 TEU, с дизелем Wartsila W32CR, спущенном на воду в феврале 2003 г.

Двигатели фирмы Wartsila типа 32, 38, 46

Для дизелей фирмы Wartsila типов 32, 38, 46 в системе CR приняты по существу те же технические решения, что и для дизелей RT-Flex, однако в схеме системы имеются и существенные отличия.

Схема системы имеет две линии подачи: топливную, обеспечивающую подачу топлива с высоким давлением в цилиндры дизеля, и масляную - линии подачи масла для управления сервоприводом электрогидравлических форсунок.

В данной схеме (рис. 6, 7) кулачковый вал приводит ТНВД, расположенные вдоль дизеля, которые соединены с аккумуляторами давления, а дозирование топлива осуществляется с помощью специального управляющего клапана, который открывает и закрывает поток сервомасла управления движением иглы распылителя электрогидравлических форсунок.

В сравнении с обычными ТНВД системы CR более просты, т.к они освобождены от функций дозирования и равномерного распределения топлива по цилиндрам дизеля и за ними оставлена лишь функция нагнетания топлива в аккумулирующую часть системы.

Безопасность системы обеспечивается тем, что несвоевременное попадание топлива в цилиндры двигателя предотвращается отсутствием давления в канале от управляющего клапана до распылителя между впрысками; впрыск топлива начинается только при движении управляющего клапана.

При использовании тяжелого топлива готовность двигателя к работе обеспечивается постоянной циркуляцией топлива в системе.

Рис.6. Схема системы топливоподачи CR 1 - форсунка; 2 - аккумулятор; 3 - ТНВД; 4 - кулачковый вал; 5 - кулачная шайба

Рис.7. Расположение элементов системы CR на двигателе

Control oil to SSV - управляющее масло к пуско-предохранительному клапану (SSV); Control oil to injector - управляющее масло к форсунке; Oil in - подвод масла; Injector return fuel - сброс топлива из форсунки; Monitoring for control oil spill - наблюдение за сбросом управляющего масла; From closed leakage detection - обнаружение утечки из закрытой полости; Pressure sensor - датчик давления; FCV, plunger spill - клапан регулирования давления (FCV), плунжер сброса; LP-fuel return from pumps - сброс топлива из насоса низкого давления (ННД); LP-fuel supply - питание ННД; Fuel drain gas-bottle - слив топлива из газового стакана; Pump mist line - конденсатная линия насоса; Leakage collection to alarm - коллектор топлива утечки; Return fuel from injectors - возврат топлива из форсунки; Oil to cylinder head - масло к головке цилиндров; Control oil profile - магистраль управляющего масла

Основные преимущества при использовании системы CR в СОД:

? бездымная работа дизеля на всех нагрузках при любой частоте вращения;

? бездымный пуск дизеля;

? бездымная работа при набросах нагрузки;

? снижение эмиссии окислов азота на 3…4 г/кВт в условиях повышенной влажности без видимого дыма;

? экономия топлива;

? приспосабливаемость к работе на различных топливах без существенных изменений (тяжелое топливо, дизельное топливо, топливо газотурбинное, водотопливные эмульсии);

...