Неустановившиеся режимы работы

Неустановившиеся режимы характеризуются переменными по времени нагрузками двигателя, частотой вращения, тепловым состоянием деталей цилиндра. Практика показывает, что большая часть аварий происходит на неустановившихся режимах — при пусках, реверсах, выводе двигателя на режим полного хода, работе в штормовых условиях, сбросе нагрузки и остановке. Рассмотрим особенности работы двигателей на неустановившихся режимах и общие требования, предъявляемые к ним Правилами технической эксплуатации и Правилами Регистра.

Пуск дизеля

По данным Балтийского морского пароходства, главные двигатели транспортных судов в среднем пускаются 800 — 900 раз в год; на пассажирских судах — до 1200 — 1500 пусков в год. На судах рыбопромыслового флота с прямой передачей мощностей на винт фиксированного шага дизель пускается до 50 — 100 раз в сутки.

Запуск двигателя на морском судне — единственное средство приведения в действие гребного винта, а реверс двигателя (пуск на задний ход) — единственное средство остановки и изменения направления движения судна с винтом фиксированного шага в наиболее ответственные моменты эксплуатации (при маневрировании на стесненной экватории порта, при движении по сложному фарватеру, для предотвращения последствий навигационной ошибки и т.д.). Поэтому пускореверсивные качества дизеля с прямой передачей мощности на винт являются важнейшими эксплуатационными показателями.

Запуск судового дизеля осуществляется за счет энергии предварительно сжатого воздуха. Воздух хранится в баллонах под давлением 25-30 кг/см2. В соответствии с требованиями Регистра, запас воздуха в баллонах без их пополнения должен обеспечить 12 последовательных пусков и реверсов двигателей, непосредственно работающих на винт фиксированного шага. При наличии винта регулируемого шага или при электродвижении запас воздуха в баллонах должен обеспечить 6 последовательных пусков.

Все главные судовые дизели могут запускаться из любого положения коленчатого вала. Как правило, все цилиндры имеют пусковые клапаны. Подача пускового воздуха в цилиндры начинается в районе ВМТ (φ1 = 1 — 6° пкв после ВМТ) и заканчивается при повороте коленчатого вала на угол φ2 = 65 — 110° пкв после ВМТ. Для запуска вспомогательных двигателей с числом цилиндров 2-5 (в зависимости от тактности) их необходимо устанавливать в пусковое положение. В последние годы некоторые вспомогательные двигатели запускаются с помощью встроенной воздушной турбинки без пусковых клапанов и привычной системы пуска.

Можно выделить в общем случае 4 фазы пуска:

  1. Подготовка к пуску;
  2. Пуск на воздухе, раскрутка двигателя до частоты вращения, обеспечивающей работу на топливе;
  3. Продолжение раскрутки на воздухе с одновременными вспышками топлива в некоторых цилиндрах;
  4. Прекращение подачи пускового воздуха, разгон двигателя до требуемых оборотов на топливе.

В соответствии с Правилами технической эксплуатации, подготовка двигателя к пуску включает в себя внешний осмотр двигателя, подготовку к работе систем пуска, топливо и воздухоснабжения, циркуляционной и цилиндровой смазки, охлаждения элементов двигателя. Как правило, обеспечивается прогрев двигателя с помощью систем охлаждения и циркуляционной смазки и проворачивание его при открытых индикаторных кранах с помощью валоповоротного устройства. После отключения валоповоротного устройства двигатель проворачивается на воздухе при открытых индикаторных кранах и только после этого проверяется в работе на топливе.

Собственно пусковые качества двигателя оцениваются 2-мя показателями: временем пуска-реверса и количеством затрачиваемого воздуха на один пуск. Рассмотрим, от чего зависят эти показатели на основе уравнение движения системы двигатель-валопровод, которое можно записать в виде:

Мдв = ℑ (dw/dτ) + Мтр + Мсж + Мв

  • где Мдв — момент движущей силы двигателя;
  • Мтр — момент от сил трения в элементах движения (в подшипниках и в парах поршень-втулка);
  • Мсж — момент на сжатие воздуха в неработающих цилиндрах;
  • Мв — момент, развиваемый винтом;
  • ℑ (dw/dτ) — момент от сил инерции движущихся масс при разгоне двигателя.

Величины моментов ℑ (dw/dτ), Мсж, Мв определяются свойствами системы двигатель-валопровод-винт и практически не зависят от механика. Момент сил инерции определяется ускорением, с которым раскручивается двигатель. Момент на винте Мв жестко связан с частотой вращения (Мв = сn2) и зависит от загрузки судна.

Момент от сжатия воздуха Мсж действует в самом начале пуска, когда сжимается воздушный заряд в цилиндрах, которые находились в районе нижней мертвой точки в момент страгивания коленчатого вала. В дальнейшем, если при переходе через верхнюю мертвую точку в этих цилиндрах не произошло вспышек, сжатый воздух, расширяясь, компенсирует затраты энергии на его предварительное сжатие.

Наиболее существенным эксплуатационным фактором, определяющим качество пуска, является момент от сил трения Мтр. Силы трения зависят от теплового состояния двигателя. У не прогретого дизеля высокая вязкость смазки, что увеличивает силы трения в подшипниках и в цилиндрах, приводит к возрастанию количества пускового воздуха на преодоление этих сил.

В то же время, у холодного дизеля увеличен теплоотвод от воздушного заряда при его сжатии в цилиндре, что требует повышения минимальной частоты вращения nmin для обеспечения вспышек в цилиндрах и еще более увеличивает расход пускового воздуха. Указанные обстоятельства требуют от механика прогрева двигателя перед пуском.

Момент движущих сил Мд определяется давлением пускового воздуха. Чем больше давление, тем больше момент и меньше время раскрутки двигателя до минимальных оборотов nmin, при которых обеспечивается вспышка топлива. На рис. №1 приведены зависимости угла раскрутки до nmin, от давления пускового воздуха Рв. Как видно, при Рв = 30 бар nmin достигается через 30° пкв после страгивания коленчатого вала; при Рв = 10 бар этот угол увеличивается до 120 — 150° пкв, пусковые качества ухудшаются.

Рис. 1 Зависимость частоты вращения двигателя 6RD76 при пуске от давления пускового воздуха

В то же время, давление пускового воздуха определяет его расход. Как видно из рис. 2, при максимальном давлении Рв = 25 — 30 бар расход воздуха в 3 — 4 раза больше, чем Рв = 15 бар. Причина повышенного расхода воздуха при больших давлениях — чрезмерная раскрутка двигателя до оборотов, превышающих минимально необходимые.

Так, при Рв — 30 бар в момент начала вспышек мгновенная частота вращения составляет п ≈ 39 об/мин, хотя требуется nmin = 20 об/мин. Поэтому целесообразно для снижения расхода пускового воздуха и экономии моторессурса воздушного компрессора поддерживать на маневрах несколько сниженное давление в пусковых баллонах.

Расход пускового воздуха в значительной степени зависит от способа управления двигателем и от способа пуска (раздельный или смешанный). При дистанционном автоматизированном управлении расход воздуха увеличивается в 2 и более раза (рис. 2). Датчики системы ДАУ обычно настраиваются на выключение подачи пускового воздуха при высоких частотах вращения (с целью обеспечить запуск при самых тяжелых условиях — дизель холодный, судно в полном грузу). В нормальных условиях для сокращения затрат пускового воздуха управление двигателем целесообразно передавать из рулевой рубки в ЦПУ.

Рис. 2 Зависимость расходов пускового воздуха от его давления при пуске с местного поста (МПУ) и при дистанционном управлений (ДПУ)

Способ пуска влияет на пусковые качества на конечных фазах. При раздельном пуске двигатель раскручивается сначала только на воздухе, а затем — только на топливе (после установки топливной рейки на подачу поступление пускового воздуха в цилиндры прекращается, 3-я фаза пуска отсутствует).

При смешанном пуске топливная рейка устанавливается на подачу до страгивания коленчатого вала. Поэтому как только достигается минимально необходимая частота вращения nmin, в некоторых цилиндрах появляются вспышки, увеличивающие движущий момент Мд . Двигатель разгоняется одновременно как на воздухе, так и на топливе, время разгона сокращается; пусковой рычаг можно устанавливать на “0” после 2-3 вспышек.

Поэтому считается, что пусковые качества двигателей, имеющих смешанный пуск, лучше (двигатели фирмы Зульцер, МАН, Фиат, Сторк). При применении автоматизированной системы дистанционного управления, когда топливная рейка приводится от регулятора частоты вращения, двигатели со смешанной системой пуска фактически пускаются по раздельной схеме.

Раздельный пуск применяется в двигателях фирм Бурмейстер и Вайн, Гетаверкен. Раскрутка двигателя на воздухе происходит до частоты вращения, превышающая nmin, с целью гарантии запуска при переводе на топливо. При этом увеличивается расход пускового воздуха. Увеличение расхода воздуха требуется не только для раскрутки двигателя, но и для раскручивания вала газотурбонагнетатсля и последующего воздухоснабжения двигателя с импульсным газотурбинным наддувом после прекращения подачи пускового воздуха.

Появление первой вспышки в цилиндре не является гарантией дальнейшей устойчивости работы двигателя на топливе. В дальнейшем из-за неудовлетворительного распыливания топлива, низкого теплового уровня цилиндров могут появиться пропуски вспышек, двигатель может “заглохнуть”. Это приводит к повторным пускам, необходимости “передержки” двигателя на воздухе.

Следует обратить внимание на возможность жесткой работы двигателя при пуске, повышения износов цилиндров, механической и тепловой напряженности. При малых подачах топлива ухудшается его распыливание, что может привести к увеличению периода задержки самовоспламенения i возрастает в 5-9 раз), пропуску вспышек в цилиндре, скоплению топлива на головке поршня. После воспламенения топлива показатель жесткости рабочего процесса ΔР/Δφ может возрасти в 2-3 раза, достигая значений 6-7 кг/см2 на градус пкв и даже выше. При этом значительно увеличивается механическая напряженность подшипников (головного, мотылевого, рамового).

Увеличение износов происходит, если до пуска на зеркале цилиндра отсутствует масляная пленка. При этом наблюдается сухое трение пары поршень-втулка. Для предотвращения сухого трения предусматривается в период подготовки двигателя к пуску прокачка системы цилиндровой смазки вручную (там, где есть такая система).

Тепловые напряжения цилиндра могут увеличиваться сверх допустимого при пусках горячего двигателя, не успевшего остыть после работы на полном ходу. При подаче пускового воздуха его температура из-за расширения в цилиндре значительно ниже 0°С, что создает большие термические напряжения в районе пускового отверстия. При накоплении теплосмен это может привести к усталостным разрушениям крышки.

Таким образом, для повышения надежности работы двигателя необходимо стремиться к сокращению количества пусков.

Смотрите также:
б) Реверс дизеля
в) Прогревание, нагружение до полной мощности и остановка двигателя
г) Работа при волнении моря

Октябрь, 29, 2016 1275 0
Читайте также